图像引导放射治疗理论与实践

本书致力于将IGRT原理与技术融入放射治疗实践的学者及学生而言，本书无疑是宝贵资源。它不仅能够帮助读者深入理解IGRT的精髓，还能激发创新思维，推动放射治疗领域的持续进步与发展。

《图像引导放射治疗理论与实践》一书深入剖析了正在重塑放射治疗实践格局的图像引导放射治疗（IGRT）的物理原理与技术精髓。本书不仅系统阐述了IGRT的核心理论，还详尽介绍了其前沿技术应用，为读者构建了一个从基础到应用的全面知识体系。

原著作者B.保罗·拉文德兰博士是印度韦洛尔基督教医学院（CMC）放射物理学退休教授，目前在印度那加兰邦迪马布尔基督教健康科学研究院担任首席医学物理学家。  第一主译巩贯忠，副主任技师，山东省肿瘤医院放射物理师，放射物理技术科副主任。澳大利亚悉尼大学访问学者，山东第一医科大学医学物理系副主任，中国生物医学工程学会医学物理分会第二届青年委员会副主任委员，主要从事医学图像处理引导肿瘤精确放疗的基础研究及临床应用工作。  杨波，副主任技师，北京协和医院副主任、物理组组长。主要从事图像引导调强放疗、立体定向放疗、自适应放疗、能谱CT等放射治疗技术及质量保证与质量控制的研究。  陈利，副研究员，硕士生导师，中山大学肿瘤防治中心放疗科物理师，物理组组长。主要从事精准放射治疗技术及人工智能的临床应用研究。  胡彩荣，福建省肿瘤医院放疗物理师，副主任技师，福建医科大学放射医学/放射物理学与辐射剂量教研室主任。主要从事肿瘤放射治疗图像引导技术和辐射剂量学的临床应用及相关研究工作。

目  录
第1章 放射治疗及图像引导放疗概述 1
1.1 放射治疗的基本原理 1
1.2 放射治疗（Radiation therapy，RT）的实现方法 3
1.2.1 三维适形放疗（Three-Dimensional Conformal Radiation Therapy，
   3D-CRT） 3
1.2.2 调强放疗 （Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT） 3
1.2.3 容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT） 4
1.2.4 螺旋断层放疗系统（Tomotherapy） 5
1.3 放射治疗中进行医学成像的必要性 5
1.3.1 2D图像引导——平面成像 6
1.3.2 千伏级（Kilo Voltage，kV）平面成像 7
1.3.3 基于容积图像的IGRT系统 7
1.3.4 基于CBCT的容积成像 8
1.3.5 基于分子影像成像的IGRT系统——生物引导放疗 8
1.4 非电离辐射成像的IGRT系统 9
1.4.1 基于超声的IGRT系统 9
1.4.2 基于磁共振（Magnetic Resonance Image，MRI）成像的IGRT系统 9
1.4.3 光学体表成像的IGRT系统（Surface Guided Radiation Therapy，SGRT） 10
1.5 IGRT系统的优点 10
参考文献 10

第2章 基于离线2D影像的IGRT系统 14
2.1 基于放射胶片的IGRT系统 14
2.1.1 带金属滤网胶片探测器的需求 15
2.1.2 放射治疗中胶片及平面成像的临床应用 16
2.1.3 胶片平面成像的几何问题 17
2.1.4 数字影像的转换 17
2.2 计算机辅助的X线摄影（CR）引导放射治疗系统 17
2.2.1 概述 17
2.2.2 CR影像板-光激励存储荧光板 18
2.2.3 光激励荧光板成像的原理 19
2.2.4 CR读取器 20
2.2.5 CR信息读取过程 20
2.2.6 CR成像特点 20
2.2.7 应用CR进行患者放疗位置的验证 22
2.2.8 在60Co治疗机上应用的CR平面成像系统 23
2.2.9 直线加速器上应用的CR平面成像系统 24
2.2.10 直方图均衡化 24
2.2.11 CR图像配准  25
2.3 CR平面成像在IGRT中的应用进展 26
2.4 小结 26
参考文献 28

