放射物理学

第十一章 调强适形放射治疗,放射治疗与手术治疗一样是一种局部治疗手段，其追求的目标是提高放射治疗的治疗增益此，即最大限度地将剂量集中到病变(靶区)内，杀灭肿瘤细胞，而使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射。X射线立体定向治疗和高能质子治疗的临床成功经验揭示与证明，采用物理手段改善病变(靶区)与周围正常组织和器官的剂量分布，能够有效地提高治疗增益。,适形放射治疗定义,适形治疗(Conformal Therapy)是一种提高治疗增益的较为有效的物理措施。适形放射治疗为一种治疗技术，使得：高剂量区的形状在三维方向上与靶区（病变）的形状一致。从这个意义上讲，学术界将它称为三维适形放射治疗(3DCRT),第一节 适形放射治疗的分类及历史发展,为达到剂量分布的三维适形,必须满足下述必要条件,在照射方向上，照射野的形状必须与病变（靶区）的投影形状一致。2. 射野内诸点的输出剂量率必须按要求的方式进行调整，使得靶区病变内及表面的剂量处处相等：,A 射野形状适形（BEV） B射野内强度调节,适形放疗中，靶区内及靶区表面各点的剂量应相等，即各野到达某点的剂量率和照射时间的乘积之和应为常数。,适形放射治疗的分类经典适形放射治疗（Classical Conformal Radiation Therapy）只满足第一个必要条件调强适形放射治疗（Intensity-Modulated Radiation Therapy, IMRT）同时满足两个必要条件,调强适形放射治疗的历史,早在1959年日本的Takahashi医师提出了适形放射治疗的概念。Takahashi医师及其同事设计了一套机械控制系统，用它来控制多叶准直器，在围绕患者旋转照射时射野形状与靶区的形状一致。Proimos及其同事1960年提出了同步挡块旋转照射方法。Green1959年提出了循迹扫描原理。Umegaki1971年在直线加速器上安装了多叶准直器。用机械方式控制，逐渐发展到今天用微机控制。调强适形放射治疗是由Bjarngard，Kijewski及其同事在20世纪70年代最先提出，但由于当时的技术条件在临床上还不能实现，逆向治疗计划方法的提出和微机控制MLC技术的发展，为IMRT的临床应用提供了必要的条件。,调强定义调强:将直线加速器或钴-60治疗机的均匀剂量(率)输出的射野变为不均匀剂量(率)输出的射野的过程。调强装置(器或方法): 实现调强过程的装置。,为什么要开展IMRT？,1.放疗中约有30%的病例是凹形靶区，只有用调强方法才能得到这种形状的高剂量分布，而周围正常组织剂量很小。,2.能够作调强治疗的设备和技术已商业化。,3.照射可实现数字化。,4.用于IMRT的射野注量(强度)分布的逆向设计算法已经成熟。,5.CT/MRI/SPECT/PET等影像设备,可以更加精确地确定靶区和周围正常组织、器官的几何结构,6.IMRT的验证和QA技术不断涌现。,调强的概念启发于X射线横向断层CT成像的逆原理。当CT的X射线球管发出强度均匀的X射线束穿过人体后，其强度分布反比于组织厚度与组织密度的乘积，反向投影后形成组织的影像；反之，如果使用类似于CT-X射线穿过人体后的强度分布的高能X（)线束、电子束或质子束等，绕人体旋转照射，在照射部位会得到类似CT断层影像的适形剂量分布。