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立体定向放射治疗的物理学基础张红志 三维立体定向放射治疗中的放射生物学问题和机遇杨伟志 鼻咽癌调强适形放疗的临床应用惠周光 徐国镇 腹、盆部肿瘤的三维立体定向放射治疗余子豪 三维立体定向放射治疗研究新进展 收稿日期: 2004-02- 16 作者简介: 张红志 (1948-),男 ,贵州兴义人 ,中国医学科 学院肿瘤医院研究员 ,从事肿瘤放射治疗物理学研究 . 立体定向放射治疗的物理学基础 张红志 (中国医学科学院肿瘤医院 ,北京 100021) 关键词:立体定位技术;放射治疗 ;放射治疗计划 ,计算机辅助 中图分类号:R454;R815 文献标识码:A 文章编号: 1001-1692(2004) 02-0095-06 立体定向放射治疗是一种照射技术 ,它源于 20 世纪 50年代初瑞典神经外科学家 Lars Leksell的 设计 ,即利用类似神经外科立体定向定位的方法 ,对 欲治疗的病变准确定位 ,然后使用放射线。主要是 射线或 X射线 ,给以多个非共面小照射野三维集束 照射。 根据照射的不同分次模式 ,又可分为立体定向 放射手术 ( stereotactic radiosurgery, SRS) ,即早期 Lars Leksell单次大剂量照射和立体定向放射治疗 ( stereotactic radiotherapy, SRT) ,即 20世纪 80年 代逐渐开展的分次照射。 目前立体定向照射的设备 主要是利用 射线照射的 Leksell 刀装置 ,和利用 直线加速器实施照射的 X射线立体定向照射系统 (亦称 X刀 )。 以下将 SRS和 SRT统称为立体定向 放射治疗。 本文将对立体定向放射治疗的实施、剂量 学特点和质量保证等内容给予简要论述。 1 立体定向放射治疗的实施 立体定向放射治疗的实施过程 ,是获取患者的 影像学资料、治疗计划设计和实施治疗的一个复杂 过程。图 1为示意图。首先患者应带有在诊断装置 , 如 CT、 M RI等 ,可显像的 Z形标记 (或 V形 )定位 框架 ,行扫描获取影像学资料。 将这些资料经网络 (或磁盘、光盘等 )传输给治疗计划系统。 计划系统完 成治疗方案的设计 ,靶体积的定位等 ,然后在立体定 向照射装置 (如 Leksell 刀装置或直线加速器立体 定向照射系统 )实施治疗。 F定位框架; P支撑系统; Z显像标记; C诊断设备;T治疗设备 图 1 立体定向照射示意图 从上面的分析可以看出 ,立体定向照射装置主 要有三部分组成 ,即治疗实施系统 ,立体定向系统和 计划系统。 Leksell 刀装置和直线加速器立体定向 照射系统的主要区别是治疗实施的方式不同 ,而立 体定向系统和计划系统基本相同或相近。 1. 1 治疗实施系统 1. 1. 1 Leksell刀装置 Leksell 刀装置主要部 件是辐射单元 ,盔形准直器系统 ,治疗床 ,液压系统 和控制部分。 如图 2所示 ,辐射单元包括有 201颗 60 Co放射源 ,按半球形排列。中心源射线束中心轴与 水平线呈 55 ,其余放射源沿治疗床长轴方向 48 , 和沿治疗床横向 80 分布。所有放射源射线束中心 95 实用肿瘤杂志 2004年 第 19卷 第 2期 DOI: 10.13267 /ki .syzlzz.2004.02.003 轴聚焦于一点 (精度为 0. 3 mm) ,源到焦点的距离 为 403 mm。焦点处的剂量率可达到 300 400 cGy / min 。 图 2 Lekshell刀示意图 Leksell 刀装置有 4个盔形次级准直器系统 , 分别由 201个通道对放射源准直 ,可在焦点处形成 4 、 8 、 14 、和 18 mm直径的照射野。如果需要 ,可以对 任意通道即放射源屏蔽。 在治疗时 ,患者戴有定位框 架 ,进入盔形准直器系统 ,并使靶体积与焦点同位 , 由液压系统驱动治疗床进入 刀的辐射单元 ,盔形 准直器与初级准直器重合 ,位置精度可好于 0. 