立体定向适形放疗的几个重要技术问题

1、立体定向适形放疗的几个重要技术问题近年来国内许多放疗单位和部门都购置了必不可少的高质量、高功能的三维立体定向适形放疗设备（3D stereotactic conformal radiaiton therapy，3D SCRT），如中科院大恒医疗公司的STAR系列全身肿瘤立体定向适形放射治疗系统。3D SCRT适应对肿瘤放射治疗的精确定位、精确设计和精确治疗的总要求，使临床放疗技术有了质的飞跃。现从肿瘤的临床放疗、放射物理、放射生物与计算机结合部的边缘学科角度，结合3D SCRT的技术特点，探讨几个值得关注的问题。一、3D SCRT系统的组成及其学科技术综合问题3D SCRT系统由立体定向（定位

2、）系统、治疗计划（软件）系统、附加准直器系统及辅助装置等组成。按临床应用和治疗技术特点分类为：颅内X-刀（SRS/SRT）、适形照射系统（MLC，线束补偿/调强板，DMLC）、三维常规外照射治疗计划系统（3D TPS）以及CT模拟定位系统（CT-Sim）等。其整体构成全身肿瘤三维立体定向适形放射治疗系统。3D SCRT系统是一项技术知识高度密集的临床应用系统，也是集肿瘤影像诊断、治疗和计算机应用为一体的高技术产品。在未来相当一段时间里，它将成为放疗技术发展的主流。它不仅综合了影像学、放射肿瘤临床、神经外科、放射物理和生物等多个临床应用学科的内容，而且综合了计算机软件与数学、像处理、自动控制、精

3、密仪器和直线加速器等多项工程技术学科。二、三维（3D）治疗计划问题1.CT/MRI影像数字化传输和格式转换误差：患者的CT/MRI影像数据需要传输或转换到立体放疗工作站当中才能设计治疗计划，但落后的处理方式会导致计划精度的降低。CT/MRI显示的是数字化像，应通过网络/光盘/磁带方式进行数字数字，即数字化11无误差传输。但如把CT/MRI影像拍成胶片，再由扫描仪将胶片扫入X-刀工作站，则产生不容忽视的数字模拟数字的像传输和转换误差。此外用扫描仪输入多层（通常40层左右）CT像时，手工对中（centering alignment）会造成CT层面交错扭曲，重建后存在较明显台阶状表面。按常用的像扫描

4、条件（512512）评估，一个像素尺寸（pixel）约0.751.0 mm左右，而由扫描输入引起的综合误差会累计达1.52.0 mm，多层对中造成的错移现象使误差在原有量级上还会增大。考虑到系统还有计划、摆位等多种误差因素的影响累积，因此我们建议，做X-刀时不宜用扫描仪输入患者像，而应直接通过数字化11方式传输，这样才能既保证CT/MRI像准确、不失真，又省时省力。2.CT/MRI定位扫描时存在的非平行扫描误差及其像质量的解析校验：CT/MRI机器在医院使用几年后会出现一些机械磨损、床端面下沉、扫描孔机架校准不归零等精度偏差。加上头或体部定位仪或框架的置放或多或少存在不完全水平或垂直的现象，这

5、些都会使扫描成像发生非平行性扫描偏差，即像倾斜（tilt）、旋转（rotation）等现象，最终影响像及靶点坐标的准确度。由于X-刀系统误差量级为mm级，因此非常有必要对像倾斜和旋转角度进行计算纠正。如忽视此问题，将至少有12 mm甚至还要多的偏差。3.靶区边界定义的准确性问题CT/MRI像融合（Fusion）技术：靶区边界定义的准确性与否对于肿瘤治疗成败至关重要。由于有些肿瘤在像上不能清晰显现靶区轮廓，一旦医生不能正确地勾画视见靶区（GTV）和临床靶区（CTV），必将误导物理人员设计错误的计划靶区（PTV），由此为肿瘤治疗埋下隐患。CT/MRI像融合技术可使此问题迎刃而解。按可比性和一致性原

6、则，把MRI像中靶区重叠映射到CT像上显示，这样可极大地改善靶区勾画的可靠性，为提高肿瘤放疗控制率提供了保障。4.逆向设计(inverse planning)及其局限性：逆向设计与常规正向设计思路相反。从放射物理和计算数学角度考虑，逆向设计就是根据医生所确定的目标剂量分布要求（如设定靶边缘剂量分布要求，相邻危险器官保护剂量要求等），通过数学方法(如迭代法、模拟退火法等)，推导出一个可执行的实际照射方案，并使目标剂量分布与实际照射剂量分布的偏差趋于零。也就是说通过逆向优化计算，得出最接近目标剂量分布函数的实际计划方案（包括射野参数、权重、野形状尺寸、MU等）。的确，逆向设计有许多便利性，而且对某

