图像引导放疗(IGRT)原理应用及QA

1图像引导放疗(IGRT)原理应用及QA2IGRT背景IGRT定义开展IGRT的必要性IGRT的应用IGRT的QA课程大纲3IGRT背景3DCRT和IMRT技术可以产生高度适合靶区形状的剂量分布，达到了剂量绘画或剂量雕刻的效果。4IGRT背景56IGRT背景IGRT定义开展IGRT的必要性IGRT的应用IGRT的QA课程大纲7ImageGuideRadioTherapy图像引导放疗

IGRT是这样一种技术，它在分次治疗摆位时和(或)治疗中采集图像和(或)其他信号，利用这些图像和(或)信号，引导此次治疗和(或)后续分次治疗[1]。IGRT

定义[1]戴建荣,胡逸民.图像引导放疗的实现方式[J].中华放射肿瘤学杂志,2006,15(2):132-135.8IGRT背景IGRT定义开展IGRT的必要性IGRT的应用IGRT的QA课程大纲9IGRT的作用准确定义PTV的边界(特定患者和/或特定部位)准确实施患者摆位便于治疗中靶体积（运动）的定位实时监测解剖结构的变化10开展IGRT必要性分次治疗的摆位误差治疗分次间的靶区移位和变形同一分次中的靶区运动。2023/6/211摆位所依据的光距尺和激光灯定位误差。分次治疗的摆位误差来源2023/6/212人体非刚体,体表与皮下脂肪和肌肉存在相对运动,造成靶区偏离照射中心。分次治疗的摆位误差来源2023/6/213治疗床和模拟定位机床的差别、体表标记线的宽度、清晰程度、技师经验等因素分次治疗的摆位误差来源15开展IGRT必要性分次治疗的摆位误差治疗分次间的靶区移位和变形同一分次中的靶区运动。16消化系统和泌尿系统器官的充盈程度显著影响靶区位置。治疗分次间的靶区移位和变形17随着疗程的持续进行，患者很可能消瘦、体重减轻，这会进行性地改变靶区和体表标记的相对位置治疗分次间的靶区移位和变形2023/6/218随着疗程的持续进行，肿瘤可能逐渐缩小、变形，靶区和危及器官的相对位置关系发生变化，计划设计时没有卷入照射野的危及器官可能卷入。19开展IGRT必要性分次治疗的摆位误差治疗分次间的靶区移位和变形同一分次中的靶区运动。2023/6/220同一分次中的靶区运动。呼吸运动影响胸部器官(肺、乳腺等)和上腹部器官(肝、胃、胰腺、肾等)的位置和形状。胃肠蠕动和血管跳动也会带动紧邻的靶区。21IGRT背景IGRT定义开展IGRT的必要性IGRT的应用IGRT的QA课程大纲22IGRT实现方式在线校位自适应放疗分次内靶区运动控制23在线校位在线校位：在每个分次治疗过程中，摆位后采集患者二维或三维图像，通过与参考图像(模拟定位图像或计划图像)比较，确定摆位误差和(或)射野位置误差，实时予以校正，然后实施射线照射。2D/3D图像在线校位工作流程TPS系统

图像采集系统参考图像计划等中心位置靶区轮廓获取图像加速器治疗中心位置对图像进行融合配准252D/3D图像在线校位工作流程上传到R&V系统参数到床与加速器计划到加速器如有必要可再采集图像校验PatientFlowDataFlow对图像进行融合配准，得到摆位误差在治疗机上进行治疗病人离开治疗室治疗床位置修正262D图像在线校位参考图像(2D)，计划等中心投影，解剖结构轮廓投影采集二维图像，加速器治疗中心投影数字影像重建EPID采集计划系统加速器27图像融合配准，得到摆位误差加速器治疗床位置修正28透视（2D）成像设备29MV级透视成像30KV级正交透视成像313维图像在线校位参考图像3D，等中心位置，靶区轮廓采集三维图像，加速器治疗中心位置DICOM导出计划系统加速器EPID采集采集重建32图像融合配准，得到摆位误差加速器治疗床位置修正3维图像在线校位333D成像设备34滤波透视重建反投影KV级锥形束CT成像原理35使用普通滤过器，造成图像截断伪影使用领结式滤过器，图像边缘得到了恢复普通滤过器领结式滤过器领结式过滤器改善图像原理KV级扇形束CT成像MV级CT成像3D图像质量评价高对比度（空间分辨率）3D图像质量评价低对比度识别率(软组织分辨率)3D图像质量评价均匀度3D图像质量评价几何失真3D图像质量评价伪影-环装伪影3D图像质量评价伪影-放射伪影3D图像质量评价伪影-截断伪影3D图像质量评价46KV级锥形束CTKV级扇形束CTMV级锥形束CTMV级扇形束CT高对比度**********低对比度**********均匀度**********剂量*************4种3D成像设备图像质量比较[2]StützelJ,OelfkeU,NillS.Aquantitativeimagequalitycomparisonoffourdifferentimageguidedradiotherapydevices[J].Radiotherapyandoncology:journaloftheEuropeanSocietyforTherapeuticRadiologyandOncology,2008,86(1):20.3D与2DIGRT比较47与二维图像相比，三维图像的优势表现为：①由于CBCT图像可以提供清晰的断层解剖信息，可以观察靶区和危及器官在疗程中的变化，提供及时修改计划的可能。2D图像3D图像3D与2DIGRT比较48②三维图像可提供6个自由度(3个平移和3个旋转)的摆位误差数据，而二维图像最多只能提供5个自由度(3个平移和2个旋转)的数据；3D与2DIGRT比较49③如果考虑到组织器官形状变化，采用变形匹配技术，三维与二维提供摆位误差数据的差别更大；3D与2DIGRT比较50如果将患者治疗计划移到校位的三维图像上重新计算剂量分布，可得到每个分次治疗时患者实际受照剂量分布，根据实际受照剂量可对后续的分次治疗做适当调整。4D图像在线校位Breathing