根据调强的概念，首先要根据病变(靶区)及周围重要器官和组织的三维解剖，利用计划系统计算出射野照射方向上应有的强度分布，它是常规治疗计划设计的逆过程，称为逆向计划设计,第二节 适形放射治疗的临床价值,适形治疗概念的提出和进行临床研究，始于1959年。适形治疗的结果是:高剂量分布区与靶区的三维形状的适合度较常规治疗大有提高；进一步减小了周围正常组织和器官卷入射野的范围。这已在鼻咽癌、前列腺癌、非小细胞肺癌等三维适形治疗与常规治疗的研究比较中得以证实。因靶区剂量分布的改善和靶周围正常组织受照范围的减小，可导致靶区处方剂量的进一步提高和周围正常组织并发症的减低，并且在上述几种癌瘤的临床增量计划研究中得以证实。理论认为，靶区剂量提高，必然导致肿瘤局部控制率的提高，进而提高生存率。,IMRT提高癌症患者生存率的假设,肿瘤局部控制的最低剂量,（Fletcher 1973）,大量临床报告证明:高剂量照射会提高肿瘤的局部控制率和无瘤生存率,3D适形照射和双侧等中心旋转标准照射治疗前列腺癌的有关剂量学参数的比较,适形放射治疗的临床研究,肿瘤对放射线的抗拒和肿瘤的个体差异，造成剂量响应曲线随剂量继续增加变得平坦，会减弱由于靶剂量增加带来的治疗增益的提高；但由于三维适形治疗使靶区外周(边缘)剂量得到提高，靶剂量的提高总体上能提高局部控制率。同样，因肿瘤局部控制率的提高，也会因肿瘤的远地转移减少而提高生存率。,适形放射治疗的临床价值,临床适应症,肿瘤局部控制失败占主要的癌瘤因肿瘤局部控制失败导致远地转移的癌瘤解剖结构复杂、形状比较复杂，特别是凹形靶区; 或多靶点的肿瘤的治疗常规放疗疗效很好，希望进一步减少放射并发症和改进患者疗后的生存质量,IMRT原理,凸形靶区,凹形靶区,IMRT,Photon IMRT,Proton IMRT,第三节 调强的方式与实现,根据病变（靶区）及周围重要器官和组织的三维解剖，利用优化设计算法，借助计划系统计算出射野照射方向上的应需要的强度（照射时间或机器跳数）分布,补偿器原用于人体曲面和不均匀组织的补偿。用于调强的二维补偿器具有更广泛的意义。,由具有逆向计划设计的计划系统，提供每个射野的强度分布（ij），然后转换成补偿材料的厚度（tij），输出给PC控制的补偿生成器，进行补偿器的制作。调强补偿器可作为射野挡块的一部分，放置于治疗机的挡块托架上。,a.一维补偿器,b.铝块或铅片叠放式补偿器,不同厚度的铝方块或铅片按强度分布或组织厚度分布人工叠放,c.补偿器生成器生成的二维补偿器,二维物理补偿器技术具有可靠、易于质量保证（质量控制）工作。但因每个野都需要使用补偿器，给模室制作和治疗摆位都带来不便。补偿器作为一种滤过器，也会影响原射线的能谱分布。但仍是目前用得最为广泛的调强器。,其特征是每个子野照射完毕后，照射切断，MLC调到另一个子野，再继续照射，直到所有子野照射完毕。所有子野的流强相加，形成要求的强度分布。,MLC静态调强是将射野要求的强度分布进行分级，利用MLC形成的多个子野进行分步照射。,MLC静态调强由于每个子野照射结束后，射线必须切断，才能转到下一个子野。这样因加速器的射线的“ON”、“OFF”动作，影响剂量率的稳定性，因此它只能在带有“栅控”电子枪的新型加速器上才可能实现这种照射。,调强实现方法,调强治疗实现方法分类,MLC动态调强是利用多叶准直器的互相对应的一对叶片的相对运动，实现对射野强度的调节。该技术的特征是叶片运动过程中，射线一直处于“ON”的位置。