SRS、SRT、3D-CRT、IMRT

精品文档SRS、SRT、3D-CRT、IMRT一、 立体定向放射手术（stereotactic radiosurgery ，SRS）：该概念由瑞典神经外科学家Lars Leksell于1951年最早提出，主要用于治疗颅内良、恶性病变。其特征是多个小野三维集束单次大剂量照射。所谓立体定向放射手术，即用多个小野三维集束单次大剂量照射颅内不能手术的，诸如脑动静脉畸形(AVM)病等良性病变。由于多个小野集束定向照射，周围正常组织受量很小，射线对病变起到类似于手术的作用，故名X ()刀。-刀(-knife)：最早由瑞典Elekta公司研制，使用201个钴-60源集束照射。X -刀(X -knife)：由美国同道提出，几乎在Elekta 刀装置临床安装使用的同时及稍后，用直线加速器的6-15MV X线非共面多弧度等中心旋转实现多个小野三维集束照射病变，起到与刀一样的作用，故称为X-刀(X-Knife)。-刀、X-刀分别为瑞典Elekta公司钴-60刀装置和美国Radionics公司X刀装置的商品注册名。它们的学名称为X()线立体定向放射手术（stereotactic radiosurgery），简称为SRS。X()线SRT(SRS)治疗过程：X()线SRT(SRS)治疗一般要经过病变定位、计划设计和治疗三个过程。1、定位：利用立体定向装置(stereotaxy)、CT、磁共振和X线数字减影等先进影像设备及三维重建技术，确定病变和邻近重要器官的空间准确位置和范围，这个过程叫作三维空间定位，也叫立体定向。2、计划设计：定位后利用三维治疗计划系统，确定X()SRT(SRS)的线束方向，精确地计算出一个优化分割病变和邻近重要器官间的剂量分布计划，使射线对病变实施“手术”式照射。3、治疗：X()线SRT(SRS)治疗既可严格保护临近重要器官，又可使病变得到大剂量的破坏性照射，起到不开颅也能准确、安全去病的目的，很受患者和神经外科医师们的欢迎。由于SRT(SRS)对良性病治疗的成功，现已扩大到用它治疗小体积的恶性肿瘤，并试图结合分次治疗的原理，开始探索X()线特别是X线的立体定向分次放射治疗的经验。X()线SRT(SRS)装置1、瑞典ELekta刀装置：瑞典ELekta刀使用201个钴-60源，每个钴-的源活度为1.llTBq(3OCi)，分布于头顶部北半球的不同纬度和经度上，201个源经准直后聚焦于一点，该点称为焦点。源到焦点的距离为39.5cm，焦点处射野大小为4、8、14、18mm。2、我国沃发(OUR)公司刀装置：我国沃发(OUR)公司创造了中国模式，用30个钴-60源螺旋排列成6组分布于140-430之间的纬度上。在经度上，每组源间隔60；在纬度上每个源间隔为10。源的直径为2.6mm,30个源总活度为6000Ci，源焦距离为39.5cm，用旋转的方法实现多野集束照射。3、加速器X -刀装置：由于加速器单平面旋转形成的空间剂量分布较差，目前通常采用4-12个非共面小野绕等中心旋转，达到刀集束照射的同样的剂量分布。每个旋转代表治疗床的一个位置，即治疗床固定于不同位置，加速器绕其旋转一定角度。病变(靶区)中心一般位于旋转中心(等中心)位置。该方法的缺点是每次旋转治疗结束后，必须进入治疗室，变换治疗床的位置，摆位时间和治疗时间加长。4、动态旋转X -刀装置：动态旋转治疗，可大大缩短摆位时间和治疗时间，靠机架和治疗床在出束(照射)过程中的联合运动，实现非共面的连续照射。因现有商售的直线加速器不能作这种联合运动，同时治疗计划系统亦要做相应变动，故目前X线SRT(SRS)系统和加速器不能作这种治疗。二、立体定向放射治疗（stereotactic radiotherapy ，SRT）：随着SRS技术在肿瘤治疗中的推广应用，和适形放射治疗对定、摆位精度的要求，它们的结合，称为立体定向放射治疗(stereotactic radiotherapy)，简称为SRT。