（核技术及应用专业论文）IGRT涉及的一些图像配准算法和剂量重建算法的研究.pdf

四川大学硕l 学位论文 摘要 近十多年来，放疗技术有了长足的发展，出现了i m r t ( i n t e n s i t ym o d u l a t e d r a d i a t i o nt h e r a p y ) 和i g r t ( i m a g eg u i d er a d i a t i o nt h e r a p y ) 等新的放疗技术。这 些技术把人们带入了精确放疗的时代。i g r t 也成为当前放疗技术的热点之一。 如何有效利用i g r t 技术实现真正的精确放疗，对临床医学物理师们来说，是 一个不小的挑战。尽管当前的i g r t 平台提供了校正病人摆位误差的功能，但 是该平台硬件所能采集到的某些在线信息还只是一个个信息孤岛。有待发展出 一个软件系统来整合所有硬件提供的功能，实现更有效的利用。本论文的研究 目的是如何充分有效的利用i g r t 平台，让它实现最大的临床产出。论文涉及 到两个方面：一方面是研究如何对i g r t 现有功能的有效利用：另一方面是探 索如何整合i g r t 平台的硬件资源，实现定程度的功能扩展。 在i g r t 平台下，医学图像配准算法是使用很多而且非常关键的软件技术。 任何层次上的图像引导都是基于医学图像配准的结果。要想有效利用现有的 i g r t 平台，最关键的一点就是要能够保证医学图像配准的结果准确无误。本 论文以r r kf i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o lk i t ) 和v t k ( v i s u a l i z a t i o n t o o lk i t ) 为基础构建了一个图像配准算法的研究平台。并在这一 平台下，对医学图像配准过程做了相关的研究，揭示出了医学图像配准过程的 一些共性。论文中阐述了影响图像配准算法表现的各种因素，总结出一些关于 图像配准算法的初步规律，提供了如何对待商业软件中的图像配准算法的参考 意见。 如何扩展现有i g r t 平台的功能，如何整合平台下的所有资源，成为当前 国际上的研究重点。根据测量得到的射野影像反推出射野的注量分布，然后再 根据射野的注量分布计算出相关体积元内的沉积剂量，这种技术被称之为剂量 重建技术( d o s er e c o n s t r u c t i o n ) 。基于射野影像的剂量重建技术，可以用于验 证各种机器参数，比如验证m l c 的位置等。特别是把剂量重建技术应用于调 强计划的验证，这大大减轻了医学物理师的工作负担。剂量重建技术又是获知 每次照射后病人所接受的实际剂量的关键技术。它是实行基于剂量的自适应放 j t l 人学删i 乍位论_ 盘= 射治疗的琏础。本论文毖于一个自主研制的射野影像模拟的工具研究了两种 剂量重建技术的可行性。并且根掘对比研究得出的结果，制定出了下一步研究 工作的实践方案。 关键词： 图像引导的放射治疗剂量重建技术医学图像配准射野影像模拟 自适应放射治疗可行性研究射野注量分布 l i l i t l 川人肇坝i j 学位沧丈 a b s t r a c t t e c h n i q u e so fr a d i o t h e r a p yh a v eaq u i t eg r e a tp r o g r e s s ，i n l a s tt w od e c a d e s i m r t ( i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p y ) a n di g r t ( i m a g eg u i d er a d i a t i o n t h e r a p y ) a r ed e v e l o p e di n t h i sp e r i o d t h e s et e c h n i q u e sb r i n gp e o p l et op r e c i s i o n r a d i a t i o nt h e r a p ye r a , a n di g r tb e c o m eo n eo ft h em o s ta t t r a c t i v ef i e l d sa tt h es a m e t i m e i ti sn o tat r i v i a lw o r kf o rc l i n i c a lm e d i c a lp h y s i c i s tt ol e a r nh o wt ou t i l i z et h e i g r tt e c h n i q u ee f f e c t i v e l y a l t h o u 曲i g r tp l a t f o r mc a l lc o i t e c tp a t i e n t ss e t u p e r r o r , i ti sf u rf r o mp e r f e c t s o m eo n l i n ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e