瓦里安呼吸门控实时位置管理系统在4D放射治疗中的应用方式

精选论文 2020-10-12 09:1751未知xhm
  摘    要:目的 探讨瓦里安呼吸门控实时位置管理(RPM)系统在4D放射治疗中的应用方式。方法 分析RPM系统的原理,设计应用方案,并配合大孔径CT采用两种图像采集方式(全相和单相)采集患者图像和呼吸曲线,全相扫描方案扫描所有相图像,勾画内靶区(ITV),治疗前不进行动态验证,治疗时不采用RPM系统;单相扫描方案扫描指定相图像,只勾画该相的靶区,治疗前进行动态验证,治疗时采用RPM系统,分析全相扫描方案和单相扫描方案的计划靶区(PTV)范围。结果 通过合理选择设置参数,两种扫描方案均可顺利执行,对治疗计划进行特殊处理可以实现治疗前的透视验证,避免治疗错误;常规放射治疗、全相放射治疗与单相放射治疗复杂度依次上升,治疗时间依次增加,但是照射范围递减,对正常组织保护更好。结论 采用RPM系统并通过合理选择设置参数可以实现多种放射治疗方式,减少照射范围和危及器官受量,但是治疗复杂度增加及治疗时间延长。
  关键词:呼吸门控 实时位置管理系统 4D放射治疗

  在体部放射治疗中,肿瘤靶区会随着呼吸而运动,为了避免因运动导致的肿瘤剂量不足,采取的方法是扩大照射范围形成内靶区(internal target volume,ITV)[1]。扩大的幅度一般根据统计结果确定,但实际上不同的患者和不同的肿瘤部位,肿瘤在各个方向的运动幅度不同,因此,若能够确定肿瘤的个体化范围,则可减少放射损伤[2];另一方面,如果只在肿瘤随呼吸运动到某一位置时实施放射治疗,则可在保证肿瘤不脱靶的情况下,进一步减小照射范围[3]。为此,很多技术得以发展,主要有两类,分别为同步呼吸放射治疗和控制呼吸放射治疗[4]。实时位置管理(realtime position management,RPM)系统是瓦里安(Varian)公司针对肿瘤靶区随呼吸运动的问题提供的一种放射治疗方案[5]。考虑到时间因素或者呼吸运动的放射治疗称之为4D放射治疗。本研究旨在探讨RPM系统在4D放射治疗中的应用方式,现报道如下。