第3章 基于电子射野影像装置的IGRT系统 30
3.1 概述 30
3.2 基于视频相机（TV camera）的EPID 31
3.2.1 探测器 31
3.3 基于光纤的EPID 33
3.3.1 光纤EPID的缺点 34
3.4 基于液体电离室的EPID 35
3.5 基于有源矩阵平板成像仪（Active-matrix，flat-panel imager，AMFPI）的EPID 37
3.5.1 直接转换平板成像仪 38
3.5.2 间接转换EPID 39
3.5.3 市售AMFPI的问题 42
3.5.4 重影和噪音 42
3.6 EPID的临床使用 43
3.6.1 EPID的一般工作流程 44
3.6.2 基于标志物EPID的使用 44
3.6.3 利用EPID追踪植入标志物进行4D放射治疗 45
3.6.4 误差及在线和离线纠正策略 46
3.6.6 纠正策略 48
3.7 小结 50
参考文献 52

第4章 基于2D的kV级影像的IGRT系统 57
4.1 基于kV级X射线的立体成像系统 57
4.1.1 BrainLAB ExacTrac X射线6D立体定向影像引导放射治疗（IGRT）系统 57
4.1.2 ExacTrac动态系统——SGRT和IGRT系统的集成 61
4.1.3 Cyberknife系统（Cyberknife） 62
4.1.4 立体成像系统的优缺点 66
4.2 机载式2D kV IGRT系统 66
4.2.1 发展历程 66
4.2.2 商用机载式2D-kV IGRT系统 67
4.2.3 kV级 X射线集成的Elekta直线加速器（X-Ray Volume Imager，XVI） 67
4.2.4 kV 级X射线集成的Varian直线加速器（On-Board Imager，OBI） 68
4.2.5 使用kV 级X射线系统进行摆位验证 69
4.2.6 基于标记的位置验证 70
4.2.7 去金属伪影（MAR） 71
4.2.8 标记物移位 72
4.3 小结 73
参考文献 74

第5章 基于容积成像的IGRT系统 78
5.1 概述 78
5.1.1 CT机的发展 79
5.1.2 CT图像重建 81
5.1.3 扇形束CT图像重建 82
5.2 滑轨CT机（放射治疗室内的CT机） 83
5.2.1 基于滑轨CT机的IGRT系统的工作流程 86
5.2.2 基于滑轨CT机的IGRT系统的不确定性 86
5.2.3 基于滑轨CT机的IGRT系统的临床应用及进展 87
5.3 Tomotherapy系统 87
5.3.1 Tomotherapy中基于MV级CT的IGRT系统 87
5.3.2 Tomotherapy中的MV级CT成像系统 90
5.3.3 Tomotherapy中基于kV级CT成像系统 90
5.3.4 Tomotherapy中IGRT的工作流程 90
5.4 基于CBCT的IGRT系统 91
5.4.1 CBCT图像重建 91
5.4.2 MV级CBCT系统 93
5.4.3 MV级CBCT系统的发展历程 94
5.5 Halcyon治疗机 94
5.5.1 Halcyon治疗机IGRT的工作流程 95
5.6 基于kV级 CBCT的 IGRT系统 96
5.6.1 搭载kV级 CBCT 的 Halcyon治疗机 96
5.6.2 搭载4D IGRT系统的Vero治疗机 96
5.6.3 搭载IGRT系统的Sidharth II治疗机 97
5.6.4 基于C形臂直线加速器的CBCT系统 98
5.6.5 蝶形滤波器 105
5.6.6 纵向扩展 FOV的IGRT系统 106
5.6.7 呼吸关联的CBCT成像系统（4D-CBCT） 107
5.6.8 4D CBCT 重建 109
5.6.9 条纹伪影去除术 109
5.6.10 投影图像数量与图像质量的关系 110
5.7 图像配准 111
5.7.1 图像配准的基本原理 111
5.7.2 图像形变配准 112
5.7.3 图像配准中的特征空间和相似性测量 112
5.7.4 图像转换模型 113
5.7.5 肿瘤放射治疗图像形变配准的应用 113
5.8 3D容积IGRT系统的临床应用 114
5.8.1 自适应放射治疗（ART） 114
5.9 小结 118
参考文献 119