叶片运动的特点是一对相对叶片总是向一个方向运动。,相对的两个叶片中，有一片称为引导片，先运动到一个位置；然后另一片称为跟随片，按选定的速度运动，给出各点所需的强度。此技术在文献中有不同的称呼，如相机快门技术、叶片跟随技术和滑窗技术等。,调强实现方法,调强治疗实现方法分类,MLC螺旋调强技术综合了MLC动态调强技术、MLC断层治疗技术和MLC静态调强技术的特点。在整个照射过程中，治疗机机架绕患者作N次等中心旋转；每一次旋转过程中，MLC不断（一般每间隔5）改变射野的大小和形状，完成一组“子野”的照射。因为MLC旋转调强时MLC运动的范围和次数都低于MLC动态调强和MLC静态调强，效率较高。,断层治疗技术，因模拟X射线计算机断层技术而得名，它是利用特殊设计的MLC形成的扇形束绕患者体纵轴（此轴一般与加速器机架旋转轴一致）旋转照射，完成一个切片治疗。然后利用床的步进，完成下一个切片的治疗。本方法类似于英国Green氏在20世纪60年代倡导的循迹扫描技术。按床的行进方式的不同，在美国的两个不同地方，分别独立地发展了两种不同的断层治疗方式：步进（Index）方式和螺旋（Spiral）方式。,调强治疗实现方法分类,螺旋方式是采取螺旋CT扫描方式，机架边旋转，治疗床边缓缓前进，实现扇形束的调强切片治疗。,步进式是在每次旋转照射完毕后，床步进一段距离。,调强实现方法,调强治疗实现方法分类,电磁偏转扫描技术是实现调强治疗的最好方法。它具有X光子的利用率很高，治疗时间短的突出优点，而且可实现电子束、质子束的调强治疗。因MM50型电子回旋加速器能够提供品质好的能量束流，能谱窄、能量单一的高能X射线和高能电子束，利用电子束的电磁偏转，实现方向可变、强度各异的X射线和电子束的调强笔型束的扫描式照射。,调强实现方法,调强治疗实现方法分类,一种新型的二维调强准直器。它由N*N个准直器单元组成（每个单元形成一个单元野），类似于棋盘式的结构，称为棋盘式准直器。准直器单元分为全阻挡单元和全开放单元两种，每个单元在等中心处的射野为5mm*5mm或10mm*10mm，它们的几何形状，在放射源（X射线靶）处聚焦。全阻挡单元由12cm厚的固体射线衰减材料制成，不让射线穿过。全开放单元全部露空，对射线无阻挡。,照射时，通过气泵向露空单元内按预定方式充入一定厚度的水银（补偿器厚度），完成一次照射；然后准进器平移一个单元的位置，或旋转90角，露空单元和阻挡单元互换位置，再照射一次，完成调强过程。该种准直器具有简单、可靠、易于剂量控制和射野验证等突出优点。但可能因水银蒸发引起水银气污染，一直未被FDA批准临床应用。目前正在积极开发和研制类似的新型的二进制的固体调强准直器，主要思路是将棋盘准直器中的全阻挡单元分成上、下两层，靠上、下层阻挡块的平移调整露空单元野下的剂量，实现调强。,调强实现方法,作为MLC的一个特例，独立准直器可看作是两对互相垂直的独立的MLC叶片。利用它们的相对运动，也可以实现调强。其方法类似于静态调强技术，将射野分成若干个矩形子野，进行分步照射。因子野总是矩形野，照射效率比静态调强技术的低得多。,与现今流行的调强技术相比，IC静态调强具有下述优点：（1）因IC已成为新一代加速器的标准配置，IC比MLC更为经济；（2）与MLC相比，没有凹凸槽效应，漏射线和射野半影都较小；（3）IC运动要比MLC运动更为可靠，故障机会大为减少。Webb氏最近提出IC技术加调强补偿片（MASK）方法，可将其照射效率大大提高。