1 mm,即可实施治疗。 由于 201个放射源是沿着 92 160 一个弧形面分布 ,并聚焦于一点 ,可保证对靶 体积从多方向聚焦照射 ,并具有很高的治疗精度。 这 是 Leksell 刀装置最主要的优点。 由我国深圳奥沃公司研发的旋转式 刀装置 , 仅使用 30颗 60 Co放射源 ,分组排列 ,源旋转轴与垂 直平面交角分别为 14 43 ,空间立体角为 30 360 ,可实施多野旋转集束照射。 1. 1. 2 X射线立体定向照射系统 X射线立体定 向照射系统是以直线加速器为基础实现的。 如图 3 所示 ,在标准的直线加速器治疗头上增加第三级准 直器系统 ,通常为一组圆形准直器 ,可在等中心处形 成 5 50 mm的照射野。根据临床治疗的要求 ,可替 换不同大小的准直器。实施治疗时 ,通过变换治疗床 的旋转角度 ,实行多弧旋转照射。 也可以采用动态立 体定向照射。即治疗时 ,治疗床和机架按照计划设计 的要求 ,同时旋转 ,并出束照射 (图 4)。 按照这种方 式 ,可以同样实现类似 刀装置那样的多方向小照 射野集束照射的效果。 图 5给出立体定向照射所采用的不同照射方法 和剂量分布的特点。 可以看出 ,以直线加速器为基础 的 X射线立体定向照射系统 ,基本可以达到 Leksell 刀装置的剂量学特性 ,并且直线加速器还可以实 现常规分次放射治疗 ,相对成本也较 刀装置低很 多 ,这是 X射线立体定向照射系统更为优越之处。 G: 机架旋转轴;C: 准直器旋转轴; T: 治疗床旋转轴 图 3 a : 直线加速器立体定向照射系统示意图 b: 圆形准直器系统 图 4 动态立体定向照射示意图 1. 2 立体定向系统 立体定向系统是在实施立体定向照射过程中 , 为患者建立一个三维座标系 ,以保证立体定向照射 的精确。 它包括有影像定位框架和治疗摆位框架。 影像定位框架和治疗摆位框架使用时都与一基 准环相连接 ,基准环分为有创和无创固定型两种。有 创固定型通过局部麻醉后 ,固定在患者的头骨上 ,一 般在单次照射时使用。 无创固定型和患者的体位固 定器相连接 ,一般分次照射时使用。 影像定位框架带有可在 X射线影像上显像的 V型 (或 Z型 )标记。患者戴着定位框架实施 CT(或 M R)扫描 ,所获得的每一帧 CT图像都带有标记。而 且这些标记在不同位置的 CT影像上有不同的几何 位置 ,这是立体定向照射计划系统建立患者三维座 标系的基础。 治疗摆位框架实际是一三维定位框架。 它一般 有 X、 Y和 Z三个方向的标尺和座标指示器。当计划 系统设计的治疗计划方案确定后 ,由计划系统计算 出靶中心相对患者三维座标系各个方向的座标值。 96 Journal of Practical Oncology Vol. 19 No. 2 2004 图 5 a 不同立体定向照射方式示意图 b不同方式照射剂量分布比较 (剂量跌落最陡和最缓处 ) 在实施治疗时 ,患者戴有治疗摆位框架。 首先根据治 疗计划系统的计算结果 ,通过治疗摆位框架 X、 Y和 Z三个方向的标尺 ,确定患者靶中心在三维空间的 位置 ,并将治疗机的等中心 (或 刀装置的焦点 )与 之重合 ,即可实施治疗。 1. 3 治疗计划系统 治疗计划系统实际是一套计算机系统 ,它具有 的软件功能 ,是和特定的立体定向照射设备所匹配 的。 第一 ,治疗计划系统应具有很强的图像处理能 力。通过输入带有定位标记的 CT等影像学资料 ,完 成三维图像的重建 ,包括矢状面和冠状面的显示等。 必要时 ,可根据不同来源的影像学资料 ,完成图像的 融合 ,以方便主管医生更准确地确定治疗的靶体积 形状、体积 ,以及与周围正常组织特别是敏感器官的 几何关系。 第二 ,治疗计划系统应具有很强的剂量计 算和评估功能 ,包括确定照射技术、照射野入射方 向、准直器大小、剂量权重、旋转弧起始和终止角度、 剂量分布计算和显示。 同时在设计时能提供野视图 ( BEV)等工具 ,可直观地避开正常组织和敏感器 官。 