放疗模拟发展的综述

1 没有放疗模拟机之前

放疗模拟一直是治疗计划过程中的组成部分。在没有模拟机的放疗早期阶段, 医生凭经验或估计直接在病人身上画圈或画线来确定照射范围, 显然这是非常粗糙的方法。后来设法在片盒或台面上放置自制的带有等间距铅粒的有机玻璃板, 在病人体表放置软铅丝, 在诊断X线机上确定照射范围。后来因为70年代普及的回转型钴60治疗机及80年代加速器高精度等中心照射 (固定源轴距SSD) 的使用, 就完全废弃了仅有粗略入射角及照射距离的借助诊断X线机模拟放疗方法。

2 常规放疗模拟机 (simulator)

依照放疗医技人员需求设计的常规放疗模拟机, 除了X线生成装置及X线透视成像系统与诊断X线机基本一致外, 其机架完全能模拟回转型钴60治疗机机架 (固定源皮距SSD=60～80cm、固定源轴距SSD=75/80) 和加速器机架 (固定源皮距SSD和固定源轴距SSD均为100cm) 动作;病人平台与治疗床一样, 能上下左右前后平移, 也可水平旋转床座和床面;它的机头内除了像诊断X线机有矩形遮线器外, 还装有能非对称开合的井字框, 机头下也可加装不同的射线调整装置 (如治疗机所用的挡块、楔形板和补偿器等) 作治疗验证。

常规放疗模拟机30年来有许多改进:所有机械运动位移方向及大小均由仪表指针读数向数码显示发展, X线摄影条件智能化自动选择等;放疗模拟机更大的发展是X线摄影完全数字化, 类同现代CR、DR诊断X线机一样, 可对模拟后的影像进行处理, 如突出肺或骨骼的显示、精密测量病灶大小等;影像输出及存档也由单一的胶片发展为统一的医学数字影像及传输格式文件 (DICOM) 射野方向观 (BEV) 和射线调整装置验证影像可通过计算机网络输送到放疗计划系统 (TPS) , 能方便而及时地制定、调整放疗计划;模拟现代直线加速器多叶光栅的多拉快门式射野边框可完全取代放置软铅丝, 快速方便地定位不规则肿瘤射野;常规放疗模拟机还在继续完善和发展。

然而受摄影成像方法的局限, 无论放疗模拟机如何发展, 它仍主要通过骨形标记、术后银夹和造影剂确定放疗摆位, 要通过其他解剖结构帮助定位, 放疗模拟机必须在成像原理机制方面有根本而全新的变革。

3 CT模拟 (CTsimulation)

CT是计算机断层摄影术 (computed tomography, CT) 的简称80年代以来它广泛用于医学影像学对疾病的诊断, 其检查几乎可包括人体的任何部位。随后有人尝试实现利用常规放疗模拟机产生类似CT断层摄影的设想, 由射线滤过技术根据影像增强器的输出, 进行反向投影生成横向断面图像;后来又引进数字技术对图像经行改进, 称之为模拟机CT (simulatorCT) 。它的主要优点是有效扫描野比诊断CT机大 (可增加到90cm) 缺点是机架为开放式, 旋转速度比诊断CT机慢得多, 整个扫描时间需要20min, 其图像重建范围及速度难以满足现代放疗的需要。

然而CT的数字图像给放疗计划设计带来的飞跃进步是不可替代的。多层面的三维影像成为放疗计划系统 (TPS) 的病人轮廓资料最主要来源, 也是放疗医生确定靶区的最基本依据;各种器官组织的不同CT值在TPS中转换为对应的电子密度, 非均匀组织的逐点密度校正提高了放疗剂量及其分布的计算精度;三维影像中各种器官组织的体积和精确计算的受照射剂量在TPS中构成了靶区和危及器官组织的剂量体积直方图, 它是三维放疗计划的重要评估工具。

人们开始了CT模拟发展历程的第一个阶段, 放疗工作人员带上病人和固定装置到放射科CT室, 在诊断CT机的凹形诊断床上铺设平板, 按放疗体位固定病人进行CT扫描, 再将扫描影像经不同方法 (胶片、磁/光盘, 或专用数据线) 传送到放疗计划系统 (TPS) 中设计计划系统, 通过的计划系统也可通过治疗摆位模拟软件检查治疗机头是否碰及病人和治疗床, 射束是否穿过治疗床金属主梁和边框。

