圖像引導放射治療理論與實踐

目  錄
第1章 放射治療及圖像引導放療概述 1
1.1 放射治療的基本原理 1
1.2 放射治療（Radiation therapy，RT）的實現(xiàn)方法 3
1.2.1 三維適形放療（Three-Dimensional Conformal Radiation Therapy，
   3D-CRT） 3
1.2.2 調強放療 （Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT） 3
1.2.3 容積旋轉調強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT） 4
1.2.4 螺旋斷層放療系統(tǒng)（Tomotherapy） 5
1.3 放射治療中進行醫(yī)學成像的必要性 5
1.3.1 2D圖像引導——平面成像 6
1.3.2 千伏級（Kilo Voltage，kV）平面成像 7
1.3.3 基于容積圖像的IGRT系統(tǒng) 7
1.3.4 基于CBCT的容積成像 8
1.3.5 基于分子影像成像的IGRT系統(tǒng)——生物引導放療 8
1.4 非電離輻射成像的IGRT系統(tǒng) 9
1.4.1 基于超聲的IGRT系統(tǒng) 9
1.4.2 基于磁共振（Magnetic Resonance Image，MRI）成像的IGRT系統(tǒng) 9
1.4.3 光學體表成像的IGRT系統(tǒng)（Surface Guided Radiation Therapy，SGRT） 10
1.5 IGRT系統(tǒng)的優(yōu)點 10
參考文獻 10
第2章 基于離線2D影像的IGRT系統(tǒng) 14
2.1 基于放射膠片的IGRT系統(tǒng) 14
2.1.1 帶金屬濾網(wǎng)膠片探測器的需求 15
2.1.2 放射治療中膠片及平面成像的臨床應用 16
2.1.3 膠片平面成像的幾何問題 17
2.1.4 數(shù)字影像的轉換 17
2.2 計算機輔助的X線攝影（CR）引導放射治療系統(tǒng) 17
2.2.1 概述 17
2.2.2 CR影像板-光激勵存儲熒光板 18
2.2.3 光激勵熒光板成像的原理 19
2.2.4 CR讀取器 20
2.2.5 CR信息讀取過程 20
2.2.6 CR成像特點 20
2.2.7 應用CR進行患者放療位置的驗證 22
2.2.8 在60Co治療機上應用的CR平面成像系統(tǒng) 23
2.2.9 直線加速器上應用的CR平面成像系統(tǒng) 24
2.2.10 直方圖均衡化 24
2.2.11 CR圖像配準  25
2.3 CR平面成像在IGRT中的應用進展 26
2.4 小結 26
參考文獻 28
第3章 基于電子射野影像裝置的IGRT系統(tǒng) 30
3.1 概述 30
3.2 基于視頻相機（TV camera）的EPID 31
3.2.1 探測器 31
3.3 基于光纖的EPID 33
3.3.1 光纖EPID的缺點 34
3.4 基于液體電離室的EPID 35
3.5 基于有源矩陣平板成像儀（Active-matrix，flat-panel imager，AMFPI）的EPID 37
3.5.1 直接轉換平板成像儀 38
3.5.2 間接轉換EPID 39
3.5.3 市售AMFPI的問題 42
3.5.4 重影和噪音 42
3.6 EPID的臨床使用 43
3.6.1 EPID的一般工作流程 44
3.6.2 基于標志物EPID的使用 44
3.6.3 利用EPID追蹤植入標志物進行4D放射治療 45
3.6.4 誤差及在線和離線糾正策略 46
3.6.6 糾正策略 48
3.7 小結 50
參考文獻 52
第4章 基于2D的kV級影像的IGRT系統(tǒng) 57
4.1 基于kV級X射線的立體成像系統(tǒng) 57
4.1.1 BrainLAB ExacTrac X射線6D立體定向影像引導放射治療（IGRT）系統(tǒng) 57
4.1.2 ExacTrac動態(tài)系統(tǒng)——SGRT和IGRT系統(tǒng)的集成 61
4.1.3 Cyberknife系統(tǒng)（Cyberknife） 62
4.1.4 立體成像系統(tǒng)的優(yōu)缺點 66
4.2 機載式2D kV IGRT系統(tǒng) 66
4.2.1 發(fā)展歷程 66
4.2.2 商用機載式2D-kV IGRT系統(tǒng) 67
4.2.3 kV級 X射線集成的Elekta直線加速器（X-Ray Volume Imager，XVI） 67
4.2.4 kV 級X射線集成的Varian直線加速器（On-Board Imager，OBI） 68
4.2.5 使用kV 級X射線系統(tǒng)進行擺位驗證 69
4.2.6 基于標記的位置驗證 70
4.2.7 去金屬偽影（MAR） 71
4.2.8 標記物移位 72
4.3 小結 73
參考文獻 74
第5章 基于容積成像的IGRT系統(tǒng) 78
