IGRT技术的需求、应用及规范

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                    <section data-role="paragraph" data-color="rgb(182, 228, 253)" data-custom="rgb(182, 228, 253)"><section><section><section><section powered-by="gulangu"><section><section><section><section powered-by="gulangu"><section><section><section><section powered-by="gulangu"><section><section><section><section powered-by="gulangu"><section><section><section><section><p><p><img src="image/20201014/86b79d371e9862b01189f0252a03b2cd_1.png" /></p></p></section><section><section><span><strong></strong></span></section><p><span>医疗器械媒体报道先锋</span></p><p><span>分享专业医疗器械知识</span></p></section><section><section><section><span>关注</span></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section><p><p><img src="image/20201014/f276872b64f98c4bbf5aaecd10b4777c_2.jpg" /></p></p><p><br  /></p><p><span>早在放疗初期，人们已经意识到影像引导并实时验证靶区位置的重要性并开始采用kV(千伏)级X射线源配合影像接收器采集病灶在靶区处的图像。随着医学影像技术的迅猛发展，逐渐实现了单张胶片到实时射野照片的获取。图像引导放疗(image-guided radiotherapy, IGRT)技术大幅提高了放疗的效果，国际原子能机构(IAEA)于2019年初发布了指导医疗机构引进IGRT技术的报告，详情请见《IAEA最新发布&lt;图像引导放疗的临床实践&gt;报告，推动医学成像技术发展》。随着IGRT技术的推广应用，人们发现作为剂量管理的IGRT技术可能带来更多的剂量，临床应用中需要平衡IGRT增加的成像剂量和优化的治疗剂量。本文从<span>IGRT</span>的临床需求、技术实现、临床应用和行业规范对图像引导的放疗技术进行了全面的说明。</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="92498" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section><section><section data-brushtype="text"><strong>概述</strong></section></section></section></section></section><p><span>临床中治疗肿瘤的主要方式包括手术治疗、化疗及放疗。放疗相比于其他两种治疗方式具有放疗器官功能得到保留等多种优势，并可提高患者的生活质量。放疗过程中，由于正常组织受照后的恢复以及癌变组织和正常组织对辐射的敏感度等因素，往往需要进行分次照射。受照组织或器官在放疗过程中和放疗分次间会出现结构变化并造成摆位误差。如下图所示，在分次放疗的不同时间，靶区形状和位置有所不同，将其叠加可以看到明显差异。</span></p><p><p><img src="image/20201014/2bdff8b55f7bdf2def99919737828725_3.jpg" /></p><span>典型的宫颈癌MRI扫描图</span></p><p><br  /></p><p><span>器官由于生理运动、组织结构变化造成的误差可能导致放疗过程中的“脱靶”现象，如呼吸运动、小肠蠕动、膀胱充盈、器官形变等，这时就需要放疗成像技术，医生可在治疗前和治疗期间对肿瘤进行成像并治疗移动肿瘤，如肺部肿瘤等。IGRT技术是指将放疗过程中的图像与模拟放疗期间拍摄的参考图像进行融合配准，并调整患者的位置及照射束流，以纠正摆位误差，更精确地实施放疗。成像手段包括基准标记、超声成像、X射线扫描成像、CT扫描成像、皮肤上彩色墨水纹身等。</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="92498" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section><section><section data-brushtype="text"><strong>IGRT技术的实现与发展</strong></section></section></section></section></section><p>1988年加拿大邮局发行的一款邮票描绘了X射线源和钴60机头并排安装的场景，这个设备体现了IGRT的理念。此后，人们在邮票构想的基础上加以改进，实现了钴60机、kV级X射线源和影像接收器的结合，用以采集病灶在靶区处的图像。早期受限于影像处理技术，只能获取单张胶片，耗时久且精度不高。