精确放射治疗系统的研究进展

李 涛 (综述) 姚 进 吴大可(审校)

【摘要】本文简介了目前精确放射治疗技术和设计方法的发展情况。着重介绍了立体定向放射外科系统(stereotactictadiosurgery system,SKS)的技术特点和设计方法、三维适形放射治疗(3D conformamdiafiontherapy,3DCR．T)系统、强调放射治疗(mtensitymodulated radiafion therapy,IMR．T)系统和图象引导下的放射治疗(Image Guided Radiotherapy,IGRT)系统的研究现状。最后指出放射治疗的未来发展方向。

【关键词】立体定向放射外科系统：三维适型放射治疗；调强放射治疗；图象引导放射治疗

【中图分类号】R734．3

【文献标识码】A

【文章编号】 1673-7555[2007】02-53-03

目前医学上治疗肿瘤的主要方法有外科手术、化疗、放射治疗等手段，而现代医学是以微创伤和无创伤的精确治疗为发展方向，因此放射治疗已成为恶性肿瘤治疗的主要方法。世界卫生组织报告有45％的肿瘤可以治愈，其中放射治疗可以治愈的肿瘤达18％[1]，随着科学技术的发展和临床实践资料的积累，综合治疗(Comprehensive therapy)显示出越来越广泛的前途，治愈了更多的肿瘤病人，根据国内有关资料统计，60％-70％的患者治疗过程中采用过放射治疗(包括单纯放疗、术前或术后治疗、放疗合并化疗等)[2]。当前国内大多数放疗部门治疗设备主要由常规x射线模拟定位机、放射治疗机、计算平面剂量分布的二维治疗计划系统组成。放疗技术以多野共面照射为主。在过去十年中计算机及影像技术飞速发展，出现了立体定向放射外科系统(stereo-tactic radiosurgery system．SRS)、三维适形放射治疗(3Dconformal radiation therapy,3DCRT)系统、调强放射治疗(intensity modulated radiatio therapy,IMRT)系统、图像引导放射治疗(image guided radiotherapy,IGR-I')系统以及三维CT模拟定位计划系统(CT simulation and 3D treatment planningsystem,3D CT-sim)。三维放射治疗不仅仅是对当前放射治疗技术进行一般化的改进，而是根本性的改变。三维放射治疗以病人个体化设计为原则；采用CT模拟定位和三维治疗计划系统，进行三维剂量计算和显示，使空间剂量分布与三维靶体符合(适形)，尽量减少对周围正常组织的剂量；放射治疗时采用计算机控制的动态多叶光阑和强度调节方式，治疗验证采用在线电子验证图像装置(EPID)，包括各种x光片及病人图像在内的资料由计算机网络自动处理，这样可以最大限度地将放射线的计量聚集在病灶，周围正常组织或器官少受或免受射线的照射，以尽可能地提高肿瘤的局部控制率(Tumor Control probability,TCP)，和降低正常组织的放疗并发症发生率(Normal Tissue Complication Probal-ity,NTCP)。下面就立体向放射外科系统、三维适形放射治疗系统、调强适形放射治疗系统和图像引导放射治疗的技术特点、设计方法及未来发展方向作详细阐述。

