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1、图像引导放射治疗技术的现状与展望第1页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状vIGRTIGRT是在国外刚刚开始的新技术，它的发展是在国外刚刚开始的新技术，它的发展是以图像引导设备的发展为基础的，目前临床是以图像引导设备的发展为基础的，目前临床应用的图像引导设备状况代表了应用的图像引导设备状况代表了IGRTIGRT的现状的现状.所谓影像引导放疗，就是通过放疗前以加速器所谓影像引导放疗，就是通过放疗前以加速器自带的自带的CTCT进行扫描，采集并重建三维图像，与进行扫描，采集并重建三维图像，与治疗计划图像配准后再实施治疗。这样可以克治疗计划图像配准后再实施治疗。这样可以克服因治疗摆位和肿瘤位置移动所
2、造成的误差，服因治疗摆位和肿瘤位置移动所造成的误差，确保在精确照射肿瘤的同时，将其周围正常组确保在精确照射肿瘤的同时，将其周围正常组织的损伤降到最低限度，全方位提高效果。织的损伤降到最低限度，全方位提高效果。第2页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v1.1.电子射野影像系统电子射野影像系统 电子射野影像系统电子射野影像系统(electronic portal imaging device(electronic portal imaging device，EPID)EPID)是当射线束照射靶区时，采用电子技是当射线束照射靶区时，采用电子技术在射线出射方向获取图像的工具。基于术在射线出射方向获
3、取图像的工具。基于非晶硅平板探测器的非晶硅平板探测器的EPIDEPID可用较少的剂量可用较少的剂量获得较好的成像获得较好的成像,具有体积小、分辨率高具有体积小、分辨率高,灵敏度高、能响范围宽等优点灵敏度高、能响范围宽等优点,并且是一种并且是一种快速的二维剂量测量系统快速的二维剂量测量系统 ，既可以离线校，既可以离线校正验证射野的大小、形状、位置和患者摆正验证射野的大小、形状、位置和患者摆位，也可以直接测量射野内剂量。位，也可以直接测量射野内剂量。EPIDEPID应应用能量为兆伏用能量为兆伏第3页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v（megavoltagemegavoltage，MVMV）的
4、）的X X线，摄野片骨和空气线，摄野片骨和空气对比度都较低，而且骨的对比度比空气的低，对比度都较低，而且骨的对比度比空气的低，软组织显像不清晰，一些靶区校正需结合内植软组织显像不清晰，一些靶区校正需结合内植标志才能进行标志才能进行44，这也激发了直线加速器上能，这也激发了直线加速器上能量为千伏（量为千伏（kilovoltage,kVkilovoltage,kV）的的X X线成像设备线成像设备的发展。的发展。第4页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v2.kV2.kV级级X X线摄片和透线摄片和透视视 诊断诊断X X线的能量范线的能量范围是围是3030150KV150KV，1cm1cm厚的骨和
5、空气对比度厚的骨和空气对比度都很高，并且骨的对都很高，并且骨的对比度比空气的高。因比度比空气的高。因此，有许多此，有许多kVkV级级 X X线线摄片和透视设备与治摄片和透视设备与治疗设备结合在一起的疗设备结合在一起的尝试。有的把尝试。有的把kVkV级级X X线线球管安装治疗室壁上，球管安装治疗室壁上，有的安装在直线加速有的安装在直线加速器的机架臂上。器的机架臂上。第5页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v在治疗室内安装四套在治疗室内安装四套X X线成像系统，无论直线成像系统，无论直线加速器的机架臂如何旋转，都可以进行线加速器的机架臂如何旋转，都可以进行持续的立体监测。用金豆植入体内作为基持
