第一章 导论
　　一、肿瘤放射治疗技术的进展
　　放射治疗（radiotherapy，RT）简称放疗，是一种利用放射线杀死肿瘤细胞的局部治疗手段。全球约有70%的肿瘤患者在病程的不同阶段需要接受放射治疗。无论是根治性放疗、辅助性放疗还是姑息性放疗，都在肿瘤综合治疗中发挥着不可替代的作用。
　　自1895年伦琴发现X线以来，放疗技术的发展历史超过了120年。放疗完成了从二维普通放疗到三维适形放疗及四维动态放疗的转变。随着影像技术的进步，放疗的精度与安全性也在不断提高。
　　在放疗的发展历程中有多次跨越式进步，其中*具有代表性的技术是三维适形放疗（three dimensional conformal radiation therapy，3D-CRT）、逆向调强放疗（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）、图像引导放疗（image-guided radiation therapy，IGRT）技术及质子/重离子放疗技术，如图1-0-1所示。放疗技术的每一次进步都离不开其支撑学科（如放射物理学、计算机科学、信息科学、医学影像学等）的发展。这些学科的进步分别从效率、精度及安全等方面推动了放射治疗的一次又一次的飞跃，放疗的疗效也在不断提升。
　　图1-0-1脑转移瘤患者二维普通放疗、3D-CRT及IMRT照射野示意图
　　a. 二维普通放疗；b. 3D-CRT；c. IMRT
　　3D-CRT技术作为现代肿瘤精确放疗的起步技术，实现了放疗剂量分布从三维方向上契合肿瘤形状，大大减少了正常组织接受照射的范围，与二维普通放疗相比，其减少了放射性损伤的发生。3D-CRT技术的发展得益于CT模拟定位技术的应用。3D-CRT技术虽然解决了剂量分布形状与肿瘤相契合的问题，但是无法做到肿瘤内部剂量的按需给量，而逆向调强放疗技术的应用不仅实现了剂量分布与肿瘤形状的契合，而且使得肿瘤内部的剂量分布更加均匀，更符合肿瘤形状的差异。而后来广泛应用的螺旋断层放疗（helical tomotherapy）、容积弧形调强放射治疗（volumetric intensity modulated arc therapy，VMAT）等技术则是IMRT技术在精度、速度方面的延伸。
　　高精度放疗技术的应用要求必须有高精度患者摆位及运动管理技术保驾护航。剂量分布的适形度越好，其对肿瘤靶区位置的准确性要求越高。而传统放疗中无法实时在线量化/纠正患者摆位误差。为解决这个问题，往往在临床靶区（clinical target volume，CTV）到计划靶区（planning target volume，PTV）之间加一个非常大的外扩边界，但这也势必会增加放射性损伤发生的风险。
　　IGRT技术的应用则为患者量化/纠正摆位误差提供了可行方法。从广义上讲，所有能进行肿瘤成像的技术都可以实现IGRT。但是，目前所谓的IGRT主要是指治疗室内的成像技术，如锥形线束CT（cone beam CT，CBCT）、电子射野影像系统（electronic portal imaging device，EPID）等。IGRT可以通过二维、三维成像与计划CT影像的比较，量化及分析患者摆位误差、肿瘤退缩及生理运动（如呼吸）。通过修订放疗计划以适应这些变化，纠正上述因素造成的放疗剂量偏差，即所谓的自适应放疗（adaptive radiation therapy，ART）。
　　ART进一步提升了放疗精度，实现了肿瘤靶区及正常器官剂量的准确评估，提高了疗效/毒性预测的精度，为个体化放疗方案的选择与修改提供了客观依据。
　　放疗另一个突破性进展就是质子/重离子放疗技术。虽然光子放疗仍是当前肿瘤放疗的主流，但是光子放疗的生物效应较质子/重离子来说仍然较低。质子的相对生物效应（relative biological effectiveness，RBE）为1.1，相对于重离子RBE的2.1～3.3，并不算高。质子/重离子放疗技术为放疗后复发、具有放疗抵抗特性肿瘤的治疗带来了新的治疗方法。
