21世紀(jì)的近距離治療—圖像引導(dǎo)的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1、21世紀(jì)的近距離治療圖像引導(dǎo)的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)及應(yīng)用2013主要內(nèi)容近距離治療用放射源近距離治療劑量計(jì)算方法近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)基本步驟影像引導(dǎo)的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)和實(shí)施外照射和近距離治療前言近距離治療的劑量學(xué)特點(diǎn)靶體積獲得高劑量照射，正常組織劑量很低（距離平方反比效應(yīng)）；治療持續(xù)時(shí)間短；體積分劑量低，正常組織損傷?。环雷o(hù)相對簡單計(jì)算機(jī)技術(shù)和影像學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用， 極大的促進(jìn)了外照射技術(shù)的發(fā)展，諸如人們所熟悉的CT模擬技術(shù)，三維治療計(jì)劃，三維適形調(diào)強(qiáng)照射技術(shù)等，在放射治療臨床中的應(yīng)用和逐步完善，至使放射治療進(jìn)入了一個(gè)嶄新的令人振奮的時(shí)代，即三維放射治療時(shí)代。在近距離治療中，根據(jù)CT，MR，超聲等三維影像學(xué)圖

2、像資料，正向或逆向設(shè)計(jì)插植計(jì)劃，并給出相對于患者解剖位置的劑量分布，這一技術(shù)已在多種部位腫瘤的近距離治療中應(yīng)用，是近十年來近距離治療不斷發(fā)展的重要標(biāo)志，并被認(rèn)為是21世紀(jì)近距離治療的主要方法之一。近距離治療技術(shù)的質(zhì)量保證（三個(gè)基本原則）位置準(zhǔn)確 (Positional Accuracy) +/-2mm時(shí)間準(zhǔn)確 (Temporal Accuracy) +/-2 %給予劑量準(zhǔn)確 (Dose Delivery Accuracy) AAPM TG41,TG56近距離治療用放射源近距離治療用放射源(逐漸使用低能量短半衰期放射源)應(yīng)用傳統(tǒng)現(xiàn)在將來腔內(nèi)治療 低劑量率226Ra137Cs, 192Ir 241

3、Am,192Ir, 169Yb 高劑量率60Co60Co, 192Ir169Yb, 192Ir組織間插植治療 手工插植226Ra137Cs, 192Ir 后裝插植-192Ir 高劑量率-192Ir169Yb, 192Ir永久性插植 常用劑量率222Rn198Au198Au, 131Cs 超低劑量率-125I, 103Pd125I, 103Pd125I, 103Pd, 169Yb放射源的物理學(xué)參數(shù)Ir-192 HDR后裝治療機(jī)高劑量后裝機(jī) 手動(dòng)回源 備用電池 125I 粒子源NAS Model 3631-A/M 125I (Heintz, Wallace and Hevezi 2001).MBI

4、 125I (Li 2002)(Rivard, Melhus, and Kirk 2004)Model 6711 (Heintz, Wallace and Hevezi 2001) 103Pd 粒子源Theragenics Model 200 (Rivard, et al. 2004)RadioCoil Model 6733 (Meigooni, et al. 2004) 131Cs 新型離子源IsoRay model CS-1 131Cs (Murphy, et al. 2004)近距離治療劑量計(jì)算方法劑量計(jì)算: AAPM Task Group 43*推薦新的劑量計(jì)算 公式： Dose Ra

5、te(r,q) = Sk L F(r,q) g(r ) G(r,q) / G(r0,q0)對于 103Pd, 125I，192Ir 給出各自的劑量學(xué)參 數(shù) *Nath R, Anderson LL,Luxton G, Weaver KA, Williamson JF, Meigooni AS. Dosimetry of interstitial brachytherapy sources: Recommendations of the AAPM Radiation Therapy Committee Task Group No. 43, Med Phys, 22(2): 209, 1995.D

