精确放射治疗技术课件

精确放射治疗技术的现状与发展默认分类 1 精品课件交流 一 精确放射治疗技术概述 1 精确放射治疗技术的概念近十年来 随着放射物理学 放射生物学 临床肿瘤学和医学影像学等相关学科的发展 放射治疗技术领域发生了巨大变革 精确放射治疗技术就是以 精确定位 精确计划 精确治疗 为特征的高能X射线新的放射治疗技术的统称 它包括立体定向放射外科 SRS 和立体定向放射治疗 SRT 技术 三维适形放射治疗 3DCRT 技术以及调强放射治疗 IMRT 技术等 这些放疗技术的特点是它的剂量分布的高剂量区外围有十分陡的剂量下降梯度 从而使得高精度 高剂量 高疗效和低损伤 三高一低 的现代放疗模式得以实现 精确放射治疗技术能明显提高肿瘤的局部控制率 降低正常组织的并发症 从而提高治疗效果 在实际应用中可按靶区的位置与形状大小选用不同的精确放射治疗技术 一般来说SRS SRT只适于头部 体部的球状小肿瘤的治疗 而3DCRT和IMRT的适用范围较广 能治疗各部位不规则形状的较大肿瘤 3DCRT的技术已完全成熟 而调强放疗被认为是肿瘤放疗技术的重大突破 它产生的剂量分布优于3DCRT 应当能得到更好的治疗效果 这已在前列腺癌 乳腺癌 头颈部肿瘤 宫颈癌 鼻咽癌 胰腺癌等的临床试验中得到证实 据报道因此调强技术在美国于2003年才开始大规模的发展 一些学者预言 随着生物功能性影像技术的发展 若靶区内的乏氧区能够实现影像显示 并能得到高剂量的照射 则高LET射线在放疗中的作用将显著减弱 21世纪放疗发展的主流将是高能X射线的精确放射治疗技术 特别是物理及生物优化的调强技术 2 2 精确放射治疗技术的历史 关于精确放射治疗技术的研究一直没有停止过 1949年 瑞典科学家Leksell首先提出放射外科学的构想 利用立体定向定位技术 使用大剂量聚焦的 射束一次性摧毁需治疗的病灶 1959年日本Takahashi提出了适形放射治疗的概念及原理 1977年美国Bjangard Kijewski等提出了调强放射治疗的原理 80年代末90年代初 由于计算机及影像技术的高速发展促进了精放设备的开发 如美 德等国相继开发了商用的X刀系统 瑞典开发了第三代g刀系统 1994年 Spirou等人提出了使用动态多叶准直器 DMLC 来实现IMRT 而Bortfeld和Boyer则首先进行了多个静态野的实验 SMLC 发展至今已出现各种束流强度优化算法及各种调强方式 并在全身各部位肿瘤进行了临床试验 获较佳效果 近年来又出现了各种新型精放治疗设备与技术 如把放疗机和CT机集成到一起的 断层放疗 Tomotherapy 技术 以及具有影像学引导定位和跟踪功能的机械手 Cyber knife 治疗机等 上世纪90年代以来 我国的精确放射治疗事业也已不断地快速发展 深圳奥沃公司 北京大恒公司 深圳一体智能公司 北京医疗器械研究所 东影公司 上海拓能公司等也相继在不同程度上对精确放疗技术进行了研究 并开发了相应的产品 3 二 精确放射治疗计划系统 精确放射治疗计划的设计和实施都离不开精确放射治疗计划系统 它是整个精放计划设计的核心和计划实施的依据 一个高性能的精确放射治疗计划系统的优劣可以从其采用的剂量计算方法和逆向计划设计 束流强度优化与调强方式 的功能上反映出来 因为剂量计算是治疗计划系统的关键技术 它涉及到精度与速度之间的矛盾 而逆向计划设计尽管已有十多年的发展史 但于2003年该技术在美国才获广泛应用 它除了在优化算法和剂量算法存在精度与速度的矛盾问题之外 其采用的目标函数和调强方式也是逆向计划设计的关键技术 剂量计算是治疗计划优劣评价的依据 剂量计算的误差应小于3 在过去半个多世纪里 人们已提出了许多种剂量计算模型 如早期提出的最简单的深度剂量 离轴比经验模型 Clark son扇面积分模型 上个世纪80年代 