立体定向放射治疗的物理学基础_张红志

DOI:10. 13267/j.cn k i . syzl zz. 2004. 02. 003

实用肿瘤杂志2004年　第19卷　第2期

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三维立体定向放射治疗研究新进展

　立体定向放射治疗的物理学基础………………………………………………………………………张红志

　三维立体定向放射治疗中的放射生物学问题和机遇…………………………………………………杨伟志　鼻咽癌调强适形放疗的临床应用……………………………………………………………惠周光　徐国镇　腹、盆部肿瘤的三维立体定向放射治疗…………………………………………………………………余子豪

立体定向放射治疗的物理学基础

张红志

(中国医学科学院肿瘤医院, 北京100021)

关键词:立体定位技术; 放射治疗; 放射治疗计划, 计算机辅助

中图分类号:R 454; R 815　　文献标识码:A 　　文章编号:1001-1692(2004) 02-0095-06

　　立体定向放射治疗是一种照射技术, 它源于20世纪50年代初瑞典神经外科学家La rs Leksell 的

设计, 即利用类似神经外科立体定向定位的方法, 对欲治疗的病变准确定位, 然后使用放射线。主要是γ射线或X 射线, 给以多个非共面小照射野三维集束照射。根据照射的不同分次模式, 又可分为立体定向放射手术(stereotactic radio surg ery , SRS ) , 即早期Lars Leksell 单次大剂量照射和立体定向放射治疗(stereo tactic radio therapy, SRT) , 即20世纪80年代逐渐开展的分次照射。目前立体定向照射的设备主要是利用γ射线照射的Leksell γ刀装置, 和利用直线加速器实施照射的X 射线立体定向照射系统(亦称X 刀) 。以下将SRS 和SRT 统称为立体定向放射治疗。本文将对立体定向放射治疗的实施、剂量学特点和质量保证等内容给予简要论述。

1　立体定向放射治疗的实施

立体定向放射治疗的实施过程, 是获取患者的影像学资料、治疗计划设计和实施治疗的一个复杂过程。图1为示意图。首先患者应带有在诊断装置, 如CT 、M RI 等, 可显像的Z 形标记(或V 形) 定位框架, 行扫描获取影像学资料。将这些资料经网络(或磁盘、光盘等) 传输给治疗计划系统。计划系统完成治疗方案的设计, 靶体积的定位等, 然后在立体定向照射装置(如Leksell γ刀装置或直线加速器立体

收稿日期:2004-02-16

作者简介:张红志(1948-) , 男, 贵州兴义人, 中国医学科

, .

定向照射系统) 实施治疗。

F 定位框架; P 支撑系统; Z 显像标记; C 诊断设备; T 治疗设备

图1　立体定向照射示意图

从上面的分析可以看出, 立体定向照射装置主要有三部分组成, 即治疗实施系统, 立体定向系统和计划系统。Leksell γ刀装置和直线加速器立体定向照射系统的主要区别是治疗实施的方式不同, 而立体定向系统和计划系统基本相同或相近。1. 1　治疗实施系统

1. 1. 1　Leksell γ刀装置　Leksell γ刀装置主要部件是辐射单元, 盔形准直器系统, 治疗床, 液压系统和控制部分。如图2所示, 辐射单元包括有201颗

60

Co 放射源, 按半球形排列。中心源射线束中心轴与

水平线呈55°, 其余放射源沿治疗床长轴方向±48°,

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轴聚焦于一点(精度为±0. 3mm ) , 源到焦点的距离为403m m 。焦点处的剂量率可达到300～400cGy /min

。

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刀装置的剂量学特性, 并且直线加速器还可以实γ

现常规分次放射治疗, 相对成本也较γ刀装置低很多, 这是X 射线立体定向照射系统更为优越之处。

:机架旋转轴; C :准直器旋转轴; G

T :治疗床旋转轴

图3　a :直线加速器立体定向照射系统示意图　　b :圆形准直器系统

图2　Lekshell γ刀示意图

Leksell γ刀装置有4个盔形次级准直器系统, 分别由201个通道对放射源准直, 可在焦点处形成

4、8、14、和18m m 直径的照射野。如果需要, 可以对任意通道即放射源屏蔽。在治疗时, 患者戴有定位框架, 进入盔形准直器系统, 并使靶体积与焦点同位, 由液压系统驱动治疗床进入γ刀的辐射单元, 盔形准直器与初级准直器重合, 位置精度可好于±0. 1