目前该技术正在发展中。,调强实现方法,调强治疗实现方法分类,条形挡块移动技术是利用一个长条吸收体横跨平野，以不同速度运动，形成一维强度分布。长条吸收体由计算机控制，连同驱动电机一起构成的附件，直接放入加速器的挡块托架上。,第四节 三维适形放疗对设备的要求,放射治疗全过程包括病变(靶区)和重要器官及组织的空间定位、治疗计划设计、治疗方案的模拟及治疗方案的实施四个阶段。 70年代CT的出现给放射治疗的肿瘤定位提供了一种较有效的和较精确的工具，特别对轮廓的勾画和组织密度(通过CT值转换)为放疗医师、放射物理师提供了第一手的资料。但因常规CT只能提供两维的信息，病变(靶区)、器官和组织的三维结构是在治疗计划系统中通过简单的坐标叠加和勾画形成，这样形成的三维轮廓的精确性随CT扫描层厚和间距的加大而变劣，改进的方法是利用现代的螺旋CT和三维重建技术。配有立体定位框架的螺旋CT将是作三维适形放疗(3DCRT)的一种必备的工具，因为它能提供直接的准确的病变(靶区)及器官的三维信息。为放射治疗定位目的，MRI是作为CT定位的一种辅佐工具。为此，需要发展CT与MRI图像的融合技术(软件技术)。,像常规放疗一样，三维适形放疗也需要分次照射。保证从肿瘤定位到每天重复照射时体位的精确重复是实施三维适形放疗的根本措施。采用精确的治疗体位的固定技术，不仅使适形放疗具有实际的临床意义，而且能够进一步的缩小计划靶区（PTV）的范围，使它更加接近于临床靶区（CTV）。因此，三维适形放疗过程中必须采用立体定向定位摆位框架。否则，就不能保证治疗过程中患者坐标系的一致性。,治疗计划设计是放射治疗过程中极其重要的一环，在治疗计划系统(一种专用电子计算机)中进行。治疗计划系统的主要功能是接受CT/MRI输出的图像(通过网络、中间介质等)，病变（靶区）及重要器官和组织轮廓的勾画及重建，制订一个优化的治疗方案，输出治疗方案的细节以及实施该治疗方案所需的治疗辅助工具（如挡块、组织补偿等）制作细节。目前国内外市场上销售的治疗计划系统名目繁多，但都是二维系统，加上三维图像处理和显示软件后称其为两维半系统，其主要缺点是：（1）由于CT/MRI信息为两维的，加上两维图像的简单坐标叠加，不能给出准确的三维影像，造成病变（靶区）定位的失真和畸变。（2）对体内不均匀组织密度对剂量分布影响的处理较为简单，剂量计算的精度不高。（3）由于没有采用逆向算法，优化设计很困难，甚至变得不可能。,适合调强适形放疗的治疗计划系统必须克服上述三大缺点，还必须具有下述几大特征：（1）不仅要采用较为精确的（正向）剂量算法（特别是对散射线的处理），还必须有逆向算法。（2）必须具有三维数字图像重建（DDR）功能。（3）不仅冠状、矢状、横断及任意斜切面图像及剂量分布显示功能，还必须有射野方向观视（BEV）和医生方向观视（REV）的功能。（4）安排和设计射野时，必须具有模拟类似常规模拟定位机的射野选择功能，包括准直器种类（对称式、独立式、多叶准直器）和大小、放置射野挡块和楔形板等。,（5）治疗方案确认后，能够将射野条件传送到CT机上进行治疗模拟。此过程称之为CT模拟（CT Simulation）。CT模拟机是一台专为放射治疗设计的专用的CT机，包括CT机、专用模拟软件和定位系统。其特点是：扫描孔径（FOV）必须很大，允许不同体位的患者作CT扫描；床面必须与治疗的床面一样，同时附有安装治疗体位固定器的辅助装置；带有射野模拟的三维激光模拟系统；因此，计划系统必须能实现与CT模拟的通信。