cycle52Breathing

cycle4D图像在线校位53Breathing

cycle医科达资料4D图像在线校位CBCT定位技术:TMP(TargetMeanPosition)治疗:3DFB-CBCT参考图像:4DCT治疗:4DCBCT计划:3DMeanCT加速器:4DCBCTClaritySim（Elekta）(insimulationroom)ClarityWorkstation(inplanningarea)ClarityGuide(intreatmentrooms)RemoteSatelliteClinic其他在线校位方式-超声引导在每次治疗前采集矢状位和横断位的超声图像，通过将计划系统产生的组织结构轮廓(如膀胱、直肠)叠加到超声图像做比较，可确定摆位误差，并实时予以校正。RemoteFusionandIGRTTargetApprovalQuantitativeCoverageAssessment其他在线校位方式-超声引导57IGRT实现方式在线校位自适应放疗分次内靶区运动控制自适应放疗58根据患者每个分次实际照射剂量累积情况，调整后续分次照射剂量，或者根据疗程中肿瘤对治疗的响应情况，调整靶区和(或)处方剂量。根据治疗过程中的反馈信息，对治疗方案做相应调整的治疗技术或模式。优点：技术成熟，方法简单。

缺点：存在时间滞后性。离线更新治疗计划

二程放疗计划其技术难点在于如何在临床允许的时间内生成新的治疗计划，具体包括两个方面：如何在治疗前CT上生成新的轮廓如何快速进行治疗计划的优化西门子的方案最高质量的CT图像－西门子滑轨CT－CTVision最高效的治疗计划－DAO快速修改解剖结构－变形匹配算法＋手动微调快速修改治疗计划－SegmentApertureMorphing-SAM SegmentWeightOptimization-SWO在线更新治疗计划7分钟更新治疗计划运用CTVision进行CT采集将原始轮廓叠加到新采集的CT图像上对原始轮廓进行修正新计划传输至加速器子野变形子野权重优化2min2min3min0.5min62IGRT实现方式在线校位自适应放疗分次内靶区运动控制63

呼吸造成的靶区运动分次内靶区运动控制直接扩大照射范围在靶区运动到周期的某一时项进行照射

屏气技术呼吸门控通过跟踪靶区运动实现全时项跟踪照射实时跟踪

64直接扩大照射范围65PTV分次内靶区运动控制直接扩大照射范围在靶区运动到周期的某一时项进行照射

屏气技术呼吸门控通过跟踪靶区运动实现全时项跟踪照射

四维放疗

实时跟踪

664DCT图像获取4DCT呼吸跟踪金属外标记点红外摄像装置通过读取金属点位置来获取病人呼吸曲线RespiratoryWaveform波峰:吸气末波谷:呼气末将呼吸周期划分为多个时项InspirationExpirationInspirationExpirationPHASES4DCT图像采集基于4DCT的计划设计对受呼吸运动影响的靶区，屏气可使靶区暂时停止运动。如果只在此时照射靶区，则在计划设计、由CTV外放生成PTV时可设定更小间距，因靶区运动对间距贡献可忽略。另外，如果在吸气末屏气，可显著增大肺体积，减少肺受照体积。屏气技术74屏气技术ElektaABC由于需要患者的配合和治疗前的适当呼吸训练，要求患者能承受适当时间长度的屏气动作，该技术仅适用于呼吸功能好且愿意配合的患者。分次内靶区运动控制直接扩大照射范围在靶区运动到周期的某一时项进行照射

屏气技术

呼吸门控通过跟踪靶区运动实现全时项跟踪照射实时跟踪

75呼吸门控技术呼吸门控技术是指在治疗过程中，采用某种方法监测患者呼吸，在特定呼吸时相触发射线束照射。时相位置和长度就是门的位置和宽度。门宽度是残余运动范围和治疗时间增加两个因素的折衷选择结果，一般是呼吸周期的20％～50％。BeamOffBeamOnBeamOn呼吸门控技术VarianRPM瓦里安公司系统采用体外红外线摄像法,该类技术只能减少靶区的运动范围，但患者可自由呼吸，不需要屏气，因而耐受性好。分次内靶区运动控制直接扩大照射范围在靶区运动到周期的某一时项进行照射