°m m , 即可实施治疗。由于201个放射源是沿着92×160°一个弧形面分布, 并聚焦于一点, 可保证对靶

体积从多方向聚焦照射, 并具有很高的治疗精度。这是Leksell γ刀装置最主要的优点。

由我国深圳奥沃公司研发的旋转式γ刀装置, 仅使用30颗60Co 放射源, 分组排列, 源旋转轴与垂直平面交角分别为14°～43°, 空间立体角为30°×360°, 可实施多野旋转集束照射。1. 1. 2　X 射线立体定向照射系统　X 射线立体定向照射系统是以直线加速器为基础实现的。如图3所示, 在标准的直线加速器治疗头上增加第三级准直器系统, 通常为一组圆形准直器, 可在等中心处形成5～50m m 的照射野。根据临床治疗的要求, 可替换不同大小的准直器。实施治疗时, 通过变换治疗床的旋转角度, 实行多弧旋转照射。也可以采用动态立体定向照射。即治疗时, 治疗床和机架按照计划设计的要求, 同时旋转, 并出束照射(图4) 。按照这种方式, 可以同样实现类似γ刀装置那样的多方向小照射野集束照射的效果。

图5给出立体定向照射所采用的不同照射方法和剂量分布的特点。可以看出, 以直线加速器为基础的

, 图4　动态立体定向照射示意图

1. 2　立体定向系统

立体定向系统是在实施立体定向照射过程中, 为患者建立一个三维座标系, 以保证立体定向照射的精确。它包括有影像定位框架和治疗摆位框架。影像定位框架和治疗摆位框架使用时都与一基准环相连接, 基准环分为有创和无创固定型两种。有创固定型通过局部麻醉后, 固定在患者的头骨上, 一般在单次照射时使用。无创固定型和患者的体位固定器相连接, 一般分次照射时使用。

影像定位框架带有可在X 射线影像上显像的V 型(或Z 型) 标记。患者戴着定位框架实施CT(或M R) 扫描, 所获得的每一帧CT 图像都带有标记。而且这些标记在不同位置的CT 影像上有不同的几何位置, 这是立体定向照射计划系统建立患者三维座标系的基础。

治疗摆位框架实际是一三维定位框架。它一般有X 、Y 和Z 三个方向的标尺和座标指示器。当计划系统设计的治疗计划方案确定后, 由计划系统计算。

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剂量分布计算和显示。同时在设计时能提供野视图(BE V ) 等工具, 可直观地避开正常组织和敏感器

官。对于最终的剂量分布, 可提供剂量评估工具, 如剂量-体积直方图(DV H) 等评价剂量分布的优劣。以及靶剂量的剂量参数。在多靶点治疗和再程治疗等计划设计时, 要有能处理多计划的叠加和评估处理功能。第三, 能完成特定患者三维座标系的建立, 在各种治疗参数输出清单中给出靶中心的三维座标、照射野几何设置条件、剂量值、治疗时间(或机器单位) 等。

2　立体定向放射治疗的剂量学特点2. 1　基本剂量学参数

立体定向放射治疗采用的是非共面小照射野集束旋转照射, 其基本剂量模式为:D=D M ·TM R ·

。式中D M 为参考条件的输出剂量, 以6S C, P ·O AR

MV X 射线为例, 参考条件为最大剂量深度, 即水下

1. 5cm , 10cm ×10cm 照射野; TM R 为组织最大剂量比; S C, P 为照射野输出因子; O AR 为照射野离轴比。因此立体定向放射治疗的基本剂量学参数应包括TM R , S C, P 和O AR 。考虑到水模体中实际测量TM R 值较为繁杂, 可利用测量百分深度剂量(PDD) , 然后计算得到TM R 值。

立体定向放射治疗通常所使用的圆形照射野, 较常规放射治疗的照射野要小得多, 一般直径为几

图5　a 不同立体定向照射方式示意图　　b 不同方式照射剂量分布比较

(剂量跌落最陡和最缓处)

毫米或3～4cm 之间。这样选用常规电离室进行剂量测量会有一定困难。其原因主要为:(1) 电离室位

于照射野中心轴, 测量中心轴深度剂量和输出因子, 缺乏测方向的电子平衡, 使得具有一定几何尺寸的探头, 在测量时其中心到边缘即有明显的剂量变化; (2) 测量照射野的离轴比时, 由于小照射野内剂量梯度较大, 而常规电离室的空间分辨率较差。正是基于这些考虑, 通常对于剂量梯度较大的小照射野剂量学参数的测量, 特别要注意测量探测器的尺寸。

