图像引导的自适应放疗.ppt

1、夏邦传夏邦传 Nov 19，2011图像引导放疗进展图像引导放疗进展-自适应放射治疗自适应放射治疗何为自适应放疗？自适应放疗（adaptiveradiationtherapy,ART）是图像引导放疗（image-guidedradiationtherapy,IGRT）发展延伸出得一种新型放疗技术。其实施是通过照射方式的改变来实现对患者组织解剖或肿瘤变化的调整，即通过引导图像（如CT、EPID等）评判患者解剖和生理变化，或治疗过程中所反馈信息如肿瘤大小、形态及位置变化，分析分次治疗与原计划设计之间的差异，从而指导后续分次治疗计划的重新设计。目的目的提高肿瘤放疗的精准性，实现对肿瘤靶区高剂量照射的

2、同时，最大限度地减少周围正常组织受到高剂量照射的可能性，进而降低并发症发生概率。内容提要一、ART概述二、自适应优化的考虑三、自适应放疗的过程四、自适应放疗的临床应用五、结语自适应放疗（ART）概述一、ART概述 自适应放疗：新鲜？陈旧？自适应放疗：新鲜？陈旧？Mackie等于1993年发表了螺旋断层治疗（HT）设计思路的同时，就从理论上提出了利用其CT影像及剂量重建来修正对患者后续分次治疗的设想，这是第1次提及剂量重建和基于治疗时CT图像所获取信息的自适应放疗思想。特别是近年来随着三维适形放疗和调强放疗的开展，越来越多的研究者关注于肿瘤靶区定义的精确性和对正常组织器官位置、大小和形状的改变都

3、会影响到放疗的精准性。靶区外加边界的形成靶区外加边界的形成为了确保临床靶体积（CTV）获得足够处方剂量，最简单方法是在CTV外加一个边界形成计划靶体积（PTV），而这一边界则必须考虑到患者治疗过程中的摆位误差、器官运动以及器官变形。但这种外加边界方法同时很有可能会增加正常组织受照射体积，从而引发靶区周围关键器官的放射性反应，进而增加并发症可能。ARTART概念的提出概念的提出很多研究者希望能在不漏射靶体积条件下最大限度减少外扩边界。为解决这一难题，1997年YAN等正式提出了ART概念。经过10多年研究以及放疗中影像设备的快速发展，ART技术已逐步成熟并正相继开展中。ARTART的定义的定义通

4、过归纳总结可定义ART为一个闭循环的放疗过程，能通过图像来检测系统的变化，继而根据变化的反馈信息相对应地重新优化治疗计划。IGRTIGRT与与ARTART的异同的异同IGRTIGRT与与ARTART的异同的异同图1分别表示出IGRT和ART的流程图，从中可发现虽然它们各自的时间顺序有所改变，但在获取患者诊断影像、计划设计以及治疗的基本功能方面是没有区别的；ART所表现出的复杂性主要在于根据患者影像变化而改变治疗计划的反复循环工作流程上，其中的影像验证和计划变换是实时、在线的就是在线式ART，非实时性的则是离线式ART。在在IN-ROOM CTIN-ROOM CT上的应用上的应用CTVISION

5、系统中所获得的诊断级定位图像可实现类似往常一样的靶区及敏感器官勾画。同时，这些图像也可用于与治疗时所获取的日常验证图像相关联，从而予以执行在线或离线式处理。图2列出了自适应放疗中在CTVISION系统上使获取图像的流程图 自适应处理流程自适应处理流程二、自适应优化的考虑二、自适应优化的考虑基于患者四维影像的计划设计是基于患者四维影像的计划设计是ART中关键性的组中关键性的组成部分之一。本质上，治疗计划设计优化应当是一成部分之一。本质上，治疗计划设计优化应当是一种四维处理过程。当治疗期间摆位和（或）组织器种四维处理过程。当治疗期间摆位和（或）组织器官结构发生变化时，应考虑时间（一维）相位。这官结

6、构发生变化时，应考虑时间（一维）相位。这些变化也许发生在分次放疗内（分次内组织器官或些变化也许发生在分次放疗内（分次内组织器官或摆位变化），或分次放疗间（分次间组织器官或摆摆位变化），或分次放疗间（分次间组织器官或摆位变化）。位变化）。传统计划设计的局限性传统计划设计的局限性传统上讲，通过采用代表患者的三维轮廓（典型CT图像）实现了治疗计划的设计，并假定治疗期间这种轮廓将得以保持。该方法考虑到了组织器官和（或）摆位可能的改变，导致靶区和（或）敏感器官的外扩边界增加。即使在一些病例治疗中此方法可能足够，但在靶区覆盖和正常组织避让之间也许不能达到最后的权衡，从而患者总剂量可能导致增加。时间变量的考