db yi g r tp l a t f o r mi s i s o l a t e d i tn e e d sas o f t w a r el e v e li n t e g r a t i o no fa l lt h eo n l i n ei n f o r m a t i o nt o m a x i m i z et h ec l i n i c a lo u t p u t so fi g r tp l a t f o r m t h ea i mo ft h i st h e s i si st of i n dt h e w a yf o rh o wt ou t i l i z ei g r te f f e c t i v e l y , w h i c hh a st w od i f f e r e n tl e v e l s t h eb a s i c l e v e li se n s u r i n gt h ep r e s e n tf u n c t i o no fi g r tr u n n i n ga sw h a th a sb e e nd e s i g n e d t h eh i g h e rl e v e li st oe x t e n dt h ef u n c t i o no f p r e s e n ti g r tp l a t f o r m u n d e rt h ei g r tp l a t f o r m ，m e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o ni so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n i q u e s i m a g eg u i d e si na l lf o r m sr e l yo n t h er e s u l t so f m e d i c a li m a g e r e g i s t r a t i o n i ti s ak e ys t e pt ou t i l i z et h ei g r tp l a t f o r me f f e c t i v e l yt h a tc l i n i c a l m e d i c a lp h y s i c i s t st a k es o m ew o r kt oe n s u r et h er e s u l t so fr e g i s t r a t i o na c c u r a t e i n t h i st h e s i s ，w ec o n s t r u c tar e s e a r c hp l a t f o r mf o rm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o no nt h e b a s i so fi t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o lk i t ) a n dv t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o lk i t ) u n d e rt h i sr e s e a r c hp l a t f o r m ，w eh a v ed o n es o m er e s e a r c h a b o u tm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n ，a n df i n ds o m ei n t e r e s t i n gc o m m o nf e a t u r e so fi t ht l l i st h e s i s w ed i s c u s st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm e d i c a li m a g e r e g i s t r a t i o na l g o r i t h m ，a n da l s og i v es o m es u g g e s t i o n so nu t i l i z a t i o n so f t h em e d i c a l i m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m se m b e d d i n gi nc o m m e r c i a ls o f t w a r e h o wt o i n t e g r a t e a l lt h er e s o u r c e so fi g r tp l a t f o r mh a sb e c o m ea n i n t e r n a t i o n a lh o tp o i n to fr e s e a r c h w ec a ni n f