6、续的立体监测。用金豆植入体内作为基准标志，应用治疗室内的准标志，应用治疗室内的X X线透视系统实时线透视系统实时跟踪标志，是监测治疗时肿瘤和正常组织跟踪标志，是监测治疗时肿瘤和正常组织运动的有效方式。安装在直线加速器机架运动的有效方式。安装在直线加速器机架臂上的单球管臂上的单球管X X线成像系统只有在机架臂旋线成像系统只有在机架臂旋转的过程中才能获得这些结构的三维信息。转的过程中才能获得这些结构的三维信息。这些设计都是用于定位骨性结构或基准标这些设计都是用于定位骨性结构或基准标志。志。kVkV级级X X线摄片较清晰，足以辨认这些结线摄片较清晰，足以辨认这些结构构,但是难以检测放疗过程中软组织的
7、相对但是难以检测放疗过程中软组织的相对形态变化。形态变化。第6页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v赛博刀赛博刀(Cyber-knife)(Cyber-knife)系统就是使用治疗室内两系统就是使用治疗室内两个交角安装的个交角安装的kVkV级级X X线成像系统等中心投照到患线成像系统等中心投照到患者治疗部位，根据探测到的金属标志的位置变者治疗部位，根据探测到的金属标志的位置变化，或者根据拍摄的低剂量骨骼图像与先前储化，或者根据拍摄的低剂量骨骼图像与先前储存在计算机内的图像比对，以便决定肿瘤的正存在计算机内的图像比对，以便决定肿瘤的正确位置，并将数据输送至控制加速器的计算机，确位置，并将数据
8、输送至控制加速器的计算机，具有具有6 6个自由度运动功能的机械臂随时调整个自由度运动功能的机械臂随时调整6MV-6MV-X X照射束的方向，从非共面的不同角度照射肿瘤，照射束的方向，从非共面的不同角度照射肿瘤，机械臂非常灵活是该系统的突出优点机械臂非常灵活是该系统的突出优点 。第7页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v3.kV CT 3.kV CT 诊断用诊断用kVkV级级CTCT经过了多年的发展，扫描速度快，经过了多年的发展，扫描速度快，成像清晰，具有较高的空间分辨率和密度分辨率成像清晰，具有较高的空间分辨率和密度分辨率,软组软组织显像清晰。因此，在治疗室安装织显像清晰。因此，在治疗室安
9、装kVkV级级CTCT引导放疗也是引导放疗也是一种很好的选择。模拟机、一种很好的选择。模拟机、kVkV级级CTCT和直线加速器都安装和直线加速器都安装在治疗室内，共用一张床，患者通过床沿轨道移动在这在治疗室内，共用一张床，患者通过床沿轨道移动在这三者间转换，进行在线校正，几何精度可达三者间转换，进行在线校正，几何精度可达1mm1mm。但该。但该系统不是在治疗位置成像，无法对治疗时的肿瘤运动进系统不是在治疗位置成像，无法对治疗时的肿瘤运动进行实时监测管理。而传统行实时监测管理。而传统KVKV级级CTCT的环形探测器排列和相的环形探测器排列和相对小的孔径决定了其不可能直接安装在加速器上，系统对小的
10、孔径决定了其不可能直接安装在加速器上，系统占用空间很大。占用空间很大。第8页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v4.4.锥形束锥形束CT CT 近年发展起来的基于大面积非晶硅近年发展起来的基于大面积非晶硅数字化数字化X X射线探测板的锥形束射线探测板的锥形束CTCT（cone beam cone beam CT,CBCTCT,CBCT）具有体积小，重量轻，开放式架构的）具有体积小，重量轻，开放式架构的特点，可以直接整合到直线加速器上。机架旋特点，可以直接整合到直线加速器上。机架旋转一周就能获取和重建一个体积范围内的转一周就能获取和重建一个体积范围内的CTCT图图像。这个体积内的像。这个体积