根据美国医学物理学家学会(AAPM ) 的建议, 无论是γ刀装置还是X 射线立体定向照射系统的剂量参数的测量, 要使用灵敏体积较小的探测器。具体测量深度剂量(包括TM R ) 和照射野输出因子, 建议使用电离室探测器, 并其灵敏体积直径≤3mm 。照射野的离轴比可使用胶片剂量计, 半导体, 闪烁探测器或热释光(TLD) 及电离室等, 其灵敏体积直径≤2m m 。胶片剂量计由于其空间分辨率较高, 可作为首选。使用半导体要注意其角度响应特性(即入射方向) 的影响。2在实施治疗时, 患者戴有治疗摆位框架。首先根据治

疗计划系统的计算结果, 通过治疗摆位框架X 、Y 和Z 三个方向的标尺, 确定患者靶中心在三维空间的位置, 并将治疗机的等中心(或γ刀装置的焦点) 与之重合, 即可实施治疗。1. 3　治疗计划系统

治疗计划系统实际是一套计算机系统, 它具有的软件功能, 是和特定的立体定向照射设备所匹配的。第一, 治疗计划系统应具有很强的图像处理能力。通过输入带有定位标记的CT 等影像学资料, 完成三维图像的重建, 包括矢状面和冠状面的显示等。必要时, 可根据不同来源的影像学资料, 完成图像的融合, 以方便主管医生更准确地确定治疗的靶体积形状、体积, 以及与周围正常组织特别是敏感器官的几何关系。第二, 治疗计划系统应具有很强的剂量计算和评估功能, 包括确定照射技术、照射野入射方向、、、

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上述立体定向放射治疗多采用小尺寸照射野。其剂量参数与常规放射治疗所使用的较大尺寸照射野的参数相比较, 有着不尽相同的特点。

首先实际测量组织最大剂量比, 在深度大于最大剂量深度d max 范围内, 可用公式表示:TM R (d )=ex p(-μ(d-d max ) ) 。式中μ为有效线性衰减参数, 它依赖于射线能量和准直器的尺寸。以6MV-X 射线的一组不同尺寸准直器的TM R 值为例, 计算出不同照射野的有效线性衰减系数μ, 并将此组数据外推至零野的μ值为0. 0510～0. 0505cm -1(如图6所示) 。利用上述公式可很好拟合所测量的数据

。

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A :横座标为离轴距离

B :横座标为离轴距离与测量点射野宽度之比

图7　20cm 准直器离轴比表1　照射野输出因子的比较

照射野(cm)

*CH1

M onte Carlo

0. 8790. 8970. 9090. 9180. 9220. 9250. 927

Rice 0. 8530. 8850. 9030. 9120. 9200. 9240. 927

图6　6M V -X 射线不同准直器的线性

衰减系数及零野的外推值

12. 515. 017. 520. 022. 525. 027. 5

0. 8700. 8920. 9080. 9190. 9240. 9300. 933

测量照射野的离轴比, 同样会遇到上述小尺寸照射野的问题。如图7所示, 测量6MV-X 射线≤5cm 准直器的离轴比, 测量深度分别为1. 5cm 和10cm (如图7A 所示) 。如果将测量曲线的横座标改写为离轴距离与照射野在测量点宽度之比表示, 两条曲线基本重合(图7B) 。准直器在1. 5cm ～5. 0cm 范围, 离轴比曲线基本不随深度而改变。这一特点主要在这一范围内, 有用射线束仅为中心轴2～3度范围。

照射野输出因子的测量, 可采用交叉校准(cro ss-calibratio n) 方法。即选择灵敏体积≤2m m 的探测器, 如半导体、热释光等, 首先用经国家标准实验室检定的标准电离室, 对选择的探测器进行校准和刻度, 然后再用其对立体定向照射装置的输出因子测量。通常这一作法, 可以得到令人满意的结果。如表1显示, 是采用P 型半导体探头, 经标准的N E 2571石墨壁电离室校准后, 测量照射野输出因子, 与蒙特卡罗方法及相关文献的比较, 几组数据基

　　*中国医学科学院肿瘤医院

3　立体定向放射治疗的质量保证3. 1　质量保证体系的建立

今天, 随着科学技术的迅速发展, 特别是计算机技术的发展, 放射治疗已经进入了一个新的令人振奋的时代——三维放射治疗(th ree dimensional ra-diatio n therapy, 3DRT) 时代(J. Purdy ) 。立体定向放射治疗正是三维放射治疗的一种形式。