1立体定向放射外科系统

立体定向放射外科采用立体定向原理，对颅内的病变组织选择性地确定靶点，一次性地使用大剂量窄束电离射线，并精确地聚集于靶点，从而有效地破坏病灶区达到预期的目的。

立体定向放射外科系统之所以被称为“刀”，是因为它们具有刀一样的物理性质，并非他们的结构外形真的像各种刀具一样。当它们对病变组织进行单次或分次的大剂量放疗的同时，周围正常组织和重要器官受到的照射剂量却非常小，能给予很好的保护；而病变组织的边缘处，却形成锐利如刀切一样的高梯度剂量分布，这就是γ一刀和X-刀的名称来由。-γ-刀和x-刀相对比，γ-刀的历史比x-刀长得多，它的基本工作原理是：采用201个钴-60放射源，排列为球形，利用准直器使其光束在球形中心形成聚点，使组织照射后形成坏死并吸收。它主要由辐射头、头盔、治疗床液压系统、控制台和计算机治疗计划系统五大部分组成。优点是机械精度高，误差范围只有0．1mm。适应于30mm直径以下的颅内病变的治疗。缺点是功能单一，局限性大，不能开展分段分次的常规放疗。而且造价十分昂贵，每隔5-8年需要换一次源，容易造成环境污染和运输不便，故一般医院难于推广应用。而x-刀的普及比较容易，它虽然起步较晚，发展势头却很讯猛，目前已在欧美国家得到普遍应用。它主要是采用电子直线加速器作为射线源，配以特制的立体定向等中心辅助系统或者床上立体定向仪，把各种规格的限束筒通过万向轴承连接器与加速器相连，使加速器围绕等中心点做旋转弧形照射，能取得和,γ-刀相同的治疗效果。除加速器之外，它主要由定位部件(包括重复使用的头环、CT、MRI或血管造影头框等)、治疗部件(包括中心辅助系统或床上立体定向仪、二级准直器等)、验证部件(包括仿真仪、预编程计算机、测探头盔、胶片支架等)、治疗反感设计系统(包括计算机工作站、磁带机、打印机、数字化仪等)四大部分组成。优点是兼容性好，不同厂家不同型号的加速器都能配置，而且除做立体定向治疗外，还可进行常规治疗，有一机多用的好处。并且性能价格比也好，如果不包括加速器，售价仅占γ-刀的1／6-1／5。缺点是机械精度不如γ-刀高，平均误差范围0．3mm。不过由于受到CT、MRI、血管造影等相关影象设备的共同制约，γ-刀精度高的优势并不能充分发挥出来，而相应x一刀却能取得于γ-刀相同的治疗效果，因而有逐步取代γ-刀的趋势。随着目前应用技术的不断提高和治疗计划软件的不断改进与完善，它会按照立体定向放射外科的要求，自动改变射线束流的形状，能更好的符合人体上其他部位的不规则外伸靶区，这将预示着立体定向放射外科或放射治疗有着一个更加美好和更加激动人心的未来。

2三维适形放射治疗系统

3DCRT是一种提高治疗增益比较为有益的物理措施。为了达到高剂量分布的三维适形，必须满足两个必要条件，即在照射方向上照射野的形状必须与病灶(靶区)的形状完全一致(二维)；在三维方向上要使靶区内及表面的剂量处处相等。几十年前多个研究小组已提出三维适形放射治疗的基本概念并研制相关设备。比较有代表性的有Shiinji、Takahashi等人完成的第一套多叶光阑(MLC)和相关治疗计划，采用弧形方式照射，照射中将射野形成靶区在该方向的投影形状；Proimos,Wri异ht和Trump发展的装置称屏蔽装置；CreenJennings和Christie用钴-60治疗机进行旋转照

射，一次旋转中只照射一个窄缝，其窄缝宽度与靶区投影宽度符合，自动移动治疗床而完成整个靶区的治疗。3DCRT在治疗不规则肿瘤能形成凹陷的剂量曲线，具有良好的适形性；在治疗比较规则的肿瘤时，可以提高靶区内的剂量均匀性[9]。Hunt等人研究了3DCRT从设五野逐步增加到设十九野的剂量分布情况后认为，增加3DCRT的照射野数，能够明显降低正常组织的受照剂量和改善靶区剂量的适形性。3DCRT是照射野几何投影在三维方向上与肿瘤形状适形，即让射野形状与在该方向上靶区的投影形状相同，用一组固定角度照射野或旋转照射时，在射野中采用剖面强度均匀分布的射束，或用一些简单楔形板和补偿块来修改射束内的射束强度分布。实现方法：一种是常规做法，即用低熔点铅合金制成所需照射野形状的挡块，照射前进入放疗室手工加上挡块；另一种是用普通多叶光阑，即使用一系列窄条钨片，其典型宽度是投影在等中心处时宽度为1厘米，每个叶片可分别移动，用计算机控制形成所需的照射野形状，代替原来正方形或矩形野光阑。

