圖像引導(dǎo)放射治療理論與實踐

目  錄
第1章 放射治療及圖像引導(dǎo)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(diào)強(qiáng)放療 （Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT） 3
1.2.3 容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)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(jìn)行醫(yī)學(xué)成像的必要性 5
1.3.1 2D圖像引導(dǎo)——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(dǎo)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(xué)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(diǎn) 10
參考文獻(xiàn) 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(yīng)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(zhuǎn)換 17
2.2 計算機(jī)輔助的X線攝影（CR）引導(dǎo)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(diǎn) 20
2.2.7 應(yīng)用CR進(jìn)行患者放療位置的驗證 22
2.2.8 在60Co治療機(jī)上應(yīng)用的CR平面成像系統(tǒng) 23
2.2.9 直線加速器上應(yīng)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(zhǔn)  25
2.3 CR平面成像在IGRT中的應(yīng)用進(jìn)展 26
2.4 小結(jié) 26
參考文獻(xiàn) 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(jī)（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(diǎn) 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(zhuǎn)換平板成像儀 38
3.5.2 間接轉(zhuǎn)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(biāo)志物EPID的使用 44
3.6.3 利用EPID追蹤植入標(biāo)志物進(jìn)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(jié) 50
參考文獻(xiàn) 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(dǎo)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(diǎn) 66
4.2 機(jī)載式2D kV IGRT系統(tǒng) 66
4.2.1 發(fā)展歷程 66
4.2.2 商用機(jī)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(jìn)行擺位驗證 69
4.2.6 基于標(biāo)記的位置驗證 70
4.2.7 去金屬偽影（MAR） 71
4.2.8 標(biāo)記物移位 72
4.3 小結(jié) 73
參考文獻(xiàn) 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(jī)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(jī)（放射治療室內(nèi)的CT機(jī)） 83
5.2.1 基于滑軌CT機(jī)的IGRT系統(tǒng)的工作流程 86
5.2.2 基于滑軌CT機(jī)的IGRT系統(tǒng)的不確定性 86
5.2.3 基于滑軌CT機(jī)的IGRT系統(tǒng)的臨床應(yīng)用及進(jìn)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(jī) 94
5.5.1 Halcyon治療機(jī)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(jī) 96
5.6.2 搭載4D IGRT系統(tǒng)的Vero治療機(jī) 96
5.6.3 搭載IGRT系統(tǒng)的Sidharth II治療機(jī) 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(kuò)展 FOV的IGRT系統(tǒng) 106
5.6.7 呼吸關(guān)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(shù) 109
5.6.10 投影圖像數(shù)量與圖像質(zhì)量的關(guān)系 110
5.7 圖像配準(zhǔn) 111
5.7.1 圖像配準(zhǔn)的基本原理 111
5.7.2 圖像形變配準(zhǔn) 112
5.7.3 圖像配準(zhǔn)中的特征空間和相似性測量 112
5.7.4 圖像轉(zhuǎn)換模型 113
5.7.5 腫瘤放射治療圖像形變配準(zhǔn)的應(yīng)用 113
5.8 3D容積IGRT系統(tǒng)的臨床應(yīng)用 114
5.8.1 自適應(yīng)放射治療（ART） 114
5.9 小結(jié) 118
參考文獻(xiàn) 119
第6章 IGRT系統(tǒng)的驗收、質(zhì)量保證及輻射劑量 127
6.1 概述 127
6.2 IGRT系統(tǒng)質(zhì)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(zhì)量 128
6.3 EPID系統(tǒng)的驗收及質(zhì)量保證 128
6.3.1 機(jī)械性能校準(zhǔn) 128
6.3.2 機(jī)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(zhǔn) 132
6.3.5 EPID軟件驗收 133
6.3.6 EPID質(zhì)量保證 133
6.4 立體成像系統(tǒng)的驗收及質(zhì)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(zhì)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(zhì)量保證 142
6.5.1 幾何精度 142
6.5.2 圖像質(zhì)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(zhì)量保證 143
6.6.1 幾何性能測試 144
6.6.2 圖像質(zhì)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(jī)架式kV-X射線平面和CBCT成像系統(tǒng) 151
6.8.1 幾何校準(zhǔn) 152
6.8.2 X 射線參數(shù)的校準(zhǔn) 154
6.8.3 圖像校準(zhǔn)：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(zhǔn)和精度 158
6.8.10 圖像配準(zhǔn) 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(jié) 170
參考文獻(xiàn) 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(shù) 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(nèi)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(nèi)超聲成像 187
7.8.3 應(yīng)用超聲影像進(jìn)行器官運(yùn)動估算的技術(shù)（4DUS） 187
7.9 基于超聲IGRT系統(tǒng)的驗收及質(zhì)量保證 190
7.9.1 激光燈系統(tǒng) 190
7.9.2 系統(tǒng)校準(zhǔn) 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(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性測試 191
7.9.6 圖像質(zhì)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(yīng)用超聲IGRT的挑戰(zhàn) 194
7.12 小結(jié) 195
參考文獻(xiàn) 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(zhì)子 199
8.2.2 進(jìn)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(fù)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(jìn)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(yīng)（EFE） 205
8.3.3 電子回轉(zhuǎn)效應(yīng)（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(jié) 222
參考文獻(xiàn) 223
第9章 基于光學(xué)體表成像的IGRT系統(tǒng) 227
9.1 光學(xué)體表引導(dǎo)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(zhǔn) 228
9.3 AlignRT光學(xué)體表成像系統(tǒng) 229
9.3.1 AlignRT光學(xué)體表成像系統(tǒng)的基本原理 230
9.3.2 AlignRT光學(xué)體表成像系統(tǒng)的校準(zhǔn)及質(zhì)量保證 230
9.4 Catalyst™/Sentinel™的SGRT系統(tǒng) 233
9.4.1 Sentinel™光學(xué)引導(dǎo)治療系統(tǒng) 233
9.4.2 Catalyst™光學(xué)體表掃描儀 233
9.4.3 基于Catalyst™/Sentinel™的SGRT系統(tǒng)的質(zhì)量保證 234
9.5 SGRT的優(yōu)點(diǎn) 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(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)運(yùn)動的關(guān)聯(lián)性 236
9.7 小結(jié) 236
參考文獻(xiàn) 237
附錄 國內(nèi)圖像引導(dǎo)放療設(shè)備介紹 239
1 一體化診斷級CT引導(dǎo)直線加速器 239
1.1 C形臂CT引導(dǎo)直線加速器 239
1.2 環(huán)形CT引導(dǎo)直線加速器 247
1.3 診斷級CT圖像引導(dǎo)放療技術(shù)特點(diǎn) 248
1.4 診斷級CT圖像引導(dǎo)放療臨床應(yīng)用 250
1.5 CT-linac圖像引導(dǎo)的重要指標(biāo)與性能 254
參考文獻(xiàn) 255
2 一體化MR引導(dǎo)直線加速器 255
2.1 國內(nèi)MR-LINAC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀介紹 255
3 CT模擬定位機(jī) 257
3.1 CT模擬定位機(jī)功能介紹 257
3.2 設(shè)備原理和組成 257
3.3 國內(nèi)CT模擬定位機(jī)產(chǎn)品介紹 259
3.4 CT模擬定位機(jī)未來技術(shù)發(fā)展 261
參考文獻(xiàn) 261
4 MR模擬定位機(jī) 262
4.1 MR模擬定位機(jī)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(jié)論 265
參考文獻(xiàn) 265