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CBCT联合Elekta Unity MRI引导交互式自适应放疗在食管及贲门恶性肿瘤临床应用

2025China.cn   2024年06月21日

CBCT影像引导联合Elekta Unity高场强磁共振影像引导的交互式自适应放疗在食管及贲门恶性肿瘤的临床应用。

主诊教授:郎锦义

医师:阴骏、罗成、李益民

物理师:王先良、黎杰、Lucia、刘敏、唐斌、袁珂

治疗师:张德康、黄娜、牛刚、吴双宏,冯玺

所用设备

■ 医科达Monaco 计划系统

■ 医科达MOSAIQ肿瘤信息管理系统

■ 医科达磁共振引导放射治疗系统(Elekta Unity)

■ 医科达Synergy CBCT影像引导加速器

■ GE模拟定位CT

MRgRT:磁共振图像引导技术

影像引导技术在放射治疗过程中的使用,开启了对肿瘤信息确认和追踪的新篇章。放疗影像引导技术在过去三十年发生了翻天覆地的变化,从无法确定肿瘤位置的粗犷型定位放疗到准确定位肿瘤及其周边正常组织的精准放疗。放疗界首先解决的是对肿瘤定位的问题。传统放疗通过2D平片,医生只能模糊绘制肿瘤的位置,随着影像技术的进步,医生通过CT提供的3D影像信息,准确确认肿瘤位置,并制定放疗计划;而今,锥形束CT(cone beam CT,CBCT)图像引导已经成为放疗的主流图像引导技术。但是CBCT依然存在软组织分辨率低,无法在放疗过程中有效地实时监测周围为软组织的肿瘤的变化的短板。

图1 Elekta Unity磁共振引导放射治疗系统

随着Elekta Unity的商业化实施和国家药品监督管理局医疗器械注册证系统认证,1.5特斯拉高场强磁共振影像引导的放射治疗已逐渐应用于临床。MRI成像技术有高于CT数倍的软组织分辨能力,图像中对于软组织的对比度可以提高1~3个等级度,并且无需使用造影剂,从而避免了造影剂可能引起的过敏反应,同时MRI成像不会产生CT检测中的骨性伪影和电离辐射。另外,磁共振影像不仅有形态学,还具备功能学,可以形成分子影像,提供功能信息,影像诊断中很热门的磁共振弥散加权成像(DWI)、磁共振弥散张量成像(DTI)等功能磁共振影像都可以在Unity上实现。相较于常规CBCT,Unity可在每次放疗前采集患者MRI影像,精准掌握肿瘤和周边正常组织的信息及疗中变化情况,包括肿瘤的边界,组织成分和周围正常组织解剖结构,实时修正靶区。同时,Unity可以实现对肿瘤治疗中的全程监控,真正达到空间和时间适应性放射治疗。

ART自适应放疗技术

虽然IGRT可以微调患者摆位提高治疗位置与计划位置的匹配度,但对于分次治疗中器官的移动、组织形态改变等造成的位置偏差无能为力。为了解决治疗时,患者肿瘤及正常组织改变(包括:组织形态变化、位置移动、胃肠道气体及膀胱充盈程度差异等)对照射剂量分布的影响,自适应放疗(Adaptive RT, ART)允许根据患者治疗时的状态对放疗计划进行调整。ART代表了IGRT的下一个发展前沿。ART可以根据肿瘤的治疗表现并结合周围相邻正常组织的位置对肿瘤当天的治疗剂量和靶区进行修订。

现阶段的放疗界,自适应的放疗技术根据成像设备的差异大致可以分为基于CT和MR引导的自适应放疗。相比于锥型束CT(Cone-beam CT, CBCT), 扇形束滑轨CT可以提供更优的图像对比度,但受限于其笨重且耗时的特点以及非治疗等中心位置验证缺陷,临床并不能常太化使用。此外,CT影像软组织对比度较差,较难区分软组织,特别是腹部脏器。相比于CT,MRI影像具有良好的软组织对比度和清晰度。