在放射科用诊断CT机作放疗模拟, 除了给放疗和CT工作人员带来诸多不便外, 若不使用立体定向装置, 只能得到靶区和危及器官组织中心的层面粗略坐标, 其左右前后坐标还需由常规放疗模拟机获取。由于两次模拟摆位的不完全重复及及常规放疗模拟机和诊断CT机激光指示不同的限制, 使靶区和危及器官组织中心坐标不够准确。

人们进入CT模拟发展历程的第二个阶段, 放疗单位独立配置诊断CT机, 将其凹形诊断床面换为模拟放疗的平板床面, 与治疗室一样在两侧墙壁和顶壁上安装激光指示器。它与常规放疗模拟机的激光指示器不一样, 其除了能对准及指示治疗机射束旋转中心外, 其十字中心受计算机控制能上下左右前后移动, 以全方位精确地在CT影像中指示靶区中心, 并在病人体表上作出标记。CT扫描影像一般经过局域网传送到三维放疗计划系统 (3D-TPS) 中, TPS也能根据放疗部位在CT机中设定扫描条件, 建立对应的CT值-电子密度数据库, 进一步提高放疗剂量及其分布的计算精度。3D-TPS利用三维CT断层影像计算的靶区和危及器官体积和精确的放疗剂量及其分布, 得到靶区和危及器官的剂量-体积直方图, 它是三维放疗计划的重要评估工具。3D-TPS还增加了数字重建射线影像 (digitally reconstructed radiograph, DRR) 功能, 把三维CT断层影像又转化成为二维透视图像, DRR相当于常规放疗模拟机拍摄的定位片或验证片, 但可叠加医生在CT断层影像上勾画的靶区及危及器官, 从而构成三维定位方法和CT模拟的基础。3D-TPS设计的射束交汇中心坐标, 还可通过CT影像和这个激光指示器及其先前作出的体表标记, 验证放疗体位的重复性, 病人呼吸给靶区中心坐标带来的影响。

这样, 采用诊断CT机、计算机控制可三维移动十字中心的精密活动激光指示器和具有DRR功能的三维放疗计划系统 (3D-TPS) 就构成了本质上的放疗模拟。这套CT模拟系统较为经济适用, 十分方便有效的疗后观察和和及时修改计划, 使常规放疗模拟机在辅助放疗计划及实施中的霸主地位受到了极大的冲击。但它使用的CT机毕竟是为诊断而设计的, 70cm孔径尺寸使有些放疗体位 (如乳腺照射) 受到限制, 观察肺呼吸给靶区照射带来的影响还不及常规放疗模拟机简便, 也无从消除肺呼吸对靶区边缘剂量的不确定性。

CT机制造厂家专门为放疗模拟定制的CT模拟机, 使CT模拟发展历程步入了第三个阶段。专用CT模拟机的第一个基本特点是CT机孔径尺寸扩大到85cm, 该尺寸完全能满足乳腺照射、“叉腰”、“蛙退”、“马蹲”体位需求, 但这要提高X线球管热容量, 增加散热率。第二个基本特点是加大扫描视野 (Scan Field of View, SFOV) 至60cm, 重建视野可加大至70cm, 宽大视野对肥胖病人选择入射角更自如, 剂量计算更准确。第三个基本特点是采用多排探测器螺旋扫描, 快速连续扫描不仅最大限度减少了呼吸伪影, 更重要的是为门控放疗创造了条件。第四个基本特点是增加了虚拟模拟工作站, 精确而快速的图像重建获得了“三维假体” (virtual patient) , 不光形成数字重建射线影像DRR, 还能显示数字重组射线影像DCR (digitally composited radiograph, DCR) , 它可去除某些相互叠加的组织结构, 更好的观察感兴趣的器官。自动快速重建器官及身体立体轮廓并随意旋转平移及缩放, 在病人离开后可随时虚拟模拟, 从任意角度观察病人的外观及内部器官。有的工作站甚至可具备三维治疗计划系统功能。第五个基本特点是CT扫描床不仅像治疗床为平板型, 而且承重刚度也与之相匹配, 200kg身体在扫描/治疗处下沉不得超过2mm。此外, 进床的平行度要求也比诊断CT机提高许多。

4 磁共振模拟 (MRIsimulation)

MRI技术对具有相似电子密度的软组织有较强的显示能力并能区分其特征, 此外由MR参数还可对肿瘤进行优化观察和评估。对于中枢神经系统部位肿瘤以及软组织肉瘤和盆腔肿瘤, MRI成像远优于CT成像。

