射波刀技术资料.doc

射波刀 放射外科是在1970年代才兴起的医学分科，对颅内良性和恶性肿瘤以及非肿瘤疾病（如动静脉畸形，三叉神经痛等）的治疗，已有良好的结果和在医学界的地位。放射外科的发展，经过伽马刀和X刀的采用，进入性能非常优越并具震撼性创意设计的射波刀时代，它在短短五年时间之内，在全世界累积治疗病人超过两万例，在英语期刊发表的研究论文超过100篇。继天津肿瘤医院建立射波刀中心之后，相信在全国各大城市很快就会陆续出现射波刀提供临床服务。本文的主旨即在介绍放射外科发展的过程，以及射波刀优越的性能，兼论临床肿瘤医师理应如何面对此一医学上的新利器。方 法放射外科的本质：医学的分科本来并无放射外科（radiosurgery），传统上却有专业较为相近的神经外科（neurological surgery）和放射肿瘤科（radiation oncology）。那是两个相当独立和专业的医学分科。自从瑞典神经外科医师Lars Leksell于1974年在临床上使用伽马刀（Gamma Knife）以来，便发展出跨学科的放射外科（radiosurgery），也就是使用脑神经外科擅长的颅内立体定位技术（intracranial stereotaxis），以201条钴60伽马线，1次同时聚焦的照射到颅内良性和恶性的肿瘤或病灶上,包括动静脉畸形、三叉神经痛等。这样的学科，严格的说，应该仅是放射神经外科（radioneurosurgery）,而且只局限于颅内病灶，尚无法使用到颅外（extra-cranial）神经系统，如脊髓或末梢神经的疾病上。由上可知，在本质上放射外科是使用立体定位，精准的以聚焦式一次大剂量的高能电磁射线，用高度适形（comformal）的方式照射到颅内的病灶。为了追求精准，含有刻度的金属头架，要以螺丝钉牢牢的固定在坚硬的颅骨上。获得精准的代价是病人的不适，如需要麻醉和四个角落固定螺钉，带着沉重的金属头架等待造影检查、治疗计划与剂量计算，以及最后多个中心点的照射等，对儿童的治疗，更是难以忍受，也不适合隔日给予第二次或更多次的治疗，也不适合做颅外病灶的治疗。钴60伽马线每分钟的输出，会随时日而递减，因钴60的半衰期（half-life）是5.3年，即每隔5.3年，单位时间的射线输出量减半，相对的照射时间会逐渐延长，每隔5.3年，照射时间延长一倍，才会维持原来应有的剂量。因此在照射的时间计算上，要逐渐延长调整，每分钟剂量输出太低便要置换新的钴射源，这些都会带来作业上的不便或经济负担。不过无论如何，钴60伽马刀的成功临床使用，巩固了放射外科在医学上的地位1。X刀放射外科的进展：1980年代，也是运用螺钉固定头架至颅骨的方法，但是采用直线加速器（Linear accelerator）单射源高能X线旋转加非共面（non-coplanar）多弧形照射，也能获得一次聚焦式高剂量的颅内照射，而称之为X刀放射外科。但是要想获得高度适形的照射，并且有效地保护周围的正常组织，技术上还有很大的困难。X刀放射外科使用放射肿瘤科惯用的直线加速器所发出的高能X线，可以让放射肿瘤科兼做放射外科。不过往往一部加速器已经非常忙碌的从事普通放疗，又要兼做科际合作的放射外科业务，加上专业培训的需要，以及合理收费的配合，在实务上要发展起来便很不容易。90年代以后，直线加速器普遍采用计算机驱动的多叶式准直仪（multileaf collimator），使高能X线可随不同角度照射肿瘤目标时，可按该角度肿瘤的大小和形状，扩大或缩小相对叶片容许X线通过的空间，构成每一角度与肿瘤形状相符的准直仪通道，建立静态的或动态的适形放疗（conformal radiotherapy）及强度调控放疗（Intensity Modulated Radiotherapy,简称IMRT）。由于肿瘤的边缘，都是由一段一段直径不相等的弧形所构成，而多页式准直仪的叶片不可能多而薄，由叶片围成的照野边缘，便成锯齿形状，对高度适形的要求，还有相当的距离。为了追求更精确的X线照射，IMRT结合X光影像验证病人在治疗床上的体位，如有错误，可立即加以纠正，这便发展出影像导引放疗技术，简称IGRT（Image Guided Radiotherapy），商业机种包括Novalis（BrainLab）、Trilogy（Varian）、Synergy（Elekta）及Tomotherapy等。这四类机种的共同特点是使用直线加速器发出的高能X射线，射源至轴心距离（SAD）作同心的（isocentric）等距治疗，可兼做常规放疗（conventional radiotherapy）及放射外科治疗，可兼做颅内及全身放射外科治疗。