有效治疗计划设计物理原理和生物学基础

1、有效治疗计划设计物理原理和生物学基础理想剂量学曲线理想剂量学曲线治疗计划设计的治疗计划设计的物理原理物理原理 和和 生物学基础生物学基础治疗增益比治疗增益比= （某种治疗技术）（某种治疗技术）肿瘤控制率肿瘤控制率 ：周围正常组织周围正常组织损伤率损伤率治疗比治疗比=正常组织耐受剂量正常组织耐受剂量 ： 肿瘤致死剂量肿瘤致死剂量 照射野内肠管的耐受剂量为照射野内肠管的耐受剂量为5000cGy，精原细胞瘤的致死，精原细胞瘤的致死剂量为剂量为2500cGy，治疗比为，治疗比为21（有可能治愈）；（有可能治愈）； 照射野内肠管的耐受剂量为照射野内肠管的耐受剂量为5000cGy，畸胎瘤的致死剂量，畸胎瘤

2、的致死剂量为为10000cGy，治疗比为，治疗比为0.51治疗比治疗比1 剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明 如何提高增益比？如何提高增益比？ 放射源放射源 照射技术照射技术 射野设计射野设计 时间剂量因子时间剂量因子TD5/5TD50/5 正常组织耐受量分为两种正常组织耐受量分为两种 最小损伤剂量：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中，最小损伤剂量：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中，治疗后治疗后5年，因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过年，因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过5% 最大损伤剂量：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中

3、，最大损伤剂量：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中，治疗后治疗后5年，因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过年，因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过50%理想情况下：最佳剂量理想情况下：最佳剂量TD5/5不利情况下：最佳剂量不利情况下：最佳剂量治疗区的剂量）；治疗区的剂量）；危及器官及其剂量危及器官及其剂量危及器官危及器官(organ at risk, OAR):指可能卷入照射野内的重要指可能卷入照射野内的重要组织或器官（耐受剂量组织或器官（耐受剂量TD5/5、 TD50/5 ）计划危及器官计划危及器官(planning organ at risk volume, PORV):指指OAR本身和

4、由于器官运动、治疗摆位误差的影响，其扩大本身和由于器官运动、治疗摆位误差的影响，其扩大后的范围后的范围 危及体积危及体积(risk volume, RV):危及器官危及器官OAR卷入射野内并受卷入射野内并受到一定剂量水平照射的范围。到一定剂量水平照射的范围。V靶区平均剂量：靶区平均剂量：PTV内均匀分割的剂量矩阵内的剂量的平均值内均匀分割的剂量矩阵内的剂量的平均值 Dij为第为第ij个矩阵格点内的剂量；个矩阵格点内的剂量；N为靶区内均匀分割的剂量矩阵格点数为靶区内均匀分割的剂量矩阵格点数靶区中位剂量靶区中位剂量:PTV内最大剂量和最小剂量的平均值剂量；内最大剂量和最小剂量的平均值剂量；靶区模剂

5、量靶区模剂量: PTV内频率出现最多的剂量；内频率出现最多的剂量；剂量热点剂量热点: ITV外大于规定的靶剂量的热剂量区的范围（剂量热外大于规定的靶剂量的热剂量区的范围（剂量热点的面积点的面积2cm2cm）外照射靶区剂量分布的规定外照射靶区剂量分布的规定靶区剂量归一的规定点靶区剂量归一的规定点 治疗计划系统中，靶区及正常组织中的剂量分布均表治疗计划系统中，靶区及正常组织中的剂量分布均表示成以靶区内某一点剂量归一的相对剂量分布的形式，该点示成以靶区内某一点剂量归一的相对剂量分布的形式，该点称为靶区剂量归一的规定点。称为靶区剂量归一的规定点。ICRU报告中对此作了规定（七原则）报告中对此作了规定（