11、内的CTCT影像重建后的三维病人模影像重建后的三维病人模型可以与治疗计划的病人模型匹配比较并得到型可以与治疗计划的病人模型匹配比较并得到治疗床需要调节的参数。根据采用的放射线能治疗床需要调节的参数。根据采用的放射线能量的不同分为两种：采用量的不同分为两种：采用KVKV级级X X射线的射线的kV-CBCTkV-CBCT和采用和采用MVMV级级X X射线的射线的MV-CBCTMV-CBCT。第9页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v（1 1）kV-CBCT kV-CBCT 平板探测器的读数装置和探测器平板探测器的读数装置和探测器结合在一起结合在一起,本身就具有提高空间分辨率的优势，本身就具有提
12、高空间分辨率的优势，因此因此kV-CBCTkV-CBCT可以达到比传统的可以达到比传统的CTCT更高的空间分更高的空间分辨率辨率,密度分辨率也足以分辨软组织结构，可密度分辨率也足以分辨软组织结构，可以通过肿瘤本身成像引导放疗。而且该系统的以通过肿瘤本身成像引导放疗。而且该系统的射线利用效率高射线利用效率高,患者接受的射线剂量少患者接受的射线剂量少,使它使它可以作为一种实时监测手段。因此，可以作为一种实时监测手段。因此，CBCTCBCT具有具有在治疗位置进行在治疗位置进行X X线透视、摄片和容积成像的多线透视、摄片和容积成像的多重功能，对在线复位很有价值，成为目前重功能，对在线复位很有价值，成为
13、目前IGRTIGRT开发和应用的热点。但其密度分辨率尤其是低开发和应用的热点。但其密度分辨率尤其是低对比度密度分辨率和先进的对比度密度分辨率和先进的CTCT比还有差距；同比还有差距；同时平板探测器时平板探测器CT CT 系统中散射的影响较大。系统中散射的影响较大。第10页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v（2 2）MV-CBCT Pouliot MV-CBCT Pouliot 用低剂量用低剂量MV-CBCTMV-CBCT获得无脉冲伪影的三维图像获得无脉冲伪影的三维图像,融合计划融合计划KV KV CTCT图像并进行位置校正，椎管和鼻咽融合图像并进行位置校正，椎管和鼻咽融合精确到精确到1m
14、m1mm。NagawakaNagawaka等等99也应用也应用MV-CBCTMV-CBCT进行在线校正。进行在线校正。MV-CBCTMV-CBCT的的X X线源和治疗束线源和治疗束同源是其优点。而且同源是其优点。而且MV XMV X线具有旁向散射线具有旁向散射少的特点，适用于评估精确电子密度，故少的特点，适用于评估精确电子密度，故可以同时作为剂量学监测设备。但与可以同时作为剂量学监测设备。但与KV-KV-CBCTCBCT相比，它在图像分辨率、信噪比和成相比，它在图像分辨率、信噪比和成像剂量上处于明显劣势。像剂量上处于明显劣势。第11页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v无论采用哪种无论采用
15、哪种CTCT技术，如果在技术，如果在CTCT扫描和加速器扫描和加速器照射时加进了时间变量因素，就称为四维放射照射时加进了时间变量因素，就称为四维放射治疗（治疗（four dimensional radiotherapyfour dimensional radiotherapy，4DRT4DRT），相应的加进了时间变量因素的），相应的加进了时间变量因素的CTCT扫描，扫描，称之为四维称之为四维CTCT（four dimensional computed four dimensional computed tomographytomography，4DCT4DCT）。）。4DCT4DCT扫描截取患
