肿瘤放射治疗技术的现状与发展

原创：肿瘤放射治疗技术的现状与发展

摘要放射治疗在过去的十年中经历了一系列技术革命，相继出现了三维适形放疗（3DCRT）、调强放疗（IMRT）、质子放疗等技术，这些技术的主要进步是靶区剂量分布适形性的提高。但是，由于呼吸运动等因素的影响，在放疗实施过程中肿瘤及其周围正常组织会发生形状和位置的变化，这种不确定性一定程度阻碍了3DCRT和IMRT技术的发展。图像引导放疗技术（IGRT）的出现，对补偿呼吸运动影响的肿瘤放疗取得了很好的疗效，特别是近年来提出的四维放射治疗（4DRT）技术，进一步丰富了IGRT的实现方式。本文将详细介绍现有的各种放疗技术及其存在的问题，同时讨论一下放疗技术的未来发展方向。

关键词图像引导放疗；锥形束CT；四维放疗；呼吸门控系统

1引言

理想的放疗目的是精确给予肿瘤高剂量的同时尽量减少对靶区周围正常组织的照射。近年来3DCRT和IMRT技术实现了静态三维靶区剂量分布的高度适形，较大程度上解决了静止且似刚性靶区的剂量适形放射问题。然而，在实际放疗过程中，主要由呼吸运动引起的内部组织的运动和形变（主要是胸部和腹部的靶组织），严重影响了IMRT和3DCRT技术的准确实施。如在单次放疗中，呼吸运动和心脏跳动会影响胸部器官或上腹部器官的位置和形状，胃肠蠕动也会带动邻近的靶区；在分次放疗间随着疗程的进行出现的肿瘤的缩小或扩展；消化系统和泌尿系统的充盈程度；在持续的治疗过程中患者身体变瘦或体重减轻等造成的靶区和标记的相对移位。针对上述问题，我们迫切需要某种技术手段去探测肿瘤的摆位误差和运动形态，并且这种技术可以对靶区的形态变化采取相应的补偿和控制措施。IGRT正是基于以上问题的出现而产生的。现在我们可以采用在线校位和自适应放疗技术去解决分次间的摆位误差和靶区移位问题，也可以采用呼吸限制、呼吸门控、四维放疗等技术对单次放疗中出现的靶区运动进行补偿和控制，而这些技术都是属于IGRT的范畴[2]。后面的内容将分别介绍IMRT技术、IGRT 技术的不同实现方式，包括呼吸限制、呼吸门控、自适应放疗、四维放疗，最后介绍一下未来放疗技术及设备的发展方向。

2肿瘤放疗技术的现状

由于目前各种放疗技术各具优势及经济市场发展等原因，不同的放疗技术还处于并存的状态，适形调强放疗和图像引导放疗的部分技术代表了放疗领域的现状。

2．1适形调强放射治疗

适形调强放疗技术包括三维适形放疗和调强放疗。三维适形放疗是通过采用立体定位技术，在直线加速器前面附加特制铅块或利用多叶准直器来对靶区实施非共面照射，各射野的束轴视角（beam eye view, BEV）方向与靶区的形状一样，使得剂量在靶区上的辐射分布可以更加准确，而对周围正常组织的照射又可降到较低程度[3]。与以往的常规放疗相比，三维适形放疗设备的突出优势是多叶准直器的使用。多叶准直器所产生的辐射野可以根据肿瘤在空间任何角度方向（一般指机架旋转360度范围内）上的几何投影形状而改变，使辐射野的几何形状与肿瘤投影相匹配。如美国Varian生产的23EX直线加速器上面装配有60对多叶

准直器，该型多叶准直器在等中心平面上有40对宽0.5cm的叶片，两旁还各有10对宽1.0cm的叶片，最大射野达40cm×40cm。由于多叶准直器灵活、高效的特点，将会逐步取代铅块的使用。