e rt h ei n c i d e n t f i e l df l u e n c e d i s t r i b u t i o nb a s e do nm e a s u r e dp o r t a li m a g e ，a n dt h e nc a l c u l a t et h ed o s ed i s t r i b u t i o n 叫门1 人肇坝i 学位论史 i np a t i e n tb o d ya c c o r d i n gt ot h ei n c i d e n tf l u c n c ed i s t r i b u t i o n t h i st e c h n i q u ei s c a l l e d “d o s er e c o n s t r u c t i o n ”d o s er e c o n s t r u c t i o nb a s e do ne l e c t r o n i cp o r t a li m a g e h a sv a r i o u sa p p l i c a t i o n si nr a d i o t h e r a p y i tc a nb eu s e di nm a c h i n ep a r a m e t e r s v e r i f i c a t i o n ，t h em l cp o s i t i o nv e r i f i c a t i o na n d t r e a t m e n tp l a n n i n gv e r i f i c a t i o n ( e s p e c i a l l yi m r tp l a n n i n g ) a n ds o o n i tc a nl i g h t e nt h em e d i c a lp h y s i c i s t s w o r k l o a dt om u c he x t e n t d o s er e c o n s t r u c t i o ni sa l s ot i l ek e yt e c h n i q u et oe s t i m a t e a n da n a l y z et h ed o s ed i s t r i b u t i o ni np a t i e n tb o d ya f t e raf r a c t i o nt r e a t m e n t i ti st h e f o u n d a t i o no fa d a p t i v er a d i a t i o nt h e r a p yb a s e do nd o s e i nt h i st h e s i s ，w ed e v e l o pa t o o lf o rp o r t a li m a g es i m u l a t i o n ，a n da s ei tt oe v a l u a t et w od i f f e r e n tt e c h n i q u er o a d s f o rd o s er e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ： i m a g eg u i d er a d i a t i o nt h e r a p y d o s er e c o n s t r u c t i o nm e d i c a li m a g er e g i s t r a t i o n a d a p t i v er a d i a t i o nt h e r a p y f e a s i b i l i t yr e s e a r c h p o r t a li m a g es i m u l a t i o n i n f l u e n c ed i s t r i b u f i o no ff i e l d v 删川人学删l 学位论艾 关键术语中英文对照表 3 d c r t ( 3d i m e n s i o n a lc o n f o r m a lr a d i a t i o nt h e r a p y ) a p e r t u r e a r t ( a d a p t i v er a d i a t i o nt h e r a p y ) c b c t ( c o n eb e a mc t ) c sa l g o r i t h m ( c o n v o l u t i o n s u p e r p o s i t i o na l g o r i t h m ) c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) d 0 $ cr e c o n s t r u c t i o n d r r ( d i g i t a l l yr e c o n s t r u c t e dr a d i o g r a p h ) d v h ( d o s ev o l u m eh