专用模拟软件既可以单独成系统，也可以成为3D治疗计划系统的一部分。(6)治疗方案确认后，治疗条件能够传送到治疗机的计算机，包括机架、准直器、治疗床的转角与范围；射野大小、方向、多叶准直器的叶片位置；照射过程中叶片的运动范围及速度等。(7)治疗方案确认后，治疗的辅助装置如射野挡块、组织补偿等的参数能传送到相应的装置制作器上。(8)能够接收和比较治疗机射野影像系统传送来的射野确认图像。,治疗机是实现精确治疗的关键设备。医用电子加速器主要有电子回旋加速器和电子直线加速器两种，它们既可产生治疗深部肿瘤的MV级X射线，亦可产生治疗表浅肿瘤的MeV级电子束。医用电子回旋加速器以MM5O为代表，成为X射线、电子束三维适形放射治疗的新一代治疗机。医用电子直线加速器在功能和技术上均有显著的进展，表现为:采用复合靶、复合均整块和电子扫描系统改善了X射线和电子束的剂量分布特性；采用能量开关或功率分配技术获得能谱相同的高低两档X射线和实现X射线能量的连续调节；采用独立运动准直器，实现非共面相邻野的剂量衔接和产生动态虚拟楔形板。适合调强适形放疗的电子加速器除具备上述的先进功能外，还必须具备多叶准直器及控制MLC运动的计算机系统。MLC运动包括在照射方向上射野大小和形状的自动设置和在照射过程中叶片能按预定要求调节射野内的输出剂量率。为配合动态治疗和非共面动态旋转，要求治疗机的机架、准直器和治疗床在照射过程中实现计算机控制的联合运动。,计算机控制的适形放疗,治疗证实是治疗准确执行的重要保证，包括治疗条件的验证与记录验证记录系统，照射中射野及体位的监测射野影像系统；患者体内剂量监测活体剂量测量系统等。 在适形治疗的模式下，通过电子计算机构成的网络系统，将上述系统连成一体，可实现高精度的病变(靶区)及器官的三维定位，高精度的计划设计(包括剂量计算)和高精度的治疗。整个治疗过程中必须保证从CT定位到加速器治疗的整个过程中患者体位的一致。,也称立体定向放射外科技术。1949年瑞典神经科学家Leksell首先提出了放射外科学理论，设想利用立体定向技术，使用大剂量的高能量射线束（X、质子、中子等）一次性摧毁靶点的病变组织。此后近二十年有许多科学家进行了研究和实验，于1968年建造了世界上第一台 刀，并于1972年1974年成功地做了二十多例脑动静脉畸形和癌症手术。从此刀开始用于治疗各种神经外科和癌症疾病。,第五节 X（）射线立体定向放射治疗,立体定向放射治疗原理是： 采用静态几何聚焦原理，把窄束放射线从不同方向定向准直照射颅内病灶，在病中心（靶点）形成大剂量聚焦。在短时间内将病灶击毁，而靶点之外的健康组织所受到的照射剂量却很小，从而达到了比手术切除更好的效果。,刀和X刀并非通常意义上的有利刃、有把柄、能切割的金属刀。称其为“刀”是因为它能象手术刀那样切除肿瘤，冠以“X”或“”是因为原动力来自X射线和射线，所以也是一种放射治疗。,被称为“刀”，须满足两个条件：较大的“焦皮比” 所谓“焦皮比”，就是单位体积内病变组织与健康组织所受剂量之比。