　　在物理特性方面，质子/重离子放疗最大的优势在于具有剂量吸收的Bragg峰，即在质子/重离子进入人体的一段距离后，会有一个突然释放能量的过程，而这个峰的前后方剂量都较低。若充分利用Bragg峰治疗肿瘤，可以显著降低肿瘤周围正常器官的受量，降低放射性损伤的发生风险。同时，以200Gy/s剂量率为代表的“Flash”技术，具有显著提高疗效、降低损伤的潜力，而带“Flash”功能的放疗系统将会成为质子放疗的标配，并在临床应用中大放光彩。
　　来自国际粒子治疗协作委员会（Particle Therapy Co-operative Group，PTCOG）的数据表明，截至2021年6月，全球共有20多个国家和地区配备了112台粒子治疗设备进行临床治疗或临床试验，其中数量最多的是美国（41台），其次为日本（24台）、德国（7台）、中国（6台）、俄罗斯（5台）、英国（5台）、意大利（4台）；目前有15个国家和地区正在建设和安装38台粒子治疗设备；同时有12个国家和地区计划在未来3年内购置或者安装30台粒子治疗设备，见表1-0-1。
　　表1-0-1全球在运行粒子治疗设备分布的统计分析表
　　放疗技术的进步推动了放疗精度和疗效的不断提高，但是不管放疗技术如何发展，“精确定位、精确计划、精确施照”的治疗理念是永恒的主题，也是未来对放疗疗效的根本保证。而在这方面，磁共振引导下的肿瘤精准放疗为“三精确”理念的实现提供了可行方法。
　　二、磁共振引导肿瘤放射治疗
　　如前所述，所有可以进行肿瘤成像的技术都可以引导肿瘤的精确放疗。相对于其他的肿瘤成像技术，MRI成像具有*特优势，主要体现在：①MRI成像不依赖放射线，无电离辐射风险，可以反复多次应用；②MRI软组织分辨率高，可以清晰界定肿瘤与正常组织的界线，提高肿瘤靶区及危及器官的勾画精度；③MRI多维参数功能成像，可以从代谢、血流及电生理等层面揭示肿瘤生物特性，为提高肿瘤放疗针对性及正常组织放疗反应动态追踪提供了可行方法，如图1-0-2、图1-0-3所示；④MRI的快速成像，为追踪/量化呼吸、心跳等生理运动对放疗的影响提供了客观依据，如图1-0-4所示。
　　图1-0-2基于MRI自旋动脉标记成像进行胶质瘤血流灌注差异分析
　　图1-0-3基于MRI IDEAL-IQ技术量化宫颈癌放疗中骨髓活性变化
　　a. 放疗前；b. 放疗中；c. 放疗后
　　白色箭头所示为髂骨骨髓所在位置
　　得益于MRI的这些优势，MRI在肿瘤区及危及器官勾画、放疗计划设计及评估、放疗反应追踪、疗效/放射性损伤的预测及评估等方面都发挥了非常重要的作用。肿瘤放射治疗的从业人员一直致力于开发MRI与放疗的融合一体机，如图1-0-5所示。
　　图1-0-4基于MRI进行剂量分布评估
　　图1-0-5Elekta的Unity MRI加速器
　　目前国际上已经有多个磁共振引导放疗（MR guided radiation therapy，MRgRT）系统，每个系统在不同实施阶段各具特点。临床实施的第一个MRgRT系统是由ViewRay公司制造的MRIdian系统，该系统使用三个60Co源和0.35T场强的MRI系统。该系统2014年开始在美国华盛顿大学对患者开展在线自适应和门控动态放疗。该系统的升级版本将60Co源替换为6MV无均整器（flattening filter free，FFF）的直线加速器，来增加束流穿透，减少半影和表面剂量。从2018年开始，华盛顿大学使用MRIdian系统治疗了600多名患者，其中2/3进行基于日常解剖变化的自适应放疗。
　　而后Elekta和Phillips联合开发了Unity系统，该系统包含一个7MV FFF直线加速器和一个1.5T场强的磁共振扫描仪。2017年，UMC乌得勒支医疗中心*家引进该系统对肿瘤患者进行放疗。英国皇家马斯登医院于2018年，克里斯蒂医院于2019年开始将其用于治疗。Unity系统于2018年12月通过美国食品药品监督管理局（FDA）认证，并由山东省肿瘤医院牵头完成了国内的临床验证，2020年7月通过国家药品监督管理局（NMPA）认证，目前国内已经有6套Unity系统在运行或建设中。
　　澳大利亚的一家公司正在研发1T开放式MRI放疗系统，该系统使用4MV或6MV直线加速器和固定机架，包括患者旋转系统。加拿大阿尔伯塔大学开发的MagnetTx Aurora系统使用6MV直线加速器和0.6T MRI。