6、七原则）ICRUICRU报告对靶剂量规定点的说明报告对靶剂量规定点的说明规定规定1 1：靶剂量应针对具体的解剖部位、照射技术及其剂量：靶剂量应针对具体的解剖部位、照射技术及其剂量分布；对一个以上的计划靶区，应该有相应的靶剂量。一旦分布；对一个以上的计划靶区，应该有相应的靶剂量。一旦靶剂量规定点确定以后，不应随疗程中照射野及其安排的改靶剂量规定点确定以后，不应随疗程中照射野及其安排的改变而改变。变而改变。规定规定2 2：对只有一个计划靶区或多计划靶区的第一个计划靶：对只有一个计划靶区或多计划靶区的第一个计划靶区（通常是肿瘤区），靶剂量规定点选在计划靶区中心或中区（通常是肿瘤区），靶剂量规定点选在

7、计划靶区中心或中心附近。对多计划靶区的第心附近。对多计划靶区的第2 2，第，第3 3个计划靶区，靶剂量规定个计划靶区，靶剂量规定点应是解剖部位和剂量分布的代表点，并应注明这些点的位点应是解剖部位和剂量分布的代表点，并应注明这些点的位置。置。规定规定3 3：靶剂量以及其他剂量规定点不能选在剂量变化梯度：靶剂量以及其他剂量规定点不能选在剂量变化梯度大的地方，即剂量规定点应至少离开射野边缘大的地方，即剂量规定点应至少离开射野边缘2cm2cm规定规定4 4：对固定野（包括等中心和固定源皮距）照射，按下：对固定野（包括等中心和固定源皮距）照射，按下述方法选取靶剂量规定点：述方法选取靶剂量规定点：单野照射

8、时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴上计划单野照射时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴上计划靶区中心处；靶区中心处；等剂量比的两个对穿野照射时，靶剂量规定点应选在两等剂量比的两个对穿野照射时，靶剂量规定点应选在两照射野中心轴的中点；剂量比不等时，靶剂量规定点应选照射野中心轴的中点；剂量比不等时，靶剂量规定点应选在两照射野中心轴上计划靶区中心；在两照射野中心轴上计划靶区中心； 两野或三野以上交角照射时，靶剂量规定点应选在照射两野或三野以上交角照射时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴的交点处野中心轴的交点处ICRU报告对靶剂量规定点的说明报告对靶剂量规定点的说明ICRU报告对靶剂量规定点的说明报告对靶剂

9、量规定点的说明规定规定5：X线旋转治疗时，靶剂量规定点应选在旋转主平面的线旋转治疗时，靶剂量规定点应选在旋转主平面的旋转中心处；当旋转角小于旋转中心处；当旋转角小于270时，靶剂量规定点也可选在时，靶剂量规定点也可选在计划靶区中心处。计划靶区中心处。 旋转中心的安排应使得计划靶区中心的剂量接近于最大剂量。旋转中心的安排应使得计划靶区中心的剂量接近于最大剂量。规定规定6：高能电子束单野照射：高能电子束单野照射 当线束垂直入射时，靶剂量规定点应选在射野中心轴上最大当线束垂直入射时，靶剂量规定点应选在射野中心轴上最大剂量点处；剂量点处； 当线束斜入射或使用不规则射野时，当线束斜入射或使用不规则射野时

10、，若用计算机计算剂量分布，靶剂量规定点选在射野中心轴上若用计算机计算剂量分布，靶剂量规定点选在射野中心轴上计划靶区中心处；计划靶区中心处；若用查表计算时，靶剂量规定点应选在假设射野垂直入射时，若用查表计算时，靶剂量规定点应选在假设射野垂直入射时，射野中心轴上最大剂量点处；射野中心轴上最大剂量点处；ICRU报告对靶剂量规定点的说明报告对靶剂量规定点的说明规定规定7：如果靶区剂量分布的剂量归一点（：如果靶区剂量分布的剂量归一点（100%）与上述靶剂）与上述靶剂量规定点一致时，量规定点一致时，100%等剂量线就代表靶剂量；如果不一致等剂量线就代表靶剂量；如果不一致时，用相应的等剂量线计算靶剂量。时，