90年代发展起来的笔形束模型和基于核函数的卷积 叠加模型 乃至当前研究的热点 蒙特卡罗剂量计算模型 这些新模型的不断发展使剂量计算的精度越来越高 但计算的时间也越来越长 尽管计算机技术也在飞速发展 出于精度和速度两方面的考虑 目前的精确治疗计划系统大多采用精度和速度较高的卷积 叠加模型 在这种模型中 剂量计算是通过将放射线的束流分布 FluenceDistribution 与一个点扩展函数 PointSpreadDistribution 或卷积核相卷积来实现的 卷积法适用于任意的射野束流分布 所以这种方法特别适宜于不规则野和调强野的剂量计算 而且卷积剂量计算可以通过快速傅立叶变换 FFT 来完成 从而使卷积运算速度得到了显著的提高 4 当前调强放射治疗正得到广泛的推广应用 IMRT采用逆向计划设计 即计划系统根据用户输入的期望剂量分布要求 自动优化出合理的照射野的束流分布 以尽可能地实现要求的剂量分布 在逆向计划设计的过程中 除了剂量计算之外 目标函数 优化算法以及调强方式也是关键 目标函数是期望剂量分布的数学化 目前有物理目标函数和生物目标函数两种 物理目标函数是对物理剂量分布要求的数学化 优化计算是对所关注点当前运算的剂量值和所期望的剂量值之差的二次方的总和的逼近过程 理想情况下要求均方和的值为极小或极大 而生物目标函数是通过限定应达到要求的治疗效果 如无并发症的肿瘤控制概率等 实施最佳的治疗 以求能够量化地反映治疗后患者的生存质量 目前物理目标函数最为常用 生物目标函数还有待进一步发展 优化算法的作用是试图寻找出最佳的照射条件 这些照射条件可以是给定射野的束流强度分布 强度优化 也可以是射野的角度分布 角度优化 等 因为角度的优化是目前仍未很好解决的难题 下面涉及到的优化都是指束流强度分布的优化 5 目前的优化算法主要分为两类 确定算法 DeterministicAlgorithm 和随机算法 StochasticAlgorithm 确定算法如梯度法具有快速 易行的特点 但存在一个问题就是如何恰当选择最初迭代的估计值 以避免陷入局部最小值的危险 而随机算法如模拟退火法 遗传法等在理论上可以求得全局的最佳值 但是计算的时间相对较长 如果运算时间较短 就不能创造充分的条件 使得系统有机会逃出局部极小值 逆向计划系统根据特定的优化算法可以求得最接近目标函数值的解 最大程度地产生接近靶区所要求剂量分布的非均匀束流强度分布 调强方式是指如何来实现这个非均匀束流强度分布的技术与装置 实现不均匀束流强度分布的调强方式有很多种 包括静态多叶准直器调强 动态多叶准直器调强 物理补偿器调强 束流扫描调强 串列断层调强 螺旋断层调强及机器人加速器调强等 目前较实用的调强方式是二维物理补偿器调强 静态MLC调强 SMLC 和动态MLC调强 DMLC 后两种需要配置高性能 安全可靠的全自动多叶准直器才能发挥出其优势 6 三 精确放射治疗设备 1 立体定向放射手术 治疗设备 SRS SRT 在精确放射治疗领域 有很多 刀 如X刀 刀 准确地说 都应该称为立体定向放射外科 StereotacticRadiosurgery SRS 即对病灶进行一次性 大剂量 窄射束 聚焦照射 而立体定向放射治疗 StereotacticRadio therapy SRT 系统也使用了三维定位技术 三维计划系统 但在进行放射治疗时 采用分次照射 而非单次照射 但一般分次次数比常规放疗要少 单次照射剂量比常规放疗要大 刀是选用钴60作为放射源 利用其产生的 射线 通过几何聚焦原理 使局部脑病变组织或肿瘤细胞毁损 可治疗直径约为2 3cm病变 根据聚焦原理的不同 刀可分为静态式 刀和旋转式 刀两大类 前者于1951年由瑞典Leksell公司生产 采用排列在半球面上的201个钴60放射源 利用小直径的圆柱形准直器使其射束准确聚焦在球形中心 在靶区中心形成焦点 