根据单次剂量的大小和射野集束的程度，SRT目前又分为两类:第一类SRT的特征是使用小野三维集束分次大剂量(比常规分次剂量大得多)照射。也就是我们常说的X ()刀。由于此类SRT均使用多弧度非共面旋转聚焦技术，附加的三级准直器一般都为圆形，治疗较小病变(3cm)。第二类SRT是利用立体定向技术进行常规分次的放射治疗。特指三维适形放射治疗(3DCRT)，特别是调强适形放疗(IMRT)。两类SRT的关系：除去分次剂量的大小以外，第一类SRT和第二类SRT无本质区别。但由于前者使用圆形小野多弧度非共面聚焦，靶区边缘剂量下降梯度较大。随着靶区体积的增大，多弧非共面照射的聚焦能力随射野增大而逐渐减弱，同时还要减少非共面旋转数，乃至采用共面、非共面固定野照射。从几何意义上理解，任何一个空间形状怪异的三维实体，当其体积变得越来越小时，形状不规则的影响亦越来越小。所以第一类SRT，虽然采用圆形准直器，仍属于三维适形放射治疗的一个特例。为以后叙述方便，将X()线立体定向放射治疗(SRT)和立体定向放射手术(SRS)统一简称为X()线SRT(SRS)。三、适形放疗(3DCRT)：也称立体放射治疗(stereo-radiotherapy)、原体(适形)放疗(conformal radiotherapy)、三维放疗(threedimensional radiotherapy)，主要是从体部常规放射治疗发展来的，目的是改善靶区的剂量分布，使得高剂量分布区与靶区的三维(立体)形状的适合度比常规放疗大有提高，彻底地减少周围正常器官和组织被照射。3DCRT对正常组织受量很小，安全性提高，并发症很少且轻微，所以放疗医师敢于将靶区的单次量和总剂量比常规放疗显著提高，缩短疗程，从而明显提高肿瘤的局部控制率。须知，有相当一部分恶性肿瘤的扩散、转移是由于局部未控和疗程过长而发生的，因此增量、加速的三维适形放疗在提高局控率的同时也必然减少就近扩散和远处转移的可能，提高生存率，减少合并症，从而提高生存质量。这已在鼻咽癌、前列腺癌、肝癌和非小细胞肺癌等的3DCRT与常规放疗的临床研究比较中得到证实，从而使放射肿瘤学界对3DCRT的临床应用价值的认识基本统一。权衡利弊，通过科学合理地使用和总结经验(如合理指定扩放边壳margin、缩野补量等)，目前已充分肯定3DCRT的优点，并在国内外迅速推广和普及。3DCRT的设计和应用思路：1、在杀灭肿瘤方面：应像手术那样将足够的高剂量(提高总剂量、缩短疗程)围歼到病灶上，使高剂量区剂量分布的形状在三维(立体)方向上与靶区的实际形状一致。2、在保护正常组织器官方面：应通过BEV(Beams eye view)、挡铅等使线束躲避重要敏感器官；对次要的不敏感正常组织，也要通过多野、拉弧等，把剂量分散到大大低于容许剂量。3、在避免肿瘤细胞漏照方面：应在勾画靶区和人工扩放边壳(margin)时充分发挥放疗医师的临床经验和主观能动性，有意识地利用此机会吸取化疗优点(如血供好、富氧的散在癌细胞利于低剂量杀灭)，克服手术某些缺点(如手术范围受限)，再利用合理的时间-剂量分割，局部补量，手术、放、化综合等多种行之有效的方法，显著提高治愈率。3DCRT的历史、现状和未来(一)历史1、多叶准直器法：50年代初期，*的Takahashi提出了适形放射治疗的原理，并在1965年提出用多叶准直器的方法实现适形放射治疗。即当时所谓的“原体照射”。 2、同步挡块法：1959年，美国的Wright提出了用同步挡块法进行适形放疗：患者坐在一种特制的旋转椅子上，挡块固定在一个架子上，与病人同步旋转，用放射源做水平照射，保证在任何投照位置，经挡块限制、准直后的射线束形状总是与靶区的投影形状一致。3、循迹扫描法：真正的三维适形放疗1959年，英国的Green也首次提出了另一种3DCRT，叫做循迹扫描法。