11、用相应的等剂量线计算靶剂量。 剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明 如何提高增益比？如何提高增益比？ 放射源放射源 照射技术照射技术 射野设计射野设计 时间剂量因子时间剂量因子放射源的合理选择放射源的合理选择单野照射，肿瘤区域剂量分布不均匀单野照射，肿瘤区域剂量分布不均匀对较深部的肿瘤，应选择较高的射线能量对较深部的肿瘤，应选择较高的射线能量X X射线射线高能高能X X射线剂量分布特性与理想曲线比较射线剂量分布特性与理想曲线比较放射源的合理选择放射源的合理选择 对一般对一般20cm20cm体厚的患者，体厚的患者，1025MV X1

12、025MV X射线比较理想射线比较理想 体厚特别大（体厚特别大（30cm30cm）时，选用）时，选用32MV X32MV X射线射线X X射线射线放射源的合理选择放射源的合理选择常用相对野结合治疗中位或偏位病变常用相对野结合治疗中位或偏位病变X X射线射线相对野照射，前后距离相对野照射，前后距离25cm25cm的中位病变的中位病变32MV X射射线骨吸收线骨吸收重重X X射线剂量特性与理想剂量曲线比较射线剂量特性与理想剂量曲线比较高能电子束剂量特性与理想剂量曲线比较高能电子束剂量特性与理想剂量曲线比较高能电子束高能电子束只适用于治疗表浅、偏心部位的肿瘤，且以单野照射较好只适用于治疗表浅、偏心部

13、位的肿瘤，且以单野照射较好放射源的合理选择放射源的合理选择电子束和电子束和X射线混合束治疗不同深度的肿瘤射线混合束治疗不同深度的肿瘤放射源的合理选择放射源的合理选择A8MV X射线射线B合成剂量分布（合成剂量分布（1:1）C20 MeV电子束电子束剂量比变化？剂量比变化？高传能线密度（高传能线密度（LET）射线：快中子、）射线：快中子、 负介子和其他重离子等负介子和其他重离子等放射源的合理选择放射源的合理选择比较理想比较理想 剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明 如何提高增益比？如何提高增益比？ 放射源放射源 照射技术（体外）：照

14、射技术（体外）：SSD、SAD、ROT 射野设计射野设计 时间剂量因子时间剂量因子体外照射技术体外照射技术固定源皮距（固定源皮距（SSD）技术）技术 固定放射源到皮肤的距离固定放射源到皮肤的距离 在标称源皮距下，将治疗机的等中心放在患者皮肤上（在标称源皮距下，将治疗机的等中心放在患者皮肤上（A点），点），而靶区中心而靶区中心T放在放射源放在放射源S和皮肤入射点和皮肤入射点A两点连线的延长线上两点连线的延长线上技术要点技术要点 机架转角、患者体位要准确机架转角、患者体位要准确体外照射技术体外照射技术技术要点技术要点 升床要准确升床要准确旋转（旋转（ROT）技术）技术 以靶区中心以靶区中心T为旋转

15、中心，用机架的旋转运动代替为旋转中心，用机架的旋转运动代替SAD的的机架定角照射机架定角照射等中心定角（等中心定角（SAD）技术）技术 将治疗机的等中心置于靶区中心将治疗机的等中心置于靶区中心T上上 剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明 如何提高增益比？如何提高增益比？ 放射源放射源 照射技术照射技术 射野设计射野设计X ()射线射野射线射野 时间剂量因子时间剂量因子X（）射线射野设计原理）射线射野设计原理单野照射单野照射X X射线剂量特性与理想剂量曲线比较射线剂量特性与理想剂量曲线比较 靶区范围很小（如颈、锁淋巴结）时适用靶区范

16、围很小（如颈、锁淋巴结）时适用 除此之外，临床上不主张用单野照射除此之外，临床上不主张用单野照射X（）射线射野设计原理）射线射野设计原理 共面射野共面射野 1.两野交角照射两野交角照射偏体位一侧病变（如上颌窦癌）偏体位一侧病变（如上颌窦癌）楔形滤过板楔形滤过板=90- /2内野内野适当增减楔形角的大小，可分别在射野远、近端得到偏高的剂量适当增减楔形角的大小，可分别在射野远、近端得到偏高的剂量30楔形板楔形板60楔形板楔形板X（）射线射野设计原理）射线射野设计原理 当靶区所在部位有组织缺损，必须加楔形当靶区所在部位有组织缺损，必须加楔形板板 共面射野共面射野 2. 两野对穿照射（两射野中心轴的交