屏气技术呼吸门控通过跟踪靶区运动实现全时项跟踪照射实时跟踪

7879对于不能预先确定靶区的运动轨迹，则采用实时测量、实时跟踪技术。实时跟踪实时跟踪-

X射线与体表红外线监测装置结合CyberKnife实时跟踪-

Calypso四维定位系统82IGRT背景IGRT定义开展IGRT的必要性IGRT的应用IGRT的QA课程大纲IGRT系统的QA参考报告TG-58TG-101TG-104TG-135TG-142TG-148TG-154TG-179相关领域PortalImagingSBRT图像引导系统RoboticRadiosurgery通用加速器QATomotherapy超声引导CT引导IGRT设备UltrasoundkVRadiographicPortalImagingCTonRailTomoTherapykV&MVCBCTExacTracIGRT常用设备-QAUltrasoundkVRadiographicPortalImagingCTonRailTomoTherapykV&MVCBCTExacTrac影像系统QA硬件参数暗电流检测增益稳定性检测坏点分布图检测安全性各项联锁紧急开关警示灯KV球管预热剩余空间检查数据库完整性检查图像质量几何失真低对比度检测均匀度和噪声空间分辨率HU一致性伪影检测几何特性KV/MV等中心一致性检测影像系统QA影像系统（Synergy）MV2DkV2D3DMVQA–图像质量(2D)低对比度识别率高对比度空间分辨率将LasVegas模体上放置在等中心处；将机架转至-90°；将射野开到刚好覆盖整个模体的位置；用6MV能量出光1MU，获取透视像；观察在第一列中能清晰分辨的最大行数R——低对比度识别率；观察在第一行中能清晰分辨的最大列数C——空间分辨率；标准容差R>R4,C>C5R1R2R3R4R5C1C2C3C4C5C6kVQA–图像质量(2D)低对比度识别率高对比度空间分辨率将Leeds模体上放置在等中心处并与激光灯成45°；在Leeds模体上放置1mm厚的铜片；将机架转至-90°；在kV源上加上S20准直器和F0过滤器；获取透视像；观察能清晰分辨的圆盘的个数n——低对比度识别率；观察能清晰分辨的线对的个数N——高对比度空间分辨率；标准容差n>11,N>11亮度指示对比度指示MV/kVQA–图像质量(2D)均匀度和噪声均匀固体水放置于等中心处，SSD=100；将射野开到20*20cm2，用6MV能量出光1MU，获取透视像；在图像中心及上下左右离轴7.5cm位置各设置一个1*1cm2的区域；计算五个区域内测量值的平均值以及五个测量值相对平均值的偏差d——均匀度；在图像中心设置一个5*5cm2的区域，测量区域内的平均值Mean和标准差SD，计算变异系数——噪声：标准容差d<1%,v<5%CBCTQA–图像质量(3D)CATPhan500CATPhan600检测项目CATPhan500CATPhan600层厚CTP401CTP404均匀度和噪声CTP486CTP486几何失真度CTP515CTP515高对比度空间分辨率CTP528CTP528低对比度识别率CTP515CTP515HU一致性CTP515CTP515CBCTQA–图像质量(3D)CBCTQA–图像质量(3D)层厚将激光灯对准CTP404模体上的标记点；进行kVCBCT扫描并重建图像；找到CTP404模体所在层面；用测量工具标记金属线的一端；在上（下）一个层面上用测量工具标记同一金属线的同一端，记所得距离为d；标准重建层厚容差0.5mm层厚dtg23°CBCTQA–图像质量(3D)均匀度将激光灯对准CTP486模体上的标记点；进行kVCBCT扫描并重建图像；找到CTP486模体所在层面；在如图所示五个位置各取1*1cm2的区域；记录五个区域内的平均HU读数；计算均匀度偏差：标准0容差<2%CBCTQA–图像质量(3D)噪声将激光灯对准CTP486模体上的标记点；进行kVCBCT扫描并重建图像；找到CTP486模体所在层面；在层面上取10*10cm2的区域；记录该区域内的HU的测量标准差；标准0容差±40CBCTQA–图像质量(3D)高对比度空间分辨率将激光灯对准CTP528模体上的标记点；进行kVCBCT扫描并重建图像；找到CTP528模体所在层面；观察能清晰分辨的线对的个数；标准越多越好容差>7CBCTQA–图像质量(3D)低对比度识别率将激光灯对准CTP401模体上的标记点；进行kVCBCT扫描并重建图像；找到CTP401模体所在层面；用测量工具获取的聚苯乙烯区域内HU的平均值和标准差；用测量工具获取的LDPE区域内HU的平均值和标准差；在模体说明书上获取聚苯乙烯和LDPE的参考CT值；标准容差<2%CBCTQA–图像质量(3D)HU一致性将激