  1 材料与方法

  瓦里安公司Trilogy直线加速器(带影像透视功能),瓦里安公司Eclipse 13.6计划系统,飞利浦Big Bore大孔径CT以及瓦里安呼吸门控RPM系统1.7.13(MR2)。
  1.1 RPM系统的原理与方式
  RPM系统的原理:放射治疗的过程包括定位图像获取、计划设计、计划验证以及治疗实施,在不同的阶段均可采用RPM系统;RPM系统与CT模拟机配合可以获取全相图像或指定相图像,且与直线加速器配合可控制治疗机定相出束治疗。
  RPM系统的方式:(1)呼吸循环切分,一个呼吸循环可以切分为各个部分,称为相,切分方式可以根据呼吸周期或呼吸幅度,相应的称为时相或幅相;(2)RPM系统与CT模拟机配合进行图像采集有两种方式,全相扫描与单相扫描,全相扫描是将一个呼吸周期分为十个相,每个相都进行扫描,从而获得患者整个呼吸周期的运动规律,又称4D CT,单相扫描是只扫描一个指定的相,可以是时相或幅相;(3)RPM系统与直线加速器配合实施治疗,RPM系统控制直线加速器出束,通过监控患者的呼吸曲线,只在呼吸进行到某一指定相时命令加速器出束。
  1.2 RPM系统与CT扫描有关的设置
  若采用全相扫描,则CT扫描需要使用回顾方式,若采用单相扫描,则需要使用前瞻方式,设置方法如下:打开RPM控制软件,于View菜单下点击system configuration,点击advanced,选择CT retrospective(回顾)或者CT prospective(前瞻)。对呼吸相的抓取可选择时相或幅相,设置方法如下:于View菜单下点击session configuration,选取phrase(时相)或者amplitude(幅相)。
  1.3 获取全相图像的放射治疗
  图像获取:扫描全部相位,首先打开RPM主机,然后打开CT主机,如果使用2个标记点的RPM监控模块,则无需校准,如果使用6个标记点的监控模块,则每次开始前需要进行校准检查,RPM程序会自动判断是否需要实施校准;在CT机输入患者信息,摆好患者位置,准备扫描,打开RPM程序,新建患者,在输入患者ID时要与CT机输入的一致;RPM选择回顾模式,相选择推荐选择时相,将反光块置于患者体表平坦且随呼吸运动幅度较大的部位,并做好体表位置标记;打开RPM控制软件,先追踪,待稳定后开始记录;CT选择全相呼吸扫描模式,确认接收到波形后,根据呼吸周期计算每分钟呼吸循环次数,查表确定螺距并进行设定,RPM控制软件开启门控,CT开始扫描;扫描完毕等待接收呼吸文件,RPM软件停止门控,输入存储文件参数,其中Exam No、Series No与CT机一致,否则呼吸文件无法导入CT机,存储文件,CT机将自动读取存储的文件,并重建4D CT的十个时相序列。
  治疗计划:首先在各个时相或主要时相勾画肿瘤靶区(gross tumor volume,GTV),然后将其全部复制到平均密度投影图像上,最后融合为ITV(或在最大密度融合图像上直接勾画ITV),外扩计划靶区(planning target volume,PTV),做治疗计划。
  治疗实施:同常规放射治疗,治疗时不采用RPM系统。
  总之,通过RPM系统配合CT获取4D CT,用于勾画ITV,在治疗时不采用RPM系统。
  1.4 获取指定相图像下的门控放射治疗
  图像获取:扫描单个相位,RPM选择前瞻方式,相选择推荐选择幅相,打开RPM控制软件先追踪,根据患者呼吸曲线,选择扫描的相,推荐选择呼气末,待呼吸稳定后开始记录;CT选择单相呼吸扫描模式,确认接收到波形,不设定螺距,RPM控制软件开启门控,CT开始扫描,扫描时RPM控制CT扫描时机,CT机只在指定的相进行扫描,不扫描其他相;扫描结束后无文件,CT机无需呼吸文件进行图像重建。
  治疗计划:勾画靶区,外扩PTV,做治疗计划,此时的CT图像为指定呼吸相的图像,所做的治疗计划只是针对该时刻的靶区位置,因此放射治疗时,需要只在该时刻出束,采用RPM系统。
  治疗实施:实施前验证RPM控制治疗机在指定的相出束,并准确照射到移动靶区,验证通过后即可通过RPM控制直线加速器实现门控放射治疗。
  1.5 RPM门控放射治疗前的验证
  在加速器下,为在治疗前透视验证RPM系统是否控制直线加速器在指定的相出束,需要进行额外设置,具体步骤如下:在Eclipse计划系统中创立摆位野,在摆位野下创建MLC,MLC适形为可观测的移动靶区或器官(可见的周围性肺癌靶区,若靶区不可见则可选择勾画并观察膈肌);批准计划时,选择需要显示在数字重建射线影像(digitally reconstructed radiograph,DRR)上的轮廓,通过这两项处理,在加速器下实施透视时,透视图像上可以显示MLC及靶区轮廓;打开RPM控制软件,打开参考呼吸曲线,点击Verify,加速器影像系统开启到透视模式并打开轮廓显示;RPM控制软件开启门控,加速器按下透视按键开始透视,此时RPM控制射线的开启时机会显示在透视图像上,并通过颜色变化提示出束时刻,轮廓线和MLC射野指示为绿色,说明射线不出束,为红色说明射线出束;根据轮廓颜色的变化,判断出束时靶区或膈肌是否刚好移动到MLC射野之内,是则说明未脱靶,否则说明存在脱靶,需要排查原因。
  1.6 RPM系统治疗实施
  打开RPM控制软件,选择患者,打开参考曲线,然后依次点击治疗、记录、开启门控;加速器控制台打开患者,调出计划,准备治疗,按下Beam ON,此时射线出束时机已由RPM系统控制,RPM系统根据呼吸曲线的设置,在呼吸进入预设相时通知加速器出束,实现指定相门控放射治疗。

