放射物理學(xué),第十一章調(diào)強適形放射治療,放射治療與手術(shù)治療一樣是一種局部治療手段，其追求的目標是提高放射治療的治療增益此，即最大限度地將劑量集中到病變(靶區(qū))內(nèi)，殺滅腫瘤細胞，而使周圍正常組織和器官少受或免受不必要的照射。X射線立體定向治療和高能質(zhì)子治療的臨床成功經(jīng)驗揭示與證明，采用物理手段改善病變(靶區(qū))與周圍正常組織和器官的劑量分布，能夠有效地提高治療增益。,適形放射治療定義,適形治療(ConformalTherapy)是一種提高治療增益的較為有效的物理措施。適形放射治療為一種治療技術(shù)，使得：高劑量區(qū)的形狀在三維方向上與靶區(qū)（病變）的形狀一致。從這個意義上講，學(xué)術(shù)界將它稱為三維適形放射治療(3DCRT),第一節(jié)適形放射治療的分類及歷史發(fā)展,為達到劑量分布的三維適形,必須滿足下述必要條件,在照射方向上，照射野的形狀必須與病變（靶區(qū)）的投影形狀一致。2.射野內(nèi)諸點的輸出劑量率必須按要求的方式進行調(diào)整，使得靶區(qū)病變內(nèi)及表面的劑量處處相等：,A射野形狀適形（BEV）B射野內(nèi)強度調(diào)節(jié),適形放療中，靶區(qū)內(nèi)及靶區(qū)表面各點的劑量應(yīng)相等，即各野到達某點的劑量率和照射時間的乘積之和應(yīng)為常數(shù)。,適形放射治療的分類經(jīng)典適形放射治療（ClassicalConformalRadiationTherapy）只滿足第一個必要條件調(diào)強適形放射治療（Intensity-ModulatedRadiationTherapy,IMRT）同時滿足兩個必要條件,調(diào)強適形放射治療的歷史,早在1959年日本的Takahashi醫(yī)師提出了適形放射治療的概念。Takahashi醫(yī)師及其同事設(shè)計了一套機械控制系統(tǒng)，用它來控制多葉準直器，在圍繞患者旋轉(zhuǎn)照射時射野形狀與靶區(qū)的形狀一致。Proimos及其同事1960年提出了同步擋塊旋轉(zhuǎn)照射方法。Green1959年提出了循跡掃描原理。Umegaki1971年在直線加速器上安裝了多葉準直器。用機械方式控制，逐漸發(fā)展到今天用微機控制。調(diào)強適形放射治療是由Bjarngard，Kijewski及其同事在20世紀70年代最先提出，但由于當時的技術(shù)條件在臨床上還不能實現(xiàn)，逆向治療計劃方法的提出和微機控制MLC技術(shù)的發(fā)展，為IMRT的臨床應(yīng)用提供了必要的條件。,調(diào)強定義調(diào)強:將直線加速器或鈷-60治療機的均勻劑量(率)輸出的射野變?yōu)椴痪鶆騽┝?率)輸出的射野的過程。調(diào)強裝置(器或方法):實現(xiàn)調(diào)強過程的裝置。,為什么要開展IMRT？,1.放療中約有30%的病例是凹形靶區(qū)，只有用調(diào)強方法才能得到這種形狀的高劑量分布，而周圍正常組織劑量很小。,2.能夠作調(diào)強治療的設(shè)備和技術(shù)已商業(yè)化。,3.照射可實現(xiàn)數(shù)字化。,4.用于IMRT的射野注量(強度)分布的逆向設(shè)計算法已經(jīng)成熟。,5.CT/MRI/SPECT/PET等影像設(shè)備,可以更加精確地確定靶區(qū)和周圍正常組織、器官的幾何結(jié)構(gòu),6.IMRT的驗證和QA技術(shù)不斷涌現(xiàn)。,調(diào)強的概念啟發(fā)于X射線橫向斷層CT成像的逆原理。