放射性粒子植入与三维治疗计划系统（陈慧军）

1、放射性粒子植入与三维治疗计划系统陈慧军（北京科霖众医学技术研究所）1 概述放射性粒子近距离放射治疗（brachytherapy）是国际恶性肿瘤放射治疗学的最前沿课题和最先进研究成果，这项技术与传统的放射治疗相比，无论是在物理学效应还是生物学效应方面都有突破性提高，使这项技术倍受关注，是恶性肿瘤三大重要治疗手段（手术治疗、放射治疗、化学药物治疗）之一，放射治疗技术迈出的历史性一步。放射性粒子近距离治疗根据治疗时间长短不同分为：短暂种植（temporary implant, TI）治疗和永久种植（permanent implant, PI）治疗。“放射性粒子组织间永久植入治疗恶性肿瘤”常被简称为“

2、粒子植入”，也有医学专家形象地称其为“粒子刀”，足以表明这一技术的高科技性和高效性。粒子植入的具体实施是在计算机三维治疗计划系统定性、定量、定向指导下，由手术医师通过开放手术或微创的方式将一组放射粒子按照计划系统给出的计划报告植入肿瘤靶区，这些低剂量率粒子将在未来大约200天内持续抑制和杀灭肿瘤细胞，科学有效地提高患者生存率，迅速明显改善症状，提高生活质量。粒子植入技术的发展由来已久，在放射治疗中属于近距离放疗范畴，而放疗的发展是从近距离放疗起源的，在放疗发展史中占据不可替代的地位。国际国内粒子植入技术发展历史简述1889年居里夫人发现镭。1905年人类开始了第一例镭针插植治疗。1909年，P

3、asteau 和Degrais 用导管将带外壳的镭针置入前列腺尿道，完成了第一例近距离治疗前列腺癌。1930年Paterson及 Parker 建立了 Manchester 系统，即剂量表格计算方法，从此组织间照射成为有效的治疗方法，发展很快。1950年加拿大第一台钴-60机问世，从此揭开外照射治疗的历史，一度使近距离治疗的发展受到影响。1952年，Flocks 首创术中组织间注射胶体金粒子治疗前列腺癌。1976年，纽约纪念医院Whitmore 首先用碘粒子行组织间植入治疗B、C期前列腺癌患者。1983年，丹麦医生第一次发明经模板种植粒子的技术治疗前列腺癌。此后使粒子植入适应症不断扩大，使这项

4、技术得到确认和迅速发展。1990年，AAPM在TG43#报告中确定了植入粒子源的物理模型和统一的制备外型和封装工艺。1994年，TG43#报告被采用国际标准，为粒子植入确立了理论基础。1987年，美国SSGI公司的用于前列腺粒子植入的TPS通过美国FDA。20世纪90年代中期:(三维TPS系统)粒子植入治疗肿瘤，在国外已经非常成熟地用于临床。亚洲泰国、韩国、日本、中国等相继开展放射性粒子植入治疗肿瘤研究。2000年8月国产第一台放射性粒子TPS计划系统在北大医院投入临床使用。此后中国大型医学院校,军队及地方大型三甲医院对粒子植入治疗癌症领域开始更深入的临床应用研究。2001年，国产放射性粒子通

5、过SDA。2002年，北京科霖众医学技术研究所用于全身粒子植入的三维治疗计划系统，通过了SDA，为推广国内粒子植入治疗肿瘤技术创造了条件。2 治疗计划系统在粒子植入治疗中的作用粒子植入治疗恶性肿瘤是手术治疗与放射治疗的一种结合，因此确定植入靶区范围、植入剂量、剂量分布、手术植入方法和路径等是保证治疗成功的决定性因素。一方面我们要充分发挥射线的物理特性，另一方面我们还要尽量减少放射损伤。放射治疗自出现以来追求的最高目标就是最大程度杀灭肿瘤细胞的同时，最大限度地保护正常组织少受、不受射线侵害，因此放射治疗始终坚持“三精原则”。回顾放射治疗的发展历史可以看到，它始终是在不断完善放射治疗计划和正确有效