17、角两野对穿照射（两射野中心轴的交角=180） 中位病变中位病变3. 共面四野照射共面四野照射两对对穿野正交两对对穿野正交治疗增益比治疗增益比两野对穿技术的两倍两野对穿技术的两倍X（）射线射野设计原理）射线射野设计原理 共面射野共面射野 4. 三野照射三野照射靶区位于体位中心而不能使用两野交角照射靶区位于体位中心而不能使用两野交角照射两野对穿照射因不能得到较高的射线剂量两野对穿照射因不能得到较高的射线剂量靶区附近有重要器官而不能用四野照射技术靶区附近有重要器官而不能用四野照射技术腹部肿瘤如胰腺、腹膜后等病变用的最多腹部肿瘤如胰腺、腹膜后等病变用的最多三野技术中射野方向的设置三野技术中射野方向的设

18、置在病变（靶区）和重要器官之间设立在病变（靶区）和重要器官之间设立“安全线安全线”（如（如AA）过靶区中心作过靶区中心作“安全线安全线”的平行线的平行线BB（对穿野的方向对穿野的方向）过靶区中心作过靶区中心作BB的垂直线的垂直线OC，确定第三野的入射方向，确定第三野的入射方向确定对穿野应使用的楔形板的楔形角、三野的剂量配比确定对穿野应使用的楔形板的楔形角、三野的剂量配比X（）射线射野设计原理）射线射野设计原理 共面射野共面射野 5. 三野交角照射：如食管肿瘤三野交角照射：如食管肿瘤X（）射线射野设计原理）射线射野设计原理 共面射野共面射野 6. 旋转照射旋转照射单野通过靶区中心绕患者旋转一定范

19、围单野通过靶区中心绕患者旋转一定范围皮肤剂量小，靶区剂量高，靶区外剂量下降快皮肤剂量小，靶区剂量高，靶区外剂量下降快相邻野设计相邻野设计射野相邻，会导致射野相接后超剂量或欠剂量射野相邻，会导致射野相接后超剂量或欠剂量射野交接处得到均匀剂量分布的方法：射野交接处得到均匀剂量分布的方法：两相邻射野两相邻射野彼此向外倾彼此向外倾斜斜两相邻射野两相邻射野在皮肤隔开在皮肤隔开半野挡块半野挡块Or独立准直器独立准直器特殊楔形挡块特殊楔形挡块不对称射野不对称射野 不对称射野：射野中心轴偏离线束中心轴的射野不对称射野：射野中心轴偏离线束中心轴的射野如：如：靶区中段每次给靶区中段每次给200cGy靶区上、下段每

20、次给靶区上、下段每次给300cGy 剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明剂量（靶区剂量、正常组织耐受剂量）的相关规定、说明 如何提高增益比？如何提高增益比？ 放射源放射源 照射技术照射技术 射野设计射野设计 时间剂量因子：分次数、次间隔、分次剂量、总疗程时间时间剂量因子：分次数、次间隔、分次剂量、总疗程时间细胞存活理论细胞存活理论线性标尺的细胞存活曲线细胞存活分数在一定剂量范围内呈现指数杀灭特征细胞存活分数在一定剂量范围内呈现指数杀灭特征基本概念基本概念早（急性）反应组织：照射后损伤出现早或增殖快的组织早（急性）反应组织：照射后损伤出现早或增殖快的组织 如皮肤、黏膜、骨髓、精原细

21、胞等如皮肤、黏膜、骨髓、精原细胞等 大部分肿瘤组织属于大部分肿瘤组织属于早反应组织早反应组织晚反应组织：损伤在照射开始后很长时间才表达或增殖慢晚反应组织：损伤在照射开始后很长时间才表达或增殖慢的组织的组织 如肺、肾、脊髓、脑等如肺、肾、脊髓、脑等线性二次线性二次(L-Q)模型模型 线性二次模型（线性二次模型（linear quadratic model, 简称简称L-Q模型），模型），对放射治疗的分割、特别是精确放疗中对放射治疗的分割、特别是精确放疗中“减时增量减时增量”提供提供了计算依据。了计算依据。 注意：该方法不能完全替代临床的经验和判断。注意：该方法不能完全替代临床的经验和判断。线性二