當CT的X射線球管發(fā)出強度均勻的X射線束穿過人體后，其強度分布反比于組織厚度與組織密度的乘積，反向投影后形成組織的影像；反之，如果使用類似于CTX射線穿過人體后的強度分布的高能X（)線束、電子束或質(zhì)子束等，繞人體旋轉(zhuǎn)照射，在照射部位會得到類似CT斷層影像的適形劑量分布。根據(jù)調(diào)強的概念，首先要根據(jù)病變(靶區(qū))及周圍重要器官和組織的三維解剖，利用計劃系統(tǒng)計算出射野照射方向上應(yīng)有的強度分布，它是常規(guī)治療計劃設(shè)計的逆過程，稱為逆向計劃設(shè)計,第二節(jié)適形放射治療的臨床價值,適形治療概念的提出和進行臨床研究，始于1959年。適形治療的結(jié)果是:高劑量分布區(qū)與靶區(qū)的三維形狀的適合度較常規(guī)治療大有提高；進一步減小了周圍正常組織和器官卷入射野的范圍。這已在鼻咽癌、前列腺癌、非小細胞肺癌等三維適形治療與常規(guī)治療的研究比較中得以證實。因靶區(qū)劑量分布的改善和靶周圍正常組織受照范圍的減小，可導(dǎo)致靶區(qū)處方劑量的進一步提高和周圍正常組織并發(fā)癥的減低，并且在上述幾種癌瘤的臨床增量計劃研究中得以證實。理論認為，靶區(qū)劑量提高，必然導(dǎo)致腫瘤局部控制率的提高，進而提高生存率。,放射治療在腫瘤治療中的地位,癌癥治療五年生存率,55%未根治的癌癥患者的死亡原因,手術(shù)、放療、化療三大手段對癌癥治愈率的相對貢獻,IMRT提高癌癥患者生存率的假設(shè),腫瘤局部控制的最低劑量,（Fletcher1973）,大量臨床報告證明:高劑量照射會提高腫瘤的局部控制率和無瘤生存率,3D適形照射和雙側(cè)等中心旋轉(zhuǎn)標準照射治療前列腺癌的有關(guān)劑量學(xué)參數(shù)的比較,適形放射治療的臨床研究,腫瘤對放射線的抗拒和腫瘤的個體差異，造成劑量響應(yīng)曲線隨劑量繼續(xù)增加變得平坦，會減弱由于靶劑量增加帶來的治療增益的提高；但由于三維適形治療使靶區(qū)外周(邊緣)劑量得到提高，靶劑量的提高總體上能提高局部控制率。同樣，因腫瘤局部控制率的提高，也會因腫瘤的遠地轉(zhuǎn)移減少而提高生存率。,適形放射治療的臨床價值,臨床適應(yīng)癥,腫瘤局部控制失敗占主要的癌瘤因腫瘤局部控制失敗導(dǎo)致遠地轉(zhuǎn)移的癌瘤解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀比較復(fù)雜，特別是凹形靶區(qū);或多靶點的腫瘤的治療常規(guī)放療療效很好，希望進一步減少放射并發(fā)癥和改進患者療后的生存質(zhì)量,IMRT原理,凸形靶區(qū),凹形靶區(qū),IMRT（IMPT）,PhotonIMRT,ProtonIMRT,第三節(jié)調(diào)強的方式與實現(xiàn),根據(jù)病變（靶區(qū)）及周圍重要器官和組織的三維解剖，利用優(yōu)化設(shè)計算法，借助計劃系統(tǒng)計算出射野照射方向上的應(yīng)需要的強度（照射時間或機器跳數(shù)）分布,補償器原用于人體曲面和不均勻組織的補償。用于調(diào)強的二維補償器具有更廣泛的意義。,由具有逆向計劃設(shè)計的計劃系統(tǒng)，提供每個射野的強度分布（ij），然后轉(zhuǎn)換成補償材料的厚度（tij），輸出給PC控制的補償生成器，進行補償器的制作。調(diào)強補償器可作為射野擋塊的一部分，放置于治療機的擋塊托架上。,a.一維補償器,b.鋁塊或鉛片疊放式補償器,不同厚度的鋁方塊或鉛片按強度分布或組織厚度分布人工疊放,c.