文章速递- CT Simulation Free 放射治疗

CT Simulation Free 放射治疗

常规放疗流程中都需要做CT模拟定位获取相应的影像,来辅助后续靶区勾画、计划设计、剂量验证等工作(Facilitates the long multi-disciplinary process),这些工作短的需要几小时(紧急姑息治疗)到几天/周(更加复杂的病例)。自适应放疗技术的到来,使得设计一个新方案的时间可以在1小时内。

Varian的HyperSight不仅显示了CT类似的图像质量,成像剂量相对FBCT也有降低。 在之前有很多研究正式了单次姑息性放疗的意义,人们采用患者的诊断CT,直接进行快速治疗。但是有一个问题,就是需要合成CT,合成CT的不确定性很大,一部分原因是形变配准的误差带来的,另外一部分是诊断CT扫描时,患者可能没有肠气的影响,因此HU值不能作为参考值。MRgRT也有类似的问题。

这篇文章作者首先画出了他们建议的新流程(直接基于机载影像进行放疗的流程图),后续基于仿真模体(Sun Nuclear ATOM )扫描图像,然后到计划系统设计(因为计划系统并不识别CBCT,需要用Matlab 软件修改Tag), 模体里面会有两个CC13的电离室,用于端到端剂量的验证,电离室测量也经过了IROC的审计。

端到端测试结果显示非常高的Gamma通过率(3%/3mm, 2%/2mm, 1%/1mm,分别为100%,99%和94.2%),作者还使用独立的Logfile回顾分析剂量计算软件验证,通过率也很高。研究团队模拟了Spine SBRT和 前列腺两种部位。

作者认为这样快速的治疗,至少有三方面的获益,首先是放疗中心人力资源的降低;其次是对患者更为友好,减少医院往返次数;第三是可以用于急症的快速缓解。

展望未来,作者希望可以用多个影像生成的计划库,进行快速的选择,这样不用每次都扫描两次(扩展模式)

用IMRT还是VMAT?

作者很好地树立了IMRT和VMAT的区别点——基于临床病例的治疗目的。如果需要在满足临床目标条件下,尽可能快地完成(考虑患者的舒适度),那么VMAT是更好选择(例如,鼻咽癌VMAT治疗要比IMRT快很多,而且可以改善危及器官剂量,降低MU数;如保乳治疗且形状不规则的乳腺癌患者,需要有更均匀的剂量分布,且皮肤剂量需要低;双侧乳腺癌术后,VMAT的剂量分布更均匀,靶区和肺部受量都优于IMRT)。如果需要对特定区域进行精细的剂量控制,那么IMRT更合适(T3/T4或复发的NPC,考虑放射性脑损伤的可能,IMRT可以比VMAT更好低兼顾脑正常组织的剂量;如果乳腺癌患者需要考虑心脏受量,那么IMRT可能更好)。

从目前的趋势看,VMAT能在大部分的病例中取得与IMRT相同甚至更有的剂量分布,再结合更快的治疗效率,不断在更多的病种上得到应用。但是VMAT在质控方面的要求高,部分地区也还没有把VMAT列入收费和医保,在一定程度上限制了VMAT技术的应用速度。

MR Linac的应用前景

Physics World 报道了AAPM 2024年关于MR Linac的进展,主要针对ViewRay、Elekta和Aurora-RT的MR Linac 产品做了总结。 在ViewRay 公司破产之后,James Dempsey成立了ViewRay Systems 来挽救MRIdian,所以基于MRIdian的产品还不断在临床应用中,放疗中很重要的目标是追求最小化肿瘤Margin, 这样可显著改善患者的预后。所以MRIdian A3i在出束时的追踪加上自适应技术,让人们可以进一步缩小Margin, MIRAGE 临床试验证式了2mm的margin 能够比4mm Margin有更低的前列腺癌患者毒副反应,并且提高两年OS.

Elekta 在Unity上也引入了CMM技术(Comprehensive motion monitoring), 能做正交的Cine MR, 可以进行治疗中的校正(根据肿瘤的整体偏移,调整等中心的位置), 因此Margin也做到了2mm, 另外MR Linac 针对心率失常患者的MEGASTAR研究也在进行中,也有希望通过更小的边界降低毒性。另外一种趋势是降低照射分次(提高单次剂量),这样也有助于患者的流转和医疗成本的大幅降低。

加拿大的Aurora-RT是最近取得FDA和CE的MR Linac 系统,是6MV +0.5T MR的组合,但是独特之处在于MRI既可以与加速器垂直也可以平行设置,平行设置有助于减少类似于Unity的电子回旋效应和电子流效应,并且治疗床是可以移动的。0.5T的场强对于部分扫描序列是更有优势的,比如Aurora RT的 bSSFP序列,在0.5T时对比度噪声CNR是最好的, 而且孔径可以做到110c'm,因此可以在上下左右都可以移动床,意味着可以直接做MR 引导放疗,不必重新做计划,加快了治疗的时间。Aurora RT 也有类似的治疗中肿瘤成像的技术。

基于X射线影像的一些知识点

放疗设备中的影像一般是kV CBCT和EPID,一个是kV探测器,一个是MV探测器,两者是不同的。对于kV来说主导的反应是光电效应——产生次级电子,没有光子,电离激发并回到低能状态就会产生光子,闪烁体中电子与材料(主要是硫氧化钆或碘化铯)反应就是这么产生了可见光子,被非晶硅光电二极管(a-Si Photodiode)探测。MV光子主导的效应主要是康普顿散射,在探测器前面会有一层铜(1mm) 光子与铜会产生电子,电子进入到闪烁体会激发光子,闪烁体产生的可见光被非晶硅材料探测。

非晶硅光电二极管需要被校准,使得不同像素的增益保持一致,而且没有偏移,即Gain & Offset Calibration, 电子信号通过读出电路获取。在校准的时候,Offset Map 被称作Dark Field, Gain Map被称为Flood Field。

图像质量是非常宽泛的概念,需要根据不同的应用场景测量不同的指标,如对比度,噪声水平,MTF, DQE等。几个重要的概念:

MTF是描述空间分辨率的常用指标,表示输出图像的对比度和输入物理的对比度的比例。描述的是当对比度降低到X%时候的线对数。根据IEC规定,一般使用MTF 10%或50%来确定CT系统能达到的最大空间分辨率的,因为对比度低于10%后,观察者判断的误差就会增加,所以规定提供10% MTF的先对数时,应给出详细的扫描和重建参数。

DOE:描述一个探测器对某一空间频率中导出信号的能力,一般也是小于1的值,随着线对数的增加,探测器的导出能力下降。DOE 可以融合空间对比度,探测效率和噪声水平的变量,也可以在不同探测器之间进行对比。

HU值:线性衰减系数的一种变换形式。 HU是能量依赖的,因此不同能量会有不同的HU校准曲线。 影响HU准确性的因素有很多:

  • 散射校准误差(包括对患者的、射线源、探测器里本身的散射等)
  • 散射校准可能仅校准了某一种准直器设置(HU校准的时候Collimation 是全开的)
  • 校准时材料密度的误差
  • X射线能量的误差(比如,可能不完全等于120kV)