22、次线性二次(L-Q)模型模型 线性二次模型：如果一个线性二次模型：如果一个DNA分子的两个链或一个染色体的分子的两个链或一个染色体的两个臂同时受损时，细胞才被杀灭。两个臂同时受损时，细胞才被杀灭。 可以是单个电离粒子作用的结果可以是单个电离粒子作用的结果 也可以是两个不同电离粒子协同作用的结果也可以是两个不同电离粒子协同作用的结果1.单个电离粒子作用事件的概率正比于照射剂量：单个电离粒子作用事件的概率正比于照射剂量： S：细胞照射后的存活分数；：细胞照射后的存活分数； ：单位剂量的单个粒子使细胞直接灭杀的：单位剂量的单个粒子使细胞直接灭杀的 平均概率，代表不可修复的放射损伤；平均概率，代表不可

23、修复的放射损伤； D：单次照射的剂量：单次照射的剂量两个电离粒子的协同作用致成的放射损伤的平均概率正两个电离粒子的协同作用致成的放射损伤的平均概率正比于受照剂量的平方：比于受照剂量的平方：为单位剂量平方的两个粒子使细胞杀灭的平均概率为单位剂量平方的两个粒子使细胞杀灭的平均概率线性二次线性二次(L-Q)模型模型两个可能事件的总效果称为两个可能事件的总效果称为L-Q模型模型一次剂量一次剂量D照射后的存活率：照射后的存活率：线性二次线性二次(L-Q)模型模型损伤损伤不可修复的损伤不可修复的损伤损伤损伤可修复的损伤可修复的损伤当两类损伤的效应相等时，即：当两类损伤的效应相等时，即：称为称为L-Q模型参

24、数，代表了细胞存活曲线的曲度，以及细胞对亚模型参数，代表了细胞存活曲线的曲度，以及细胞对亚致死损伤的修复能力。致死损伤的修复能力。/比值代表组织损伤的特征剂量比值代表组织损伤的特征剂量:交点剂量：交点剂量：为了控制肿瘤，剂量必须大于交点剂量。为了控制肿瘤，剂量必须大于交点剂量。 高于高于D交交，晚反应组织的损伤，晚反应组织的损伤肿瘤组织肿瘤组织解决办法：解决办法：分次照射分次照射；1. 立体定向治疗立体定向治疗或或调强治疗调强治疗或或质子重离子治疗质子重离子治疗解决途径解决途径分次照射分次照射分次剂量越小，对晚反应组织保护越大分次剂量越小，对晚反应组织保护越大常规分次照射的分次剂量应低于两种曲

25、线的交点剂量常规分次照射的分次剂量应低于两种曲线的交点剂量最佳分次剂量一般约为交点剂量的最佳分次剂量一般约为交点剂量的50% D交交=25Gy， D最佳最佳解决途径解决途径立体定向治疗或调强适形治疗立体定向治疗或调强适形治疗几何保护因子几何保护因子交点剂量交点剂量立体定向治疗：立体定向治疗：f，D交交 50Gy，最佳剂量，最佳剂量 25Gy解决途径解决途径质子放射治疗质子放射治疗 质子极高的速度进入人体，在体内与正常组织或细胞发质子极高的速度进入人体，在体内与正常组织或细胞发生作用的机会极低，当到达癌细胞的特定部位时，速度突然生作用的机会极低，当到达癌细胞的特定部位时，速度突然降低并停止，释放