補償器生成器生成的二維補償器,二維物理補償器技術(shù)具有可靠、易于質(zhì)量保證（質(zhì)量控制）工作。但因每個野都需要使用補償器，給模室制作和治療擺位都帶來不便。補償器作為一種濾過器，也會影響原射線的能譜分布。但仍是目前用得最為廣泛的調(diào)強器。,其特征是每個子野照射完畢后，照射切斷，MLC調(diào)到另一個子野，再繼續(xù)照射，直到所有子野照射完畢。所有子野的流強相加，形成要求的強度分布。,MLC靜態(tài)調(diào)強是將射野要求的強度分布進行分級，利用MLC形成的多個子野進行分步照射。,MLC靜態(tài)調(diào)強由于每個子野照射結(jié)束后，射線必須切斷，才能轉(zhuǎn)到下一個子野。這樣因加速器的射線的“ON”、“OFF”動作，影響劑量率的穩(wěn)定性，因此它只能在帶有“柵控”電子槍的新型加速器上才可能實現(xiàn)這種照射。,調(diào)強實現(xiàn)方法,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,MLC動態(tài)調(diào)強是利用多葉準直器的互相對應(yīng)的一對葉片的相對運動，實現(xiàn)對射野強度的調(diào)節(jié)。該技術(shù)的特征是葉片運動過程中，射線一直處于“ON”的位置。葉片運動的特點是一對相對葉片總是向一個方向運動。,相對的兩個葉片中，有一片稱為引導(dǎo)片，先運動到一個位置；然后另一片稱為跟隨片，按選定的速度運動，給出各點所需的強度。此技術(shù)在文獻中有不同的稱呼，如相機快門技術(shù)、葉片跟隨技術(shù)和滑窗技術(shù)等。,調(diào)強實現(xiàn)方法,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,MLC螺旋調(diào)強技術(shù)綜合了MLC動態(tài)調(diào)強技術(shù)、MLC斷層治療技術(shù)和MLC靜態(tài)調(diào)強技術(shù)的特點。在整個照射過程中，治療機機架繞患者作N次等中心旋轉(zhuǎn)；每一次旋轉(zhuǎn)過程中，MLC不斷（一般每間隔5）改變射野的大小和形狀，完成一組“子野”的照射。因為MLC旋轉(zhuǎn)調(diào)強時MLC運動的范圍和次數(shù)都低于MLC動態(tài)調(diào)強和MLC靜態(tài)調(diào)強，效率較高。,調(diào)強實現(xiàn)方法,斷層治療技術(shù)，因模擬X射線計算機斷層技術(shù)而得名，它是利用特殊設(shè)計的MLC形成的扇形束繞患者體縱軸（此軸一般與加速器機架旋轉(zhuǎn)軸一致）旋轉(zhuǎn)照射，完成一個切片治療。然后利用床的步進，完成下一個切片的治療。本方法類似于英國Green氏在20世紀60年代倡導(dǎo)的循跡掃描技術(shù)。按床的行進方式的不同，在美國的兩個不同地方，分別獨立地發(fā)展了兩種不同的斷層治療方式：步進（Index）方式和螺旋（Spiral）方式。,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,螺旋方式是采取螺旋CT掃描方式，機架邊旋轉(zhuǎn)，治療床邊緩緩前進，實現(xiàn)扇形束的調(diào)強切片治療。,步進式是在每次旋轉(zhuǎn)照射完畢后，床步進一段距離。,調(diào)強實現(xiàn)方法,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,電磁偏轉(zhuǎn)掃描技術(shù)是實現(xiàn)調(diào)強治療的最好方法。