图2 放疗图像引导技术发展图 

CBCT影像引导联合Unity高场强磁共振影像引导的交互式自适应放疗流程

放疗前,医师会根据患者详细病史和体征、病理诊断、实验室和影像检查资料、全身情况等,集体讨论制定最适合的个体化治疗方案,选择最适合此技术的放疗患者,包括MR安全性筛查。与常规放射治疗的流程有所差异,磁共振引导放疗全流程包括体位固定(固定装置需要选择MR兼容装置)、模拟定位(包括磁共振模拟定位扫描MR-sim)、扫描后图像处理(CT-MR图像融合)、靶区勾画与计划设计、治疗信息传输、治疗验证与监测、治疗实施和随访等主要步骤。体位固定装置选用磁共振兼容的真空垫,MR-sim扫描选用T2WI序列,必要时增加磁共振功能影像。

首先,参照多模态影像组学,于定位CT图像勾画靶区,制定放疗计划,并于Synergy常规直线加速器上CBCT影像引导下进行放射治疗,治疗前均启动CBCT图像扫描、配准进行治疗前的摆位验证。当病人在常规直线加速器上完成前4个分次之后,于Unity上完成第5分次的MRI图像引导自适应放疗,再继续完成4分次常规直线加速器放疗和1分次Unity放疗,依次循环直至肿瘤大幅退缩,需要重新修正放疗靶区。

与Synergy传统CBCT影像引导直线加速器治疗实施流程相比,磁共振引导放射治疗实施流程有所不同。首先,其在治疗前按定位CT勾画靶区所设计的放疗计划,我们称为参考计划,其不用于指导实际照射,而只作为参考计划用于生成在线计划。在每次治疗前需扫描得到当前分次的MRI 图像,将该MRI 图像与定位CT 影像进行融合、配准(后续每次MRI 图像与前一次MRI 图像配准),结合临床需要,选择合适的自适应放疗模式:基于位置修正的ATP(adapt to position) 或基于形变修正的ATS (adapt to shape)。ATP 治疗模式主要目的是修正摆位误差,根据配准结果调整计划中心点, 按照CT 现有的勾画结构, 重新优化计算生成在线计划治疗患者。ATS 治疗模式主要目的是修正肿瘤和OAR 的形变导致的误差,将CT 影像上的勾画结构形变至MRI影像,在MRI上重新勾画或修改靶区,同时将CT上不同结构的平均相对电子密度值赋值至MRI相对应的结构上,生成合成CT,并在MRI上重新优化计算。而此次杂交图像引导放射治疗的方式主要采用更为精细的ATS治疗方式。

图3 四川省肿瘤医院创新探索的“CBCT影像引导联合Unity高场强磁共振影像引导的交互式自适应放疗流程解决方案”流程图

在磁共振引导放射治疗执行治疗的过程中,医生会根据每周五Unity治疗前扫描的MRI图像评估病人靶区及危及器官的形状变化。如果病人各项结构变化不大或者没变化,则病人当天按照ATP治疗流程在Unity上完成治疗,同时下周一到周四将继续使用原始常规加速器计划在Synergy常规加速器上进行治疗。如果靶区变化不大,但是危及器官有变化,则执行ATS治疗流程,在线调整危及器官后病人完成当次治疗,下周一到周四将继续使用原始常规加速器计划在Synergy常规加速器上进行治疗。如果靶区或者重要的危及器官同时变化大,当日按照ATS流程进行治疗,在线调整靶区和危及器官,完成当次治疗。之后当天带患者重新进行模拟定位CT扫描和MRI-sim扫描,根据最新的影像学变化重新制定常规加速器与磁共振加速器计划,下周一至周四将使用新的常规加速器计划在Synergy常规加速器上进行治疗。此后数个循环均按此步骤执行,直到患者结束治疗。

主要优势

CBCT影像引导联合Unity高场强磁共振影像引导的交互式自适应放疗流程主要有以下几个优势:

● 个体化的确定了患者进行离线自适应计划调整的时间,更大程度的保护危及器官;