26、最大能量，产生降低并停止，释放最大能量，产生Bragg峰（博拉格峰），将峰（博拉格峰），将癌细胞杀死，同时有效地保护正常组织。癌细胞杀死，同时有效地保护正常组织。 由于质子治疗具有穿透性能强、剂量分布好、局部剂量由于质子治疗具有穿透性能强、剂量分布好、局部剂量高、旁散射少、半影小等特征，尤其对于治疗有重要组织器高、旁散射少、半影小等特征，尤其对于治疗有重要组织器官包绕的肿瘤，显示出较大的优越性。官包绕的肿瘤，显示出较大的优越性。 适应症比较广泛，均有较好的疗效。国外临床治疗数据适应症比较广泛，均有较好的疗效。国外临床治疗数据表明，质子治疗肿瘤有效率达到表明，质子治疗肿瘤有效率达到95%以上，五

27、年存活率高达以上，五年存活率高达80%，被高能物理界和医学界评估为疗效最好、副作用最少，被高能物理界和医学界评估为疗效最好、副作用最少的治疗方法。的治疗方法。 解决途径解决途径质子放射治疗质子放射治疗山东淄博万杰医院博拉格质子治疗中心山东淄博万杰医院博拉格质子治疗中心世界第四、国内第一（唯一）世界第四、国内第一（唯一）解决途径解决途径质子放射治疗质子放射治疗山东淄博万杰医院博拉格质子治疗中心山东淄博万杰医院博拉格质子治疗中心 小小 结结剂量分次方式的影响因素剂量分次方式的影响因素“4R”（修复、细胞的增殖、细胞周期的再分布、肿瘤内修复、细胞的增殖、细胞周期的再分布、肿瘤内乏氧细胞的再氧合乏氧细

28、胞的再氧合）因素在早反应正常组织、肿瘤组织、）因素在早反应正常组织、肿瘤组织、晚反应正常组织中的相互作用晚反应正常组织中的相互作用射线种类射线种类1.照射技术（外照射、内照射、内外照射结合）照射技术（外照射、内照射、内外照射结合）时间剂量因子实用型数学模型时间剂量因子实用型数学模型 TDF（时间剂量因子）模型（时间剂量因子）模型 L-Q线性二次模型线性二次模型TDF模型模型NSD为正常组织的总耐受剂量；为正常组织的总耐受剂量； T/N为次间平均间隔时间（为次间平均间隔时间（d）；）；d为分次剂量（为分次剂量（cGy） ； N为达到总耐受剂量时应给的分次数为达到总耐受剂量时应给的分次数体外照射时

29、：体外照射时：TDF模型模型短寿命同位素临时插植治疗时：短寿命同位素临时插植治疗时：为同位素的衰变常数；为同位素的衰变常数； r0为插植时初始剂量率（为插植时初始剂量率（cGy/h）短寿命同位素永久性插植治疗时（短寿命同位素永久性插植治疗时（T）：）：长寿命同位素低剂量率连续照射时：长寿命同位素低剂量率连续照射时：T为插植时间（为插植时间（h）；）； r为剂量率（为剂量率（cGy/h）TDF模型模型体外照射和近距离照射结合时：体外照射和近距离照射结合时：对疗程间或内、外照射间的间断休息，需要用衰减因子修正：对疗程间或内、外照射间的间断休息，需要用衰减因子修正：T为某一疗程的时间；为某一疗程的时

30、间；G为该疗程结束后，下一疗程开始时的间隔为该疗程结束后，下一疗程开始时的间隔 上述的上述的TDF方程均为常量等式，不能反映组织本身的特征方程均为常量等式，不能反映组织本身的特征L-Q线性二次模型线性二次模型 生物等效剂量（生物等效剂量（Biologically Effective Dose，BED）其中：其中：L-Q线性二次模型线性二次模型近距离低剂量率连续照射时：近距离低剂量率连续照射时： R为剂量率（为剂量率（Gy/h）；）； T为照射时间（为照射时间（h）；）； 为亚致死损伤修复的修复率常数；为亚致死损伤修复的修复率常数； 1/ 为平均修复时间；为平均修复时间； N次低剂量率近距离连续照射：次低剂量率近距离连续照射：L-Q线性二次模型线性二次模型同位素半衰期较短时（与同位素半衰期较短时（与T相比）：相比）： R0为初始剂量率（为初