不过在病人躯体无法做到可靠的固定，在照射精准上略差。在治疗中对病人体位的移动，或随呼吸而移动的肿瘤缺乏积极监控，亦无成熟容易执行的调整步骤。如果科际合作，专业培训，合理收费等问题不能顺利解决，实务上的推动，仍有困难2。结 果也是神经外科医师的John Adler教授，在美国加州Stanford大学医学中心工作，深感伽马刀放射外科的局限性，自1990年代开始，潜心研究放射外科治疗新的利器。经过十余年的努力，发明了射波刀（CyberKnife），并在2001年获得美国FDA核准成为可治疗全身病灶的放射外科医疗商品3。X射线与钴60的伽马线同属电磁射线（electromagnetic radiation），不过射波刀所用的6MV能量的X射线，对人体组织的穿透性更高，因此获得更理想的深度剂量（depth dose）。要理解发明射波刀所具有的创意，并能在医学界真正产生震撼性者，在于下列优越的结构和性能。采用最轻巧的直线加速器：常用的医疗加速器，体积都非常庞大，约有4,500公斤(varian)，因此只能装在一个坚固的支架上（gantry），限于沿着轴心做同心（isocenter）型、等距离的旋转运动。射波刀则采用最轻巧的加速器，不但体积小，重量只有150公斤。因此可安装在机械臂上，在治疗床的上空，离病人身体外半球形一定的距离，作任意方向的移动，可以作同心形，也可以作非同心形（non-isocenter）的照射。机械臂的本身，是一部含有六个关节，强有力但却非常精准，由电脑自动化操控的机器，六个关节协同运动，可让固定在机械臂上加速器发出的X线射束，在预设的范围内任何点，投射到病人病灶的靶区。所谓预设是指在躺卧病人外的半球形空间，电脑和机械臂选定了约100个节点（node），X线射束可在每一个节点位置有12个方向可供电脑选择，投射X线至病灶靶区内的某一点。换句话说，如果靶区是指病人的肿瘤的话，在病人体外半球面的范围内，约有1,200条X线的入射路径，可供电脑选择把适形而均匀的剂量照射肿瘤。X线是圆形的射束，直径自560毫米，有12种选择。如与伽马刀比较，射线方向的选择，射波刀比伽马刀多6倍，X线射束粗细的选择，射波刀比伽马刀多3倍。而射源（radiation source）的移动，并无同心或共面（co-planner）机械设计的约束（伽马刀与X刀有此约束）。立体定位摄影、影像导引放疗：立体定位摄影分两个步骤，两套系统。首先是用电脑断层（computed tomography，简称CT），取得病人颅内或颅外身体肿瘤病灶三维（3D）空间的位置与形状的影像，病灶的周围有骨骼系统的标志，如颅骨或脊椎骨的一些解剖特征。如无任何解剖学上骨骼标志，则需要在肿瘤旁边植入金属标志，通常是15毫米纯金打造的金标（fiducial）或植入脊椎骨的不锈钢的螺钉（新的电脑软体能辨识整条脊柱的脊椎，已排除植入螺钉的需要）。这一套CT模拟摄影（CT simulation），一方面用于做治疗计划（treatment planning），同时用在射波刀开始治疗前，治疗床的自动化定位。当病人躺在治疗床上，带上固定头部的热塑面罩预备开始接受治疗时，第二套安装在治疗床顶上天花板左右各有一部X光摄影机，便各以45交叉向预定照射的靶区同时摄影，一对互成90摄影取得X光影像，在电脑辨识与运算上是足以构成一个立体的解剖结构，靠了骨骼或金标的特征，电脑屏幕上会显示治疗床需要沿X、Y、Z轴作线移（translation）多少毫米或旋转（rotation）多少度，便可吻合当初CT模拟摄影所决定的照射目标位置。事实上X、Y、Z线移和旋转共六个动度的调整移动，有五个由电脑自动完成，剩下一个水平转动由手驱动，取其作业慎重，避免病人或物件被碰撞。这一套作业，就是常规放疗中长期以来所期盼的影像导引放疗（image-guided radiotherapy，简称IGRT）系统。治疗中立体定位摄影，为病人体位移动作调整：常规放疗及X刀放疗通常假设病人一旦开始接受X线照射，病人身体不会再移动，这个假设其实是错误的，几乎所有的病人都会有某种程度的线移或转动。由于射波刀治疗综合的临床精确度在0.95mm以下，也就是包含加速器、机械臂、治疗床、影像处理、治疗计划等等的误差在内。在比较之下，可知射波刀在放疗开始的一刻，能达到放射外科前所未有的综合临床精确度。进一步要争取的是治疗当中病人如有任何体位移动，亦不失去开始照射时所拥有的精确度，这就取决于是否拥有监控病人体位、随时摄影验证和调整射束的系统功能。