临床前图像引导的精准放疗系统

临床前图像引导的精准放疗系统作者：赵勇1.PXiX-RADSmART背景放射治疗主要用于恶性肿瘤的治疗，随着技术的发展，特别是影像学于计算机技术、放射物理学、生物学的有机结合，近年来放射治疗的地位大大提高，成为肿瘤的主要治疗手段之一。据国外一些数据统计，约有50%--70%的肿瘤病人需要做放射治疗，世卫组织20世纪的统计数字显示，目前经治疗后肿瘤患者5年生存率高达45%，其中22%是手术治疗，18%是放射治疗治愈，5%是药物和其他方法治愈。由此可见放射治疗在肿瘤治疗中的重要地位。表1肿瘤治疗五年生存率变化年代20世纪初30年代60年代90年代五年生存率5%15%35%45%表2手术、放疗、化疗对肿瘤治愈率比较治疗手段手术治疗放射治疗药物化疗相对贡献22%18%5%目前肿瘤治疗的失败主要原因为肿瘤局部控制失败，而导致肿瘤的局部复发和远地转移。已有证据表明，改进肿瘤局部治疗，可以提高肿瘤治愈率。放射治疗通过物理手段不仅可以提高肿瘤局部控制率，而且可以改进患者治愈后的生存质量。所以相关的科学研究工作是目前肿瘤相关研究热点之一。各个高校医院都在积极开展相关科研工作，各个研究组之间的竞争异常激烈。因为放疗是以提高局部的治疗增益，即最大限度的增加肿瘤局部控制概率和减低周围正常组织的放射并发症概率为治疗的最终目的，从而达到高精度定位、高剂量、高治疗效果和低正常组织损伤的三高一低模式。随着计算机技术的发展和影像学技术在肿瘤上的应该，先手出现了三维适形放射治疗、立体定向放射治疗、三维强调治疗。代表性的设备有x（γ）刀、赛博刀和现在很先进的图像引导放射治疗机即IGRT等等。但是真正的临床治疗毕竟不是科研实验，不能用病人的生命开玩笑，所以很多理论上的治疗手段急需在实验室水平进行验证。针对临床医生这一需求，美国PXi公司，一家专业的制造生物学医学研究用X光辐照相关设备的厂家，研发出一款实验室用的小动物IGRT系统。其特点是在实施放疗前，先对小动物进行精确的二维/三维成像，然后通过专业的软件制定复杂而精确的治疗方案，最后按照制定好的方案引导仪器对小动物实施精确的放疗。完美模拟临床条件和进程，从而能使得更多的肿瘤放射治疗方案在实验室水平得到验证，积累研究经验，促进科研进展，推动科研转化临床。2.临床前图像引导的精准放疗系统以前很多老师使用常规的辐照仪进行实验。常规的辐照仪是在二维水平进行的传统的经验式的一种仪器，使用这种仪器将面对一个两难的选择，要么顾忌肿瘤周围正常组织器官的照射耐受，就必须限制剂量，达不到最佳实验效果，要么为了达到照射剂量就伤及周围正常组织器官。显然这样的常规辐照仪是不能满足模拟临床放射治疗的。临床上也曾面对这一问题，随着科技的发展，科学家在三维放疗技术的基础上加入时间概念，并且充分考虑了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗的位移误差，如呼吸和蠕动运动、日常摆位置误差、靶区收缩等引起放疗剂量分布的变化和对治疗计划的影响等方面情况，在患者进行治疗前和治疗中利用各种先进的影像设对肿瘤及正常器官进行实时监控，并能根据器官的位置变化调整治疗条件使照射野紧紧地追随靶区，做到真正意义上的精确治疗。这一技术就是IGRT技术。相应的，临床前图像引导的精准放疗系统非常类似于临床系统，即生物样本保持静止，检测器围绕样本360度旋转。这样就能够精确快速的执行在复杂3D图像引导下的精确治疗，这在以前是无法想象的。该临床前精确放疗系统有一个可三轴控制的样品台，一个辐射状固定的X射线球管和一个8英寸数字探测器，确保照射前可针对样本的原位进行高效锥形束CT软组织成像。治疗床采用跨平台可移动式设计，因此可在不同的成像系统之间快速移动，无需重新摆放样本，样本在治疗床上的位置固定不变。跨平台可移动式设计减少样本处理的复杂度且提高了多模式图像融合的质量。系统可以从其他成像系统中输入DICOM文件，使用高级图像融合工具，使得图像能够获得更好的边界融合，提高肿瘤靶向的精准度。该临床前精准放疗系统提供标准的治疗限束器（StandardApplicators），圆形限束器规格从直径0.5mm到25mm，方形限束器有10、20和40mm三种规格，矩形限束器有10×30mm和30×40mm两种规格。除标准规格外，还可制作适合治疗的特殊形状的限束器，如适合脊柱照射用等。该系统可以从三个方向的视图以及在三维视图中浏览被照射的靶部位，根据实验目的制定治疗方案，然后实施图像引导下的治疗。具体来说，PXi小动物图像引导（IGRT）精确放疗系统能提供的典型应用技术方案为：1），图像引导下的单一治疗方案使用矩形限束器，对小鼠特定区段的胫骨进行定量照射，观察辐射对骨骼生长的影响。2），通过三视图确定立体治疗方案针对实验动物的皮下肿瘤，确定照射面积、深度和照射方向，实施精确的IGRT。3），同一个肿瘤分区域不同剂量照射的效果对比利用精确引导的放疗方案，针对同一个肿瘤分成两个区域照射，并给予不同的照射剂量，然后对比观察这两部分治疗后的情况。4），多角度治疗方案利用系统标配软件，可以方便地进行多角度精确定位治疗方案的制定。5），与MRI图像融合确定的治疗方案系统利用已有的实验动物脑部MRI图像，并与CT图像融合，准确选定肿瘤位置进行辐照治疗。6），与生物发光结合的治疗方案该系统可以光学成像、功能成像为基础，进行更深入的放疗方案制定。还可适用于新型造影剂的机制研究。系统自带的XVI模块可以使得多模式融合成为可能。7），与白光图像融合的治疗方案8），标准的锥束CT成像该精确放疗系统可以作为一个标准的CT成像系统进行3D成像应用。系统配备PE公司的数字X射线探测器，像素达到1024×1024。