16、者在某扫描截取患者在某一时段内不同时刻的一时段内不同时刻的CTCT扫描序列，图像按相位扫描序列，图像按相位重建得到该时段内肿瘤和重要器官的重建得到该时段内肿瘤和重要器官的3D3D图像随图像随时间变化的序列。应用时间变化的序列。应用4DCT4DCT模拟定位，治疗时模拟定位，治疗时再应用再应用CBCTCBCT获得的肿瘤或重要器官的获得的肿瘤或重要器官的3D3D图像与图像与4DCT4DCT序列的序列的3D3D图像比较后的结果，控制加速器图像比较后的结果，控制加速器进行实时照射，完成进行实时照射，完成4DRT4DRT。第12页，本讲稿共24页图像引导反射治疗的现状v5.5.集成图像系统集成图像系统 引
17、导放疗的成像设备应该同时引导放疗的成像设备应该同时具备容积显像位置校正和实时靶区监测三维比具备容积显像位置校正和实时靶区监测三维比对的能力。近来对的能力。近来KV-MVKV-MV集成图像引导系统正在研集成图像引导系统正在研发。这将是一个高度结合的系统，多种成像和发。这将是一个高度结合的系统，多种成像和放疗设备装在一台机器上，可以根据需要在治放疗设备装在一台机器上，可以根据需要在治疗位置进行实时透视、摄片、容积成像，红外疗位置进行实时透视、摄片、容积成像，红外线监测等，并提供限制患者的主动呼吸控制和线监测等，并提供限制患者的主动呼吸控制和限制机器的呼吸引导门控等多种模式照射受呼限制机器的呼吸引导
18、门控等多种模式照射受呼吸运动影响大的肿瘤。但是复杂的成像设备与吸运动影响大的肿瘤。但是复杂的成像设备与加速器的结合在机械学上难度加大，制造和维加速器的结合在机械学上难度加大，制造和维护成本提高。护成本提高。第13页，本讲稿共24页图像引导反射治疗技术展望vIGRTIGRT发展方向发展方向v从图像引导设备的发展过程来看，从图像引导设备的发展过程来看，IGRTIGRT在三个在三个方面获得了发展：从离线校正向在线校正发展；方面获得了发展：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。其目的是通过赋予放疗医师更集成显像发展。其目
19、的是通过赋予放疗医师更精确的确定靶区和跟踪肿瘤的能力，以提高肿精确的确定靶区和跟踪肿瘤的能力，以提高肿瘤治疗的精确性和有效性。展望未来，瘤治疗的精确性和有效性。展望未来，IGRTIGRT有有望在以下三个方面获得重大进展。望在以下三个方面获得重大进展。v1.1.剂量引导的放射治疗剂量引导的放射治疗 现在应用现在应用MV XMV X射线的射线的EPIDEPID系统已经不是传统意义上的成像设备，同系统已经不是传统意义上的成像设备，同时具有剂量检测设备的作用，显示出剂量引导时具有剂量检测设备的作用，显示出剂量引导放疗设备的雏形。放疗设备的雏形。MVCTMVCT未来的发展方向是提高未来的发展方向是提高软
20、组织显像的清晰度和精准的实时剂量监测能软组织显像的清晰度和精准的实时剂量监测能力，照射时进行照射野与计划照射野的形状、力，照射时进行照射野与计划照射野的形状、剂量的双重比对校正。剂量的双重比对校正。第14页，本讲稿共24页图像引导反射治疗技术展望v2.2.动态跟踪治疗系统动态跟踪治疗系统 在图像设备的实时引导下，在图像设备的实时引导下，通过治疗床的运动或照射野的运动通过治疗床的运动或照射野的运动,使照射野与使照射野与运动的肿瘤运动的肿瘤(靶区靶区)保持相对位置固定，达到动保持相对位置固定，达到动态适形。这种治疗模式对于受呼吸、心跳等影态适形。这种治疗模式对于受呼吸、心跳等影响较大的胸腹部肿瘤的