在常规放疗完成病人的全部放疗计划时,如果肿瘤在CBCT成像不是很清晰的情况下,医生并不能够精准的评估患者在治疗过程中的疗效及肿瘤变化信息。而如果加入每周一次的磁共振图像引导放疗,医生便可以通过每周扫描的MR图像清晰的辨识患者在治疗过程中肿瘤体积及形态的变化,以及正常器官的毒性反应,从而及时做出相应的放疗方案调整及优化,而磁共振功能影像的扫描则对疗效评估和预后预测提供依据。同时,Unity上的自适应放疗流程中医生对于危及器官的修改及调整也能使得患者的危及器官在治疗过程中得到最大程度的保护。

● 发挥了设备各自的最大优势,达到1加1大于2的效果;

磁共振图像引导与CBCT图像影像引导的放疗技术相结合。从Unity的治疗流程可以看出,每次在治疗实施前,均需要完成磁共振在线扫描,图像处理,靶区及危及器官修正、计划制定等步骤,每次治疗全部时间约45分钟左右,甚至更长,这导致每天治疗患者的数量有限。

相比每次在Unity上实施治疗,每周一至周四在常规加速器上实施治疗,患者治疗时间更短,依从性更好,尤其对高龄患者或因身体原因不能耐受长时间保持治疗体位者。另一方面每周一次的Unity自适应放疗则能通过清晰的MR图像对患者的病灶及治疗疗效做出进一步的评估,指导放疗计划的修正时机,避免正常组织接受过多剂量照射。这样两种技术相结合的方式,不仅让更多的患者获益于磁共振引导自适应放疗的高端技术,而且不占用过多的Unity资源,为更多需要此项技术的患者提供空间。此方案正是结合了两种治疗设备的优势,实现了1+1>2的效果。

● 为患者节省了治疗的费用,同时又从治疗中最大受益;

对患者的而言,经济学毒性也是必须考虑的指标。显然,治疗全程采用磁共振图像引导放射治疗因其昂贵的费用是不现实的,特别是对于患者分次较多,不适宜进行SBRT治疗的病种。此种联合治疗的模式,每周一次的磁共振图像引导自适应放疗基本不增加太多的治疗费用,但是却可以充分利用磁共振图像引导以及自适应放射治疗的优势,及时评估疗效,并修正治疗计划或者治疗方案。让患者从治疗中获益。

病人筛选

男,52岁。诊断:食管贲门连接处腺癌。医院郎锦义教授在了解患者的病情和身体状况后,经过川肿多学科专家协作会诊和多方论证,决定为患者实行CBCT影像引导联合Unity高场强磁共振影像引导的交互式自适应放疗解决方案。病人每周一至周四在常规加速器上放疗,每周五安排到Unity做自适应MRI图像引导放疗。为最大程度保障治疗疗效,科室成立了以郎锦义教授为组长的专家团队,包括放疗医生、物理师和治疗师。从患者的CT定位,以及靶区勾画甚至放疗计划设计,每个环节郎教授都亲自参与了指导。

同时,为了确保患者能够得到精准治疗。科室外籍物理师Lucia教授带领刘敏等年轻物理师亲自参与放疗计划及质控。物理师团队每天为加速器开展质量保证(QA)和质量控制(QC),并对每一个计划进行剂量验证。Synergy常规加速器对该病人执行6MV X线,360度1beam 2 ARC的VMAT照射,Unity计划使用11野的固定野IMRT照射,处方剂量:5750cGy/25Fx。

1、CT模拟定位

临床处方要求

医院参考的危及器官限量标准主要是2021版 Dr.Timmerman 危及器官限量表,下表是患者的处方要求:

表1 患者计划的处方要求

常规加速器(Synergy)计划设计

常规加速器计划的处方是5750cGy,25f。采用的VMAT 容积旋转调强拉弧技术,1Beam 2Arc的布野方式。下图为临床计划的DVH Statistics信息。

图4 患者在Synergy常规加速器首次治疗的Monaco计划的DVH Statistics信息

磁共振加速器(Unity)计划设计

Unity计划使用11野的固定野IMRT,处方剂量:57.5Gy/25Fx,与Synergy常规加速器计划处方要求相同。下图为Unity第一次治疗Monaco参考计划的DVH Statistics信息。