i s t o g r a m ) e p i d ( e l e c t r o n i cp o r t a li m a g ed e v i c e ) f i e l do f v i e w h e l i c a lt o m o t h e r a p y i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) i g r t ( i m a g eg u i d er a d i a t i o nt r e a t m e n t ) i m a g er e s i s t r a t i o na l g o r i t h m i m a g es e g m e n t a t i o n i m r t ( i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p y ) i n t e r p o l a t i n gm e t h o d 三继适彤墩姑冶疗 半影孔 自适应放射治疗 锥形束c t 傅立叶微分卷积法 计算机断层扫描 剂量重建 数字重建x 光片 剂量体积直方圈 电子射野影像设备 成像野 螺旋断层治疗 惯性约束核聚变 图像引导的放射治疗 图像配准算法 图像分割 调强放射治疗 插值方法 叫川人乍付! l 学位沦盅： i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o nt o o lk i t ) m e t d c m l c ( m u l t i l e a f c o l l i m a t o r ) m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) o a r ( o r g a n s a tr i s k ) 0 p t i m i z a t i o na l g o r i t h m p o r t a li m a g e p s f ( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ) p t v ( p l a n n i n gt a r g e tv o l u m e ) r o i ( r e g i o no fi n t e r e s t i n g ) s a d ( s o u r c e a x i sd i s t a n c e ) s p a t i a lt r a n s f o r m s s d ( s o u r c es u r f a c ed i s t a n c e ) v t k ( v i s u a l i z a t i o nt 0 0 1k i t ) 图像分割与配准工县包 目标函数 多叶光栅 核磁共振成像 紧要器官( 危及器官) 最优化算法 射野影像 点扩散函数。 计划靶区 感兴趣区域 源轴距 空间变化 源皮距 可视化工具包 p 4 川人学坝1 学位论文 关于硕士学位论文内容的声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川i 大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川l 大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 学生签字： 邬砖、 舯剖磁誊1 轰氢 州川人学顺i ：学位沦史 第l 章引言 1 1放射治疗的基本原理 i 1 1 放疗的物理和生物基础 在伦琴于1 8 9 5 年底发现x 射线之后不到2 个月的时间，芝加哥的e m i l g r u b b e 就声称把x 射线用于i 临床治疗了一例乳腺癌。随着放射治疗的发 展，肿瘤的放射治疗的疗效也被各种临床数据所证实。现在放射治疗，手术， 化疗已经成为治疗肿瘤的三大支柱。放射治疗的基本原理就是利用放射线的物 理特性和生物组织细胞的放射生物学反应来杀死肿瘤以达到治疗的目的。 焉 亨9 0 i a 。 名册 ；竺 弘 芒： o 图1 1 典型中心轴百分深度剂量曲线( 射野大小为1 0 x 1 0 c m 2 ，s s d 为 1 0 0 c m ) 。( a ) 能量为6 9 ，1 2 1 8 m e v 的电子束：( b ) 能量为6 m v 1 5 m v 的光子束。 放射线( 参见1 3 ) 与物质的相互作用过程以及他们的物理特性是实施放射 治疗的物理基础。放射线在与物质作用过程中会发生一系列的物理过程，使得 射线能量逐步的释放给作用点邻近的区域产生直接电离或日j 接电离。人们会 根据射线能量不同，射线的穿透力不同，以及能量释放的过程等，实施不同种 类的放射治疗。如上图1 1 所示，电子束它的穿透能力不强，一般用来治疗接 近体表的一些肿瘤区域。光子束的穿透能力强，可以用来治疗深部肿瘤区域。 生物组织细胞对射线的放射生物学行为是实施放射治疗的生物基础。使用 ”m钟肼讪钟帅砷舯旧0 一一g口考暑：l 叫川1 人学蟛il ，学位论空 放射线治疗肿瘤时，射线与肿瘤区域相互作用后，会释放能量给肿瘤细胞。