引入MR影像作肿瘤定位由来已久。最早通常是医生用肉眼在MRI上观察疾病范围, 手工将数据转移至模拟胶片或CT扫描片上, 这种方法易产生解释和转译错误;后来用放大投影系统将MRI影像叠加到模拟胶片或CT扫描片上, 费时而效果差;现在较先进的方法是采用计算机将MRI影像与CT影像进行融合处理, 使MRI显现的肿瘤图像与CT的电子密度信息结合起来, 它在现代放疗计划系统中发挥出独特的作用。

但MRI扫描和CT扫描两次体位及器官运动位置所存在差异, 使得融合不可能完全在同一层面上, 从而影响到靶区和危及器官剂量及其分布的对应位置精度。目前MRI厂家已制造出磁共振模拟机, 它由开放式低场MR主机、具有DRR功能的虚拟模拟工作站以及一套病人对准或标记系统等组成。并投入头颈部、腹部及盆腔肿瘤的模拟定位和治疗计划制定应用中。

MR模拟的基本过程是:首先将病人按放疗要求摆位, 选择合适的参数进行MR扫描, 然后通过将MR数据传输到虚拟模拟工作站, 完成几何失真校正、三维数字图像重建及显示, 由医生确定射野等中心、肿瘤靶区和危及器官等, 通过电子密度校正或变换后, 选择合适参数生成DRR图像, 进行射野的设置和修改, 最后将结果打印出来或通过网络传输到其他设备。

人们正在进行高场MR模拟的探索, 因为在高场下MR功能测定 (f-MRT) 和频谱 (MRS) 分析已进入分子影像学, 对肿瘤亚临床病灶和一些危及器官组织的确定很有帮助。

5 正电子发射断层扫描 (PET) 与CT的结合为放疗模拟带来新途径

无论是使用了30多年的常规放疗模拟机还是正在普及的CT模拟, 它们都是对按实体肿瘤影像勾画物理靶区, 进入分子影像学后将放疗模拟带入确定生物靶区的时代。近年来正电子发射 (PET) 与CT的结合, 为放疗模拟确定生物靶区 (BTV) 带来新途径。

就肿瘤检测而言, CT、MRI提供以解剖为主的图像, 而PET却能获得以功能、代谢为主的生物学影像。其优势主要表现在高度的灵敏性 (放射生物指针能达到1012mol量级, 即微微克分子浓度水平上, 分析生物系统不会扰动其体系) ;从特异性分析, 肿瘤细胞相对于正常组织葡萄糖代谢, 恶性增长大量摄入18氟标记脱氧葡萄糖 (18FDG) , 18FDG-PET成像有助于改善肿瘤的发现、分期、治疗计划及评估;PET另一个潜在应用是探查抗放射性的缺氧细胞, 因而PET的分子生物学信息可直接影像到现今放疗最重要的环节-治肿瘤靶区的勾画上。

PET在灵敏性和特异性方面比CT高, 但在图像分辨率上则远不如CT。现在两者厂家不仅在将图像进行软件融合, 也将两台机器作出“硬件融合”, 特别结合放疗需求研制出PET/CT。它将PET和CT分开1米安装, 中间增加床板支撑体, 可确保同一平床伸长2米以上, 承重400kg时床面下沉<2mm, 从根本上保证了放疗扫描图像水平的一致性。当然还有与特定的治疗计划系统在线联机, 实现数据共享与图像的准确融合。建立这样的分子生物学结合解剖影像学的平台, 在肿瘤放疗领域无疑显现出巨大的临床价值和发展潜力。

摘要：放射治疗模拟是对放疗照射过程的模拟。模拟定位机用于放射治疗始于上世纪末60年代。在放疗模拟机诞生之前, 人们一直探索用诊断X线机作肿瘤的诊断和定位。上世纪80年代以X线诊断机为基础的常规放疗模拟机开始普及使用, 解决了放疗模拟的基本问题, 至今随影像数字化还在不断完善。随着CT在放疗计划中的普及使用, CT-模拟机也以多种方式进入放疗模拟, 其肿瘤和正常组织的密度分辨率较常规放疗模拟机有大幅度提高, 并具有三维影像的直观性, 使之日益推广应用于放疗模拟。因MRT对中枢神经系统等肿瘤定位优于CT, 目前MRT模拟机也处于放疗模拟试用之中。本文除对以上放疗模拟设备作出综述外, 还简要介绍了PET与CT结合对肿瘤定位及放疗模拟带来更新的途径。

关键词：放疗,模拟,模拟机,计算机断层摄影,核磁共振,正电子发射体层扫描