7、虑时间变量的考虑随着图像引导及其处理过程的有效性，放疗中除实际沉积剂量外还取得了患者体位的时间变化参数，治疗计划优化已本质上获得一种新维数，或者分次间（内）可将时间合并作为可变量之一，从而用于确定如何和什么时候实施对治疗的调整。1 1、治疗分次内的考虑、治疗分次内的考虑治疗分次内的变化是指在各分次治疗过程中靶区位置或形状随时间的变化。临床中从四维图像系列可获得呼吸运动时相，在计划中形成出四维治疗模式，并同时考虑患者位置和组织器官的改变。1 1、治疗分次内的考虑、治疗分次内的考虑该问题的最后表现就是运用患者处于呼吸状态中的信息形成治疗计划，然后将最优化四维计划予以治疗实施，其应当考虑患者位置和组

8、织器官的反复改变状态。对不同时相而言，当组织器官变化导致其照射剂量增加时可通过肿瘤控制和组织并发症发生概率间取得一种较好的折衷，即以这样方式形成治疗计划。1 1、治疗分次内的考虑、治疗分次内的考虑另外一种重要考虑就是也应通过采用可变形的剂量配准覆盖组织的改变。因此，在四维计划设计和治疗实施讨论特定执行前应描述出需取得该目标的一些可变形配准能力。1 1、治疗分次内的考虑、治疗分次内的考虑图图3 3描述了不同时相图像变形配准的处理过程，描述了不同时相图像变形配准的处理过程，图像中将每一相位映射到参考相位（图中为第图像中将每一相位映射到参考相位（图中为第1 1相位）图中。该病例中采用了相位）图中。该

9、病例中采用了LULU等开发的变形等开发的变形配准技术，这种技术非常有效且在肺癌病例中配准技术，这种技术非常有效且在肺癌病例中提供了较好结果。提供了较好结果。对于螺旋断层放疗技术，对于螺旋断层放疗技术，ZHANGZHANG等作为呼吸同步等作为呼吸同步照射已描述了四维计划的最简单实施和束流照照射已描述了四维计划的最简单实施和束流照射。射。LULU等也相继提出了实时运动自适应照射和等也相继提出了实时运动自适应照射和自适应算法的技术解决方案。自适应算法的技术解决方案。2 2、治疗分次间的考虑、治疗分次间的考虑分次治疗期间足够的外扩边界在一定程分次治疗期间足够的外扩边界在一定程度上可对肿瘤剂量覆盖与危及

10、器官保护度上可对肿瘤剂量覆盖与危及器官保护之间提供一种较好的权衡。之间提供一种较好的权衡。然而，肿瘤和危及器官不可能总具有同然而，肿瘤和危及器官不可能总具有同样形状、接受同样剂量或处于相同位置，样形状、接受同样剂量或处于相同位置，所以沉积剂量将会很明显地随时间而改所以沉积剂量将会很明显地随时间而改变，并将与通常假定独立于时间的计划变，并将与通常假定独立于时间的计划相比较。相比较。三、自适应放疗的过程三、自适应放疗的过程放疗每分次前、期间或之后在许多成像形式和照射技术间所选择的可能性已经开启了放疗计划管理中许多可能的新事物。CTVISION系统中计划图像可用于与分次治疗前所获取的日常引导图像相关

11、联对比，从而可执行在线或离线式处理。1 1、治疗计划产生、治疗计划产生 目前的治疗计划系统优化算法是基于物理（即剂量）目标函数，治疗计划的生物剂量评估及其生物优化算法已在未来考虑之列。通常调强治疗多采用共面7野或9野等角度分布，无需避开直接对危及器官的照射，通过治疗计划系统的优化可满足特定剂量约束条件，在取得靶区剂量均匀性同时尽可能实现对正常组织的保护。2 2、日常验证图像的获取、日常验证图像的获取基于CTVISION系统的IN-ROOMCT可获得患者的验证CT图像，从而实现每分次治疗对患者位置的验证。通常验证CT扫描范围需小于原始计划CT影像范围，以降低不必要的辐射剂量及减少治疗占机时间。但