释 放的能匿会引起电离从而破坏细胞分子的化学结合健，从而破坏肿瘤细胞的l f 常细胞功能。这单起主要作用的是电离会使得细胞核中d n a 分子的链发生断 裂，破坏细胞的繁殖功能。图l 一2 描述了不同类型的细胞对不同的放射线的，上 物效应。 1 0 0 i 三 七 j 芒1 0 2 山 飞 a ( b ) ! l d p a r t i c l e s ； 、 | l ；f ；t | f xr a y s n e u t r o n s o e r = 2 5 0 e r 1 5 o e r 毒1 0505 0 5 d o ：s ei g y 图1 2x 射线，中子。a 射线的典型细胞存活曲线。图中实线代表是乏氧 细胞的行为。虚线代表的是有氧细胞的行为 1 1 2 放射治疗的基本流程 0 0 1 0 随着放疗技术的发展，人们已经发展出各种复杂有效的放疗手段和放疗设 备。尽管放疗的过程变得越来越复杂、涉及的环节也越来越多、同时跨学科的 合作也显得越来越重要，但从原理上还是可以把放射治疗的过程分成3 个基本 的单元( 如图1 3 ) 。第一部分：医生确定肿瘤患者的病变位置( 包括影像可见 部分和亚临床灶以及转移等) ，然后给出治疗所需的处方剂量。第二部分：考虑 各种现实条件，物理人员与医生共同完成放疗计划的设计。第三部分：物理人 员根据放疗计划在放疗设备上对患者实施有效的放射治疗。各种新技术，新设 备的出现部是围绕着这三个部分，以期实现有更好疗效的精确放疗。比如各种 6 川人。# 嘶! i 学位沦足 尘物医学影像的出现，位子 医生能够i 她的行出、亚临床病t i ：， ；i 助医7 - 对肿瘤 病变区域的精确定位。放射冶f f 计划系统的发展，帮助医尘平| i 物雕人员共n 日改 计出个性化的最优放疗计划。最新的i g r t 平台能够在线校准病人的摆位误差， 以确保放疗如实的按照计划实施等( 参考第2 章) 。 昏一 图1 - 3 放射治疗的流程原理图 1 2放射治疗的发展历史阶段 实践证明：放射治疗这种方式是治疗肿瘤的一个非常有效手段。但是从放 疗的诞生到被广泛接受，放射治疗一路走来却也不是那么一帆风顺。从放射治 疗的发展历史来看到目前为止，可以把放疗的发展历程分成五个阶段。 1 8 9 0 s 1 9 2 0 s 在伦琴发现x 射线后，很快放射治疗就被用于临床治疗癌症。在这个时期 主要是由外科医生或者皮肤科专家对患者实施放疗，而且对射线的物理特性以 及射线的生物效应也知之甚少。这个时期没有什么方法来计算剂量，产生射线 的设备也是非常的原始。由于放疗设备稳定性以及所产生的射线能量的限制， 放射治疗只能用于治疗浅表的肿瘤。这个时期由于对射线性质理解有限，医生 们都期望一次照射就能把患者身上的肿瘤杀死，所以患者身体的很大一部份都 接受了射线的照射。毫无疑问，由于很大一部分正常组织被损坏，患者在接受 放射治疗之后，会出现很多严重的f 临床并发症。 1 9 2 0 s - 1 9 4 0 s 二十世纪二十年代末期，放射治疗物理学有了初步的发展。它定义了伦琴 ( r o e n t g e n ) 这样一个剂量单位，并且开始使用每天一次的分次照射计划( 参 l t q l l l 人学坝i 。擘位硷史 考l 3 ) 代臀了一次具( i 射很大剂量：这利，临床模式。这个时期出现了预先制订放射 治疗计划，然后按照计划实施欣疗的临床过程。人f f l 也丌始研究欣射刺量与它 的尘物效应之f 日j f 门关系。尽管随着真空x 线管的出现可以产生2 0 0 k v 能砬 的x 线并且有了治愈浅表肿瘤的病例但足这个时期的放疗还足只能看成足 一种减轻患者痛苦的姑息治疗手段。人们需要发展能产生更高能毓射线的放疗 设备，以便更有效的治疗深部肿瘤。 1 9 4 0 s 1 9 6 0 s 第二次世界大战后，人们生产出钴6 0 等的人工放射性核素来替代镭。这个 时代被称之为兆伏级时代。它见证了钴6 0 的放射治疗的普及，以及各种高能加 速器的出现( 直线加速器，电子感应加速器等) 。高能加速器产生的x 线有更 强的穿透能力，可以达到皮下的深度区域。高能射线带来了很多的好处：1 ， m v 级x 射线的建成效应使得皮肤接受较低剂量，避免了皮肤的急性放射性反 应。2 ，对相邻组织有较低的散射有助于得到更准确的放射治疗计划。随着计算 机技术的发展，人们实现了非常复杂的数学运算来计算感兴趣区域所接受的剂 量。采用计算机来计算剂量，速度又快又准确。表征组织中吸收辐射剂量的单 位拉德( r a d ) 替代了表征空气中吸收辐射剂量的单位伦琴( r o e n t g e n ) 。这个 时期也开始了研究放射治疗计划的生物效应的限制性i 晦床实验。 1 9 6 0 s 1 9 9 0 s 这个时期兆伏级机器，计算机以及放射治疗生物效应的临床实验等得到了 更进一步的发展。这时候放射治疗已经不再仅仅是为了减轻患者痛苦的治疗手 段，放射治疗已经发展成为治愈肿瘤，控制肿瘤的一种有效手段，成为治疗肿 瘤的三大支柱之一。在这个时期，放疗临床实施的模式进行几次大的技术革新， 特别是在1 9 7 0 s 以后，c t ，m 对等一系列三维成像模式应用于临床。放射治疗 计划方面，由二维的放射治疗计划转变成三维的放射治疗计划。