21、放射治疗具有重要的意响较大的胸腹部肿瘤的放射治疗具有重要的意义。外放的边界进一步缩小，没有了设备门控义。外放的边界进一步缩小，没有了设备门控间期的停滞时间，照射时间将缩短，机器的利间期的停滞时间，照射时间将缩短，机器的利用率提高，放疗将更加精确、高效。用率提高，放疗将更加精确、高效。第15页，本讲稿共24页图像引导反射治疗技术展望v3.3.图像引导放射治疗图像引导放射治疗 上述讨论的图像引导技术上述讨论的图像引导技术重点在于减少重点在于减少PTVPTV边界，而以正电子发射断层边界，而以正电子发射断层(PET)(PET)、单光子发射断层、单光子发射断层(SPECT)(SPECT)和核磁波谱和核磁
22、波谱(MRS)(MRS)等为代表的功能影像技术将进一步深化我等为代表的功能影像技术将进一步深化我们对靶区的认识，有望对靶区中功能和代谢程们对靶区的认识，有望对靶区中功能和代谢程度不同的区域实施个体化的剂量分布，并可能度不同的区域实施个体化的剂量分布，并可能在肿瘤很早期发现病变，用很小的照射野和较在肿瘤很早期发现病变，用很小的照射野和较低的照射剂量就可以达到根治。但功能影像的低的照射剂量就可以达到根治。但功能影像的缺点是空间分辨率低，未来的图像引导设备既缺点是空间分辨率低，未来的图像引导设备既要采集肿瘤的三维解剖结构和运动信息，又要要采集肿瘤的三维解剖结构和运动信息，又要采集肿瘤的生物信息，如乏
23、氧及血供、细胞增采集肿瘤的生物信息，如乏氧及血供、细胞增殖、凋亡、周期调控、殖、凋亡、周期调控、癌基因和抑癌基因改变、癌基因和抑癌基因改变、侵袭及转移特性等，并和计划信息进行比对校侵袭及转移特性等，并和计划信息进行比对校正，即图像引导放射治疗。正，即图像引导放射治疗。第16页，本讲稿共24页结语vIGRTIGRT是多学科交叉的产物，近年来很多先进是多学科交叉的产物，近年来很多先进的成像设备和技术用于引导放疗。以的成像设备和技术用于引导放疗。以CBCTCBCT为为代表的在线容积成像技术可以通过多个途径代表的在线容积成像技术可以通过多个途径确定和跟踪靶区并引导放疗，大大提高了确定和跟踪靶区并引导放
24、疗，大大提高了IGRTIGRT的精度。的精度。IGRTIGRT的优势在于提高肿瘤的控的优势在于提高肿瘤的控制的同时又减少对正常组织的损伤，确保形制的同时又减少对正常组织的损伤，确保形状复杂并处于运动状态的肿瘤投照准确的剂状复杂并处于运动状态的肿瘤投照准确的剂量，是调强放射治疗得到精确实施的技术保量，是调强放射治疗得到精确实施的技术保证，有望进一步提高肿瘤放疗疗效。证，有望进一步提高肿瘤放疗疗效。第17页，本讲稿共24页结语v放射治疗是恶性肿瘤治疗的三大重要手段之一，放射治疗是恶性肿瘤治疗的三大重要手段之一，在恶性肿瘤综合治疗中，扮演着非常重要的角在恶性肿瘤综合治疗中，扮演着非常重要的角色，色，
25、70%70%以上的恶性肿瘤患者在其治疗的某个阶以上的恶性肿瘤患者在其治疗的某个阶段都需要接受放射治疗。随着计算机技术、医段都需要接受放射治疗。随着计算机技术、医学影象技术、图像处理技术的迅猛发展，以及学影象技术、图像处理技术的迅猛发展，以及放射治疗设备的不断更新，放射治疗技术已从放射治疗设备的不断更新，放射治疗技术已从简单的传统二维常规放疗发展到高精尖的立体简单的传统二维常规放疗发展到高精尖的立体定向放射治疗、三维适形调强放疗以及定向放射治疗、三维适形调强放疗以及IGRTIGRT，使得放疗效果明显提高，而正常组织损伤大大使得放疗效果明显提高，而正常组织损伤大大减少减少,从而使患者的生活质量明显