图5 患者在Unity上的首次治疗的Monaco参考计划的DVH Statistics信息

2、MRgRT过程中结构的可视化

病人每周除了执行四次Synergy常规加速器CBCT影像引导放射治疗外,每周最后还会执行一次Unity MRI影像引导自适应放射治疗,医生通过每周一次的Unity治疗前MRI T2序列图像可以清晰的看到病人肿瘤及危及器官的变化情况。

如下图6所示,随着病人治疗的进行,尤其是进行到第三周的MRI自适应放疗时,医生通过Unity的治疗前MRI图像清晰的看到患者的靶区(pv GTV)发生着较大形状变化,靶区的体积也相应得到了减少。考虑到靶区结构的变化可能会导致病人接受额外的剂量或者剂量偏差,从而影响疗效和产生更大的毒性反应。医生决定第三周接下来的治疗流程改成ATS(Adapt To Shape)方式治疗。治疗完成后再让病人重新进行二次CT扫描,而后根据新的CT重新勾画靶区,物理师也根据相应的靶区结构重新设计新的参考计划。从第二次扫描的CT结果来看,病人的GTV体积明显变小,疗效显而易见。该病人在整个治疗过程中,靶区结构的变化始终能清晰的看到,真正实现了靶区结构的可视化,且每次自适应治疗过程中靶区及危及器官的接收剂量情况也能很好的得到评估和修正,疗效显而易见的同时大大的增加了医生对于后续治疗的信心。

图6 患者pv GTV靶区结构在治疗过程中的变化

3、患者一年后随访结果

从CBCT影像引导联合Unity高场强磁共振影像引导的交互式自适应放疗流程方案的提出,再到临床患者的治疗结果来看。患者在2023年4月份接受了该交互式自适应放疗方案,全程SynergyCBCT影像引导IGRT放疗20次,Unity磁共振影像引导放疗5次。而后复查血常规、血生化未见明显异常,患者生命体征平稳,患者办理了出院手续。2024年4月份患者再一次到医院进行复查,从复查CT及随诊结果看,患者肿瘤缩退明显,基本未见放射性损伤表现,临床表现为接近CR。下图为一年后随访结果与之前CT的靶区情况对比。

图7 患者10个月后pv GTV结构对比图

讨论

Elekta Unity 作为最为顶尖放疗设备之一,将1.5特斯拉高场强磁共振影像、直线加速器、Monaco自适应放疗计划系统结合,具有CBCT无法比拟的软组织辨析度,在软组织肿瘤放疗应用方面有着较大优势,能准确识别肿瘤及正常组织器官,根据靶器官和危及器官图像制定自适应计划实施放疗,在治疗过程中实时追踪肿瘤运动情况,以减少摆位、器官形变、肿瘤变化带来的误差,同时减少计划中PTV 的外扩,降低危及器官的受量,进一步提高放疗精准度。

随着Elekta Unity在临床中的使用,近日四川省肿瘤医院郎锦义教授带领放疗科医生尝试了新技术探索,利用Unity磁共振影像引导结合Synergy常规加速器CBCT影像引导技术实现了放疗患者周期性的自适应放疗。一方面充分利用了磁共振加速器的精准自适应放疗对病人分次治疗间变化的病灶以及危及器官进行精确的调整和修正;另一方面还可以通过清晰的MR图像对患者的病灶情况做出进一步的评估,预测预后。对于患者来说,在不大幅增加治疗费用的同时还得到了精准的磁共振引导的自适应放射治疗效果。不仅让更多的患者获得磁共振影像引导自适应放疗的高端技术治疗的同时,而且并不过多占用磁共振加速器资源,可谓是两全其美。相信未来MRgRT肿瘤放疗新时代必将助力提高患者肿瘤局部控制率,降低毒性反应及并发症,不断提高患者生存质量,最大化造福更多癌症患者。

(来源:医科达)

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