5.1 概述 78
5.1.1 CT機的發(fā)展 79
5.1.2 CT圖像重建 81
5.1.3 扇形束CT圖像重建 82
5.2 滑軌CT機（放射治療室內的CT機） 83
5.2.1 基于滑軌CT機的IGRT系統(tǒng)的工作流程 86
5.2.2 基于滑軌CT機的IGRT系統(tǒng)的不確定性 86
5.2.3 基于滑軌CT機的IGRT系統(tǒng)的臨床應用及進展 87
5.3 Tomotherapy系統(tǒng) 87
5.3.1 Tomotherapy中基于MV級CT的IGRT系統(tǒng) 87
5.3.2 Tomotherapy中的MV級CT成像系統(tǒng) 90
5.3.3 Tomotherapy中基于kV級CT成像系統(tǒng) 90
5.3.4 Tomotherapy中IGRT的工作流程 90
5.4 基于CBCT的IGRT系統(tǒng) 91
5.4.1 CBCT圖像重建 91
5.4.2 MV級CBCT系統(tǒng) 93
5.4.3 MV級CBCT系統(tǒng)的發(fā)展歷程 94
5.5 Halcyon治療機 94
5.5.1 Halcyon治療機IGRT的工作流程 95
5.6 基于kV級 CBCT的 IGRT系統(tǒng) 96
5.6.1 搭載kV級 CBCT 的 Halcyon治療機 96
5.6.2 搭載4D IGRT系統(tǒng)的Vero治療機 96
5.6.3 搭載IGRT系統(tǒng)的Sidharth II治療機 97
5.6.4 基于C形臂直線加速器的CBCT系統(tǒng) 98
5.6.5 蝶形濾波器 105
5.6.6 縱向擴展 FOV的IGRT系統(tǒng) 106
5.6.7 呼吸關聯(lián)的CBCT成像系統(tǒng)（4D-CBCT） 107
5.6.8 4D CBCT 重建 109
5.6.9 條紋偽影去除術 109
5.6.10 投影圖像數(shù)量與圖像質量的關系 110
5.7 圖像配準 111
5.7.1 圖像配準的基本原理 111
5.7.2 圖像形變配準 112
5.7.3 圖像配準中的特征空間和相似性測量 112
5.7.4 圖像轉換模型 113
5.7.5 腫瘤放射治療圖像形變配準的應用 113
5.8 3D容積IGRT系統(tǒng)的臨床應用 114
5.8.1 自適應放射治療（ART） 114
5.9 小結 118
參考文獻 119
第6章 IGRT系統(tǒng)的驗收、質量保證及輻射劑量 127
6.1 概述 127
6.2 IGRT系統(tǒng)質量保證項目的要求 128
6.2.1 安全性  128
6.2.2 幾何精度  128
6.2.3 圖像質量 128
6.3 EPID系統(tǒng)的驗收及質量保證 128
6.3.1 機械性能校準 128
6.3.2 機械性能及安全性測試 129
6.3.3 成像系統(tǒng)性能測試 129
6.3.4 圖像校準 132
6.3.5 EPID軟件驗收 133
6.3.6 EPID質量保證 133
6.4 立體成像系統(tǒng)的驗收及質量保證 135
6.4.1 BrainLab的ExacTrac X射線6D立體定向IGRT系統(tǒng) 135
6.4.2 ExacTrac X線系統(tǒng)與直線加速器等中心的對齊測試 136
6.4.3 ExacTrac系統(tǒng)的日常周期性質量保證項目 138
6.4.4 射波刀放射治療系統(tǒng) 138
6.5 滑軌CT的 IGRT系統(tǒng)的驗收及質量保證 142
6.5.1 幾何精度 142
6.5.2 圖像質量 143
6.5.3 激光燈系統(tǒng) 143
6.5.4 端到端的測試 143
6.6 Tomotherapy系統(tǒng)中MV級IGRT系統(tǒng)的驗收及質量保證 143
6.6.1 幾何性能測試 144
6.6.2 圖像質量測試 145
6.7 Halcyon IGRT裝置 149
6.7.1 安全聯(lián)鎖裝置 149
6.7.2 幾何測試 149
6.8 機架式kV-X射線平面和CBCT成像系統(tǒng) 151
6.8.1 幾何校準 152
6.8.2 X 射線參數(shù)的校準 154
6.8.3 圖像校準：kV級平面圖像 154
6.8.4 kV級CBCT圖像 155
6.8.5 縮放比例和距離的精度 156
6.8.6 對比度分辨率 156
6.8.7 空間分辨率 157
6.8.8 均勻性和噪聲 157
6.8.9 HU 校準和精度 158
6.8.10 圖像配準 159
6.8.11 安全性測試 161
6.9 IGRT中的輻射劑量 161
6.9.1 介紹 161
6.9.2 IGRT中成像劑量管理的重要性 162
6.9.3 射野成像期間的劑量 163
6.9.4 立體成像劑量 165
6.9.5 滑軌CT的成像劑量 166
6.9.6 MVCT的成像劑量 166
6.9.7 MV級CBCT 的成像劑量 168
6.9.8 kV級CBCT的成像劑量 168
6.9.9 成像劑量管理 169