它具有X光子的利用率很高，治療時間短的突出優(yōu)點，而且可實現(xiàn)電子束、質(zhì)子束的調(diào)強治療。因MM50型電子回旋加速器能夠提供品質(zhì)好的能量束流，能譜窄、能量單一的高能X射線和高能電子束，利用電子束的電磁偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)方向可變、強度各異的X射線和電子束的調(diào)強筆型束的掃描式照射。,調(diào)強實現(xiàn)方法,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,一種新型的二維調(diào)強準直器。它由N*N個準直器單元組成（每個單元形成一個單元野），類似于棋盤式的結(jié)構(gòu)，稱為棋盤式準直器。準直器單元分為全阻擋單元和全開放單元兩種，每個單元在等中心處的射野為5mm*5mm或10mm*10mm，它們的幾何形狀，在放射源（X射線靶）處聚焦。全阻擋單元由12cm厚的固體射線衰減材料制成，不讓射線穿過。全開放單元全部露空，對射線無阻擋。,照射時，通過氣泵向露空單元內(nèi)按預(yù)定方式充入一定厚度的水銀（補償器厚度），完成一次照射；然后準進器平移一個單元的位置，或旋轉(zhuǎn)90角，露空單元和阻擋單元互換位置，再照射一次，完成調(diào)強過程。該種準直器具有簡單、可靠、易于劑量控制和射野驗證等突出優(yōu)點。但可能因水銀蒸發(fā)引起水銀氣污染，一直未被FDA批準臨床應(yīng)用。目前正在積極開發(fā)和研制類似的新型的二進制的固體調(diào)強準直器，主要思路是將棋盤準直器中的全阻擋單元分成上、下兩層，靠上、下層阻擋塊的平移調(diào)整露空單元野下的劑量，實現(xiàn)調(diào)強。,調(diào)強實現(xiàn)方法,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,作為MLC的一個特例，獨立準直器可看作是兩對互相垂直的獨立的MLC葉片。利用它們的相對運動，也可以實現(xiàn)調(diào)強。其方法類似于靜態(tài)調(diào)強技術(shù)，將射野分成若干個矩形子野，進行分步照射。因子野總是矩形野，照射效率比靜態(tài)調(diào)強技術(shù)的低得多。,與現(xiàn)今流行的調(diào)強技術(shù)相比，IC靜態(tài)調(diào)強具有下述優(yōu)點：（1）因IC已成為新一代加速器的標準配置，IC比MLC更為經(jīng)濟；（2）與MLC相比，沒有凹凸槽效應(yīng)，漏射線和射野半影都較?。唬?）IC運動要比MLC運動更為可靠，故障機會大為減少。Webb氏最近提出IC技術(shù)加調(diào)強補償片（MASK）方法，可將其照射效率大大提高。目前該技術(shù)正在發(fā)展中。,調(diào)強實現(xiàn)方法,調(diào)強治療實現(xiàn)方法分類,條形擋塊移動技術(shù)是利用一個長條吸收體橫跨平野，以不同速度運動，形成一維強度分布。長條吸收體由計算機控制，連同驅(qū)動電機一起構(gòu)成的附件，直接放入加速器的擋塊托架上。,第四節(jié)三維適形放療對設(shè)備的要求,放射治療全過程包括病變(靶區(qū))和重要器官及組織的空間定位、治療計劃設(shè)計、治療方案的模擬及治療方案的實施四個階段。70年代CT的出現(xiàn)給放射治療的腫瘤定位提供了一種較有效的和較精確的工具，特別對輪廓的勾畫和組織密度(通過CT值轉(zhuǎn)換)為放療醫(yī)師、放射物理師提供了第一手的資料。