</p><p><p><img src="image/20201014/0d546082ac47f9c1bbeaa840ce52f483_4.png" /></p></p><p><span>加拿大邮局1988年发行的一款邮票</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="89204" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section data-brushtype="text"><span><strong>IGRT技术的实现</strong></span></section><section></section></section></section><p><span>上世纪90年代中后期，瓦里安公司和博医来公司分别研发出了自己的图像引导设备EPID系统和Exactrac系统。尽管作为二维的影像引导设备无法获取三维和体积信息，但每张图像的成像剂量远低于三维图像。常见的图像引导设备比较如下表所示。</span></p><p><span>不同图像引导设备比较</span></p><p><p><img src="image/20201014/6dfb0c6b2366987656ef4bff283bb3d5_5.png" /></p></p><p><br  /></p><p><span>除常见的CT成像技术外，超声设备同样可以进行成像，如医科达公司的Clarity系统即采用超声设备进行成像并观察病灶区的变化。但超声图像解读过程中主观性较强，医师需要接受培训，并且超声图像无法理想地显示骨性标记，因此适用范围有限。</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="89204" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section data-brushtype="text"><span><strong>kV级锥形束CT的实现</strong></span></section><section></section></section></section><p><strong>锥形束CT</strong><br  /></p><p><span>不同的图像引导设备具有不同的特点，其适用的组织和结构也不同。</span><span>大部分临床应用的设备是基于CT实现的，常规CT利用窄束成像，通过移动治疗床、旋转机架完成更大范围的扫描，这类设备接收到的射线信息可以准确反映组织的真实信息。</span><span>锥形束CT (CBCT)技术采用宽束成像，不需移动治疗床就可以实现较大范围的扫描，探测器接受的信号包括原射线及通过其他组织的散射线，射线的利用率较高，患者检查时接受的剂量较小。</span><span>CBCT可作为一种实时监测手段，用于IGRT。</span><span>CBCT应用的大面积平板探测器的读数装置和探测器结合在一起，提高了空间分辨率，可以达到比传统CT系统更高的空间分辨率，清晰分辨软组织结构，通过软组织和肿瘤本身实现IGRT。</span><span>CBCT的空间分辨率能够达到0.63 mm，满足临床上区分相邻病变或组织结构的要求。</span><span>但CBCT在低对比度分辨方面仍有待加强，如区分颅内分化较好的胶质瘤及其周围脑组织尚存在困难。</span><span>关于CBCT在质子治疗中的应用请见质子中国往期报道《CBCT在适应性质子治疗中表现良好》、《世界上第一台质子治疗专用CBCT应用于临床》。</span></p><p><p><img src="image/20201014/c2adbde7f695a7b75a0fbee075e25887_6.png" /></p></p><p><br  /></p><p><strong>kV级CBCT</strong></p><p><span>不同能量的X射线在成像方面具有不同的适应结构，MV(兆伏)级CT的X射线源往往和治疗束同源，在机械结构上也易于实现，成本较低，对密度较大的区域成像效果好；kV级CT对软组织结构成像效果好，剂量更低，但对骨组织和人工植入的金属器件会产生较大伪影。将kV级CT与CBCT结合的kV CBCT于2003年投入临床应用，在成像质量和成像剂量方面均具有优势，可以将摆位误差减少到1 mm以内，整个校正过程所用时间15分钟。</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="89204" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section data-brushtype="text"><span><strong>IGRT技术的分类</strong></span></section><section></section></section></section><p><span>根据IAEA于2019年初发布的《图像引导放疗的临床实践》报告，IGRT技术可以分为三类：基础IGRT技术，即电子射野影像系统(EPID)，可用于获取2D MV级图像；标准IGRT技术，包括配对正交kV级成像及容积成像；高级IGRT技术，包括呼吸运动管理(如呼吸门控、4D计划及验证成像)、分次间靶区可视化以及6D校正。呼吸门控通过与患者呼吸过程尽量同步进而控制放疗设备，患者呼吸的开闭和呼吸时长均影响控制放疗设备门电路的开闭和时长。</span><br  /></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="92498" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section><section><section data-brushtype="text"><strong>IGRT技术的临床应用</strong></section></section></section></section></section><section data-tools="gulangu" data-id="89204" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section data-brushtype="text"><span><strong>IGRT技术的引进</strong></span></section><section></section></section></section><p><span>尽管IGRT已在技术上得到实现，但用于临床仍需要很多准备工作。