其特点是在治疗机机架旋转照射的同时，治疗床也做纵向的配合运动，形成一片片连续的旋切式照射，使得靶区每片截面中心总是位于治疗机的旋转中心上，射野的大小和投影形状是用限束准直器的开闭大小来完成的。由于此法采用窄束绕靶区级轴方向扫描，通过控制床的纵向运动速度，可使出束时间随射野大小和组织深度而变化。所以循迹扫描法能在靶区纵轴方向及其垂直截面内都能获得与靶区形状一致的高剂量分布，是真正的三维适形放疗。4、调强适形放射治疗：70年代，瑞典的Brahme又提出了调强适形放射治疗（intensity modulation radiation therapy,IMRT）概念，不但要求高剂量分布形状与靶区形状相一致，而且要求靶区内剂量分布也要符合一定的要求。5、其他另外，还有历史更长的固定野多野适形挡块法，都与同步挡块和循迹扫描法一样，因使用时费时费力，设计制作复杂，难于在临床推广普及，大都未能形成产品。只有多叶准直器(MLC)，因得利于计算机自动控制技术的飞速发展，被世界主要生产加速器的著名厂家完善和发展，逐步形成与加速器配套的商品得到推广应用(表3-8-1和衷3-8-2)。(二)现状目前，世界上各主要的加速器生产厂家都在生产商品化的多叶准直器。在我国中国科学院大恒医疗设备有限公司和广东威达医疗器械集团公司，第一军医大学，OUR公司等也都相继推出微型和中型的手动多叶准直器。美国NOMOS公司生产的孔雀系统(Peacocksystem)也采用了多叶调强补偿器（MUltlvane intensity MOdulation comPensator,MIMiC)，将多叶准直器、循迹切片式动态扫描、适形调强、逆向设计等功能集为一体，1996-04-25获美国食品和药物管理局(FDA)批准，全球已有20余家放疗中心投入临床使用。其优点是实现了真正的三维适形调强放疗和治疗计划的逆向设计，可装于普通医用直线加速器上;缺点是目前价格高，因窄束扫描，治疗出束时间较长。美欧及我国一些大的放疗中心在更新加速器时，也多拟选择带多叶准直器的加速器，使得3DCRT的临床应用呈现出较快发展的趋势。(三)前景一项放射治疗新技术在临床上推广普及，是由很多因素决定的。但疗效和效/费比的提高这两条最为重要。适形和调强研究的都是物理剂量的合理分布，其中“适形”强调的是靶区边缘以外的剂量，要求其以高梯度迅速降低;而调强主要强调的是靶区内的剂量，要求其均匀或符合某种分布要求。二者相比，适形更加重要。适形调强带来的好处，第一是副作用减少，第二才是因能增加总量、缩短疗程而获得的局控率和生存率的提高。但是，适形和调强都没有强调和保证定位的准确及可靠的重复。定位准确和剂量分布合理两个要素缺一不可，但定位准确更加重要。如果治疗计划、多叶准直器、组织补偿等设计得都很理想，但定位不准，对患者头、体无重复固定措施，不少癌症患者根本不能保证“自由摆位”后“自觉不动”，这就很难保证确是在对病变所在的靶区进行“适形调强”。因此，在定位方式上采用立体定向，在治疗方式上采用适形调强，两种技术结合起来，美国的学者们称之为精确放射治疗(precision radiotherapy)。其要求为:精确定位、精确计划、精确摆位、精确照射、剂量分布与靶区形状一致，靶区内剂量分布符合要求。其目标为:增加靶区内单次量与总剂量、缩短疗程、提高治疗比、提高局部控制率和长期生存率。“精确放射治疗”被放射肿瘤学界认为是本世纪末下世纪初的发展方向，是放射治疗技术发展的主流。三维适形放疗的实现方法实现适形放疗的方法多种多样，有手动的和自动的;有传统的和现代的;有世界各国各大放疗中心自己研制的和世界各国各大商家提供的商品化先进设备。由于传统、手工的自研方法多数都费时费力效率低，不利于推广，按照优胜劣汰的发展规律，目前，多叶准直器法与相应先进的3DTPS软件结合，已成为3DCRT的主要实现模式。