第6章 IGRT系统的验收、质量保证及辐射剂量 127
6.1 概述 127
6.2 IGRT系统质量保证项目的要求 128
6.2.1 安全性  128
6.2.2 几何精度  128
6.2.3 图像质量 128
6.3 EPID系统的验收及质量保证 128
6.3.1 机械性能校准 128
6.3.2 机械性能及安全性测试 129
6.3.3 成像系统性能测试 129
6.3.4 图像校准 132
6.3.5 EPID软件验收 133
6.3.6 EPID质量保证 133
6.4 立体成像系统的验收及质量保证 135
6.4.1 BrainLab的ExacTrac X射线6D立体定向IGRT系统 135
6.4.2 ExacTrac X线系统与直线加速器等中心的对齐测试 136
6.4.3 ExacTrac系统的日常周期性质量保证项目 138
6.4.4 射波刀放射治疗系统 138
6.5 滑轨CT的 IGRT系统的验收及质量保证 142
6.5.1 几何精度 142
6.5.2 图像质量 143
6.5.3 激光灯系统 143
6.5.4 端到端的测试 143
6.6 Tomotherapy系统中MV级IGRT系统的验收及质量保证 143
6.6.1 几何性能测试 144
6.6.2 图像质量测试 145
6.7 Halcyon IGRT装置 149
6.7.1 安全联锁装置 149
6.7.2 几何测试 149
6.8 机架式kV-X射线平面和CBCT成像系统 151
6.8.1 几何校准 152
6.8.2 X 射线参数的校准 154
6.8.3 图像校准：kV级平面图像 154
6.8.4 kV级CBCT图像 155
6.8.5 缩放比例和距离的精度 156
6.8.6 对比度分辨率 156
6.8.7 空间分辨率 157
6.8.8 均匀性和噪声 157
6.8.9 HU 校准和精度 158
6.8.10 图像配准 159
6.8.11 安全性测试 161
6.9 IGRT中的辐射剂量 161
6.9.1 介绍 161
6.9.2 IGRT中成像剂量管理的重要性 162
6.9.3 射野成像期间的剂量 163
6.9.4 立体成像剂量 165
6.9.5 滑轨CT的成像剂量 166
6.9.6 MVCT的成像剂量 166
6.9.7 MV级CBCT 的成像剂量 168
6.9.8 kV级CBCT的成像剂量 168
6.9.9 成像剂量管理 169
6.10 小结 170
参考文献 171

第7章 外照射放疗中基于超声的IGRT系统 178
7.1 概述 178
7.2 超声成像的物理原理 178
7.3 超声成像中的超声波频 180
7.4 扫描模式 180
7.5 超声成像技术 181
7.5.1 经直肠超声（TRUS）成像 181
7.5.2 经腹部超声（TAUS）成像 182
7.5.3 经会阴超声（TPUS）成像 182
7.6 3D超声成像系统 182
7.7 基于超声的商用 IGRT 系统 183
7.7.1 BAT 系统 183
7.7.2 Sonarray® 184
7.7.3 Clarity® 系统 185
7.8 分次间和分次内超声 IGRT 的工作流程 185
7.8.1 分次间超声成像 185
7.8.2 分次内超声成像 187
7.8.3 应用超声影像进行器官运动估算的技术（4DUS） 187
7.9 基于超声IGRT系统的验收及质量保证 190
7.9.1 激光灯系统 190
7.9.2 系统校准 190
7.9.3 模体偏移测试 191
7.9.4 激光灯偏移测试 191
7.9.5 光学系统稳定性测试 191
7.9.6 图像质量及其一致性测试 191
7.9.7 端到端的测试 192
7.10 超声 IGRT 系统的发展 193
7.11 应用超声IGRT的挑战 194
7.12 小结 195
参考文献 195

第8章 基于磁共振的IGRT系统 199
8.1 概述 199
8.2 MRI物理原理 199
8.2.1 净磁场的产生和氢质子 199
8.2.2 进动 200
8.2.3 射频（RF）能量和共振 201
8.2.4 T1弛豫 201
8.2.5 T2弛豫 202
8.2.6 重复时间（TR）和回波时间 （TE） 203
8.2.7 MR脉冲序列 204
8.3 将MRI集成到直线加速器进行IGRT的挑战 204
8.3.1 磁场对直线加速器的影响 204
8.3.2 电子聚焦效应（EFE） 205
8.3.3 电子回转效应（ERE） 205
8.3.4 直线加速器对MRI图像的影响 207
8.3.5 MR Linac方向 209
8.4 多种MRIgRT系统 209
8.4.1 ViewRay MR-linac 210
8.4.2 Elekta MR Unity IGRT系统 213
8.4.3 Aurora-RT™核磁加速器 220
8.4.4 澳大利亚的MRI-linac系统 220
8.4.5 序贯式的MRgRT的系统 221
8.5 小结 222
参考文献 223