但因常規(guī)CT只能提供兩維的信息，病變(靶區(qū))、器官和組織的三維結(jié)構(gòu)是在治療計劃系統(tǒng)中通過簡單的坐標疊加和勾畫形成，這樣形成的三維輪廓的精確性隨CT掃描層厚和間距的加大而變劣，改進的方法是利用現(xiàn)代的螺旋CT和三維重建技術(shù)。配有立體定位框架的螺旋CT將是作三維適形放療(3DCRT)的一種必備的工具，因為它能提供直接的準確的病變(靶區(qū))及器官的三維信息。為放射治療定位目的，MRI是作為CT定位的一種輔佐工具。為此，需要發(fā)展CT與MRI圖像的融合技術(shù)(軟件技術(shù))。,像常規(guī)放療一樣，三維適形放療也需要分次照射。保證從腫瘤定位到每天重復(fù)照射時體位的精確重復(fù)是實施三維適形放療的根本措施。采用精確的治療體位的固定技術(shù)，不僅使適形放療具有實際的臨床意義，而且能夠進一步的縮小計劃靶區(qū)（PTV）的范圍，使它更加接近于臨床靶區(qū)（CTV）。因此，三維適形放療過程中必須采用立體定向定位擺位框架。否則，就不能保證治療過程中患者坐標系的一致性。,治療計劃設(shè)計是放射治療過程中極其重要的一環(huán)，在治療計劃系統(tǒng)(一種專用電子計算機)中進行。治療計劃系統(tǒng)的主要功能是接受CT/MRI輸出的圖像(通過網(wǎng)絡(luò)、中間介質(zhì)等)，病變（靶區(qū)）及重要器官和組織輪廓的勾畫及重建，制訂一個優(yōu)化的治療方案，輸出治療方案的細節(jié)以及實施該治療方案所需的治療輔助工具（如擋塊、組織補償?shù)龋┲谱骷毠?jié)。目前國內(nèi)外市場上銷售的治療計劃系統(tǒng)名目繁多，但都是二維系統(tǒng)，加上三維圖像處理和顯示軟件后稱其為兩維半系統(tǒng)，其主要缺點是：（1）由于CT/MRI信息為兩維的，加上兩維圖像的簡單坐標疊加，不能給出準確的三維影像，造成病變（靶區(qū)）定位的失真和畸變。（2）對體內(nèi)不均勻組織密度對劑量分布影響的處理較為簡單，劑量計算的精度不高。（3）由于沒有采用逆向算法，優(yōu)化設(shè)計很困難，甚至變得不可能。,適合調(diào)強適形放療的治療計劃系統(tǒng)必須克服上述三大缺點，還必須具有下述幾大特征：（1）不僅要采用較為精確的（正向）劑量算法（特別是對散射線的處理），還必須有逆向算法。（2）必須具有三維數(shù)字圖像重建（DDR）功能。（3）不僅冠狀、矢狀、橫斷及任意斜切面圖像及劑量分布顯示功能，還必須有射野方向觀視（BEV）和醫(yī)生方向觀視（REV）的功能。（4）安排和設(shè)計射野時，必須具有模擬類似常規(guī)模擬定位機的射野選擇功能，包括準直器種類（對稱式、獨立式、多葉準直器）和大小、放置射野擋塊和楔形板等。,（5）治療方案確認后，能夠?qū)⑸湟皸l件傳送到CT機上進行治療模擬。此過程稱之為CT模擬（CTSimulation）。CT模擬機是一臺專為放射治療設(shè)計的專用的CT機，包括CT機、專用模擬軟件和定位系統(tǒng)。其特點是：掃描孔徑（FOV）必須很大，允許不同體位的患者作CT掃描；床面必須與治療的床面一樣，同時附有安裝治療體位固定器的輔助裝置；帶有射野模擬的三維激光模擬系統(tǒng)；因此，計劃系統(tǒng)必須能實現(xiàn)與CT模擬的通信。專用模擬軟件既可以單獨成系統(tǒng)，也可以成為3D治療計劃系統(tǒng)的一部分。(6)治療方案確認后，治療條件能夠傳送到治療機的計算機，包括機架、準直器、治療床的轉(zhuǎn)角與范圍；射野大小、方向、多葉準直器的葉片位置；照射過程中葉片的運動范圍及速度等。(7)治療方案確認后，治療的輔助裝置如射野擋塊、組織補償?shù)鹊膮?shù)能