26、提高。尤其是从而使患者的生活质量明显提高。尤其是图像引导放疗（图像引导放疗（IGRTIGRT），被美国及欧洲同道评），被美国及欧洲同道评价为放射肿瘤学史上的一次变革，是价为放射肿瘤学史上的一次变革，是2121世纪放世纪放射治疗技术的主流，目前该技术国内仅有少数射治疗技术的主流，目前该技术国内仅有少数单位能开展。单位能开展。第18页，本讲稿共24页结语v众所周知，放射治疗的目的是最大可能的提高众所周知，放射治疗的目的是最大可能的提高肿瘤组织的剂量和尽可能的降低正常组织的照肿瘤组织的剂量和尽可能的降低正常组织的照射剂量。但如何去保证治疗时做到射剂量。但如何去保证治疗时做到“精确精确”呢呢？一种新的
27、放射治疗技术？一种新的放射治疗技术-影像引导放射治疗影像引导放射治疗（IGRTIGRT）技术可以保证对肿瘤进行精确的治疗。）技术可以保证对肿瘤进行精确的治疗。调强放疗调强放疗(IMRT)(IMRT)是指通过改变靶区内的射线强是指通过改变靶区内的射线强度，使靶区内的任何一点都能得到理想均匀的度，使靶区内的任何一点都能得到理想均匀的剂量，同时还可按医生的要求将各要害器官剂量，同时还可按医生的要求将各要害器官（如脊髓、脑干、晶体、腮腺、肺、心脏、肝、（如脊髓、脑干、晶体、腮腺、肺、心脏、肝、肠等）所受剂量限制在可耐受范围内，使紧邻肠等）所受剂量限制在可耐受范围内，使紧邻的正常组织受量降到最低。的正常
28、组织受量降到最低。第19页，本讲稿共24页结语v而影像引导放射治疗而影像引导放射治疗IGRTIGRT是一种四维的放射治是一种四维的放射治疗技术，它在三维适形调强放疗疗技术，它在三维适形调强放疗(IMRT)(IMRT)放疗技放疗技术的基术的基 础上加入了时间因数的概念，充分考虑础上加入了时间因数的概念，充分考虑了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗间了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗间的位移误差，如呼吸和蠕动运动、日常摆位误的位移误差，如呼吸和蠕动运动、日常摆位误差、靶区收缩等引起放疗剂量分布的变化和对差、靶区收缩等引起放疗剂量分布的变化和对治疗计划的影响等方面的情况，在患者进行治治疗计划的
29、影响等方面的情况，在患者进行治疗前、治疗中利用各种先进的影像设备对肿瘤疗前、治疗中利用各种先进的影像设备对肿瘤及正常器官进行实时的监控，并能根据器官位及正常器官进行实时的监控，并能根据器官位置的变化调整治疗条件使照射野紧紧置的变化调整治疗条件使照射野紧紧“追随追随”靶区，使之能做到真正意义上的精确治疗靶区，使之能做到真正意义上的精确治疗。第20页，本讲稿共24页结语v所以，影像引导放射治疗所以，影像引导放射治疗IGRTIGRT与传统放疗技术与传统放疗技术相比，既能明显提高疗效，又能极大限度地减相比，既能明显提高疗效，又能极大限度地减少正常组织损伤，使患者的后遗症大大减少，少正常组织损伤，使患者
30、的后遗症大大减少，减轻患者日后生活的痛苦。它适于各种恶性肿减轻患者日后生活的痛苦。它适于各种恶性肿瘤的放射治疗，如鼻咽癌、喉癌、脑瘤等多种瘤的放射治疗，如鼻咽癌、喉癌、脑瘤等多种头颈部肿瘤；肺癌、食管癌、纵隔肿瘤、乳腺头颈部肿瘤；肺癌、食管癌、纵隔肿瘤、乳腺癌、胃癌、肝癌、直肠癌、前列腺癌、肾癌、癌、胃癌、肝癌、直肠癌、前列腺癌、肾癌、宫颈癌、淋巴系统恶性肿瘤等。宫颈癌、淋巴系统恶性肿瘤等。v与传统放射治疗技术明显不同，影像引导放射与传统放射治疗技术明显不同，影像引导放射治疗治疗IGRTIGRT是一种高精尖的放疗技术，要求精确是一种高精尖的放疗技术，要求精确定位、精确设计、精确治疗，全程进行严密的定位、精确设计、精确治疗，全程进行严密的质量控制和质量保证。质量控制和质量保证。第21页，本讲稿共24页谢谢v301宿舍v马志尚 杜少君 霍雨佳 张兆岩 侯春雨 张建峰 毛行健第22页，本讲稿共24页图片vCBCT CBCTCBCT CBCT第23页，本讲稿共24页图片vIMRTIMRT第24页，本讲稿共24页