对于最终的剂量分布 ,可提供剂量评估工具 ,如 剂量 - 体积直方图 ( DVH)等评价剂量分布的优劣。 以及靶剂量的剂量参数。 在多靶点治疗和再程治疗 等计划设计时 ,要有能处理多计划的叠加和评估处 理功能。 第三 ,能完成特定患者三维座标系的建立 , 在各种治疗参数输出清单中给出靶中心的三维座 标、照射野几何设置条件、剂量值、治疗时间 (或机器 单位 )等。 2 立体定向放射治疗的剂量学特点 2. 1 基本剂量学参数 立体定向放射治疗采用的是非共面小照射野集 束旋转照射 ,其基本剂量模式为: D= DM TMR SC, P OAR 。 式中 DM为参考条件的输出剂量 ,以 6 MV X射线为例 ,参考条件为最大剂量深度 ,即水下 1. 5 cm, 10 cm 10 cm照射野 ; TM R为组织最大剂 量比; SC, P为照射野输出因子; OAR为照射野离轴 比。 因此立体定向放射治疗的基本剂量学参数应包 括 TMR, SC, P和 OAR 。 考虑到水模体中实际测量 TMR值较为 繁杂 , 可利用 测量 百分深 度剂 量 ( PDD) ,然后计算得到 TMR值。 立体定向放射治疗通常所使用的圆形照射野 , 较常规放射治疗的照射野要小得多 ,一般直径为几 毫米或 3 4 cm之间。 这样选用常规电离室进行剂 量测量会有一定困难。 其原因主要为: ( 1)电离室位 于照射野中心轴 ,测量中心轴深度剂量和输出因子 , 缺乏测方向的电子平衡 ,使得具有一定几何尺寸的 探头 ,在测量时其中心到边缘即有明显的剂量变化; ( 2)测量照射野的离轴比时 ,由于小照射野内剂量梯 度较大 ,而常规电离室的空间分辨率较差。 正是基于 这些考虑 ,通常对于剂量梯度较大的小照射野剂量 学参数的测量 ,特别要注意测量探测器的尺寸。 根据美国医学物理学家学会 ( AAPM)的建议 , 无论是 刀装置还是 X射线立体定向照射系统的 剂量参数的测量 ,要使用灵敏体积较小的探测器。具 体测量深度剂量 (包括 TMR)和照射野输出因子 , 建议使用电离室探测器 ,并其灵敏体积直径 3 mm。照射野的离轴比可使用胶片剂量计 ,半导体 , 闪烁探测器或热释光 ( TLD)及电离室等 ,其灵敏体 积直径 2 mm。 胶片剂量计由于其空间分辨率较 高 ,可作为首选。 使用半导体要注意其角度响应特性 (即入射方向 )的影响。 2. 2 剂量学参数的特点 97 实用肿瘤杂志 2004年 第 19卷 第 2期 上述立体定向放射治疗多采用小尺寸照射野。 其剂量参数与常规放射治疗所使用的较大尺寸照射 野的参数相比较 ,有着不尽相同的特点。 首先实际测量组织最大剂量比 ,在深度大于最 大剂量深度 dmax范围内 ,可用公式表示: TMR( d)= exp( - ( d- dmax) )。 式中 为有效线性衰减参数 , 它依赖于射线能量和准直器的尺寸。 以 6 MV-X射 线的一组不同尺寸准直器的 TMR值为例 ,计算出 不同照射野的有效线性衰减系数 ,并将此组数据 外推至零野的 值为 0. 0510 0. 0505 cm- 1(如图 6 所示 )。 利用上述公式可很好拟合所测量的数据。 图 6 6 MV- X射线不同准直器的线性 衰减系数及零野的外推值 测量照射野的离轴比 ,同样会遇到上述小尺寸 照射野的问题。 如图 7所示 ,测量 6 MV-X射线 5 cm准直器的离轴比 ,测量深度分别为 1. 5 cm和 10 cm(如图 7A所示 )。 如果将测量曲线的横座标改写 为离轴距离与照射野在测量点宽度之比表示 ,两条 曲线基本重合 (图 7B)。 准直器在 1. 5 cm 5. 0 cm 范围 ,离轴比曲线基本不随深度而改变。 这一特点主 要在这一范围内 ,有用射线束仅为中心轴 2 3度范 围。 照射野输出 因子的测量 ,可 采用交叉校准 ( cross- calibration)方法。 