3调强适形放射治疗系统

所谓的IMTR即是广义三维适形放射治疗，实现条件除了三维适形放射治疗的前提外，尚必须要求每一个射野内诸点的输出剂量率能按照要求的方式进行调整。同时满足以上两个必要条件称为为调强适形放射治疗(intensityradiation therapy，IMRT)。实现方法是采用逆向计划，通过改变射束剖面强度分布(调强)，使剂量适形。

正常的治疗计划是计划者设置一系列射束，计算这些射束产生的剂量分布，再评价该计划是否合理。把该问题反过来看，通过指定射野内各个解剖位置的剂量限制以给出所需的剂量分布，由数学公式计算出最合适的射束及射束内的强度分布设置，即根据预定靶区和危险器官结构计算出射束剖面的强度分布并使靶区获得最佳剂量分布的方法称之为放射治疗计划的“逆向方法。”具体过程如下：依照三维适形放射治疗的物理原理，首先必须运用现代医学影象设备(CT或MRI)确定病灶(靶区)及周围重要器官组织的三维解剖结构，再利用治疗系统计算出射野照射方向上强度分布，这一过程也称为逆向计划(inverse planning)；最后按照治疗计划系统输出的强度分布，在治疗机上实施调强治疗，使输出的高剂量分布与病灶形状一致。由于IMRT治疗计划实施通过动态多叶调强准直器切层旋转照射，每50一10°变换一次照射野，每旋转照射一个层面后治疗床前进一定距离进行下一层面照射。这样照射野与肿瘤有更高的适形度。从人工智能上讲，IMRT与3DCRT相比较，在放射治疗过程中增加了床的运动，其计算方法为逆向。①采用固定式楔形板、动态式楔形板、二维补偿器、IMRT调制器等在不规则射野下实现照射野内剂量率的调整。此种方式为固定野物理方式调整，它存在制作多个补偿器的麻烦，且形成的靶区高剂量与病灶形状适形程度不够理想；②采用循迹式扫描技术(backing technique)，沿患者纵轴方向将病灶(靶区)分成等厚的薄片，利用治疗床的步进和机架的旋转进行切片式动态治疗。此方式称为断层式螺旋调强或治疗床步进式调强，它存在治疗时间长和因床运动误差以及照射过程中因呼吸或器官运动一起的病灶位置的移动，相邻切片野可能存在产生超量或欠量照射的缺点[13]；③利用多叶准直器相对应的叶片在照射治疗过程中根据治疗规划的要求进行调整来达到适形治疗，这种方式称为固定野式旋转野照射过程中微形多叶准直器叶片运动式调整，它的照射时间短，克服了第二种方式的缺点，形成的靶区高剂量与病灶形状适形好[14]；④控制击靶前电子束的击靶方向和电子束流的强度，产生所需要的笔型束x射线强度，这种方式为束流调制方式，它是一种新的调强方式[15]。