调强放疗是在三维适形放疗技术的基础上发展起来的。调强放射治疗与三维适形技术相比，其优势体现在：①采用CT或MRT三维重建定位，提高了摆位和照射的精确度；②逆向计划的实施确保了剂量分布参数不仅从正面计算，而且利用了逆向算法来验证和审核，实现了射野强度分布的最优化；③可以配置射野内的各线束的权重，保证了剂量分布形状与靶区的实际三维分布形状相一致[4-5]。IMRT的这些特点，使得我们可以对不同的靶区设计个体化的剂量分布计划，总体上缩短了治疗时间，提高了肿瘤的局部控制率。IMRT技术的临床结果表明，其有效提高了中度和低度肿瘤的敏感性，在正常组织受损程度降低的情况下提高了肿瘤的单次照射剂量和总剂量，从而不仅保证了疗效且缩短了治疗的总时间。

在目前已经使用的各种调强放疗系统中，电动多叶准直器的使用较为广泛且技术相对成熟。如国内的大恒医疗设备公司推出的STAR-2000系列精确适形调强放疗系统，该系统具有CT/MRT、CT/PET等多模式三维图像融合功能，采用了内置多叶准直器，可自动进行逆向优化计算给出调强计划。经临床测试，该系统对肿瘤的定位准确，而且可以实现靶区的高剂量照射，显示出较三维适形放疗系统的优势。图像引导下适形调强放疗技术的研究在近年来取得了很大进步，相信不久的将来必将引领“精确定位、精确计划、精确放疗”技术的新发展。

2．2呼吸限制和呼吸门控

呼吸运动会引起肺、乳腺、肝、胃等胸部器官和腹部器官的形变和移位，所以人们首先采用了呼吸限制的方法来减少呼吸运动对肿瘤运动的影响。呼吸限制在一定程度上暂停了靶区的运动，这样，当我们做CTV到PTV的扩展时，有效的减少了PTV与CTV间的安全边界[7]。近年来出现的呼吸限制技术主要有主动呼吸限制技术（voluntary breath hold，ABC）和深度吸气屏气技术（deep inspiration breath hold，DIBH）。这些技术的优势是操作简单省时，但是呼吸限制需要患者配合医生进行屏气，所以呼吸限制仅适合肺功能较好而且愿意配合医生进行治疗的患者。

基于呼吸限制的局限性，人们提出了呼吸门控技术。呼吸门控是指通过某种检测设备对呼吸运动进行检测，在呼吸周期的特定时间间隔内打开或关闭射线束，从而在特定时相间隔内近似定位了肿瘤的状态。例如，实时体位跟踪呼吸门控系统（RPM Respiratory Gating System）采用一台红外摄像机来跟踪固定在患者胸部或腹部的体外标记，然后系统通过呼吸运动波形曲线来描述患者的呼吸运动模式。在放疗计划中，我们已经通过所获得的CT图像建立了一个在特定时相对靶区进行放射的计划，在治疗过程中当靶区进入计划治疗区域时系统会自动打开射线束。若患者由于呼吸异常等原因造成呼吸曲线偏离阈值时，系统会自动关闭射线。这样，患者就可以在相对自然的呼吸下接受治疗。

呼吸门控的执行可以采用外部标记法或内部标记法，外部标记是固定在患者腹部或胸部的反射性固体块，可以通过红外摄像机进行监控，如上面提到的实时体位跟踪系统就是采用了这种体外红外摄像跟踪方法。内部标记法是指在患者体内靶区植入不透X线金属标记物，这样，可以通过射线对标记进行检测来确定肿瘤的运动状态。

但是，呼吸限制和呼吸门控技术也有不足之处。在实际放疗中，它们都是在呼吸周期的某一个时段内对肿瘤实施照射，这样导致的结果是疗程的延长，而多次治疗又会产生新的误差。呼吸限制和呼吸门控技术的这些不足一定程度上阻碍了它们的推广和发展。