　　MRI的影像质量与场强直接相关，从场强来看，Unity系统的临床应用优势会更大。Unity系统不仅将MRI与直线加速器进行了硬件整合，还对工作流程及软件系统方面进行整体优化及设计。与之相配套的计划系统也有了显著变化，而基于每日MRI的位置自适应和形状自适应放疗代表当前肿瘤精确放疗的发展趋势，如图1-0-6所示。
　　MRgRT系统的临床应用潜力巨大，但是目前已商业化的设备中仍有许多问题尚需解决。①图像质量问题：*先，MRgRT系统与传统MRI扫描仪在硬件配置和结构方面差异明显，图像质量较诊断影像仍然有一定差异。尤其对于运动明显区域的成像，图像质量仍待大幅度提高。其次，MRI的图像畸变问题一直以来都是MRgRT系统在临床应用中的重要疑虑之一。②自适应放疗过程的速度问题：速度是制约MRgRT系统大范围推广的关键问题，经过MR影像获取、分析、剂量评估、肿瘤靶区及正常器官分割、自适应计划设计、评价及在线验证等环节，整个过程快则几分钟，慢则几十分钟。这对患者流通量较大的放疗机构来说，大大限制了其应用的范围。③缺乏肿瘤及器官的运动立体容积追踪：目前对运动追踪主要是以正交平面的二维运动追踪为主，缺乏立体三维追踪，追踪效果有待进一步提高。④缺少在线功能影像：功能影像在评估放疗反应、指导放疗计划修改等方面具有明显的优势，但是目前MRI放疗系统缺乏在线功能影像，限制了其在生物自适应方面的应用。
　　图1-0-6基于MRI Unity进行脑部肿瘤快速自适应放疗计划
　　MRgRT虽然仍然有很多技术或工作流程问题需要解决，但是随着科技发展，将会成为图像引导放疗的一种主流技术。其未来主要的发展方向：①高场强MRI放疗一体机的研发，MRI场强是影响图像质量的重要因素，未来3.0T超高场强的MRI放疗机将会为肿瘤放疗带来更好的应用前景。②更加简洁、高效的工作流程，涉及当前磁共振引导自适应放疗的工作时间问题是临床推广的重要瓶颈，未来基于人工智能、大数据及“互联网+”等的联合应用将有效提高整个工作流程的处理速度，时间可以控制在5min之内。③多维参数在线功能影像的应用，MRI功能影像在肿瘤及正常组织放疗反应评估方面优于传统的解剖影像，MRI在线功能影像可实现肿瘤位置、形状等解剖自适应向生物学自适应放疗的转变，从而提高放疗的针对性。④磁共振引导的剂量雕刻式个体化放疗，传统给予肿瘤靶区的均匀群体化放疗剂量并没有充分考虑肿瘤之间及肿瘤内部的异质性，放疗疗效难以保证，而磁共振引导下功能影像将通过基于生物活性的剂量雕刻技术有效提高放疗剂量，改善整体疗效，如图1-0-7所示。
　　图1-0-7基于血流灌注差异进行脑转移瘤靶向剂量提升
　　a. 传统群体化均匀60Gy的剂量分布图；b. 对肿瘤靶区低灌注区剂量提升20%后的剂量分布图；c. 二者的剂量差异图
　　综上所述，磁共振引导放疗的临床应用超过了20年，而真正的MRI放疗一体机的应用却仅有2年多。本书将围绕MRI在肿瘤精确放疗中的应用，结合山东省肿瘤医院、中山大学肿瘤防治中心、复旦大学附属肿瘤医院、中国医学科学院肿瘤医院等大型放疗机构的临床实践经验，对磁共振引导下的肿瘤精确放疗进行全面系统阐述。

目录
前言
第一章导论1
一、肿瘤放射治疗技术的进展1
二、磁共振引导肿瘤放射治疗3
第二章磁共振引导肿瘤放射治疗技术的发展7
第一节肿瘤放射治疗技术的发展7
一、二维放疗7
二、三维适形放疗7
三、调强放疗8
四、图像引导放疗10
五、自适应放疗11
六、生物引导放疗12
七、剂量引导放疗13
八、质子/重离子放疗13
第二节图像引导放射治疗的发展14
一、治疗前的图像引导放疗14
二、治疗室内的影像引导系统17
第三节肿瘤自适应放疗20
一、自适应放疗的定义、基本环节及反馈机制20
二、自适应放疗的技术路径23
三、自适应放疗的临床应用25
四、自适应放疗面临的挑战26
第四节MRI原理及序列概述28
一、MRI基本原理28
二、脉冲序列与加权成像28
三、MRI常用技术31
第五节MRI模拟定位概述37
一、MRI模拟定位与MRI诊断的不同38
二、MRI模拟定位的常见序列及应用技巧——以山东省肿瘤医院经验为例40
第六节MR-Linac构造基本原理及临床剂量学46
一、MRI加速器基本构造与治疗流程概述47
二、MRI加速器的临床剂量学特点51
三、数据采集与模型拟合54
四、Unity输出剂量校准58
五、磁场下IMRT计划验证60