IAEA发布的《图像引导放疗的临床实践》报告介绍了IGRT技术临床引进时间表。</span></p><p><span>IGRT技术临床引进时间表</span></p><p><p><img src="image/20201014/b3c6a46cab64c52d2075eac949bdabd9_7.png" /></p></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="89204" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section data-brushtype="text"><span><strong>IGRT设备的工作流程</strong></span></section><section></section></section></section><p><span>以博医来公司Exactrac系统为例，整个系统包括地面的两个X射线光球管、顶部的两个影像板以及红外摄像头以及六维床等辅助设备。在放疗开始前，系统接收放疗计划，包括CT图像和靶区轮廓图，自动生成等中心处的数字重建图像，并利用红外线追踪患者体表反光球完成初始摆位。初始摆位能够将摆位误差限制在几个毫米内，利用X光图像进行图像配准，并得到当前患者状态的摆位误差。系统通过得到的摆位误差控制六维自动移床，纠正摆位误差。Accuray公司的CyberKnife系统具有类似的原理，但CyberKnife系统的X射线光球管位于顶部，而影像板位于地面。</span></p><p><p><img src="image/20201014/4afb8f9f813ebb37b98c2b25fb23d584_8.jpg" /></p><span>Exactrac系统实物图</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="89204" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section data-brushtype="text"><span><strong>IGRT设备的质量保证</strong></span></section><section></section></section></section><p><span>为保证临床应用顺利进行，需要对IGRT设备进行质量保证环节，主要考虑以下六个方面问题：</span></p><p><span>1) 机械和电气安全系统：定期检查和测试互锁(例如防撞互锁)，警告标志和灯以及患者通信系统；</span></p><p><span>2) 发电机和X射线管：测量峰值管电压(千伏峰值，kVp)，定时器精度以及X射线管泄漏；</span></p><p><span>3) 成像质量：主要测量系统的空间分辨率和对比度，定期进行成像质量监测；</span></p><p><span>4) 成像剂量：使用体模和电离室测量空气中比释动能监测X射线等，进一步测量系统性能；</span></p><p><span>5) 几何精度：确认成像系统与直线加速器的机械、光学和辐射等中心的正确对准；</span></p><p><span>6) IGRT软件：确保图像被正确登记到治疗系统机器坐标系，一般使用体模进行。</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="92498" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section><section><section data-brushtype="text"><strong>IGRT技术的成像剂量问题</strong></section></section></section></section></section><p><span>IGRT技术在临床中的应用同时引发了IGRT技术的成像剂量问题。临床中多种原因会导致成像剂量过高，人们担心作为剂量管理的IGRT技术可能带来更多剂量，包括以下几个方面：医生对细节的关注增加了CT成像的使用频度；装置使用不当，例如设置更低的kV数和更高的mAs值，Exactrac系统设计的0.6 mGy剂量实际可达1.6 mGy。患者的受照剂量与中心点标定位置、受照器官、肥胖程度、年龄、性别等均有关，如头颈部肿瘤相对较少，通常一次照射只有0.3 mGy剂量，而前列腺部位的剂量高达1.3 mGy，此外，皮肤剂量比内部器官剂量平均增加13~31%。</span></p><p><br  /></p><p><span>数家欧洲机构利用体模切片研究IGRT技术的剂量问题，采用热释光剂量片TLDs在校准后进行测量，共有25个待测点，如下图所示，每个白点代表一个测量点。整个测量过程模拟利用IGRT技术进行肺部肿瘤治疗的三个过程，包括放疗计划制定的CT，摆位调整使用的CT 以及其他CT。</span></p><p><p><img src="image/20201014/11f50f803bd913da440b4a882d3835d4_9.jpg" /></p><span>放置TLD的测量点</span></p><p><span>(不同测量点对应器官，如“1”为肺部原点，“2”为脊椎表面，“3”为食管，“4”为肺部侧面，“5”为肋骨侧面，“6”为心脏，“7”为脊椎，“8”为支气管等)</span></p><p><br  /></p><p><span>2D和3D测量结果如下图所示，黑色横线是测量的中位数，深色代表内部器官的剂量，浅色代表皮肤剂量。相比于3D成像结果，平面kV级正交束普遍剂量较低，并且皮肤受到的剂量高于内脏受到的剂量，皮肤剂量变化范围更大。根据辐射防护剂量限值体系的规定，对于职业照射，连续5年内平均有效剂量不超过20 mSv，任何单一年份的年有效剂量不超过 50 mSv；对于公众，年有效剂量不超过1 mSv。