第9章 基于光学体表成像的IGRT系统 227
9.1 光学体表引导放疗基本原理 227
9.2 临床用SGRT系统 228
9.2.1 与参考体表的融合配准 228
9.3 AlignRT光学体表成像系统 229
9.3.1 AlignRT光学体表成像系统的基本原理 230
9.3.2 AlignRT光学体表成像系统的校准及质量保证 230
9.4 Catalyst™/Sentinel™的SGRT系统 233
9.4.1 Sentinel™光学引导治疗系统 233
9.4.2 Catalyst™光学体表扫描仪 233
9.4.3 基于Catalyst™/Sentinel™的SGRT系统的质量保证 234
9.5 SGRT的优点 235
9.6 SGRT的局限性 236
9.6.1 对外部因素的敏感性 236
9.6.2 系统延迟 236
9.6.3 人体皮肤表面与内部解剖结构运动的关联性 236
9.7 小结 236
参考文献 237

附录 国内图像引导放疗设备介绍 239
1 一体化诊断级CT引导直线加速器 239
1.1 C形臂CT引导直线加速器 239
1.2 环形CT引导直线加速器 247
1.3 诊断级CT图像引导放疗技术特点 248
1.4 诊断级CT图像引导放疗临床应用 250
1.5 CT-linac图像引导的重要指标与性能 254
参考文献 255
2 一体化MR引导直线加速器 255
2.1 国内MR-LINAC技术发展现状介绍 255
3 CT模拟定位机 257
3.1 CT模拟定位机功能介绍 257
3.2 设备原理和组成 257
3.3 国内CT模拟定位机产品介绍 259
3.4 CT模拟定位机未来技术发展 261
参考文献 261
4 MR模拟定位机 262
4.1 MR模拟定位机的组成 262
4.2 与传统MR的区别 262
4.3 磁共振用于放射治疗的优势 263
4.4 结论 265
参考文献 265

原著前言

医学成像技术的飞速进步大大地提升了肿瘤放射治疗的精确度，通过图像引导放疗（Image Guided Radiation Therapy，IGRT）能够将放射剂量准确地传输到肿瘤区域，从而保护更多的健康组织。IGRT的进步不仅有助于提高肿瘤控制概率（Tumor Control Probability，TCP）、降低正常组织并发症概率（Normal Tissue Complication Probability，NTCP），而且还可以使放射治疗期间肿瘤位置、大小和形状的变化能够被量化和解释，进而提高剂量传输的几何精度和准确性。值得注意的是，除了在放疗中使用MV级成像进行图像引导外，几乎所有的诊断级成像方法，如kV 级X射线、计算机断层扫描成像（Computed Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）和超声成像，都被用于放疗中的图像引导。IGRT发展的意义重大，尽管有部分教材和论文描述了IGRT设备的物理原理和临床技术，但广大肿瘤放射治疗从业者一致认为，一本能够全面提供IGRT技术细节、物理原理以及质量保证要求的专业教材将有助于医学物理专业、放射肿瘤学专业和放射治疗技术专业的学生学习并应用好IGRT这项技术。

尽管IGRT这一术语是在近十年随着先进成像技术的涌现而被正式提出的，但基于胶片的2D平面成像一直被用于指导放疗中的患者摆位误差纠正和剂量验证。为了给学生们展现IGRT的发展历程，本书从基于胶片成像的IGRT开始；为了更好地理解IGRT，本书的章节设置旨在遵循IGRT成像方法的分类。第1章对放射治疗和IGRT进行了概述，第2～6章讨论了基于电离辐射成像方法的IGRT，而第7～9章分别对包括超声、MRI和光学体表容积成像等非电离辐射的IGRT技术进行了介绍。IGRT可以进一步分为在线和离线引导，这些内容在第2～4章中进行了讨论。第2章讨论了2D胶片平面成像技术和计算机放射成像技术（Computed Radiography，CR），第3章和第4章分别讨论了在线2D图像引导，即电子射野平面成像（Electronic Portal Imaging，EPI）和kV级平面成像技术。容积成像技术和IGRT设备的质量保证则分别在第5章和第6章中进行了介绍。

从本书的章节安排可以看出，它的受众主要是医学物理专业的学生和住院医师。本书的内容设计重于相关的物理原理的描述性内容，而未加入太多的数学内容。本书的重点是介绍IGRT技术的物理原理、技术细节、临床工作流程和质量保证等内容。本书也可以作为放射肿瘤学住院医师和放射治疗技术专业学生的参考用书。衷心期望本书能为医学物理专业、放射肿瘤学专业和放射治疗技术专业的医学生和住院医师在学习和实践中提供有力支持。