6、ose Rate(r,q) = Sk L F(r,q) g(r ) G(r,q) / G(r0,q0)Sk 空氣比釋動(dòng)能強(qiáng)度 1U=1單位空氣比釋動(dòng)能強(qiáng)度 劑量率常數(shù)F(r,q) 各向異性函數(shù)g(r ) 徑向劑量函數(shù)G(r,q) 幾何因子 劑量比較步進(jìn)源微型源模擬線源 S:l1.5近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)基本步驟近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)框圖定義靶體積和敏感器官設(shè)計(jì)放射源分布和植入方法 植入施用器模擬放射源定位劑量計(jì)算和優(yōu)化 實(shí)施治療計(jì)劃系統(tǒng)圖像劑量系統(tǒng)放射源的分布：首先，主管醫(yī)生根據(jù)患者的影像學(xué)資料和近距離治療原則，確定靶體積的位置，形狀和大小，以及臨近的敏感組織和正常器官。然后由放射治療物理師協(xié)助臨床醫(yī)

7、生設(shè)計(jì)放射源的分布。設(shè)計(jì)方法根據(jù)特定劑量學(xué)系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行臨床靶區(qū)的描述曼徹斯特系統(tǒng)ICRU系統(tǒng)敏感器官的定義近距離治療和外照射靶體積定義相對解剖A點(diǎn)的變化根據(jù)臨床靶區(qū)的大小，確定插值方式和放射源的長度及間距巴黎系統(tǒng)的基本插值規(guī)則 放射源的線比釋動(dòng)能率相等,4.2-6.4MGy.h-1.m2.cm-1 放射源是相互平行的直線源，其強(qiáng)度、長度及間距相等， 且各放射源的中心在同一平面，即中心平面 多平面插值，放射源排列為等邊三角形或正方形巴黎系統(tǒng)放射源分布與臨床靶區(qū)的關(guān)系放射源長度與臨床靶區(qū)長度之比為0.7-0.8放射源間距與放射源長度有關(guān)。 長度小于4cm，間距0.8-1.5cm,長度5-9cm，間

8、距1.1-1.8cm，長度大于10cm，間距1.5-2.2cm臨床靶區(qū)厚度T小于1.2cm，單平面插值ST/0.6；mi=0.35 S臨床靶區(qū)厚度大于1.2cm, 雙平面插值；三角形插值，間距ST/1.3；mi=0.2 S，正方形插值， ST/1.57；mi=0.27 S二維計(jì)劃模擬定位片放射源的定位 ：通常采用X射線照相技術(shù)。其步驟是按照特定的計(jì)量學(xué)系統(tǒng)的布源規(guī)則，確定放射源的幾何排列，并按規(guī)則將施源器或輸源導(dǎo)管植入靶體積。然后放入假源（dummy source），經(jīng)X射線照像后，得到模擬實(shí)際照射時(shí)源在靶體積內(nèi)的幾何排列。常用的X射線照像技術(shù)是正交影像定位技術(shù)，即正位和側(cè)位成像技術(shù)，也稱為等

9、中心照像技術(shù)，以及立體變角照像技術(shù)。劑量優(yōu)化（dose optimization）：利用一些數(shù)學(xué)算法，根據(jù)臨床對靶體積劑量分布的要求，設(shè)計(jì)和調(diào)整放射源的配置（位置和/或強(qiáng)度），使得劑量分布最大限度的滿足臨床要求。這一方法借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)源后裝照射技術(shù)中得到應(yīng)用。目前采用的劑量優(yōu)化主要是基于施源器的劑量優(yōu)化技術(shù)。劑量優(yōu)化優(yōu)化與外照射技術(shù)的發(fā)展相比較，目前近距離治療所采用的技術(shù)，無論是確定放射源的分布和定位技術(shù)，以及劑量計(jì)算、優(yōu)化和治療計(jì)劃的評價(jià)等諸多方面，都較少以特定患者的影像學(xué)資料為基礎(chǔ)。 利用特定的劑量學(xué)系統(tǒng)，有助于確定放射源的數(shù)目和分布，以治療一定形狀的靶體積

