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放射治療之影像導航,助你精準地完成治療! 3大作用4種技術,你不可以錯過~
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影像導航

放射治療影像導航 (Image-guided radiotherapy,IGRT)是現今放射治療達至精準治療目的的一大有力武器。隨著科技的進步,X光影像不再需要必須在X光部才可產生。如果是X光影像,放射治療部同樣可以做得到。這就可以結合放射治療及影像對位,令治療的準確度大大提升。

影像導航的原理

大家可以想像一下,自己放下手機,再拿起來,再放下,那怕再仔細地放下,兩次放下手機的位置都會無可避免地有少許不同(雖然很少)。當應用在整個人體時,這種誤差會更明顯。影像導航就是為了找出這些誤差有多少。

在正式放射治療開始前,病人都會經歷電腦模擬掃描。當中所得的影像就會用作放射治療計劃設計。既然治療設計會以電腦模擬掃描的影像為藍本,也就是說日後正式治療時,病人的位置愈接近電腦模擬掃描的位置,治療就會愈精準。

為了達到這一個目的,所以放射治療中會用上很多的固定器,希望每一次病人的位置都可以一樣。固定器的作用很重要,但不能只靠它。因為再多的固定器,每一次病人的位置,都總會有些偏差。這就是為甚麼需要影像導航。只有透過不同的治療前影像,才可以知道這一天病人的位置是如何,與之前的相差多少。如果說固定器做了百分之八十的工作,那影像導航就幫助完成剩下的百分之二十,兩者結合起來,達至精準治療。

影像導航的作用

以下會特別講解一下影像導航在放射治療中的不同角色。

第一,正如上面強調,影像導航有助放射治療師看到病人體內器官及骨骼位置,與之前的電腦模擬掃描比對,藉此調整治療床位置,使病人的位置可以確切回復到設計的位置。

第二,影像導航有助驗證對位工作。在正式治療時,放射治療師會使用固定器及病人身上紋點作對位之用。在幾乎所有情況下,這都可以有效達至對位工作。有了影像導航,治療師可以在釋放輻射前,再一次看到病人體內的位置。這可以驗證先前的對位是不是正確,例如會不會用了錯的固定器?會不會對錯了紋點?會不會混淆了兩個類似的病人?這些都是極低機會發生,但仍不能完全避免。在根治性放射治療上,輻射劑量甚高,這一驗證工作尤其重要。有了這一技術,相信放射治療師及病人會更安心。

第三,影像導航有助提早發現病人潛在的身體異常。癌症病人的免疫系統較一般人差,加上腫瘤可能隨時有變化,在治療前有最新的影像,可以及早處理突發事宜。例如,如使用CBCT,可以直接看到病人的情況,腫瘤會不會突然增加了體積?又會不會突然在其他位置發現新的腫瘤?雖然CBCT的目的不是用作診斷之用,但如果醫生發現明確的腫瘤變化,或會調整治療計劃,甚至延遲治療,以處理突發情況。如果沒有影像導航,要發現上述情況,可能就要留待治療結束後的覆診才得知,那有可能會錯過最佳治療時間。

影像導航的種類

在直線加速器中,IGRT可分為四種,第一種是Portal Vision (PV)或Electronic Portal Imaging Devices(EPID),第二種是On-board Images (OBI)或者是IView,第三種是Cone-beam computer tomography (CBCT) ,第四種則是磁力共振,Magnetic Resonance Imaging.(MRI)。

PV或EPID指的是以MV能量(即普通X光能量的10倍左右)製作X光影像。PV或EPID 的輻射線釋放方向等同於治療輻射的釋放方向,同樣都是從機頭方向射出。這樣的好處在於不用考慮機頭轉換角度時的潛在誤差。只要影像重疊,治療的位置就會是一樣。而壞處是MV能量會穿過大部分的人體結構,令所產生的X光影像較為模糊。所以,治療師未必可以完全看到所有細節,這會令對位工作增加誤差率。在現今發展下,PV或EPID的應用也日漸式微,慢慢被OBI或IView取而代之。

