DICOM-RT：放疗领域中的各种影像

背景：

DICOM-RT系列博文着眼于DICOM3.0中对放疗领域的补充标准，即DICOM-RT。为了方便后续对DICOM-RT中相关IOD、SOP概念的理解，专栏近期做了放疗相关知识点的普及。
PS：当然本人并非放疗专业人士，文中概念多整理来自国外文献书籍、google，以及wiki。文中不妥之处，欢迎大家邮件交流。

放疗领域的相关影像

前几篇博文已简单介绍了放疗的相关流程以及相关参与角色，也提到了放疗计划的制定，包括靶区勾画、几何计划和剂量计划等。这其中会存在着各种各样的图像。下面一一道来：

1. CT from CT SIM

在博文DICOM-RT：放疗流程与参与角色介绍放疗流程时，提到患者首先需要进行常规模态数据的扫描，这里指的就是常规诊断CT扫描(当然也可会额外拍MRI、PET模态数据)。后续还会介绍kv CBCT和MV CT等模态数据，因此这里的CT限定为CT模拟机的诊断级三维影像。
CT模拟机是肿瘤科配备的诊断CT，与传统放射科的CT螺旋CT设备相同。其采集的数据主要用于肿瘤医师进行靶区勾画，以及后续物理师（剂量技师）放疗计划的制定。（常规CT能够真实反映物质的密度，可以用于剂量计算，这与下文即将介绍的CBCT影像不同）。下图节选自3DSlicer中的一组靶区勾画数据（即DICOM-RT中的RT Structure Set）：

2. EPID（Electronic Portal Imaging Device）

EPID俗称电子射野影像，能量属于兆伏级（即用肿瘤治疗过程中的治疗级X射线来成像，比常规CT中使用X射线能级高），主要用于治疗时采集影像，进行位置校准和影像引导。其固有的缺点是“兆伏级射线影像低对比度、影像采集范围有限”，另外现有的放疗信息系统多半无法整合EPID影像。EPID与放疗加速器配套，详情如下：

上图摘自：《Electronic portal imaging devices: a review and historical perspective of contemporary technologies and research》
EPID的影像在患者治疗前进行采集，会从几个角度拍摄而获得的不同视角的平面二维图，通过与上述计划CT图像重建后的二维图像（DRR，Digitally Reconstructed Radiographs，这就是后续会详细介绍的DICOM-RT中的RT Image）进行配准实现靶区对位。

上图摘自：《DICOM-RT and Its Utilization in Radiation Therapy》

3. kV-CBCT（包括平片2D、容积3D和实时透视三种影像）

千伏级CBCT，赋予了传统医用直线加速器容积成像的功能，在治疗开始前患者已经处于治疗位置时，进行CBCT图像采集与重建，提供三维和软组织的高分辨率容积成像，实现更精确的靶区对位。

4. MV-CBCT（包括平片2D、容积3D和实时透视三种影像）

兆伏级CBCT，直接利用直线加速器作为成像的射线源，对于具有高对比度的组织（诸如骨骼和肺）或含有高原子序数的材质（如假牙或髋关节假体）的成像质量良好。但是相较于kV-CBCT而言，软组织的影像质量很难达到影像引导所要求的精度。

5. MV CT

通过一台位于环形机架上的MV直线加速器结合诊断螺旋CT的滑环技术实施照射，构造类似于常规螺旋CT扫描仪，直线加速器可绕患者持续旋转，经多叶光栅调制的扇形射束可从任意角度对患者体内靶区实施逐层调强放射治疗。但是MV CT影像有其局限性，包括固有的软组织对比度低和探测器效率低下。
【备注】：
上述提到了多种成像模式，其中CBCT使用的非晶硅探测器（AMFPIs）与诊断级CT的晶体硅技术相比，非晶硅平板成像仪的制造成本更低且更耐受辐射损伤，因此kV-CBCT和MV-CBCT可以直接采用直线加速器来作为X射线源。
标准的诊断成像利用一个X线球管作为光子源，峰值电压通常为70-120kVp。与直线加速器产生的MV级光子相比，kV级光子与照射目标发生相互作用的概率更高，从而可以较低的辐射剂量获得更高对比度的图像。由于X线球管焦点尺寸通常小于直线加速器，因此与MV影像相比，kV影像的空间分辨率更高。
通过整合kV-X线球管和AMFPIs非晶硅探测器，可以用于CBCT成像，同时又可以进行透视及平片成像。

总结

上述各种技术的更新，推动着放疗领域的发展，从最初的常规二维放疗，到三维适形放疗（3D-CRT），到调强放疗（IMRT），直至影像引导放疗（IGRT），到最后的适应性放疗（ART）。唯一的目的就是“faster, better and cheaper”，确保靶区精确定位、对位以及影像引导，减少放射治疗中的不确定性，这种不确定性可以出现在分次治疗之间，也可以发生在每次治疗之中。
通过重新摆位或重新计划可以控制分次治疗间的误差；通过治疗影像监控治疗过程中体内组织结构的位置变化，可以纠正每次治疗内的误差。上述介绍的影像从计划制定和实际放疗两种角度来分，可以将CT模拟机的诊断CT数据归类为放疗计划过程，其余的诸多模态影像（EPID、kV-CBCT、MV-CBCT、MV CT等）都是用于治疗过程中的靶区对位和治疗监控。

作者：[e-mail]
时间：2016-04-13