即选择灵敏体积 2 mm 的探测器 ,如半导体、热释光等 ,首先用经国家标准 实验室检定的标准电离室 ,对选择的探测器进行校 准和刻度 ,然后再用其对立体定向照射装置的输出 因子测量。 通常这一作法 ,可以得到令人满意的结 果。如表 1显示 ,是采用 P型半导体探头 ,经标准的 NE 2571石墨壁电离室校准后 ,测量照射野输出因 子 ,与蒙特卡罗方法及相关文献的比较 ,几组数据基 本相吻合。 A: 横座标为离轴距离 B : 横座标为离轴距离与测量点射野宽度之比 图 7 20cm准直器离轴比 表 1 照射野输出因子的比较 照射野( cm)CH1*M onte CarloRice 12. 50. 8700. 8790. 853 15. 00. 8920. 8970. 885 17. 50. 9080. 9090. 903 20. 00. 9190. 9180. 912 22. 50. 9240. 9220. 920 25. 00. 9300. 9250. 924 27. 50. 9330. 9270. 927 *中国医学科学院肿瘤医院 3 立体定向放射治疗的质量保证 3. 1 质量保证体系的建立 今天 ,随着科学技术的迅速发展 ,特别是计算机 技术的发展 ,放射治疗已经进入了一个新的令人振 奋的时代 三维放射治疗 ( three dimensional ra- diation therapy, 3DRT)时代 ( J. Purdy)。 立体定向 放射治疗正是三维放射治疗的一种形式。 放射治疗是涉及多学科理论和实践的一门专 业 ,需要多学科的专门人才共同参与 ,并使用复杂而 精密的专用设备 ,特别是开展三维放射治疗。欲使患 者从诊断 ,治疗直至疗后的随诊都能安全而有效的 实施 ,必须建立并执行质量保证体系才有可能。 基于国际标准化组织 (international organiza- tion for standardization, ISO) 9001的原则 ,并充分 考虑医疗部门的特点 ,三维放射治疗的质量保证体 98 Journal of Practical Oncology Vol. 19 No. 2 2004 系框架如图 8所示。可以看出 ,质量保证体系的运作 都是围绕三维放射治疗的整个过程而展开和实践 的。 它包括确定质量保证的目标;完善各类专门人员 的组成 ,明确其职责、教育与培训及互相业务关系; 建立各种专用设备的维护、校准规范和管理制度;临 床治疗过程的规范和控制等。 图 8 三维放射治疗质量保证体系框图 3. 2 立体定向放射治疗的误差分析 立体定向放射治疗是一复杂的治疗过程。 患者 接受这类治疗 ,要经历靶体积定位 ,计划设计 ,治疗 摆位及实施治疗几个阶段 ,而在每个阶段都会使用 专用的设备和装置 ,诸如 CT、 MR等影像设备 ,和 刀及加速器等各类治疗机。 因此立体定向放射治疗 的准确性 ,取决于每一步骤所采用的技术和使用设 备自身的不确定性。 如前面章节提到的 , Leksell 刀装置的焦点位置的不确定性为 0. 3 mm,而直线 加速器等中心的不确定性为 1. 0 mm。但这并不意 味着 刀装置治疗位置精度 ,一定高于以直线加速 器为基础的 X射线立体定向系统。 实际上 CT定位 的不确定性对立体定向治疗的准确性占有重要地 位。 利用 CT影像确定肿瘤的靶体积 ,除依靠于主 管医生的临床经验外 ,还依赖于 CT影像的分辨率。 即像素大小和扫描影像的层距。 通常像素大小为 0. 7 mm 0. 7 mm,而扫描层距不 1. 0 mm,则靶 点定位的不确定性为 1. 5 2. 0 mm。综合各个环节 的位置不确定性 ,表 2给出颅内病变立体定向放射 治疗靶体积位置的不确定性。 表 2 立体定向放射治疗的靶体积位置的不确定性 CT扫描层距 1. 0mmCT扫描层距 3. 0mm 立体定向框架1. 0 mm1. 0 mm 加速器等中心 ( 刀焦点 )1. 0 mm( 0. 3 mm)1. 0 mm( 0. 3 mm) CT影像分辨率 1. 7mm3. 