使处于该点的组织经照射后形成坏死灶 后者于1994年由宋世鹏等 深圳奥沃公司 研发 它采用旋转聚焦方法 利用装在旋转式源体上的30个钴60放射源绕靶点中心做靶锥面旋转聚焦运动 由于射线束不是以固定路径穿越靶区周围组织 正常组织所受剂量更为分散 靶心的焦皮比达1000 1 7 X刀以电子直线加速器产生的X射线作为放射源 它利用立体定向手段 用多个非共面弧形野对颅内靶区进行集中照射 从而在靶区边缘形成一个非常陡峭的剂量下降梯度 但由于X刀通常需要旋转治疗床来进行多个非共面弧照射 因此其定位精度较 刀的略差 近年 SRS SRT的治疗范围已不局限于脑部 它已扩展到全身 即所谓的 体刀 而且又出现了多种新型的X刀治疗设备 典型的如将直线加速器 微型多叶准直器和自动摆位装置结合为一体的 诺力刀 把小型直线加速器安装于机械手来灵活进行等中心或非等中心投射的 赛博刀 这两者都采用影像引导 IGRT 下的定位方式 但后者还带有一个反馈跟踪系统 以使机械手实时跟踪由于器官运动造成的靶目标位置的变化 目前 已有人在研究如何以微型MLC来代替现有赛博刀上的圆形准直器 以扩充它的用途 如进行适形 调强的功能 8 2 三维适形放射治疗射野成形设备三维适形放射治疗 3DCRT 是指在照射方向 BEV 上 射野的形状与病变 靶区 的形状一致 从而保护危及器官 它主要用于治疗头颈部及体部体积较大 直径大于3cm 形体不规则的肿瘤 它利用三维治疗计划系统 3DTreatmentPlanningSystem 3DTPS 设计多个共面或非共面不规则射野来对肿瘤进行照射 能在三维立体靶区上形成较高的剂量 形成不规则适形野的设备通常有适形铅挡块和多叶准直器两种 后者由于使用方便和避免铅污染而成为用户首选 从结构上多叶准直器又可以细分为全自动 半自动和手动三种形式 其重要的参数有叶片间泄漏量 叶片厚度 叶片过中距离 半影大小 最大射野尺寸 叶片移动速度 整体重量等 常见进口MLC有内置式的多叶准直器 外挂式电动或手动MLC 如BrainLab公司MicroMLC Fisher公司的手动MLC 目前国内多家厂家研制了手动MLC 如北京大恒 第一军医大学等 全自动内 外置式MLC由深圳一体智能公司研制 其全自动MLC性能已达国外先进水平 9 3 调强放射治疗设备调强放射治疗 IMRT 是在三维适形放射治疗基础上发展起来的一种先进的体外三维立体照射技术 它不仅能使照射野的形状在BEV方向上与肿瘤的形状一致 而且还可对照射野内各点的输出剂量进行调制 调强 从而使其产生的剂量分布在三维方向上与靶区高度相适形 因此它比3DCRT更先进 适应于各种形状 例如与危及器官毗邻的马鞍形肿瘤 的肿瘤治疗 当前IMRT的实现方式主要是在常规加速器上配置相应软硬件来实现 其中最常见的三种是静态MLC调强 动态MLC调强和二维补偿器调强 静态MLC调强是将射野要求的强度分布分级 利用MLC形成的多个子野进行分步照射 StopAndShoot 其特征是每个子野照射完毕后 照射切断 MLC再形成另一个子野 继续照射 直到所有子野照射完毕 所有子野的流强相加 就能形成所要求的束流强度分布 但实际应用时 应注意各子野边界处的剂量衔接问题 10 动态MLC调强是利用MLC各对叶片各自的不同相对运动 实现对射野强度的调节 其特征是叶片运动过程中 射线一直处于 照射 状态 此种调强方式的准确度决定于电动MLC对其叶片运动速度的精确控制 二维补偿器调强是根据射束与物质相互作用的衰减原理 用二维衰减器来产生所要求的强度分布 目前国内正开始对以上的IMRT调强方式进行研究 如北京大恒 深圳一体智能公司 上海拓能等都相应开发了调强放射治疗计划系统软件 一体智能则开发了带有全自动MLC的软硬件系统 可在现有的治疗机实现功能上的升级换代 以进行调强适形放疗 11 除了以上常用的调强方式外 