下图的测量结果是吸收剂量，吸收剂量在辐射权重因子的加权下求和可以算得当量剂量，当量剂量在组织权重因子的作用下求和可以算得有效剂量。对于电子，其辐射权重因子为1，质子和重离子的辐射权重因子分别为5和20。皮肤的组织权重因子为0.01，其余组织或器官组织权重因子可以取0.05。根据欧洲MT机构4D CT结果的中位数进行计算，肺部肿瘤在一次放疗中的IGRT成像有效剂量可达2.3 mSv，超过公众的年有效剂量一倍多。因此成像带来的额外剂量不可忽视，尤其是对于一些敏感部位的照射，IGRT的临床使用应当平衡额外成像剂量和靶区漏照的风险。</span></p><p><p><img src="image/20201014/601389cfd03a84df4c5b8600de496c70_10.png" /></p></p><p><span>内部器官和皮肤的各测量点成像剂量箱形图</span></p><p><span>(左边为2D结果，右边为3D结果)</span></p><p><br  /></p><p><span>为解决IGRT临床应用中成像剂量过高的问题，需要形成行业规范，以有利于IGRT技术的进一步发展。通过文献调研，作者认为可以通过以下方式限制IGRT临床应用中成像剂量过高的问题：</span></p><p><span>1) 坚持剂量控制原则“ALARA (as low as reasonably achievable)”，即合理达到的尽量低原则，这是诊断影像学界共同采纳的原则，也是所有医学领域中应用电离辐射都应谨慎控制的结果；</span></p><p><span>2) 进行剂量最佳化设计，如上述数家欧洲研究机构的实验中，即使在采用X线透视检查的情况下，通过剂量最佳化设计，也可大幅降低成像剂量；</span></p><p><span>3) 与体表红外线监测结合，连续的摄影可能使患者接受过量照射，因此可以将图像引导与体表红外线监测结合起来，减少CT成像频率，减少累积剂量；未来随着超声成像技术的进一步发展，超声成像的使用频率也将提高；</span></p><p><span>4) 减少3D成像设备的使用频率，从数家欧洲研究机构的实验结果可以看出，2D-kV级正交束剂量较低，为了减少成像剂量，需要减少3D成像设备的使用频率；</span></p><p><span>5) 用部分区域照射代替大野照射，减少照射范围，从而降低患者的受照剂量。</span></p><p><br  /></p><p><span>此外，通过改变射线探测采集装置，可以在降低剂量的同时不影响成像质量，减小患者的受照剂量。</span></p><p><br  /></p><section data-tools="gulangu" data-id="92498" data-color="#ac1d10" data-custom="#ac1d10"><section><section><section><section data-brushtype="text"><strong>总结</strong></section></section></section></section></section><p><span>随着图像处理技术的发展，IGRT技术在临床中得到应用和发展。但不断完善进步的IGRT技术也可能使患者受到了更多剂量的照射。随着IGRT技术应用得愈加广泛，相应的规范务必成为行业的准则，更合理、更自信地使用IGRT技术值得所有从业者一起努力。</span></p><p><br  /></p><p><span>来源：</span><span>质子中国</span></p><p><br  /></p><p><span><strong><span><a data-miniprogram-appid="wxdc7efe409d688f37" data-miniprogram-path="pages/authorizationLogin/authorizationLogin" data-miniprogram-nickname="" href="" data-miniprogram-type="image" data-miniprogram-servicetype="" target="_blank" href=""><p><img src="image/20201014/7235eecc5e3d188f5fff3d4fc9e8c241_11.png" /></p></a></span></strong></span></p><p><br  /></p><section data-id="1658"><section><section><section data-id="1658"><section><section><section data-id="1658"><section><section><section data-id="1658"><section><section><p><span><strong>相关阅读</strong></span></p></section><p><p><img src="image/20201014/ec237188ae1e9c03eb4d9814f31b18ab_12.gif" /></p></p><p><br  /></p><p><span>三国杀？</span><span>起底放疗界的江湖恩怨！</span><br  /></p><p><br  /></p><p><span>【市场分析】富士康出手：</span><span>「野蛮人」入侵放疗设备市场</span><br  /></p><p><br  /></p><p><span>盘点放疗领域的尖端技术——图像引导放射治疗！</span><br  /></p><p><br  /></p></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section></section><p><br  /></p><p><p><img src="image/20201014/cd6e6da350853c459044672a7cf353fb_13.jpg" /></p></p>