6、地实施治疗计划的实践过程中发展自我。从钴-60机、加速器、X刀设备到适形、调强计划系统，人们都在沿着这一方向不断探索进取。任何射线都是双刃剑。因此，开展放射性粒子组织间插植的一个必不可少的环节就是制定治疗计划。对于粒子植入，计划的作用就在于：能够以影像学为依据，用虚拟现实的手法再现病灶及相关解剖实体。预先在靶区内模拟布阵，设计最佳入针方向、明确进针深度。借助计算机定性、定量、定向地将虚拟粒子植入到病变部位上，预先把握剂量分布形态。对于切除的和部分切除的肿瘤手术也可以实时采集亚临床灶影像立即制定计划，预先把握剂量分布。肿瘤区域与正常组织剂量分配比，更有效的发挥射线对肿瘤细胞的抑制和杀灭作用，最大

7、程度减少对周围正常组织的损伤。预先掌握放射源数量、活度 。预先评价、把握照射与损伤程度。确认、备案计划方案。3 制定治疗计划的步骤治疗计划是一个复杂而完整的过程，一般由手术医师和放疗医师共同确定总的治疗目标后，计划人员要借助计划系统处理包括计划靶体积、敏感器官、处方剂量分布等相关各项参数，输出可供手术操作的计划数据，最终由医生决定实施方案，其间要确定使患者得到最优化治疗的各种参数。制定治疗计划的技术路线CT/B超影像采集；影像数字化；勾画靶区轮廓及相关解剖结构的轮廓；靶区及相关组织的三维重建；选择放射源，确定剂量、阵列；确定入针方位；自动安排粒子数量及位置；确定处方位置；二维/三维绘制、显示等

8、剂量曲面；输出计划报告内容：报告一病人管理一般信息、制定计划日期；诊断及治疗部位名称；使用放射源的名称、粒子数量、植入时刻源强；植入粒子的阵列参数；模板上被采用的通道名称、通道中粒子数、粒子间距；入针角度（以CT方位相符合；）处方剂量、位置；报告二二维等剂量曲线图形报告；三维等剂量曲线图形报告；报告三 模板阵列图形报告；报告四计划评估报告；报告五放射源衰变预测报告；报告六放射防护报告。4 现代医学影像与三维治疗计划现代医学影像的发展结合计算机技术的应用为粒子植入治疗计划系统搭建了极好的平台，CT 与核磁共振（MRI）影像提供了肿瘤病人解剖学的完全模式，借助计算机将断层序列影像重建成为三度空间的

9、实体，使得医生能更准确地辨别肿瘤体积以及它们与要害器官之间的位置关系。4.1 图像采集 能为粒子植入计划所用的现代医学影像采集技术主要是CT、MRI、PET和B超，经图形格式转换后可通过设备连网、光缆、光盘、磁带、磁盘等方式采集传输，条件不具备时可通过扫描图像或直接截取视频图像的方式获取。 对于断层类如CT图像，要求有足够的分辨率、多数病人要求有完整的体表轮廓、5cm以上标尺标识、明确的图层图号标识及病人、日期等信息。对于B超影像，应能以数字（DCOM3）或模拟（AV）方式采集图像序列，一般老机型只有视频采集方式。做图像采集时，要明确采集速度（祯数/每秒）和采集路线，系统通过对间隔抽祯图像的处

10、理叠加达到三维重建目的。4.2 图像预处理对于所获得的图像序列，要进行整合处理：首先要将图形转换为治疗计划系统所认可的图形格式。各个图像坐标、原点、方位配准。各个图像放大倍数归一。图像的排序与人体坐标系配准。图层间距核准。4.3 靶区的处理传统的放疗计划中，在医学影像上能确定的靶区有几种：显见肿瘤区（gross target vollum, GTV）：显见肿瘤区指肉眼看得见的肿瘤生长范围。临床靶区(clinical target vollum CTV)：显见肿瘤区加微观浸润范围。计划靶区(planning target vollum, PTV)：显见肿瘤区加微观浸润范围加外照射摆位误差范围。粒