一般来说，焦皮比在100：1以上的放射治疗设备才能称之为“刀” 准确的定位 利用X-CT、MRI、DSA等现代化的诊断手段，加之“立体定位”技术，使射线的焦点准确地与病灶点重合，而不损伤病灶点周围的健康组织,目前，立体定向方法有三种： 静态式；动态旋转扫描式；弧形等中心式 相应地有静态-刀、旋转式-刀和体部-刀三大系列射线手术刀产品,静态-刀 瑞典的Elekta公司是静态-刀的唯一生产厂家，1968年第一台刀问世，用179个钴60源；1974年第二代刀用201个钴60源，照射直径达430mm；八十年代发展了第三代刀，用多个等剂量中心，更换各种准直器头盔，应用范围扩大到颅内肿瘤和血管畸形。 Leksell型静态-刀适用于头部。,静态-刀由放射源释放组件、准直器头盔、液压系统，病人治疗床、控制台和治疗计划系统等部分组成,多个钴源呈半截球形分布在厚金属防护的中央体内，每个钴源为1.1TBq （30Ci），共计6,000Ci。,放射源释放组件包括：铸铁半球形屏蔽壳体装有201个钴60辐射源的中心体及屏蔽门等,准直器头盔呈半球形结构，有201个束道每一束道均有源衬套组件钨合金预准直器和准直器以产生正确的束的角度和直径,液压系统用来开启和关闭屏蔽门以及将病人治疗床移进移出准直器头盔控制台上有两个定时机构用来控制辐射曝光时间另外还有红外摄像监视器、对讲机、治疗开关等安全锁止系统在检出技术故障时会终止仪器运行,旋转式-刀 旋转式-刀是由中国深圳OUR公司率先研制成功。它在静态式-刀的基础上作了重大改进，设计更为合理。旋转式-刀也只适用于头部。 旋转式-刀采用旋转聚焦的工作原理，装在旋转式源体上的30个放射源绕病灶中心做锥面旋转聚焦运动，由于射线束不是以固定路径穿越健康组织，致使健康组织中受到瞬时及几乎无伤害的照射,旋转式-刀的旋转式源体由半球缺状球墨铸铁制成，上有30个钴源装载位置及准直器孔道，分成6组，每组5个，按螺旋线交错有序地布置在球面上。当源体旋转时，则形成30个锥面，30个钴源的几何轨迹无一重迭，因此对健康组织损伤最小；而且，由于采用旋转式布置，相邻两个源的准直通道夹角最大，故射线产生“交叉半影”最小,体部-刀 全身-刀的工作原理与动态旋转式头部-刀相同，只是总体结构布局、放射源钴60的分布、屏蔽与防护、以及人体的全身立体定位更为复杂。 体部-刀主要适用于躯干部位的肿瘤,治疗流程,固定扫描治疗计划摆位核准和治疗同三维适形、调强流程一致，要求不同,第一步:定位头架的安装,测量固定架数据，用于复位,第二步:进行磁共振或CT扫描,第三步:治疗计划的设计,利用固定装置内在标记，可进行图像的扭转、位移校正计划评估和确认各项摆位参数的确定摆位图片等,第四步:病人的治疗实施,患者平躺在伽玛刀的治疗床上依照原先确定的靶组织坐标，医师们将患者的头部放入适当的准直器头盔内治疗在很短的一段时间内完成，一般全部过程大约持续40-60分钟，当然这还得根据治疗计划的复杂程度和靶点数目而定并且在整个治疗过程中，医生可以通过对讲电话随时与患者保持联系最后，治疗床从伽玛刀主体设备中退出结束治疗,刀的特点 无手术治疗，病人无痛苦； 手术精确，误差小（0.1mm）； 简便省时,每次治疗只需3-小时； 新一代刀配合CT、MRI及计算机，使治疗过程自动化和程序化。,刀的临床应用 伽玛刀、X刀治疗适应症：1.所有的脑内良、恶性肿瘤：脑膜瘤、垂体瘤、 脑转移瘤、松果体瘤、三叉神经瘤、听神经 瘤、血管网织细胞瘤、脊索瘤、雪旺氏神经鞘瘤、NPH癌等2.癫痫；3.脑血管畸形、脑血管瘤；4.五官肿瘤：鼻咽癌、颅咽管瘤、鼻血管纤维瘤、 内耳肿瘤、眼球后肿瘤；5.功能性脑神经疾病： 三叉神经痛、顽固性 头痛、帕金森氏病。,奥沃伽玛刀,X-刀是继-刀之