2．3自适应放射治疗

传统的放疗是在正式实施治疗之前的2周到3周时间做放疗计划，然后在实际放疗中利用计划实施放射，期望达到准确的适形剂量分布。但是，这种方法显然有很大缺陷，因为我们不能保证当前肿瘤的形状与运动状态与两周前的相同，而且实施治疗时需要重新摆位，会产生新的摆位误差。

自适应放疗技术是为了减少分次治疗间的摆位误差和靶区运动而发展起来的。自适应放疗基本过程是：在每个分次治疗时对靶区进行CT扫描摄片，然后系统在离线状态测量每次摆位误差，最后通过前面数次存储的摆位数据，综合分析并调整PTV和CTV间的安全边界，确定新的放疗计划，利用新的计划来继续进行后面余下的分次治疗。但是，上面提到的自适应放疗技术不适合于随机误差较大且分次治疗次数较多的治疗。经调查，最新的自适应放疗技术可以做到充分利用单次放疗前的摆位和剂量分布数据来重新实施摆位或剂量调整，代表了自适应放疗领域新的发展方向。

2．4四维放射治疗

在呼吸运动引起肿瘤移位的研究中发现，在单次治疗中肿瘤的最大移位可达3cm，所以计划中的CT数据需要准确描述肿瘤的实际运动。但是，传统的CT图像往往忽略了呼吸作用的影响，因而所获得的图像与实际治疗中的相比经常会出现扩大或扭曲的现象。虽然在当前的放疗技术中，我们可以采用呼吸门控系统，但疗效提高不大。四维放疗技术的出现，较好的解决了运动肿瘤的准确定位问题。四维放疗在包括CT扫描的三维成像和加速器三维方向照射系统外还引入了时间因素，相应的CT可以按时序扫描，称为4DCT。

为了模拟肿瘤随呼吸的运动，我们需要从四维图像中获取实际靶区容积的信息。4DCT对呼吸运动的完整周期进行扫描，反映了胸部器官和靶区随呼吸运动的“轨迹”，据此我们可以制定个体化的靶体积（ITV）。4DCT数据的获取与呼吸运动周期可以实现同步。

在这里，我们通过分析一套4DCT设备来简要说明四维放疗的过程，这套设备由Varian公司的RPM（Real-time Position Management）系统和GE公司的Discovery ST multislice PET/CT scanner系统组成，分为两个阶段：

2.4.1 计划设计阶段

放疗师在CT定位前通过对患者进行呼吸训练来使其保持均匀且平静的呼吸。对于呼吸功能不好的患者，可以实施主动呼吸控制技术，它通过设计好的通气设备控制气流来调整病人的呼吸节奏。4D-CT扫描过程：在患者腹部次于剑突的部位固定一反射块，利用RPM系统的红外摄像机对标记块进行随时监控。与RPM系统相连的计算机利用Varian公司配套提供的4D软件对标记的运动进行实时分析。在扫描过程中，标记的运动作为“呼吸运动轨迹”被软件记录下来。扫描完成后，4D软件对不同位置和不同时相的CT数据信息按呼吸周期排序，然后我们通过AW（Advantage Workstation）工作站将大量的CT切片按呼吸运动轨迹的时相进行分类，AW工作站利用RPM系统创建呼吸运动轨迹时所保留的时相标记文件来进行时相计算，将一个完整周期（一个周期选定为从吸气末到下一个吸气末）划分为十个等间隔的时相。最后对各个时相的图像进行三维重建，形成

了一个完整的4DCT图像序列。

2.4.2治疗阶段

前面过程是四维放疗的计划设计阶段，下一个阶段就是实施治疗了。在治疗中，利用呼吸监控装置检测患者，当呼吸运动进行到某个时相时治疗机就会自动调用该时相的射野参数等数据对靶区实施照射。

目前，四维放疗在靶区定位和图像获取技术方面已经成熟，而且已经开始投入市场，但是，在计划和实施阶段还存在一些问题尚待解决和完善，因此，四维放疗的开展还有待于后两者的发展和成熟[2]。