4图像引导放射治疗系统

三维适形放疗和调强放疗系通过高度适形照射减少正常组织受照体积，改进剂量分布，以达到较高的治疗增益比。但是，放疗过程中的一些不确定性因素影响肿瘤实际照射剂量的分布，造成肿瘤脱靶和(或)危及器官损伤增加。其一，肿瘤和周围正常器官组织的位移，包括治疗间位移和治疗中位移。治疗间位移主要指靠近消化系统和泌尿系统的器官，随着胃肠道、膀胱的状态及患者体重的改变有不同程度位移。治疗中位移主要指照射中呼吸运动、心脏跳动和不自主的肌肉收缩对胸、腹部器官的影响。其二，摆位误差是影响放疗精度的重要因素，即使是固定较好的头颈部肿瘤也不例外。不可靠的摆位设备、CT与治疗床之间形状的不一致，以及不同材料造成缓冲能力的不一致，使患者的摆位和计划之间存在系统误差。由于体表划痕的宽度和技术员的因素，使每天患者的治疗与计划存在随机误差。其三，有可能出现在影像诊断和计划阶段及实际治疗阶段可能出现的错误资料传送．以及设计、标志或治疗辅助物如补偿物、挡块和制动系统的位置错误。如果器官运动、变形和各种误差使肿瘤f靶区)和危及器官偏离射野，将会出现肿瘤的欠剂量和危及器官的过剂量照射。为解决这些问题，将放射治疗机与成像设备结合在一起，在治疗时采集有关的图像信息，确定治疗靶区和重要结构的位置、运动，并在必要时进行位置和剂量分布的校正，这称为图像引导放射治疗(image guided ra-diotheraoy,IGRT)。即从诊断、计划设计、治疗实施到验证作为一个可自我响应、自我修正的动态的闭环系统。也许，应把这种治疗称为四维生物一自适应放疗才能科学完整地反映其本质。要做到图像引导放射治疗，就必须把与时间有关的因素尽可能地作为时间的函数加入到放疗的闭环系统中。并对这些因素做整体的系统化的考虑和优化，寻找出最佳的治疗时机和最佳方案，同时对放疗中与几何学(与有关)、物理学(与介质密度和射线质有关、影像学及生物学(与功能影像，蛋白及分子影像有关)等的变化和误差进行实时或非实时的修正。Shimizu等应用高速磁共振观察正常呼吸时肝肿瘤上下、左右、前后的平均位移，从而指导确定PTV的安全边界。但此方法存在图像失真、耗时长等缺点，更重要的是，考虑呼吸运动确定的安全边界会增加正常肝组织受照体积和受照剂量。不利于靶区的剂量递增。因此，许多研究组致力于定位和治疗呼吸同步化技术。Kitamura等于放射治疗前在肿瘤附近植入2mm金属标志物，当标志物位于预定的区域时加速器进行跟踪治疗，取得了较好的疗效。Stromberg等结合自主呼吸控制(active breathing control,ABC)方法对5例成年何杰金病患者正常呼气末、正常吸气末及深吸气末进行CT扫描，比较ABC计划与自由呼吸(free breathing,FB)模拟计划的肺剂量质量直方图(dose mass histograms,DMHs)表明。正常吸气末、正常呼气末及深吸气末控制呼吸均优于自由呼吸：深吸气末控制呼吸改良斗篷野照射者可最大程度地保护肺。次全纵隔照射者可最大程度地保护心脏，即何杰金病患者放射治疗结合ABC可以降低晚期并发症的危险。

5总结及展望

随着计算机技术及制造工艺的进步，使得放射治疗这个人工智能系统，更加人脑化，使治疗的精确性和准确性更高，提高了病人的TCP,明显降低了NTCP，治愈了更多的肿瘤病人，提高了治疗后的生存质量。但随着人工智能技术的进一步的发展，科学家们正在精确放射治疗系统的基础之上进一步提高智能化。例如美国新近推出的ODYSSEY智能放射治疗系统(Image Guidance Robot IMRT)，即图象引导下的人工智能调强适形放射治疗系统，提高了放射治疗的智能化。但该治疗系统离理想的放射治疗仍有较大的差距，这是因为肿瘤细胞在局部为侵润性生长，在各个方向上的生长像树支一样参差不齐，而Image Guidance Robot IMRT系统中的影像部分还只在组织水平，若影象系统能够显示带有异常DNA序列的肿瘤细胞，因此分子影象诊断系统的研发，是从事制造科学和设计研究工作者努力的方向。因为大量的文献已经证实肿瘤细胞与正常细胞在形态及DNA结构、序列等上均存在巨大差异，可以大胆设想其分子图像应该具有特异性，这样Molecular Image Guidance Robot IM-RT将是放射治疗的理想境界。