首先电脑系统要能够允许在数百条X线射束轮流照射的中间，让天花板上两组X光摄影机频频对病人体位作验证的立体定位摄影，也就是把新摄取的影像再次与CT断层影像对比，将X、Y、Z线移和转动的六个变动值，以0.1mm和0.1度为单位的误差值加以判断，是否都在医师预设的容忍范围内。一旦病人体位逐渐或突然移动超出可容忍的范围，则电脑会自动调整X线的方向，以补偿病人体位的移动。通常一个病人在整个治疗过程，有可能接受二、三十次的验证摄影与必要的射线方向调整。不过从Beam off、X光摄影、新影像与CT影像对比，找出误差值，所有的电脑运算处理、驱动机械臂调整射束照射方向至Beam on照射，仅需要4秒钟时间，对延长病人治疗的时间有限，却可确保放疗照射的精确度。像这种治疗中频频验证摄影与照射方向纠正，是其他放疗系统所欠缺的，是放疗技术的一大突破。克服肿瘤随呼吸而移动的困扰：长久以来，肿瘤随呼吸而移动，是放疗技术上的梦魇，而随呼吸而移动的肿瘤占恶性肿瘤相当大的比例，包括肺癌、肝癌、胰腺癌、肾癌和前列腺癌等。过去如果把肿瘤可能移动的范围都涵盖在照射的区域内，则肿瘤附近大容量的正常组织或器官必然接受相当大的剂量而呈现并发症，如放射线肺炎、肝炎、肠炎、肾炎和膀胱炎等。放射线照射引起的炎症，往往是慢性病，并无特效药可治，因此放射肿瘤科医师对随呼吸而移动的肿瘤的放疗，大多视为畏途，而放弃给予治疗。射波刀放射外科对上述肿瘤的治疗，却找到克服的方法。除了对远离骨骼系统的肿瘤附近软组织植入金标外，射波刀采用红外线追踪呼吸运动，运动模式回馈至电脑，控制射束照射作同步的运动，使两组运动同步进行，免除因肿瘤移动而加大X线射束涵盖的照野，大比例的降低肿瘤周边正常组织不必要照射与辐射伤害，也大幅度减少可能的并发症，使原被放弃给予放疗的病人，也可纳入射波刀放射外科治疗的名单中。预计未来射波刀普遍推广使用以后，会大幅增加可治疾病（treatable diseases）的范围，必能造福广大的人群。免除安装金属头架，可分15次照射，可治疗颅内及颅外全身肿瘤：由于用热塑面罩固定下照射，射波刀可获得极佳的综合临床精准度，因此可以免除金属头架的安装，更由于对病人身体有精准、快速的体位验证系统，对体积巨大的肿瘤或紧靠放射敏感正常组织的病灶，可分为25次的照射，因此扩大了可治疗疾病的范围。像射波刀这种不要麻醉开到切除，门诊即可治疗的方式，又能在较短的天数结束整个治疗流程，恢复期又短的治疗，相信容易被病人及家属所接受。快速多功能的电脑治疗计划系统：为了提高病人摆位，体位和肿瘤位移的修正，以及照射的精确性，射波刀要求用16排以上的电脑断层摄影作为治疗计划的基础，但亦可容纳磁振摄影（MRI）、正子放射摄影（PET）、血管造影等、成为融合的影像，以获得最真实的人体骨骼结构、肿瘤或血管病灶的三维影像，并在治疗前与治疗中能十分精确的掌握要照射的目标。在操作上射波刀治疗计划有非常快速、友善与直觉式的运作和肿瘤边缘描绘，使工作速度加快且完善。逆向操作的治疗计划运算，能快速的完成主治医师所要求肿瘤和邻近敏感组织间的理想剂量分布，如剂量容积比率曲线（Dose Volume Histogram，简称DVH）以及肿瘤剂量的均匀度（homogeneity）和（conformality）等。此外，治疗计划系统与治疗床、机械臂和加速器三度空间的位置的监控系统，X光摄取与病人体位影像对比和修正系统，红外线对呼吸运动的监控系统，到最后回馈到加速器X线照射开与关的时间调控整合为一个完整的全方位系统，把精确和复杂的放射外科治疗大部分的过程，纳入自动化操作，成为医学上放射外科有史以来最精密且最有效的治疗仪器5。由于射波刀有上述各种优越的性能，至目前为止，至今在美、欧、亚洲国家已有70家医院，两万个临床病例使用过射波刀治疗颅内、脊椎、躯干良性和恶性肿瘤以及颅内和脊髓动静脉畸形、三叉神经痛6。建 议放射外科虽然在医学分支上，是一门较年轻的学科，但经过伽马刀、X刀至射波刀的演变，在性能上和临床使用上已显出其优越性和成熟度。在临床上全世界接受过射波刀治疗的病人，已超过两万例。颅内和脊椎病灶的治疗，美国斯坦福大学医学中心已有5年甚至10年治疗成功的病例，有关射波刀研究的英文期刊论文已超过100篇，并有专书面世。其优越的性能，站在外科的立场符合微创和无创手术的趋势，也就是说，射波刀治疗的本身，不需要麻醉、开刀、出血、切除组织等过程。治疗时间最长5天，最短一天。照射时间约30至90分钟，可以