第三章磁共振引导中枢神经系统肿瘤放射治疗66
第一节磁共振引导原发性脑肿瘤放射治疗66
一、概述66
二、磁共振引导中枢神经系统肿瘤放射治疗应用66
三、功能MRI在中枢神经系统肿瘤放射治疗中的临床研究进展69
四、磁共振引导神经系统肿瘤放射治疗实践示例75
五、挑战与未来76
第二节磁共振引导脑转移瘤放射治疗76
一、概述76
二、磁共振引导脑转移瘤放射治疗应用77
三、磁共振引导脑转移瘤放射治疗实践示例83
第四章磁共振引导头颈部肿瘤放射治疗91
第一节磁共振引导鼻咽癌放射治疗91
一、概述91
二、磁共振引导鼻咽癌放射治疗应用91
三、磁共振引导鼻咽癌放射治疗实践示例103
第二节磁共振引导喉和下咽肿瘤放射治疗105
一、概述105
二、磁共振引导喉和下咽肿瘤放射治疗应用106
三、磁共振引导喉和下咽肿瘤放射治疗实践示例113
第五章磁共振引导胸部肿瘤放射治疗116
第一节磁共振引导肺癌放射治疗116
一、概述116
二、磁共振引导肺癌放射治疗应用117
三、MRI在肺癌分期中的应用119
四、MRI在肺癌放射治疗疗效评估中的应用122
五、MRI在肺癌放射治疗放射性损伤评估中的应用124
六、肺癌MR影像引导自适应放射治疗概述125
七、磁共振引导肺癌放射治疗实践示例128
第二节磁共振引导食管癌放射治疗129
一、概述129
二、磁共振引导食管癌放射治疗应用130
三、磁共振引导食管癌放射治疗实践示例143
第三节磁共振引导乳腺癌放射治疗146
一、概述146
二、磁共振引导乳腺癌放射治疗应用147
三、磁共振引导乳腺癌放射治疗实践示例155
第六章磁共振引导腹部肿瘤放射治疗168
第一节磁共振引导肝癌放射治疗168
一、概述168
二、磁共振引导肝癌放射治疗应用169
三、磁共振引导肝癌放射治疗实践示例175
第二节磁共振引导胰腺癌放射治疗177
一、概述177
二、磁共振引导胰腺癌放射治疗应用178
三、磁共振引导胰腺癌放射治疗实践示例180
第三节磁共振引导胃癌放射治疗182
一、概述182
二、磁共振引导胃癌放射治疗应用182
第四节磁共振引导腹部转移淋巴结放射治疗188
一、概述188
二、磁共振引导腹部转移淋巴结放射治疗应用190
第七章磁共振引导盆腔肿瘤放射治疗208
第一节磁共振引导宫颈癌放射治疗208
一、概述208
二、磁共振引导宫颈癌放射治疗应用209
三、磁共振引导宫颈癌放射治疗实践示例216
第二节磁共振引导直肠癌放射治疗218
一、概述218
二、磁共振引导直肠癌放射治疗应用218
三、磁共振引导直肠癌的放射治疗实践示例225
第三节磁共振引导前列腺癌放射治疗227
一、概述227
二、磁共振引导前列腺癌放疗应用227
三、磁共振引导前列腺癌放射治疗实践示例230
第四节磁共振引导盆腔转移淋巴结放射治疗232
一、概述232
二、磁共振引导盆腔转移淋巴结放射治疗应用233
第八章磁共振引导骨转移瘤放射治疗248
一、概述248
二、磁共振引导骨转移瘤放射治疗应用248
三、磁共振引导骨转移瘤放射治疗实践示例257
第九章磁共振引导儿童中枢神经系统肿瘤放射治疗262
一、概述262
二、磁共振引导儿童中枢神经系统肿瘤的放射治疗应用263
三、磁共振引导儿童中枢神经系统肿瘤的放射治疗实践示例267
第十章磁共振影像组学引导肿瘤的精确放疗271
一、MR影像组学定义271
二、MR影像组学研究流程272
三、MR影像组学在肿瘤诊断、预后方面的应用279
第十一章人工智能辅助磁共振引导肿瘤的精确放疗287
一、概述287
二、磁共振引导技术的发展288
三、磁共振引导的技术挑战288
四、磁共振引导的自适应放疗技术的研究现状289
五、基于人工智能的ART291
第十二章磁共振引导放射治疗的质量保证和质量控制300
第一节MRI模拟定位的质量保证和质量控制300
一、质量保证和质量控制的技术报告和标准300
二、MRI模拟定位质量保证团队301
三、MRI模拟定位的主要质控内容301
四、MRI模拟定位的质控频率301
五、MRI模拟定位的质控操作301
六、MRI成像伪影及其对策307
第二节MRI直线加速器的质量保证与质量控制316
一、MR-Linac的验收316
二、MR-Linac的调试346
三、MR-Linac的日常质控353