  2 结果

  2.1 RPM全相图像获取治疗方案
  在飞利浦大孔径CT机上选择oncology扫描图卡,选择Resp 4D CT Chest项目,RPM设置选择CT retospective(回顾)方式及phase时相扫描,见图1。
  
  图1 RPM控制软件回顾\前瞻,幅相\时相设置界面
  在RPM控制软件上依次点击Track、Record、Enable Gating,见图2。
  
  图2 RPM控制软件开启门控菜单
  于CT控制端观察是否收到呼吸波形,收到后开始扫描,扫描完毕后在RPM控制软件上点击Stop Gating、Save,保存呼吸文件等待CT机读取,CT机读取呼吸文件,并重建出包含十个呼吸时相的图像序列,即为4D CT。
  计划设计与治疗实施:勾画靶区有3种方式,分别为在每个时相序列图像上勾画、挑选吸气末呼气末以及中间3个时相勾画、在密度最大投影融合图像上勾画。融合靶区即为ITV,外扩(只考虑摆位误差,不考虑呼吸运动幅度)为PTV,最后将PTV复制到平均密度投影融合图像上进行计划设计,治疗时无需RPM,同常规放射治疗。
  2.2 RPM指定相放射治疗方案
  在飞利浦大孔径CT机上选择oncology扫描图卡,选择Resp single Phrase项目,RPM设置选择CT prospective(前瞻)方式及Amplitude幅相扫描,见图1;在RPM控制软件上依次点击Track、Record、Enable Gating,见图2;通过调整蓝色和橙色横线选择扫描的相(需抓取的患者呼吸阶段),选择呼气末稳定时段,见图3。
  
  图3 RPM控制软件选定扫描幅相方法
  于CT控制端观察是否收到呼吸波形,收到后开始扫描,此时RPM控制CT机只在指定的呼吸相出束扫描,扫描完毕后在RPM控制软件上点击停止门控,CT重建出一个相的图像序列。
  计划设计、验证与实施:靶区勾画完毕外扩为PTV,进行计划设计,为实现治疗前动态透视验证,在Eclipse计划系统中添加摆位野,野下添加MLC,并将MLC适形为透视可见的靶区,如果靶区不可见,适形为膈肌,批准计划时选择将靶区或膈肌显示在DRR上,治疗时间乘数改为4或5,见图4。
  
  图4 Eclipse计划系统透视验证参数设置
  治疗前透视验证,将直线加速器开启到透视模式,在RPM控制软件点击验证,然后开启门控,加速器开启透视,并同时显示MLC以及器官轮廓,并通过轮廓颜色变化模拟加速器实际出束时机,轮廓颜色在出束时显示红色,不出束时显示绿色;仔细观察器官随呼吸的移动以及MLC颜色,若MLC变红,器官刚好运动至照射范围内,则说明验证通过,见图5。
  
  图5 治疗前透视验证界面
  治疗时,在RPM控制软件点击治疗、开启门控,加速器开启治疗,RPM根据患者呼吸到指定范围后控制直线加速器出束,呼吸离开指定范围后停止出束,直至完成所有治疗。
  2.3 常规放射治疗、全相放射治疗和单相放射治疗比较
  3 种治疗方式在各个环节的占用时间、是否透视验证以及PTV靶区等几个方面存在差别,见表1。
  表1 3种治疗方式比较
  

  3 讨论

  在行CT扫描时,使用RPM系统可获取全相图像即4D CT,也可获取单相图像。获取全相图像,勾画ITV,放射治疗时会在整个呼吸周期持续照射靶区及移动范围;获取单相图像,放射治疗时,只在该相时刻出射线,照射范围不包含靶区移动范围。
  除此之外,RPM系统还可以在获取全相图像下实现指定相的门控放射治疗。CT图像采集扫描全部相位,计划设计时在几个指定时相勾画靶区,治疗实施时,RPM系统控制治疗机在指定相出射线照射靶区。
  采用4D CT可以勾画ITV,使得PTV的范围不会盲目扩大,在不丢失靶区的情况下减小照射体积。使用单时相,只在呼吸进入指定相时出束照射,照射体积更小[6]。
  如果患者呼吸运动幅度过大(>1 cm),应采用RPM单相放射治疗方案,以减小照射体积;如果呼运动幅度小(<1 cm),可采用RPM全相扫描放射治疗方案。为此,在图像获取阶段,需要同时获取全相4D CT图像与幅度控制单相图像,根据4D CT图像判断靶区移动幅度,并根据移动幅度决定采用何种放射治疗方案;通过采用无均整模器模式射束,提高剂量率,缩短治疗时间[7]。
  通过RPM系统与CT模拟机和直线加速器的配合,可以实现不同放射治疗方式。需要注意的是,不同的方案在治疗复杂度、治疗时间与照射范围上存在差异,合理选择RPM的使用方式,可以实现最佳的治疗增益。

  参考文献
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  [4]陈博,杨怡萍.呼吸门控技术在胸部肿瘤放射治疗中的研究进展[J].现代肿瘤医学,2019,27(12):184-187.
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  [6]Weiss E,Wijesooriya K,Dill SV,et al.Tumor and normal tissue motion in the thorax during respiration:Analysis of volumetric and positional variatons using 4DCT[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2007,67(1):296-307.
  [7]刘穆平,初磊,邓煜,等.呼吸门控技术以及非均整模式应用于早期非小细胞肺癌小[J].肿瘤预防与治疗,2019,32(8):707-710.

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