Example of anteroposterior and lateral electronic portal imaging above and kilovoltage
PV
圖片來自 ” Electronic portal imaging vs kilovoltage imaging in fiducial marker image-guided radiotherapy for prostate cancer: An analysis of set-up uncertainties”

OBI/IView指的是在直線加速器上,安裝了X光儀器,以KV能量產生X光影像。由於相比起MV能量,KV能量較少,可以明確分辨出骨頭及部分器官,OBI/IView的影像較清楚。這有助對位時更容易重疊影像,作出精準的對照及位置調較。所以,現今的影像導航放射治療比較依賴OBI/IView的應用。

OBI
OBI
圖片來自 “Dosimetric feasibility of an “off-breast isocenter” technique for whole-breast cancer radiotherapy”

然而,不論PV/EPID或OBI/IView,都有一個大缺點,就是只可以以二維影像作位置調整。因為在X光中,我們只能看到平面影像,但人體卻是三維立體。以二維影像去處理三維事物,誤差率自然較大。

為了應對這一問題,科技發展促成了錐狀射束電腦斷層掃描(CBCT)的出現。同樣是借助X光儀器,現今已可以產生一個類近電腦掃描的三維影像。當然,比起一般的電腦掃描,CBCT的影像質素不會太好,但已足夠用作驗證位置之用。作為三維影像,CBCT可以直接用來比對電腦模擬掃描的影像,加上可以更清楚地看到病人體內的器官,對位的準確度會比起PV或OBI更高。

CBCT
錐狀射束電腦斷層掃描(CBCT)
圖片來自 “Post-Prostatectomy Image-Guided Radiotherapy: The Invisible Target Concept”

CBCT的出現令影像導航更上一層樓。不過,這樓層還未到最高。隨著磁力共振的發展愈來愈強,磁力共振用在放射治療影像導航上亦逐漸變得可行。磁力共振比起CBCT更能清楚展示軟組織,因此直接看到腫瘤的機會也大大提升。在對位時,放射治療師及腫瘤科醫生就可以專注於腫瘤的位置,作出仔細的對準,令正式治療時,輻射可以確實針對病人的腫瘤上。這是目前最精準的影像導航技術。另一個好處,自然就是磁力共振本身不會帶有輻射,病人可以免卻額外的輻射劑量吸收。

MRI
圖片來自 “The accuracy of Magnetic Resonance – Cone Beam Computed Tomography soft-tissue matching for prostate radiotherapy”

現時,本港的磁力共振影像導航技術尚未普及。其中一個挑戰在於磁力共振影像需要較長時間才可以產生。有些病人如需在急小便情況下治療(如前列腺癌放射治療),或本身情況不太穩定,磁力共振影像導航技術或會帶來額外的壓力。不過,相信在可見的將來,這些問題都會得到充分解決,使磁力共振影像導航技術成為一大有力工具。

影像導航的流程

首先,放射治療師會取出病人專屬的固定器,再根據模擬掃描的姿勢,指示病人躺在治療床上。病人身上會有來自模擬掃描所畫下的不同的線條及紋點。放射治療師會以這些標記作初步的對位工作,然後就會離開房間,準備進行影像導航。

接下來就會開始講解OBI(即是KV X光影像)的影像導航。放射治療師會先為病人拍一張X光片。雖然模擬掃描是三維電腦模擬影像,但仍可透過影像重組,重建出X光影像(Digital Reconstructed Radiography, DRR),才可以與影像導航的X光作比對。兩張的X光片一重疊之下,就會發現有些不同之處。這些不同地方就解釋了每次病人躺在治療床上時,位置都會有誤差。那怕對位再準,這些誤差都不會完全消失。

當放射治療師發現兩張X光影像有所不同時,就會通過調節治療床的不同方向,盡量重疊兩張X光影像。這時,在治療床所拍的X光影像,其實連結了治療床。放射治療師會移動新的X光影像,去貼近模擬掃描重建出的X光影像。影像移動的幅度就會變成治療床移動的幅度。治療師會”apply shift”,移動治療床。

如果發現治療床的移動幅度超出了可接受範圍,治療師會再拍新一張X光影像,再作比對,驗證新的病人位置,是不是真的更貼近模擬掃描重建出的X光影像。如果是,就可以正式開始治療。如果發現仍然需要再次大幅度移動治療床,就恉重複上述步驟,直至位置誤差少於安全水平。