放射治疗是涉及多学科理论和实践的一门专业, 需要多学科的专门人才共同参与, 并使用复杂而精密的专用设备, 特别是开展三维放射治疗。欲使患者从诊断, 治疗直至疗后的随诊都能安全而有效的实施, 必须建立并执行质量保证体系才有可能。

基于国际标准化组织(international o rganiza-tio n fo r standa rdization, ISO) 9001的原则, 并充分考虑医疗部门的特点, 三维放射治疗的质量保证体

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　　表2仅显示颅内病变的情况, 而对体部病变的立体定向放射治疗要更为复杂。首先体部定位框架多以患者皮肤标记作依据, 或采用真空垫及部分热塑材料固定, 偏差及重复性要劣于头颈部的定位。其

次胸、腹部组织器官移动较大, 这也是影响位置精度的重要因素。对于立体定向放射治疗的靶体积位置的不确定性, 放射治疗医师和物理师应有清醒的认识, 在制定治疗计划及实施治疗时予以克服。3. 3　立体定向放射治疗的质量控制

立体定向放射治疗的质量保证是一系统工程, 它包括临床和物理技术等方面诸多内容。由于篇幅限制, 下面仅就物理技术方面的重点予以简要论述。

立体定向放射治疗的质量保证规范应在开展这一照射技术时就予以制定, 并建立日常的检测制度。对于相关学术组织或权威机构已发表的放射治疗质量保证建议(W HO , IAEA ) 应予参照。这其中包括了治疗机、计划系统及附属设备的检测和校准。由于立体定向放射治疗多治疗靶体积较小的病变, 和即使是分次治疗, 单次剂量也较常规放射治疗的大许多。因此靶体积的定位和照射的准确性显得尤为重要, 稍有不慎, 就可酿成不可挽回的大错。正是基于这一考虑, 需要设计和制备专门的检测装置, 和特殊的技术, 对靶点精度定期校准。如图9所示, Lutz 靶点模拟器可检验不同角度的机架和治疗床的机械和射线束等中心的位置偏差

。

系框架如图8所示。可以看出, 质量保证体系的运作都是围绕三维放射治疗的整个过程而展开和实践的。它包括确定质量保证的目标; 完善各类专门人员的组成, 明确其职责、教育与培训及互相业务关系; 建立各种专用设备的维护、校准规范和管理制度; 临床治疗过程的规范和控制等

。

图8　三维放射治疗质量保证体系框图

3. 2　立体定向放射治疗的误差分析

立体定向放射治疗是一复杂的治疗过程。患者接受这类治疗, 要经历靶体积定位, 计划设计, 治疗摆位及实施治疗几个阶段, 而在每个阶段都会使用专用的设备和装置, 诸如CT 、M R 等影像设备, 和γ刀及加速器等各类治疗机。因此立体定向放射治疗的准确性, 取决于每一步骤所采用的技术和使用设备自身的不确定性。如前面章节提到的, Leksell γ刀装置的焦点位置的不确定性为0. 3m m, 而直线加速器等中心的不确定性为±1. 0m m 。但这并不意味着γ刀装置治疗位置精度, 一定高于以直线加速器为基础的X 射线立体定向系统。实际上CT 定位的不确定性对立体定向治疗的准确性占有重要地位。

利用C T 影像确定肿瘤的靶体积, 除依靠于主管医生的临床经验外, 还依赖于CT 影像的分辨率。即像素大小和扫描影像的层距。通常像素大小为0. 7mm ×0. 7mm , 而扫描层距不

表2　立体定向放射治疗的靶体积位置的不确定性

CT 扫描层距1. 0m m

CT 扫描层距3. 0mm

图9　Lutz 靶点模拟器示意图

准直器位置检验可采用胶片法。首先将胶片水平放置在等中心处, 机架分别设置在0°和180°, 对

穿照射; 然后将胶片垂直放置在等中心处, 机架分别设置90°和270°, 对穿照射。结果如图10所示, 很容易判断准直器是否准直, 只有在结果在限值以内, 方可实施治疗。为便于建立日常的检测制度, 表3给出X 射线立体定向放射治疗检验规范, 此不包括常规立体定向框架

加速器等中心(γ刀焦点)

1. 0mm

1. 0mm(0. 3mm) 1. 7mm 1. 0mm 0. 3mm

2. 4mm(2. 2mm)

1. 0mm

1. 0m m(0. 3mm) 3. 2mm 1. 0mm 0. 3mm

3. 7m m(3. 5mm)