（一）非共面多固定野适形照射法此即目前瑞典医科达公司体部立体定向定位后的适形照射方法。这种方法的主要实施程序是:先用CT或MRI、PET等成像设备获取肿瘤及重要保护器官的位置及三维空间形状，再用3DTPS或其它人工方法确定床角、机架入射角、照射野数等治疗参量，再按比例准确获取每个非共面固定野的靶区投影轮廓，按加速器托架及等中心的实际距离调整热丝切割机后，用硬泡沫塑料切割出各固定野的实心轮廓投影模型，再制成空心的低熔点合金铸造挡块，此挡块的外侧矩形在等中心面的投影应大于初级准直器适形野的外接矩形，使之覆盖lcm以上的边框，以避免漏射。若需要做人体曲面域组织不均匀性校正，也可在射野内放置组织补偿器。这种方法的优点是不需购置昂贵的适形野专用设备，可形成半影很小、适形度很高的双聚焦适形野，可使靶区剂量显著提高，正常组织和关键器官受量显著减少，明显提高治疗增益比。但因其费时费力效率低，劳动强度大，工作环境差，污染大，组织补偿器制作也相当困难，所以只在无多叶准直器的大靶区情况下使用。（二）同步挡块法这是一种动态旋转式适形照射法。它将特殊制造的挡块安装在病人和机头限束器之间，使挡块能够随机架或病人的旋转做同步运动，保证挡块的形状和在等中心平面的大小随时与靶区的投影一致。此法的优点是能产生一个较好的剂量分布，特别适合于防护射野内(空心靶区)和靶区附近的重要器官和正常组织，获得更高的治疗增益比。但设计一个能自动控制作同步运动的挡块系统在技术上非常复杂，并非一般放疗中心所能做到，所以在临床上很难推广。（三）循迹扫描法（四）多叶准直器法(MLc)新型、先进、自动控制的多叶准直器系统几乎具备了前述三种方法的全部主要优点，特别是最近的大射野、双聚焦、薄叶片、过中线、互咬合、计算机控制的新型MLC，价格已明显降低，性能更加完善可靠，己出现了在实现三维适形调强治疗领域独领风骚的局面。使用MLC，由于不需制做挡块，省时省力效率高，也不需频繁出入治疗室更换、固定挡块;射野大，照射时间短;占用空间小，工作环境好;另外，它还可以实现一系列高技术、深层次、要求更羞杂的特殊用途。例如:采用视频合成人工直视射野编辑技术，可实现复杂形状肿瘤的非共面多野适形放疗技术;由计算机软、硬件控制可实现任意楔形角动态楔形板的照射效果;可完成旋转式适形放射治疗;既可单独适形、单独调强，又可适形调强动态照射;不用MLC时，全部叶片皆可向两侧缩退，不影响传统放射治疗的实施。关于MLC的结构、原理、剂量计算等物理剂量学特点，将在后面专题介绍。目前，影响MLC快速推广应用的主要问题是:进口价格仍然较贵;由于原有加速器的机头设计、配重，机架和床的内外控制等问题，加到老型加速器上仍有诸多问题，只有到购买或更新加速器时，成套订购才较合算;另外，国产高性能的微机控制的MLC系统起步较晚，缺乏与国外竞争的产品，也是在我国推广较慢的一个原因。相信不久的将来，我国的加速器生产厂家和放疗设备研制公司，会跟上国际适形调强和精确放疗的大趋势，生产出我国自己的质量高、价格低的新型先进的MLC，为我国和世界的肿瘤放疗事业做出贡献。四、三维适形调强放射治疗三维适形调强放疗(3 dimensional conformal intensity modulation radiation therapy 3DCIMRT)在概念上包含两项内容:高剂量区分布的形状必须在三维空间(立体)方向上与靶区(包括实体肿瘤和亚临床灶)的形状一致，此即适形要求；在照射野内(靶区内)各点的剂量需按要求的方式进行调整，使靶区内的剂量分布符合预定的要求，此即调强要求。调强的概念最早是由瑞典的放射物理学家Brahmc教授提出的。此概念启发于X射线横向断层CT成像的逆原理:当CT的管球发射出强度均匀的X射线并穿过人体之后，其吸收强度分布正比于组织密度及其厚度的乘积，这种透射的强度分布被CT的密排陈列的探测器接收后转换成对应像素分布的影像元电信号记忆下来。