国外又出现了多种新型的IMRT系统 1 美国NOMOS公司的Peacock系统 采用串列断层治疗 SerialTomo therapy 技术 利用特殊的调强多叶准直器 MIMiC 的旋转照射 并与加速器治疗床的步进运动相结合 以实现逐层调强治疗 其原理是治疗过程中把MIMiC形成的两个邻接狭窄条形野都用20对小叶片分割成20个小野 当机架旋转每隔5 10 时 这些小野按程序闭合 闭合时间随机价位置不同而异 这样在空间上形成对射野形状及强度调制效果 该调强技术自动化程度高 使用方便 其缺点是治疗时间长 因此必须克服器官运动的负面影响 同时由于床步进运动的误差及组织的运动 可能造成薄层相邻区受到超剂量或欠剂量照射 2 ScanditronixMM50回旋加速器的IMRT系统 采用窄束扫描 ScanningBeam 技术 利用计算机控制电磁扫描电流的大小 在照射野内不同区域产生强度和能量不同的笔形电子或X射线 形成所要求的剂量强度分布 它具有同时对强度和能量进行调制的功能和治疗时间短的优点 但其价格昂贵 12 3 X射线断层调强放疗 由美国RockMackie等开发 他们将螺旋CT MLC以及直线加速器结合在一个整机中 即在X CT机的机架内又安装了一台6MV的小型直线加速器 把精确的CT成像和IMRT技术紧密地结合起来 在一个装置上同时实现放疗时的病人定位 送束治疗和治疗时的剂量监督和治疗后对治疗计划的验证 4 采用机械手的IMRT 研制赛博刀的科学家已在此基础上 增加了IMRT的功能 5 带有MLC的钴60治疗机IMRT 13 四 精确放射治疗技术的研究热点与发展趋势 1 器官的生理运动影响与IGRT的研究精确定位是精确放疗的前提 对于位置相对固定的器官或靶区 已有较完备的定位方法 但如何消除器官的生理运动的影响 如呼吸运动 肿瘤的增大或缩小以及器官的弹性形变等 尚在研究之中 曾开展过呼吸门控技术对消除呼吸运动影响的研究 近来有学者或厂家将治疗机与影像设备结合在一起 利用先进的影像导引技术 来对患者进行靶区自动定位 而且治疗过程中治疗机可自动跟踪靶区位置的变化 来减少由于摆位和病人解剖位置的变化如呼吸运动 膀胱充盈 小肠蠕动等引起的位置差异 即IGRT 2 IMRT的质量保证与质量控制研究IMRT集合了多种新技术 计划设计与验证必须严谨细致 其中 IMRT的质量保证与质量控制尤为突出 关于常规放疗和适形放疗 目前已有规范的QA QC方法与手段 但IMRT却较之复杂很多 如何进一步做好准确 简便的QA QC 是物理师们的一个紧迫课题 14 3 多维放疗技术与生物适形的研究目前的放疗技术已实现从二维到三维的转变 至今尽管仍存在一些问题尚待改进 但总体上 三维精确放疗的物理技术已基本趋于成熟 可以说精确放疗中物理技术的发展将促进医学的进一步发展 如精确放疗中的最大困难在于医生对临床靶区CTV的勾画多带有经验性和不确定性 勾画的靶区中常会遗漏亚临床病灶 此外在调强或适形放疗中 在靶区内并不考虑生物因素 而只要求达到物理剂量的均匀 这样的要求并不合理 为进一步改进精确放疗的疗效又提出了多维放疗技术的概念 所谓四维照射技术 就是在三维照射技术的基础上加上时间概念 主要包括适时照射和自适应照射 AdaptiveRadio therapy 即在治疗的前若干次每天行1次影像学检查并通过放射治疗计划系统确定其计划靶区 然后综合分析这几次的结果来确定最终的计划靶区 五维照射技术是在四维照射技术的基础上将肿瘤及正常组织的放射生物学因素考虑在内 引入了生物靶区BTV的概念 15 目前的3DCRT和IMRT已经做到了剂量的物理适形 而没有考虑肿瘤异质性的生物因素 即一个肿瘤内存在生物学行为不同 放射敏感性不一的许多肿瘤亚群 近年来医学影像学已有了飞速的发展 并介入了生物学 生理学 如MRI 功能性MRI fMRI 单光子放射断层扫