自适应质子治疗(一)：概念、类型、工作流程及整体框架

摘要

放射治疗通常基于单一的影像结果进行计划设计，且假设治疗过程中患者的解剖学位置及其相对于药物递送系统的位置保持不变。整个治疗过程中放射剂量的生物剂量反应也被假定为常量。由于放疗疗程时间跨度长，在治疗过程中各种变化都可能发生。对于有明显分次间运动的部位，几秒钟或几分钟内可能发生几何改变，而生物学因素也会在几天或几周内发生变化。每日治疗的分次间会发生几何改变。考虑到分次治疗过程中患者解剖学变化，自适应放射治疗应运而生。传统上的自适应治疗都是离线的，一般是基于新的CT扫描结果重新计划设计。近年来，得益于先进的成像技术和药物递送系统的结合，基于机载影像成像的在线自适应治疗获得了很强的发展势头。在质子放射治疗中，由于质子束流的剂量适形性和有限的射程，患者解剖学结构的微小变化可能导致显著的剂量分布变化，因此自适应质子治疗显得尤其重要。

介绍

患者治疗分次间可能发生不同的几何改变。由显著的肿瘤体积变化带来的大部分随机不确定性都可以通过在靶区体积外扩合适的边界得到解决。但是有些计划靶区内的变化并不容易被预测，如不可预知的患者解剖结构的变化。其中有些变化与治疗相关，比如肿瘤的缩小和患者体重或体型的变化;有些变化则可能跟治疗不相关，比如鼻窦黏膜充盈现象。一般来说，由于勾画计划靶区体积时已经考虑了几何改变，导致发生几何改变时对危及器官的剂量影响可能大于对靶区的影响。

自适应放射治疗(ART)目的是确保患者分次治疗中发生几何改变时也能够实施满足处方的剂量照射，并且可保护正常组织免受过量照射。因此，治疗计划和随后的治疗参数都是根据“当天的具体状况”量身定制。正如Yan等人的论文所述，自适应性放射治疗是一个闭环放射治疗过程，治疗计划可以通过测量系统反馈进行修改。ART旨在通过系统地监测治疗变化，并在治疗过程早期重新优化治疗计划，从而改善放疗治疗的疗效。因此，自适应治疗能够减少边缘范围。此外，虽然经典的自适应计划一般会使用初始治疗计划的描述和约束作为参照，但在分次治疗递送过程中，自适应治疗可能会改变初始计划参数。Heukelom和Fuller根据治疗意图将ART分为以下几种类型：ARTex-aequo：保持原来计划覆盖度和限值条件的ART;ARTOAR：分次间减少危及器官剂量的ART;ARTamplio：肿瘤剂量递增的ART;ARTreduce：基于减少肿瘤临床靶区(CTV)体积的ART;ARTtotale：用于分次间剂量递增以及CTV体积减少的ART

实施治疗计划自适应的主要障碍在于临床工作流程和可用的临床资源。自适应需要影像来规划轮廓，评估治疗计划，计划自适应以及最终的计划验证。上述步骤的在线完成依次依赖于快速准确的图像重建、轮廓规划和剂量计算。从纯剂量学、肿瘤控制率或正常组织并发症的角度来看，采取自适应计划的合适频率大小以及大多数患者是否需要自适应计划并非完全清楚。图1展示了主要的自适应工作流程。自适应往往在固定的间隔时间内进行(比如在分次治疗中)，一般这个时间内肿瘤会发生变化(比如肿瘤缩小)。随着治疗室内成像技术的出现，通常是治疗技师在特定治疗日观察发现，如观察到影像显示的解剖结构和/或患者的特征变化，并对这些变化做出判断。如果变化会对计划质量产生负面影响，则应当立即进行自适应计划。如果条件允许，自适应也可以经常进行(例如每天)，并在达到一定剂量或解剖学变化阈值时触发自适应过程。在上述每一种情况下，初始治疗计划通常只作为参考。迭代自适应参考前一天拍摄的图像以及治疗计划。这种迭代自适应根据累积剂量进行调整，是最准确的。

图1. 自适应工作流程 (A)：使用初始计划评估新图像的固定间隔自适应;(B)：基于初始计划并由在线影像触发的自适应;(C)：使用初始计划评估的每天自适应;(D)：使用累积剂量、前一次影像结果和调整的计划作为参考的多频次(比如每天)的迭代自适应。

自适应治疗所产生的影响取决于成像频率(每日或每周)，但也取决于治疗进度，治疗早期解剖学结构的改变更明显，而且影像质量的好坏也起到关键作用。低频次自适应不需要使用室内成像技术完成，然而每日自适应通常都需要室内(在线)成像技术。当然，室内或在线成像的图像质量可能会降低。

通常，与常规放射治疗(非自适应)相比，治疗计划的自适应有多种方案(图2)。在离线自适应中，分次治疗过程中获取的图像可以进行完全再计划，这是一种在治疗过程中发生肿瘤缩小时经常会用到的技术。系统误差已经通过平均解剖模型进行离线修正。根据所使用的成像、重新优化过程和基于先前分次治疗的自适应校正，目前已有许多离线自适应工作流程。离线自适应也可以与室内影像技术相结合。一种通常的做法是使用日常机载成像或串联CT来分析几何改变，在原本计划的CT融合图像上进行新的靶区勾画，然后进行治疗计划的再优化。在任何情况下，离线自适应治疗大体都遵循标准的临床工作流程。根据定义，离线自适应是一种几何改变的修正方法，将剂量影响延迟到后续分次治疗上。因此，可取的做法是在治疗前立即对图像进行在线调整，以便在治疗前纠正可能存在缺陷的剂量分布。