反过来，如果我们使用类似于这种吸收强度分布的高能治疗射线反向照射人体，就可以在人体的照射部位获得均匀的剂量分布。只是人体除肺和硬骨之外对高能射线的线吸收系数差别较小，调强补偿幅度要比诊断用低能X线小得多。因此，传统放疗中通过对穿、多野、楔形板、非共面多个固定野、多弧非共面聚焦等常规方法常常也能获得较均匀的靶区剂量分布，但常规传统照射方法难于实现适形，而只调强不适形在临床上是不被接受的。三维适形调强放(3DCIMRT)的实现方式和优缺点概括起来，实现3DCIMRT主要有以下四种方式:1固定野物理方式调强 如采用固定式或动态式楔形板。(三维调强)、三维补偿器等方式。这种方式是在不规则或规则固定野下外加三维或三维物理补偿板实现对射野内剂量分布的调整。每个射野都必须有一个相应的强度补偿器，这就给制作补偿器、治疗摆位和固定增加了困难和麻烦。难于在临床应用中推广。2. 断层(CT)式螺旋调强或治疗床步进式调强 这是循迹扫描式技术(tracking technique)的发展，它将靶区沿患者的纵轴方向(平行于床纵轴)分成2-4cm的等厚度薄片，利用治疗床的步进和机架的旋转进行切片式动态调强。此法的缺点是治疗时间长、效率低、相邻切片野间可能因床的运动误差而产生超量或欠量照射。3多对准直器叶片运动式调强 它既可在固定野照射过程中使用，也可在旋转野照射过程中进行，但都是利用多叶准直器相对应的叶片在照射过程中运动的方式实现调强。这种方法自动化程度高，准确性好，效率高，已有多种商品化设备系统，是目前优点最多、最可行和最有前途的一种方法。4束流调制式调强 它是通过控制击靶前电子束的击靶方向和束流强度，产生所需要的笔形束式X射线的强度。在瑞典生产的Scanditronix MM5O电子回旋加速器上，就已实现了用这种原理控制偏转磁铁的电流，进而控制电子束的击靶方向，产生方向不同强度各异的符合预定调强分布的X射线笔形束。这种最先进但很昂贵的新一代放疗机，还可采用电子束扫描方式产生强度各异的电子线笔形束，再应用X线和电子线的能量调制(energy modulation)，可同时进行X线和电子线的三维适形调强放射治疗。国内X刀、刀治疗和肿瘤放射治疗X刀、刀简称立体定向精确放射治疗，是利用小野集束集中照射病灶形成了锐利的剂量分布梯度，使病灶获得较高的放射剂量，而周围的正常组织受到较低的剂量来治疗疾病。1951年由Leksell等开始发展于瑞典，用于治疗颅内良性病变。根据此原理在加速器上改装，装上附加准直器形成X刀。X刀和刀用于治疗恶性肿瘤是最近几年的事，在放疗界引起很大的争论，目前开始谨慎的被接受。X刀和刀治疗良性病变有着很大的优势，因为其治疗的物理学特点和生物学特点。众所周知X刀和刀的原理是小野集束集中照射病灶，其剂量分布主要是利用其物理优势，即病灶获得较高的放射剂量，周围的正常组织受到较低的照射剂量；由于X刀和刀治疗利用小野集束集中照射和局部高剂量，因此治疗的适应症一般认为3cm，有的人认为可以5cm，目前尚无一致的意见。X刀和刀治疗的病灶较小，要求各种治疗误差尽可能小，包括摆位，定位，图像获得、传递、改变，治疗时体位等。为了减少各种治疗误差和由于定位框架等原因，大多数治疗采用大分割照射，对于良性病变来讲，根据其生物效应这成为优势，但是对于恶性病灶来说，这是不利的，必须采取分次照射，但是分次照射必然带来治疗误差的加大。X刀治疗时根据病灶和周围组织的放射生物效应关系分为4种，晚反应正常组织包绕早反应靶组织（包括晚反应正常组织和早反应靶组织相互包绕），晚反应正常组织包绕晚反应靶组织，早反应周围正常组织包绕早反应靶组织，早反应正常组织包绕晚反应靶组织；这些是选择单次放疗剂量的基础。比如对于脑膜瘤是晚反应正常组织包绕晚反应靶组织，是可以大分割照射的，对于脑