7、些凹嵌形状的肿瘤也只有采用逆向设计的调强补偿板或动态叶片变更组合调强放疗才能达到目的。但它也存在局限性，如果限制条件苛刻，或者对目标函数的提法不正确、要求不尽合理，则会导致计算时间冗长或拒绝计算。更最重要的是由于在杀死肿瘤和保护正常组织、危及器官之间始终存在着一种合理的、科学的、甚至是带有某种经验折中的选择。因此从计算数学来考虑，计算机不可能每次都给出唯一的最优解。由于限制条件选择不当和其计算数学模型上的局限性，会经常出现逆向设计的方案还不如正向设计的结果好。这都是因为专家几十年来积累的和不断发展的经验和知识本身就是一种优化方式。逆向设计只是一种可供选择的优化工具，使用时应很慎重。实践表明，正

8、向设计和逆向设计结合起来使用最好。三、调强放疗及有关的误差问题调强放疗（IMRT）是新世纪之交放疗技术发展的一个热点。对于相对固定的瘤区，目前已研制的方法主要有：适形多野+ 调强补偿板（dose compensator/modulator）；适形多野+动态叶片变更组合（nomos模式或sliding window移动窗）。调强方法、各具特点，都是在逆向设计前提下实现的一种调强适形放射治疗方法。方法为每个射野提供一个调强补偿板，然后对该射野进行一次性调强照射；而方法则需将每个射野做离散化处理，分解成若干小窗，每个小窗最小分辨率为治疗机等中心叶片的投影宽度（如1 cm或稍小），相邻小窗之间通过分批

9、笔形束（pencil beam）或单个笔形束进行射束强度调整照射或移动窗方式照射。由于直线加速器出束是连续均匀的，因而靶区线束调整最好也是连续变化的，不要出现间断或跳跃。但对于动态叶片变更组合或移动窗的调强方式来说，由于每个射野被离散分割，叶片步进运动控制会存在位移偏差(至少一个像像素)，加上异步与漏射等原因，最终难免造成相邻小窗射束之间的重叠照射，引起实际照射过程中靶区剂量的不均匀性。Nomos公司自身研究也证实其重叠照射位移偏差1 mm时会引起至少7%12%的剂量梯度变化。鉴于DMLC适形照野内相邻小窗之间的射束重叠，导致剂量不均匀性的现象不容忽视，计算数学专家和放射物理学专家强调，拟购置

10、并开展DMLC调强照射的用户需认真考虑这种不均匀性剂量偏差幅度及应采取的验证手段。又因国外IMRT系统配置造价还比较昂贵，从国情财力、可操作性和功能价格比来考虑，国内大多数医院放疗部门（85%以上）采用MLC+调强补偿板实现射野内一次调强照射的方案更为经济可行。MLC+IMRT适形调强板技术已不再是传统的open野+compensator的补偿方式，而是在高级3D TPS系统和逆向优化情形下实现的一种先进而实用的多野适形调强方式。国外(如美国NCI、德国癌症研究中心)已经做了关于调强补偿板和通过动态叶片变更组合的调强对比研究，认为在其他条件(如加速器型号、X线能量、MLC各野边界形状、治疗床角

11、、机架角等)相同的情况下，其计划所达到的剂量分布基本一致。移动窗的调强方法花费较高，每次做之前需用EPIDS电子射野影像验证系统进行校验，很繁琐。而调强补偿板方法实用可靠，费用低。原先认为的调强补偿板制作时间较长，但现在利用先进的高速形工作站以及激光等数控自动切割成形术，只需几分钟即可完成。四、三维立体照射计划系统的生物学问题目前临床上所使用的三维照射计划系统，主要是根据物理学和数学原理编程的，尚未涉及生物体的特点及要求。由于放射治疗的对象是生物体（即肿瘤和正常组织），因此在确定治疗方案和设定照射剂量时必须考虑生物体的不同器官、组织、细胞对放射线反应的差异性，即必须根据生物效应设定合适的照射剂量及间隔时间，使生物剂量和物理剂量合理统一于最终有效治疗肿瘤的目的。目前由于探索等效生物剂量（BED）的工作落后于临床要求，致使在适形放疗中应用L-Q公式进行BED换算时存在着很大程度的盲目性。例如：/比值的代入，同一种肿瘤，不同医生、不同单位代入的值各不相同；有的单位在/基本表达式的基础上添加了损伤修复修正项，而相关数据多出自动物实验，与临床实际有一定差异；L-Q基本表达式没能够反映出X-刀和适形照射做BED转换时，分次间隔不同引起的生物效应差异。对此，我们拟采用直接或间接方法确定不同类型肿