C T 影像分辨率组织器官移动血管造影位置总不确定性

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表3　X 射线立体定向放射治疗质量保证设备检测规范

检测内容1、C T (M R ) 线性2、C T 影像传输3、光子射野

　(1) 点剂量(d=dmax, 5, 10) 　(2) 照射野离轴比(d=dmax , 10) 4、定位框架　(1) C T 定位框架　(2) M R 定位框架　(3) DS A 定位框架5、定位系统　(1) C T 定位　(2) 加速器摆位6、计划系统　(1) 双旋转　等剂量比　不等剂量比　(2) 多旋转

　270°, 230°, 190°, 10°, 50°7、机器设置

半年半年每季度半年半年每季度频数每周每季度

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(a) 1cm 准直器单次曝光, (b ) 和(d ) 为垂直对穿照射(机架角0°和180°) , (c) 和(e) 为水平对穿照射(机架角90°和270°) , (b ) 和(c ) 显示准直器位置精度好, (d ) 和(e ) 显示准直器位置偏差约1～2mm

图10　胶片法检测准直器位置精度

结束语

随着照射技术的发展, 在一定程度上也促进了治疗模式的改变, 与常规方法比较, 人们在逐渐探讨

和实践:(1) 增加肿瘤的总剂量和分次剂量; (2) 尽量减少正常组织特别是敏感器官的总剂量和分次剂量; (3) 缩短总治疗时间和减少分次治疗次数(A. Brahm e ) 。立体定向放射治疗在对某些部位肿瘤治疗中正实践着上述设想, 想来这一技术会有更大的发展。

(上接第94页)

避免用对心脏或肝脏有毒性的药物, 给VC R 2mg 静注, BLM A532mg 静滴, PRED 60mg 每日口服。次日患者呼吸困难好转, 颈胸部肿胀感减轻, 心电监护下发现窦性心律不齐。化疗后3日患者突然出现心悸、胸闷, 心电图显示频发室性停搏伴房性逸搏, 异常Q 波, HR 79次/分, 予阿托品针0. 5mg 静注后停搏次数明显减少, 症状减轻, 继续口服阿托品片0. 5mg , 每日3次, 当日体检肝脏已明显缩小至右肋下1cm , 肝功能复查正常。此后视患者病情, 间隔1～2周化疗1次, 共行6周期化疗。化疗2周期后患者心悸、胸闷、呼吸困难即消失, 心律逐渐转齐, 生活部分自理。患者因经济困难于同年7月27日出院, 2月后, 患者终因面颈肿胀再发, 心力衰竭而死亡。

讨论　原发于睾丸的恶性淋巴瘤临床上较少见, 约占睾丸恶性肿瘤的1%, 大多表现为迅速增大的睾丸肿块, 一般难与其他睾丸肿瘤鉴别, 多在术后确诊。但恶性淋巴瘤侵犯心脏大多由尸检发现, 一般以心包膜最常受累, 出现心包积液或心包缩窄改变, 临床上往往没有明显的症状和体征。本例睾丸恶性淋巴瘤经综合治疗完全缓解近5年后发生心脏侵

[1]

犯, 导致SV CS 和右心衰竭临床上极为罕见, 检索国内最近10年的文献资料, 未见报告, 仅早年孙燕等

曾报告1例N HL 在右心房内形成鸡蛋大肿物, 心脏听诊有明显杂音[1]。

本例末次入院时我们仅从SV CS 的常见原因去考虑, 如纵隔淋巴结肿大等, 待患者出现明显右心衰竭症状时, 才高度怀疑患者是否有原发或继发心脏病变。但因缺乏相关经验, 心脏彩超及心脏CT 均误诊, 对心腔内异常回声信号未予重视, 仅提示少量心包积液和胸腔积液。然而患者的临床症状严重程度与影像学检查结果极不相符, 故再予心脏M R 检查, 从而得到确诊。本例因右心衰竭、肝脏淤血致肝功能损害限制了化疗药物的应用, 但疗效仍较满意。通过本例诊治, 我们认为对于不明原因的SVCS , 应及时查找心脏方面的原因, 心脏M R 较心脏C T 检查更能帮助临床诊断, 化疗仍然是恶性淋巴瘤心脏侵犯致SVCS 有效治疗手段, 不宜轻易放弃。参考文献:

[1]　张天泽, 徐光炜. 肿瘤学[M].天津:天津科学技术出版

社, 1996. 2372-2374.