放射治疗的实 施方式也由规则的方野照射向三维适形照射( 3 d c r t ) 发展。 1 9 9 0 s 一现在 这一时期，出现了各种新的生物医学影像模式，提高了医生对肿瘤区域特 叫川人学蝴 j 擘位论文 别足亚i 临床灶的识别能力。治疗模式从简单的三维通形发j 硅为三维渊强放射治 疗( i m r t ) i m r t 能够使得靶区获得高的剂量，同时有效保护紧要器官和正 常组织。由于它的高剂量梯度，对放疗的准确性提出了更高的要求。为了实现 高精度的调强放射治疗，出现了最新的图像引导的放射治疗( i g r t ) 平台( 参 见第2 章) 。放射治疗进入了一个精确治疗的时代。 1 3 放射治疗中的基本术语 放射线： 平时简称射线。指一切能导致电离的中性粒子、带电粒子或光子。它包括 x 射线，伽马射线，中子束，电子柬，以及其他高原子序数的带电离子束等。 吸收剂量： ，p 定义为d = 娑。指在特定吸收介质中，单位质量介质所吸收的能量。这 d m 里的介质指的是人体器官。它是对细胞所造成的分子损害的一个度量。 处方剂量： 在傲治疗计划时，医生根据病变情况所给定的特定区域应该达到的剂量， 称之为处方剂量。处方剂量即是设计放疗计划的依据，也是评价一个放疗计划 满不满足要求的指标。 注量： 注量分为粒子注量和能量注量。粒子注量定义为：皇要，它表示穿过横 伽 截面积为d a 的一个球体积的粒子数。单位是：粒子数c m 2 。能量注量定义为： 甲：譬，它表示穿过横截面积为d a 的一个球体积的辐射能量。单位是：j c m 2 。 则 能量注量与粒子注量有如下关系：甲：掣e ：中e 。e 表示入射粒子的能量。 粥 粒子注量和能量注量对时间的微分就相应的称为粒子注量率和能量注量率。往 9 删j 1 1 人学坝i 学位论殳 往我们真实的入射射束彳：足簟能的射线，它们足有一个能碡区n i j 的i 普f 2 i ( 如罔 i 4 所示) 。 e n e r g y ( k e v 图1 4 光子注量和光子能量注量的对应图。此图是在离靶1m 处，管电压为 2 6 0 k v ，另外加上一块1 m m 的铝过滤器，1 8 m m 的铜过滤器的情况下获得。 照射野： 射线束经准直器后垂直通过模体的范围称之为照射野。用模体表面的截面 大小表示照射野的面积。l 临床剂量学中规定模体内5 0 等剂量曲线的延长线交 于模体表面的区域定义为照射野的大小。 射野注量分布： 射野注量分布是指在垂直于射束入射方向的平面上，射束的注量分布情况。 注意这是一个有限时间内的概念。一般情况下，要获知射野的注量分布都是在 没有模体( 病人) 的情况下，一定时间内所测量的入射射束能量沉积分布图。 可以是胶片采集，也可以是由电子射影影像设备( e p i d ) 采集得到( 如图l - 5 0 一价1ic3j巴兰口jbo。uan正 叫川人学坝i + 学位沦艾 所示) 。射野注量分，n i 图非常有用，它可以用柬验证治疗计划的正确性。用于实 现刷量引导的放射治疗方式( 参见4 4 节) ，以及用于分析治疗加速器的机器性 能等。 图1 - 5 射野洼量分布图。左图是e p i d 测量碍到的离散化射野洼量分布图。右图是用 胶片测量得到的射野分布图。 密集肿瘤区( g r o s st u m o rv o l u m e ，g t v ) ： g t v 是指通过临床检查或影像检查可发现的肿瘤范围，包括原发肿瘤及转 移灶。 临床靶区( c l i n i ct a r g e tv o l u m e ，c t v ) , c t v 包括g t v 和亚临床病灶( t 0 区患者则只有亚i 晦床病灶) 。对c t v 的 确定是对放射肿瘤学家提出的最大挑战之一。对c t v 的定义除要考虑原发灶周 围的亚临床病灶外，还要根据肿瘤的生物学行为，如肿瘤可能沿邻近血管、神 经浸润、向区域淋巴结转移的特点，考虑肿瘤可能侵犯和转移的范围。g t v 和 c t v 都属于临床解剖概念，能否正确定义g 下v 和c t v 依赖于影像学知识、肿 瘤病理解剖学知识和临床经验。 计划靶区( p l a n n i n gt a r g e tv o l u m e ，p t v ) ： p t v 是考虑到治疗过程中器官和病人的移动、射野误差以及摆位误差等而 提出的一个静态几何概念。p t v 包括c t v 和考虑到上述因素而在c t v 周围扩 州川j 、# 帧l 乍化地业 大的范田。p t v 的定义使得治疗过程c i j 球管年r 上述i 司袭影i 响j ( 射的丰j l i 确性，仙 c t v 始终处在治疗区内。p t v 与c t v 之帕l 的宽度( p t vm a r g i n ) 的选定应以摆 位误差( s e t u pe r r o r ) 及由于器官移动导敛的靶区位移( t a r g e tm o t i o n ) 的实际检测 结果为依据。p t vm a r g i n 在不同部位肿瘤、不同方向上的宽度可能是不同的。 如果把p t vm a r g i n 细分的话可分为两部分：一部分是考虑到靶区的移动而设 定：另一部分是考虑到射野和摆位误差而设定【) j 。 