一般的放射治療床可以移動四種方向,包括上下,左右、前後及偏擺。前三者比較容易理解,而偏擺就要稍作解釋一下。偏擺,英文是yaw,或更多人會用rotation來代替,因為這會更容易理解。這是指放射治療床會旋轉,或是順時針轉動,或是逆時針轉動,使病人身體也相應地移動。

在科技的支持下,有些放射治療床可以移動六種方向,額外的兩種方向就是俯仰(pitch)及翻滾(roll)。俯仰(pitch)是指病人在治療床上,移動後會娛成頭上腳下,或是頭下腳下上。而翻滾(roll)是指治療床會變成左上右落,或是左落右上,令病人「打側」少許。順帶一提,這種治療床就被稱之為六維治療床(6 degrees-of-freedom (6D) couch)。

有了六維治療床,不論影像導航採用二維的X光影像或是三維的CBCT及磁力共振影像,都可以多角度調節病人的位置,使最終治療位置盡量貼近最初模擬掃描的影像。

6D coucj
六維治療床
圖片來自 “Quantitative evaluation of patient setup uncertainty of stereotactic radiotherapy with the frameless 6D ExacTrac system using statistical modeling”

影像導航的限制

影像導航是一個放射治療中一個很重要的技術,也是精準治療中不可缺少的一環。然而,它並不能解決所有問題,同時存在一定的局限性。

第一,影像導航不能做到病人位置完全與模擬掃描的影像一樣。如果人體是一個實體物件,硬梆梆,那對位當然很容易。不過,人體是軟綿綿,加上人體內有很多器官,會互相影響。例如呼吸會影響肺部大小,食物多少會影響胃部大小等。在這些因素的影響下,完美的重疊是不可能的。誤差總會有,但是影像導航的作用是將這誤差由厘米,變成毫米,已是幫助很大。

第二,影像導航只可以用在治療前,並不能應付病人在治療期間的位置變化。現時的科技限制了影像導航的應用,只可以在治療前確定病人的位置。一旦開始了治療,其實再也看不到病人身體的位置變化。人體不是死物,在數以分鐘計的治療時間內,或許會有些微郁動而不自知。最終的位置或會再有不同,而治療前的影像導航不能發現。

當然,大家可以放心,放射治療師全程監察病人的情況,如發現明顯的位置變化,會及時暫停治療,重新進行影像導航,丙開始治療。至於細微的位置變化,也不用太擔心。因為在治療計劃中時已經考慮了這個問題,預留了一定的邊際,務求可以「電」到腫瘤目標。

第三,影像導航的影像限制了對位的準確度。上面提及了影像導航的不同類型,每一種都有其優缺點。最大問題在於影像導航的影像不是用作診斷,加上時間限制,病人難以在治療床上長期保持同一姿勢,治療前的影像質素就不會太好。例如,CBCT會產生比起模擬掃描時更多的假影(artifacts),令影像較模糊。另外,X光影像雖然比較好,但因為是二維影像,要全面應付人體的三維位置,會比較困難。

面對這些情況,大家不用太擔心。這不是指出影像導航沒有用。正如上述所說,影像導航可以將誤差由厘米,變成毫米,已發揮很大作用。每一種技術都有其限制。所以,醫護人員亦非常清楚,所以會結合其他東西,如固定器及治療計劃,一同去應付位置誤差問題。事實上,現今的影像導航技術己相當成熟,研究亦指出毫米的奕差不會對整個治療造成明顯的影響。隨著日後約續進步,相信影像導航的影像會更上一層樓,到時說不定可以將誤差由毫米,變為微米(micrometer)呢。

總結

影像導航是放射治療中非常重要的一環,亦是精準治療中不可或缺的元素。它可以驗證及調節病人治療前的位置,使其接近最初設計的位置。這就可以令輻射更準確射到腫瘤目標。隨著科技進步,不同種類的影像導航技術亦愈發成熟。在日後,相信會「百尺竿頭,更進一步」。這就是病人之福了。

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輻射決戰癌症