12、为了全程性地回顾各靶区及器官的受照剂量精确对比，采集验证CT影像条件需与原始计划CT影像相同。3 3、ARTART评估和分析评估和分析（1）在线处理过程（2）离线处理过程（1）在线处理过程）在线处理过程（1）在线处理过程：基于解剖结构信息，利用在线）在线处理过程：基于解剖结构信息，利用在线CT图像可实施患者的重新摆位。现代图像可实施患者的重新摆位。现代CT图像性能不仅可辨高图像性能不仅可辨高对比度组织如骨，而且也可对软组织信息予以辨别。运用对比度组织如骨，而且也可对软组织信息予以辨别。运用这些图像可实施患者摆位的合适调节，一些情况下对摆位这些图像可实施患者摆位的合适调节，一些情况下对摆位偏差进

13、行校正是有必要的。特别的，患者摆位中观察到的偏差进行校正是有必要的。特别的，患者摆位中观察到的内部组织结构和所产生的变化，这也将有助于对分次间解内部组织结构和所产生的变化，这也将有助于对分次间解剖学变化给予一定的补救。如靶区、危及器官、骨组织和剖学变化给予一定的补救。如靶区、危及器官、骨组织和外部轮廓均相对于另一器官发生移动时，可选择性对患者外部轮廓均相对于另一器官发生移动时，可选择性对患者重新予以摆位，最初计划的剂量分布将最能反映出所需摆重新予以摆位，最初计划的剂量分布将最能反映出所需摆位的信息位的信息。局限性局限性考虑解剖学变化而实现对患者摆位的调节，其局限性在于实施可能位置变化的调节通常

14、基于假设以刚性的患者（体）来实现的。解剖组织结构变化越多，也许越难以确保实现按照对患者原始治疗计划的实施。可选方法可选方法原理上，实现计划再设计也许会是最好的选择，但目前采用在线方式调整似乎是不太现实。因此，提议的一种可选方法就是对于每分次照射，在几次有效的计划变化之间选择出可利用的治疗前患者图像。该过程的关键好处就是，由于可考虑组织器官的变化，它提供了在线剂量重新优化的诸多优势，但所有必要的计算需治疗前来完成。治疗计划的选择治疗计划的选择假如能预测或至少适当地预计患者解剖学变化的话，则预先可实行对治疗计划的准备。处理过程从几套轮廓和（或）PTV外扩边界的形成开始，计划的后续准备适用于这些外扩

15、边界或解剖学变化。治疗时，执行与日常组织器官相吻合最好的计划。这种解决方法被称为日常选择的多种外扩边界优化法。另一种选择另一种选择基于在线CT图像，还可以采用另一种方法实现在线的优化。这种方法的缺点之一就是需为调强放疗每天勾画出精确的器官轮廓。对于一定解剖部位而言，通过计划CT和日常验证CT图像之间所创建的扭曲形变可自动地形成靶区和危及器官轮廓。这些形变图可运用原始计划内轮廓，产生出日常器官轮廓。然而，许多病例中如前列腺癌，每天勾画出CTV靶区特别是头脚方向，这似乎是不太容易。理想放疗流程理想放疗流程 在线性能和过程的有效性不仅提供了图在线性能和过程的有效性不仅提供了图像引导像引导ART的可能

16、性，而且潜在地提升的可能性，而且潜在地提升临床放疗标准的再定义。假如优化算法临床放疗标准的再定义。假如优化算法计算快，且足够灵活地产生在线计划，计算快，且足够灵活地产生在线计划，日常日常“扫描、计划、再治疗扫描、计划、再治疗”的理想放的理想放疗流程将最终成为可能。疗流程将最终成为可能。（2 2）离线处理过程）离线处理过程应用每天图像可离线地确定每分次治疗中日常摆位和组织器官的改变，或一系列分次中影响靶区覆盖和正常组织避让情况。例如，在几分次后通过定义关联的特定患者所产生的运动级别及其组织器官改变，从而可创建出患者特定的轮廓。同时，对于肺部或头颈部肿瘤而言，日常图像有助于实施跟踪肿瘤的缩小，而几分次后该肿瘤缩小也许具有重要的临床意义。实际剂量分布叠加实际剂量分布叠加每分次治疗前所获取的图像可用于勾画出新轮廓和必要的重新剂量计算。为了整体分析计划的需要，应从多分次角度对治疗剂量分布给予叠加，并将总剂量与所期待的计划剂量分布进行比较。问题问题 假如患者是刚性躯体的话，这一点可能很容易实现，然后实施在物理空间内体素单元式剂量叠加。不幸的是，大多数病例中假定刚性躯体无法获得，因而增加基于每体素单