2mm 组织器官移动1. 0mm1. 0mm 血管造影0. 3 mm0. 3 mm 位置总不确定性2. 4 mm( 2. 2 mm)3. 7 mm( 3. 5 mm) 表 2仅显示颅内病变的情况 ,而对体部病变的 立体定向放射治疗要更为复杂。 首先体部定位框架 多以患者皮肤标记作依据 ,或采用真空垫及部分热 塑材料固定 ,偏差及重复性要劣于头颈部的定位。其 次胸、腹部组织器官移动较大 ,这也是影响位置精度 的重要因素。 对于立体定向放射治疗的靶体积位置 的不确定性 ,放射治疗医师和物理师应有清醒的认 识 ,在制定治疗计划及实施治疗时予以克服。 3. 3 立体定向放射治疗的质量控制 立体定向放射治疗的质量保证是一系统工程 , 它包括临床和物理技术等方面诸多内容。 由于篇幅 限制 ,下面仅就物理技术方面的重点予以简要论述。 立体定向放射治疗的质量保证规范应在开展这 一照射技术时就予以制定 ,并建立日常的检测制度。 对于相关学术组织或权威机构已发表的放射治疗质 量保证建议 (W HO, IAEA)应予参照。 这其中包括 了治疗机、计划系统及附属设备的检测和校准。 由于立体定向放射治疗多治疗靶体积较小的病 变 ,和即使是分次治疗 ,单次剂量也较常规放射治疗 的大许多。 因此靶体积的定位和照射的准确性显得 尤为重要 ,稍有不慎 ,就可酿成不可挽回的大错。 正 是基于这一考虑 ,需要设计和制备专门的检测装置 , 和特殊的技术 ,对靶点精度定期校准。 如图 9所示 , Lutz靶点模拟器可检验不同角度的机架和治疗床 的机械和射线束等中心的位置偏差。 图 9 Lutz靶点模拟器示意图 准直器位置检验可采用胶片法。 首先将胶片水 平放置在等中心处 ,机架分别设置在 0 和 180 ,对 穿照射;然后将胶片垂直放置在等中心处 ,机架分别 设置 90 和 270 ,对穿照射。结果如图 10所示 ,很容 易判断准直器是否准直 ,只有在结果在限值以内 ,方 可实施治疗。为便于建立日常的检测制度 ,表 3给出 X射线立体定向放射治疗检验规范 ,此不包括常规 治疗的检验内容。 99 实用肿瘤杂志 2004年 第 19卷 第 2期 表 3 X射线立体定向放射治疗质量保证设备检测规范 检测内容频数 1 、CT(M R)线性每周 2 、CT影像传输每季度 3 、光子射野 ( 1)点剂量 ( d= dmax, 5, 10)半年 ( 2)照射野离轴比 ( d= dmax , 10)半年 4 、定位框架每季度 ( 1) CT定位框架 ( 2) M R定位框架 ( 3)DSA定位框架 5 、定位系统每季度 ( 1)CT定位 ( 2)加速器摆位 6 、计划系统半年 ( 1)双旋转 等剂量比 不等剂量比 ( 2)多旋转 270 , 230 , 190 , 10 , 50 7 、机器设置半年 ( a) 1 cm准直器单次曝光 , ( b)和 ( d)为垂直对穿照射 (机 架角 0 和 180 ) , ( c)和 ( e)为水平对穿照射 (机架角 90 和 270 ) , (b)和 (c)显示准直器位置精度好 , (d)和 (e)显示准 直器位置偏差约 1 2 mm 图 10 胶片法检测准直器位置精度 结束语 随着照射技术的发展 ,在一定程度上也促进了 治疗模式的改变 ,与常规方法比较 ,人们在逐渐探讨 和实践: ( 1)增加肿瘤的总剂量和分次剂量; ( 2)尽量 减少正常组织特别是敏感器官的总剂量和分次剂 量; ( 3)缩短总治疗时间和减少分次治疗次数 ( A. Brahme)。 立体定向放射治疗在对某些部位肿瘤治 疗中正实践着上述设想 ,想来这一技术会有更大的 发展。 (上接第 94页 ) 避免用对心脏或肝脏有毒性的药物 ,给 VCR 2 mg 静注 , BLMA532 mg静滴 , PRED 60 mg每日口服。 次日患者呼吸困难好转 ,颈胸部肿胀感减轻 ,心电监 护下发现窦性心律不齐。 化疗后 3日患者突然出现 心悸、胸闷 ,心电图显示频发室性停搏伴房性逸搏 ,