3放疗技术的发展方向

目前，肿瘤放疗已经在几个方向上取得了发展：从离线校正向在线校正发展；从模糊显像向高清晰显像发展；从单一显像向集成显像发展[9]。随着精确放疗技术的不断前进，多维放疗与适形调强放疗的结合将会成为未来几年放疗领域发展的一个新方向，体现在：

3．1图像引导下的适形调强放疗

由于目前放疗系统在治疗实施阶段还存在靶区适形性的问题，图像引导下的适形调强放疗指明了四维放疗的一个方向[10]。该技术在新型的加速器上集成了KV级X射线容积成像设备，即千伏级锥形束CT（kilovoltage cone-beam CT）。该设备的特点是采用锥形X射线随机架旋转来进行数据采集，通过锥形束算法最终获得三维影像[11]。通过该设备获得的肿瘤图像与4DCT序列的三维图像进行比较，根据计划实施实时照射。非晶硅平板探测器的使用，使加速器获取的图像具有更高的空间分布率和更宽的射野范围，基于非晶硅平板探测器的剂量分析软件可以测量肿瘤所受的照射剂量，从而可以更好的对治疗计划进行评价和改进[12]。图像引导下的适形调强放疗的研究将是未来几年四维放疗领域的一个热点。

3．2预测跟踪技术下的适形调强放疗

通过近年来在图像引导放疗领域的研究，我们已经可以使用诊断用X射线图像去探测植入靶区内的不透X线标记物来实现实时定位和追踪肿瘤，但是通过门控或波束追踪（beam tracking）技术进行放疗计划设计时，我们需要适当考虑治疗系统延迟，包括图像获取、图像处理、传输延迟、发动机感应，机械阻尼等[13]。为克服系统延迟，采用呼吸运动预测的技术经临床验证对补偿呼吸运动有明显优势，预测跟踪技术下的适形调强放疗将有助于四维放疗中靶区计划实施的精确性。

3．3物理适形与生物适形相结合的多维生物适形调强放疗

近年来生物适形技术的发展取得了一定的进步，如正电子发射断层扫描（Positron Emission Computed tomography，PET）、单光子发射断层扫描（Single Photon Emission Computed tomography，SPECT）等功能性影像技术有了很大发展，过这些技术所获得的影像可以反映肿瘤和正常器官组织的生理及功能信息。生物适形技术的一个代表是PET/CT技术，它是将PET与CT两种影像诊断技术的结合，经临床验证，该技术可以补偿单一CT或PET不能直接评价功能代谢信息或低分辨率显像问题，一次性显像便可获得组织形态和功能信息，大大提高了肿瘤放疗的精确性[14]。物理适形与生物适形相结合的多维生物适形调强放疗将开创生物治疗的新时代。

4结语

适形调强放疗有效的提高了靶区三维空间剂量照射的适形性且实现了放疗剂量的大幅提升。但是，由于呼吸运动对胸腹部肿瘤的影响，在设计治疗计划时，我们通常需要扩大安全边界的办法，来确保肿瘤的不漏照，这样势必会影响靶区的适形性且造成实际剂量分布与计划的不一致。继而出现各种的IGRT技术，开始逐步解决由于呼吸运动等因素影响肿瘤状态的问题：在线较位和自适应放疗技术一定程度上解决了摆位误差和分次治疗间的靶区移位问题；屏气技术和呼吸门控技术使靶区暂时停止运动或在较小范围内运动；四维放疗技术实现了跟踪呼吸引起的靶区运动并按计划好的4D-CT序列来实施放射。随着放疗技术的发展，未来的放疗领域会是各种技术的结合使用，而不会是单一的某种技术。图像引导下的适形调放疗、预测跟踪技术下的适形调强放疗及多维生物适形调强放疗将代表未来几年“精确定位、精确计划、精确治疗”发展的几个方向。随着现有放疗技术的完善和新技术的不断提出和发展，各种放疗技术的融合将推动未来肿瘤放疗向高精化、实时化的方向发展。