10、。但一般情況，劑量學(xué)系統(tǒng)往往是一些通用原則，在較為復(fù)雜的臨床實(shí)踐中對于特定患者的具體解剖位置，放射源的分布有時(shí)并不能完全遵循這些原則。 利用常規(guī)的正側(cè)位X射線影像片，可以較為準(zhǔn)確的為放射源定位，并清晰的顯示放射源之間的幾何關(guān)系和相互位置。但欲同時(shí)確定放射源與靶體積以及鄰近正常組織的相互關(guān)系，往往會(huì)受到X射線影像片成像質(zhì)量的限制，例如在軟組織解剖結(jié)構(gòu)中，由于缺乏骨性標(biāo)記，需要借助造影劑或術(shù)中放置的金屬標(biāo)記。 目前多數(shù)近距離治療計(jì)劃系統(tǒng)的劑量優(yōu)化算法，基本上是相對于施源器（即放射源）的幾何位置。例如通常采用的步進(jìn)源劑量系統(tǒng)，計(jì)算時(shí)并未涉及靶體積和鄰近正常組織的相關(guān)參數(shù)。而對劑量優(yōu)化結(jié)果的評價(jià)，也往

11、往是對劑量分布的劑量學(xué)分析，在近距離治療中使用的特征劑量體積直方圖（由Anderson于1986年提出的），并未考慮患者的解剖資料。圖像引導(dǎo)的治療計(jì)劃設(shè)計(jì)和實(shí)施近距離治療技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要趨勢之一，是如何在近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，充分利用現(xiàn)代影像學(xué)技術(shù)，即在設(shè)計(jì)放射源的分布，放射源的植入、定位及確認(rèn)，直至劑量優(yōu)化計(jì)算過程中，始終是以影像學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)來實(shí)施，真正做到特定患者的個(gè)體化計(jì)劃設(shè)計(jì)和治療。CT引導(dǎo)插植治療OFFENBACH近距離治療計(jì)劃設(shè)計(jì)步驟OFFENBACH近距離治療流程圖CT 引導(dǎo)植入施用器CT圖像定義PTV 和敏感器官 基于CT圖像的施用器重建 優(yōu)化三維劑量分布 劑量分布

12、評估 實(shí)施治療 計(jì)劃系統(tǒng)CT引導(dǎo)植入施源器，有助于根據(jù)特定患者的腫瘤形狀，確定施源器的數(shù)目和分布，使得施源器能覆蓋整個(gè)靶體積，并避免對敏感組織的植入損傷。具體做法是患者在行CT掃描之前，根據(jù)欲治療的解剖部位，確定掃描范圍，以保證CT掃描能包括整個(gè)靶體積及相鄰的敏感器官，同時(shí)在皮膚上作好標(biāo)記，用來標(biāo)識靶體積在皮膚的相對位置，植入施源器應(yīng)使其規(guī)則分布，間距依賴于靶體積的大小，一般為0.52.0cm, 同時(shí)施源器的分布要在靶體積表面以內(nèi)，在三維空間上使其距表面距離不超過0.51.0cm將施源器植入并固定后，再次行CT掃描。掃描厚度為0.20.4cm，層間距為0.5cm。掃描后得到的CT影像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸

13、至治療計(jì)劃工作站。主管放射治療醫(yī)生根據(jù)CT影像確定計(jì)劃靶體積（PTV）和敏感組織。根據(jù)每一幀CT影像重建施源器的三維分布。這一操作是基于植入施源器后所完成的CT掃描，其圖像應(yīng)包括相應(yīng)患者的解剖結(jié)構(gòu)、靶體積、敏感器官和施源器。計(jì)算算法對施源器的尋跡是在每一幀CT影像中實(shí)施的，基礎(chǔ)是施源器的CT值（Hounsfield number）、施源器的外徑、CT層間距離、層厚和CT影像中施源器的幾何形狀根據(jù)PTV的大小，在PTV表面生成等間距劑量點(diǎn)，通常間距為0.52.0cm。步進(jìn)源駐留位沿施源器而確定，其原則是保證駐留位在PTV以內(nèi)，并低于PTV表面0.51.0cm。然后按照使PTV表面各劑量點(diǎn)劑量均勻