11、子植入靶区与外照射计划靶区的确定有所不同，基本上以显见肿瘤区域为植入粒子的靶区。因为粒子植入需要有载体，即粒子要植入到肿瘤实体上，不显见的肿瘤区域可能不能种植粒子（如平滑肌以外的空腔等）。粒子植入计划中处方剂量线（即100%剂量线）所覆盖的区域应大于显见肿瘤区加微观浸润区域。5 三维实体重建三维的含义主要是强调立体的概念，即三维计算、三维显示，所有的剂量计算点和像素点都能在空间坐标内展开，使医生快速而准确地获得放疗临床所需的丰富信息。粒子植入计划中三维重建应有如下功能：轮廓线建立：自动识别、手动勾画，并辅助加、插、删、拉、拖动等修改。轮廓生成：体表、器官（肺、肝等）、靶区、骨性标志等。加入蒙面

12、、光照、着色等效果。建立三维坐标关系。建立辅助插植模板空间角度、模板中心定位坐标。靶区中放射粒子的位置坐标。靶区体积计算。处方剂量区域体积计算。三维实体可做旋转、拖动、放大、缩小显示。分“波段”显示（信息过滤）。改变观察角度显示。实体/网状切换显示。透视显示。6 粒子布设与剂量优化原则方法进针方位：首先由放疗医生提出剂量分布要求，手术医师拟定最佳进针方位。布设粒子：借助计划系统找到各粒子布设层面，以填充式适形分布粒子，粒子间距设置为1.0cm至1.5cm之间为宜，对区域大面积较大层面宜中间稀疏周边密集。设置处方位置：以任意外侧粒子为参照点向靶区外侧方向外推0.5cm至1.0cm处。查询剂量分布

13、结果：借助计划系统的查询功能查出各基本点的平均剂量，将查询结果与肿瘤靶区周边的处方剂量相比较。其比值应为1.5倍至2.0 倍。（图） 查询等剂量曲面对于靶区的包络：对于根治性的治疗100%处方剂量线应完全包络靶区，对于姑息性的治疗，70%的处方剂量线包络靶区即可。粒子的活度范围：计划系统计算后输出的一个重要参数是粒子的源强，适用的活度范围在0.7mCi至0.5mCi。超出此范围应做修正，修正的方法是调整若干参数，包括：处方位置微调、粒子个数增减、粒子间距调整等。注意：调整后要做综合判别，要使上述各项原则均符合为佳。 粒子参数的选择： 放射性粒子的选择取决于肿瘤的病理及植入治疗的种类。目前用于近

14、距离治疗的同位素有碘-125、钯-103，粒子外观相同，直径均为0.8mm，长度4.5mm，壁厚为0.05mm的柱型棒，但要注意：其包装类型不同计划系统对其进行的修正也不同，务必请注意产品包装标识。可被选择的型号有：碘-125：6711型、6702型；钯-103：200型。7 粒子植入计划评估粒子植入治疗计划引用了一个广为采用的方法来做体积剂量评估，这就是积分体积剂量直方图，也可表达为积分DVH。它能表示出受到某一特定剂量照射的解剖结构体积占整个体积的百分比。体积剂量直方图可以用来对术前多个计划进行比较，并以量化形式判断计划是否可以被采纳。8 粒子植入治疗验证系统功能8.1 粒子植入后验证的必

15、要性粒子植入治疗是医生根据术前计划人为施行，粒子植入后必须进行剂量评估、质量验证，即行植入后的TPS（post-plan）。粒子植入后一段时间取得CT/MRI的影像结果，并借助定位体架摄取同样位置变角X线片进行粒子重建、影像融合，以获取粒子分布的客观结果。粒子植入后肿瘤组织出现水肿，如以在水肿半衰期内获得的影像结果行粒子重建，粒子分布距离增加，势必会低估生物学等效剂量（BEDmax）；在水肿消退后，肿瘤体积缩小，粒子形成客观稳定的分布，此时进行粒子重建与评估相对准确。ABS规定粒子植入术后验证时间为：125I为25天，103Pd为13天。根据post-plan 行粒子重建，计算肿瘤靶区的剂量，验证粒子植入的质量。并对低于处方剂量的部分进行补充治疗，如补充外照射治疗等。受治病人在术后长期接受随访，其病变部位的改变状况借助验证系统来表现。如粒子游走状况、肿瘤形态改变状况等。8.