治疗区( t r e a t e dv o l u m e ，t v ) ： 治疗区是放疗医生根据时间一剂量一分次处方定义的认为可达到治疗目的 的剂量区域( 如常规时自j 剂量一分次照射时，定义9 0 等剂量面所包绕区域为 治疗区) 。 照射区( i r r a d i a t e dv o l u m e ，i v ) ： 照射区是放疗医师根据时间一剂量一分次处方定义的，认为与j 下常组织放 射耐受性相关的剂量范围( 如：5 0 等剂量面所包绕范围) 。治疗区与p 下v 的 适形程度、照射区覆盖紧要器官的体积等，是评价和优选照射计划的重要依据。 g t v , c p t v 和t v 之间的由小到大层层包含的关系例( 如图i - 6 示) ： 图1 击g t v ，c 。r v ，p t v 等的相对关系示意图 叫川人学彤l l j 学位论文 紧要器官( o r g a na tr i s k 。0 a r ) ： 紧要器官是放疗医师定义的邻近靶区的放射敏感器官，有时也破称为危及 器官。如食管癌放疗中的脊髓、肝癌坡疗中的胃肠及肝本身。在治疗过程中， 紧要器官也存在位移和摆位误差，所以同样需要庄紧要器官周围增加一个保护 带( m a r g i n ) 以确保紧要器官的安全。紧要器官连同保护带( m a r g i n ) 一起， 被称为计划紧要器官( p l a n n i n go r g a n a tr j s kv o l u m e ，p r v ) 剂量一体积直方图( d o s e v o l u m eh i s t o g r a m ，d v h ) ： d v h 用于定量描述所定义的体积( 如p t v ，危机器官即o a r ) 内吸收剂 量的三维分布信息。直方图的横轴为吸收剂量( 可为百分剂量或绝对剂量) ，纵 轴为体积( 可为百分体积或绝对体积) 如图1 - 7 所示。从剂量体积直方图， 我们很容易知道所定义的结构有多少的体积接受了大于某个值的剂量：或者说 我们所关心的体积至少受到了多大剂量的照射。d v h 的一个重要功能是帮助判 断一个照射计划可否接受，从d v h 常常很容易判断出一个治疗计划是不可接 受的。当然d v h 图还可以用于所设计的计划之间的比较和优选。如果真正要 评价一个计划，只看d v h 图还不能获得足够的信息，还需要结合下面所介绍 的剂量分布图。 专1 一专b l a d d 文 , - n ra e _ t t i mf 。? ；i ；i c i 二) - r v ；i l 、l s 1 4磊、人 譬 - 弋 l 、，i 。焱 l o l 53 0 图1 7 一个调强计划的剂量体积直方图( d v h ) l f i l 川人擘彤! l j 学位论史 剂量分布图： 人体内的剂量分布足一个三维的量，尽管当前的计划系统能够挺供三维的 等荆皿面显示，但是医生们为了评价计划设计的优劣，往往更喜砍沿某个切面 方向取一层体积元，观察由这一层体积元内的剂量分柿所构成一个二维的剂碴 分布( 如图l 罐所示) 。剂量分御图由一系列的等刺量线构成，从此图上我们 可以看出计划中高剂量区的位冒，以及高剂量等剂量线与计划靶区的适形情况 等。等剂量线可以根据绝对剂量柬绘制，也可以根据相对剂量来绘制。通常都 是按照相对剂量来绘制等剂量线。采用相对剂量柬绘制等剂量线需要选取一个 剂量归一点。这个剂量归一点选取的地方不同显示出来的剂量分布图就会不 一样，所以一般剂量归一点的位置最好保持不变。临床上一般都是把p t v 的几 何中心设置为射野等中心，然后以射野等中心为剂量的归一点。 图1 - 8 二维的剂量分布图 分次照射： 这是一个放射治疗临床实施的策略它把杀死肿瘤细胞所需的总的剂量分 成多次照射。它所根据的原理就是细胞的存活曲线( 如图卜9 ) ，它主要利用正 v t l 川大学砸i + 擘位电殳 常组织的修复能力比肿缩细胞的修复能力强，以达到系死肿精f 细胞保护正常组 织的目的。分次照射有多种不同策略：( 1 ) 常舰的分次：是过去3 0 4 0 年的临 床经验的积累得出。一般是每次照射1 7 到2 2g y ，一个星期照5 次。也就是 说患者周末休息，每个工作同接受一次照射：( 2 ) 超分割：患者一天照射多次， 但是他的总受照时间与常规分次相同。一般每天2 次，每次照射1 2 到1 30 y 。 这种分次策略主要针对的是那些肿瘤与正常组织的修复能力相差不大的病变区 域，以期提高肿瘤的控制率同时又能保护正常组织；( 3 ) 加速分割：这种策略 主要针对肿瘤增长很快的病变区域。一种简单的方式就是：一个星期内每天都 接受照射：( 4 ) 加速超分割：除了每天都照射之外，每天照射多次。常规分次 策略是许多年来的经验总结，放疗医生一般不会轻易的改变它。其他分害4 方式 是根据不同部位肿瘤的放射生物效应而制定的，它们有各自的优缺点，要根据 具体的患者病情来选择 0 1 0 2 0 3 0 d o s e ( g y ) 图1 - 9 典型的肿瘤细胞与正常组织的存活曲线。图中a 为肿 瘤细胞的存活曲线，b 为正常组织的细胞存活曲线。 州川人学删l - 学位沦文 三维适形放射治疗( 3d i m e n s i o n a lc o n f o r m a lr a d i a t i o nt h e r a p y ，3 d c r t ) ： 一种使得高剂量的剂量分前i 与计划靶区形状一致的放疗技术。