14、為目標(biāo)函數(shù)作劑量優(yōu)化，參考劑量定義為100%。如果需要可根據(jù)適形指數(shù)（conformal index，COIN）的計(jì)算值進(jìn)一步作劑量優(yōu)化利用PTV和正常組織的劑量體積直方圖（DVH）評估優(yōu)化后的劑量分布，并計(jì)算適形指數(shù)（COIN）。通常PTV的覆蓋率應(yīng)在85%以上，和COIN值大于0.64優(yōu)化在近距離治療中，理想情況是以參考劑量值（Dref）所表示的三維等劑量曲線包羅特定的計(jì)劃靶體積（PTV）和在PTV以外劑量迅速跌落，以及在PTV內(nèi)沒有超劑量區(qū)近距離治療劑量優(yōu)化的目標(biāo)，是使求解的劑量分布能滿足臨床要求。基本原則是 : 在PTV表面產(chǎn)生均勻劑量; 限制PTV以內(nèi)超高劑量范圍； 在PTV以外達(dá)到

15、較為陡峭的劑量跌落適形指數(shù)（COIN）的計(jì)算適形指數(shù)COIN的具體計(jì)算方法是首先確定系數(shù)C1和C2。系數(shù)C1定義為接受參考劑量Dref的計(jì)劃靶體積PTVref所占總計(jì)劃靶體積的份額，這是一個(gè)測定參考劑量體積Dref包羅計(jì)劃靶體積PTV的指標(biāo)。理想情況是C1 = 1。 PTVref C1 = (1) PTV系數(shù)C2定義為包括計(jì)劃靶體積PTV的部分參考劑量Vref。C2也是一個(gè)測定多少PTV以外的正常組織被參考劑量Dref所包羅的指標(biāo)。理想情況是C2 = 1： PTVref C2 = (2)Vref定義適形指數(shù)COIN為： COIN = C1 C2 (3)適形指數(shù)不僅應(yīng)考慮接受參考劑量Dref的P

16、TV，也應(yīng)考慮PTV以外的不希望被照射的正常組織。而式3并未包括不希望被照射的部分和所有敏感組織。在臨床中如由敏感組織需要考慮，則需要定義系數(shù)C3： Ncs Vcsref , i C3 = 1- (4)i=1 Vcs, iNcs是敏感組織的總個(gè)數(shù)（i=1、2、3、）。適形指數(shù)COIN應(yīng)改寫為： COIN = C1 C2 C3 （5）圖像引導(dǎo)的粒子植入技術(shù)植入前計(jì)劃(Pre-plan)應(yīng)用CT定義靶體積確定處方劑量應(yīng)用計(jì)劃系統(tǒng)得到理想的籽粒分布確定植入籽粒方式計(jì)算籽粒強(qiáng)度及數(shù)量訂購籽粒前列腺永久性插植治療示意圖 膀胱內(nèi)透視可見標(biāo)記 經(jīng)直腸 引導(dǎo)植入的超聲探頭植入模版 18號植入針 (1.3mm

17、直徑) 靶體積的確定CT超聲治療體積的確定(VOLUME STUDY)治 療 計(jì) 劃 系 統(tǒng) 植入模式 計(jì)劃實(shí)施（OP technique)配置籽粒/植入器患者體位術(shù)中/影像技術(shù)籽粒植入患者體位 籽粒制備籽粒制備 超聲引導(dǎo)植入植入技術(shù)Auto plan loadSelect & connect needleCheck runSeed-spacer train composeSeed & train checkSeed deliveryAuto needle pull backDrive wire retraction 劑量模式均勻植入周邊植入改進(jìn)式均勻植入 邊緣效應(yīng)Margin:3-5 mmU100%isodose新100% isodose100% isodose100%等劑量包擴(kuò)靶體積改近均勻植入: 去除中心籽粒冠狀面 .橫斷面D2.0均勻植入 改進(jìn)式均勻植入植入后計(jì)劃（Post Plan)行CT掃描（植入后130天）定義靶體積（植入前/后關(guān)系）籽粒定位計(jì)算實(shí)際劑量分布劑量學(xué)評估植入后CT 掃描確認(rèn) I