6.10 小結 170
參考文獻 171
第7章 外照射放療中基于超聲的IGRT系統(tǒng) 178
7.1 概述 178
7.2 超聲成像的物理原理 178
7.3 超聲成像中的超聲波頻 180
7.4 掃描模式 180
7.5 超聲成像技術 181
7.5.1 經(jīng)直腸超聲（TRUS）成像 181
7.5.2 經(jīng)腹部超聲（TAUS）成像 182
7.5.3 經(jīng)會陰超聲（TPUS）成像 182
7.6 3D超聲成像系統(tǒng) 182
7.7 基于超聲的商用 IGRT 系統(tǒng) 183
7.7.1 BAT 系統(tǒng) 183
7.7.2 Sonarray® 184
7.7.3 Clarity® 系統(tǒng) 185
7.8 分次間和分次內超聲 IGRT 的工作流程 185
7.8.1 分次間超聲成像 185
7.8.2 分次內超聲成像 187
7.8.3 應用超聲影像進行器官運動估算的技術（4DUS） 187
7.9 基于超聲IGRT系統(tǒng)的驗收及質量保證 190
7.9.1 激光燈系統(tǒng) 190
7.9.2 系統(tǒng)校準 190
7.9.3 模體偏移測試 191
7.9.4 激光燈偏移測試 191
7.9.5 光學系統(tǒng)穩(wěn)定性測試 191
7.9.6 圖像質量及其一致性測試 191
7.9.7 端到端的測試 192
7.10 超聲 IGRT 系統(tǒng)的發(fā)展 193
7.11 應用超聲IGRT的挑戰(zhàn) 194
7.12 小結 195
參考文獻 195
第8章 基于磁共振的IGRT系統(tǒng) 199
8.1 概述 199
8.2 MRI物理原理 199
8.2.1 凈磁場的產(chǎn)生和氫質子 199
8.2.2 進動 200
8.2.3 射頻（RF）能量和共振 201
8.2.4 T1弛豫 201
8.2.5 T2弛豫 202
8.2.6 重復時間（TR）和回波時間 （TE） 203
8.2.7 MR脈沖序列 204
8.3 將MRI集成到直線加速器進行IGRT的挑戰(zhàn) 204
8.3.1 磁場對直線加速器的影響 204
8.3.2 電子聚焦效應（EFE） 205
8.3.3 電子回轉效應（ERE） 205
8.3.4 直線加速器對MRI圖像的影響 207
8.3.5 MR Linac方向 209
8.4 多種MRIgRT系統(tǒng) 209
8.4.1 ViewRay MR-linac 210
8.4.2 Elekta MR Unity IGRT系統(tǒng) 213
8.4.3 Aurora-RT™核磁加速器 220
8.4.4 澳大利亞的MRI-linac系統(tǒng) 220
8.4.5 序貫式的MRgRT的系統(tǒng) 221
8.5 小結 222
參考文獻 223
第9章 基于光學體表成像的IGRT系統(tǒng) 227
9.1 光學體表引導放療基本原理 227
9.2 臨床用SGRT系統(tǒng) 228
9.2.1 與參考體表的融合配準 228
9.3 AlignRT光學體表成像系統(tǒng) 229
9.3.1 AlignRT光學體表成像系統(tǒng)的基本原理 230
9.3.2 AlignRT光學體表成像系統(tǒng)的校準及質量保證 230
9.4 Catalyst™/Sentinel™的SGRT系統(tǒng) 233
9.4.1 Sentinel™光學引導治療系統(tǒng) 233
9.4.2 Catalyst™光學體表掃描儀 233
9.4.3 基于Catalyst™/Sentinel™的SGRT系統(tǒng)的質量保證 234
9.5 SGRT的優(yōu)點 235
9.6 SGRT的局限性 236
9.6.1 對外部因素的敏感性 236
9.6.2 系統(tǒng)延遲 236
9.6.3 人體皮膚表面與內部解剖結構運動的關聯(lián)性 236
9.7 小結 236
參考文獻 237
附錄 國內圖像引導放療設備介紹 239
1 一體化診斷級CT引導直線加速器 239
1.1 C形臂CT引導直線加速器 239
1.2 環(huán)形CT引導直線加速器 247
1.3 診斷級CT圖像引導放療技術特點 248
1.4 診斷級CT圖像引導放療臨床應用 250
1.5 CT-linac圖像引導的重要指標與性能 254
參考文獻 255
2 一體化MR引導直線加速器 255
2.1 國內MR-LINAC技術發(fā)展現(xiàn)狀介紹 255
3 CT模擬定位機 257
3.1 CT模擬定位機功能介紹 257
3.2 設備原理和組成 257
3.3 國內CT模擬定位機產(chǎn)品介紹 259
3.4 CT模擬定位機未來技術發(fā)展 261
參考文獻 261
4 MR模擬定位機 262
4.1 MR模擬定位機的組成 262
4.2 與傳統(tǒng)MR的區(qū)別 262
4.3 磁共振用于放射治療的優(yōu)勢 263
4.4 結論 265
參考文獻 265