射嫩的射野 形状与靶区在垂直于射束方向的平面上的投影形状一致。照射野足均匀时野场。 调强放射治疗( i n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p y ，i m r t ) ： 一种根据医生的处方剂量逆向设计出射野场分布的治疗技术。射野场的分 布可以根据需要进行调制，一般柬说是非均匀的。这种治疗技术有较高的剂量 梯度，可以保证高剂量区与靶区( p t v ) 具有更高的适形度。达到更好的保护 正常组织和杀死肿瘤细胞的目的。 图像引导的放射治疗( i m a g eg u i d er a d i a t i o n t h e r a p y ，i g r t ) 虽然图像引导这个概念我们实际上已经应用很久了，但是直到调强放射治 疗的普及，人们对精确放疗的追求，最近几年才真正被大家广泛关注。i g r t 广义上的定义是包括：应用生物医学影像手段对病变区域进行精确的定位以及 放疗实施过程中的图像引导。i g r t 狭义上的定义：只包括了治疗计划的精确 实施这一部分，是图像引导的调强放射治疗。当前的i g i 玎平台已经具备了对 摆位误差的调整功能，在放疗计划实施过程中，i g r t 平台起到了一个验证放 射治疗和实施更精确的放射治疗的作用( 请参见第2 章) 。i g r t 平台还不是一 种成熟的技术，还有待进一步的发展。同时对于医学物理学家来说，这意味着 很多的机会。 6 川川人乍坝i 学化沧业 第2 章 i g r t ( i m a g eg u i d er a d i a t i o nt r e a t m e n t ) 平台 2 1引言 当前的文献中，i g r t 这个术语广泛的指综合应用最新的基于各种生物医 学影像的肿瘤定义方法，病人摆位装置以及放射治疗实施引导工具的整个放疗 过程。本论文中所提到的 g r t 平台仅仅指具有病人摆位校萨功能的放射治疗 实施的硬件与软件平台( 不包括应用生物医学影像定义肿瘤的部分) 。 2 0 世纪9 0 年代发展出来的调强放射治疗( m r t ) 把肿瘤的放射治疗带入 了一个新的时期。i m r t 这种新的治疗模式在提高肿瘤控制率方面展示出了它 巨大的潜力。它是一种提高肿瘤区域剂量而同时降低正常组织剂量的有效工具。 i m r t 的出现在技术上已经可以实现高剂量区域与靶区的高度适形度，以及高 剂量区与低剂量区之间的高梯度。在临床上有研究数据表明，对于某些位黄的 肿瘤，它们对高剂量分次照射有更好的临床效果。比如前列腺癌的吖o 的比率只 有1 5 c g y ，而典型的肿瘤“d 比率有8 到l o c g y 。对于肺癌同样也有临床数据 说明，它需要提高分次的剂量，而缩短整个疗程的时间【4 j 。i m r t 带来的高剂 量梯度，更有效的保护了紧要器官和正常组织，使得提高分次剂量成为可能。 同样因为剂量梯度大，如果在放疗过程中有所偏差，高剂量区很容易落在了紧 要器官或正常组织上，导致紧要器官和正常组织所接受的剂量超出它们的容忍 剂量。一方面需要有好的临床效果，一方面又存在着严重的潜在危险。这就需 要我们高准确度的图像引导( i g r t ) 的放射治疗来解决这个问题。 2 2l g r t 平台的各种实现方式 。 发展合适的计划系统，剂量施与系统，患者个性化的验证系统以及自适应 治疗的过程，图像引导的i m r t 能够获得更好的治疗效果。世界上一些领先的 研究机构对i g r t 平台下的各个环节做了大量的研究：各大医疗设备供应商也 研发出了各式各样的i g r t 产品。用于引导治疗的成像模式包括：超声，常规 c t ，锥形束c t ，m v 级c t ，光学引导系统等。图像所引导的放射治疗方式包 括：使用加速器的外照射，近距离治疗，立体定向外科手术等。图像引导的放 射治疗平台多种多样，就算同样使用k v 级x 射线源作为成像源的外照射方式， 州川人学蚓i 。擘化沧业 也会因为它们的系统构架不同而千丝月别。下听将介绍采用x 射线为成像源的 主要几种外照射i g r t 平台。 可滑动c t ( c t - o n r a i l s ) 方式： 塑堕墼c 噢咧蟹一，。t a 唑一二 鲤 g a n t r y 图2 1 可滑动c t 图像引导平台。一台常规c t 与一台医用加速器集成在一起。 可滑动c t 图像引导平台的组织构成如图2 1 所示，由一台医用加速器与 一台可沿轨道滑动的常规c t 组成。在治疗之前，像普通放疗一样对放疗病人 进行摆位。然后旋转治疗床1 8 0 度，在滑动c t 的定位激光系统引导下确定好 c t 扫描部位，进行c t 扫描获取治疗前病人的真实三维解剖数据。最后再旋转 治疗床，使之回到治疗加速器的机头下面，调整照射位置实施放疗。 可滑动c t 图像引导平台它的优势在于：治疗前所获得的c t 数据与计划 时所用的c t 数据图像质量一样。它可以有效的应用到各个部位的肿瘤治疗， 特别是需要对软组织有精细分辨的肿瘤部位。因为同样是c t 采集的数据，可 以通过把对计划c t 数据上定义的结构