曾偉明
醫(yī)用直線加速器的研究進展
曾偉明
本文簡介了醫(yī)用直線加速器的發(fā)展情況,重點介紹了常規(guī)放射治療設備(Conventional radiation therap)的特點,3D 適形放射治療設備(3-dimensional conformal),3D 適形調強放射治療設備(3D Conformal and Intensity Modulation-IMRT),還有圖像引導設備(Image Guide RadioTherapy-IGRT)的研究現(xiàn)狀,最后指出醫(yī)用直線加速器的發(fā)展方向。
常規(guī)放射治療;3D 適形放射治療;3D 適形調強放射治療;圖像引導放射治療
據統(tǒng)計惡性腫瘤已發(fā)展成為疾病三大死亡病因之一。人類目前對惡性腫瘤還沒有特效治療方法。放射治療與外科手術治療、化學藥物治療是現(xiàn)代臨床治療腫瘤的三大手段。放射治療(Radiation therapy)是利用放射線治療各種腫瘤的臨床方法。國際衛(wèi)生組織(WTO)的統(tǒng)計數(shù)據表明:(1)70%左右的腫瘤患者需要接受放射治療;(2)腫瘤治愈率45%中,手術治療為22%,放射治療為18%,化療為5%[1]。因此,放射治療在腫瘤治療中所起的作用是不可替代的。由于電子直線加速器和其它放療設備相比具有:X線和電子束輸出量大,射野大的特點,醫(yī)用電子直線加速器成為了目前最常用的放療設備,醫(yī)用電子直線加速器是指用于腫瘤放射治療的微波電子直線加速器(microwave electron linear accelerator,LINAC), LINAC是linear accelerator的縮寫,中文簡稱“直加”是指電子從微波電磁加速場獲得能量并延直線軌道加速運動醫(yī)用電子直線加速器按加速的電磁場形態(tài)不同分為行波直線加速器和駐波直線加速器[2],為我們大家所熟悉的瑞典醫(yī)科達公司所生產的precise直線加速器是行波直線加速器,而美國瓦里安所生產的Trilogy是駐波直線加速器。
1952年末在英國倫敦Hammersmith醫(yī)院開始安裝第一臺直線加速器,為適應臨床醫(yī)學的要求,以醫(yī)用電子直線加速器為代表的外照射放療設備呈現(xiàn)出前所未有的技術快速提升、設備不斷推陳出新的發(fā)展態(tài)勢。概括總結其技術發(fā)展歷程為:上世紀80年代以前的常規(guī)放療,90年代初的立體定向治療,90年代中期的適形放射治療,90年代末期的適形調強放射治療,以及當今的圖像引導放射治療。
上世紀80年代以前的常規(guī)放療一般通過常規(guī)模擬定位機模仿各類治療機,按不同條件進行定位,制定治療計劃,并用標準鉛擋塊遮擋,擋塊的主要目的是將規(guī)則野變成不規(guī)則野,以使射野形狀與靶區(qū)形狀的投影一致;或是為了保護射野內某一重要組織或器官。以往,外加的擋塊均由純鉛制成。由于鉛的熔點比較高(327℃),制作較困難,一般只作為射野標準擋塊使用,不易對每個患者制作特定形狀的鉛塊。采用低熔點鉛(低熔點鉛的組成成分為鉍50%,鉛26.7%,鎘10.0%,錫13.3%。此種合金的熔點約為70℃。)以后,克服了這個缺點,可以較容易實現(xiàn)適合患者個體化的要求[3]。
3D適形放射治療(3-dimensional conformal radiation therap),是20世紀90年代發(fā)展起來的一種帶有革命性的腫瘤放療技術,其被認為是21世紀腫瘤放射治療的發(fā)展方向[4]。三維放射治療以病人個體化為原則;采用CT模擬定位和三維治療計劃系統(tǒng),進行三維劑量計算和顯示,使空間劑量分布與靶區(qū)符合(適形),盡量減少對正常組織的損傷。與常規(guī)放療設備相比,3D 適形放射治療設備增加了多葉準直器(Multi Leaf Collimator-MLC),還有就是增加了CT模擬定位系統(tǒng)(CT-sim)。CT定位系統(tǒng)是三維適形的關鍵,CT定位系統(tǒng)包括CT機,激光定位系統(tǒng)(等中心標記系統(tǒng)),圖像工作站及虛擬模擬軟件[5]。模擬螺旋CT基本同于診斷用螺旋CT,但要求機架孔徑》70cm,最大掃描直徑》42cm,和常規(guī)模擬定位機相比,可以得到任意切面圖像,甚至三維顯示,還可以將常規(guī)CT.MRI或PET圖像進行融合,從而為臨床醫(yī)生勾畫靶區(qū)提供更多的參考信息,CT模擬機重建影像的CT值反應了X線在組織中的線性衰減關系,由此就可以得到組織橫截面的電子密度分布情況,可以根據系統(tǒng)內建的校正公式,進行密度不均勻計算[6],這都是常規(guī)放療所不具備的。多葉準直器(MLC)從1965年誕生并第一次使用后,獲得了迅猛發(fā)展和廣泛應用[7]。與射野擋塊相比,MLC適形具有顯著優(yōu)勢:能大幅提高適形治的效率,使靜態(tài)和動態(tài)調強技術的實施成為可能[8]。
調強放射治療(IMRT)代表了現(xiàn)代放射治療(RT)最主要技術進步之一,它是在三維適形治療基礎上發(fā)展起來的新型放射治療設備,與三常規(guī)維適形治療(3DCRT)相比,最大優(yōu)點是它能產生更為適形的等劑量分布,這就意味著正常組織受量減少,最終提高療效[9]。而調強適形治療技術自上世紀90年代誕生以來,以其“三高一低”的特點,迅速獲得了國內外放療界的認可,并成為當今放療發(fā)展的主流方向。高精度:高精度定擺位,高精度適形,高精度治療。定擺位誤差從厘米級提高到毫米級。高劑量:腫瘤劑量一般高于傳統(tǒng)放療,腫瘤控制率(TCP)可望提高。高療效:五年生存率可望提高。低損傷:正常組織單位體積劑量一般明顯低于傳統(tǒng)放療,危急器官放射性損傷率(NTCP)可明顯降低。
調強適型放療技術的最新進展是圖像引導放射治療設備(Image Guide RadioTherapy-IGRT),稱為四維放射治療,是當今進入臨床推廣應用的最先進的醫(yī)用電子直線加速器放療設備[10]。 IGRT充分考慮了解剖組織在治療過程中的運動和分次治療間的位移誤差,如呼吸運動、小腸蠕動、膀胱充盈、胸腹水、日常擺位誤差、腫瘤增大/縮小等引起放療劑量分布的變化和對治療計劃的影響等,這項技術通過在新型加速器集成KV級X射線容積成像設備而實現(xiàn)的,稱為ConebeanCT[11]。而加速器獲取影像的基本工具是非晶硅平板探測器,這種探測器具有空間分辨率高,靈敏度高,射野范圍寬等特點,可實時監(jiān)測照射野的形狀和位置,是調強適形放療的理想質量控制設備[12]。在電子直線加速器上又增加了KV級X診斷影象系統(tǒng),實際上,該類型的IGRT設備是將CT與電子直線加速器整合的結果。而Tomotherapy是一種最新研制成功的IGRT設備,稱為斷層掃描放射治療設備(Tomotherapy)[13]。Tomotherapy 是HI-ART由美國威斯康星大學醫(yī)學物理系的研究小組經過十多年的研究完成,外表與CT掃描機相似,主要組成:①環(huán)狀機架上原先裝X線球管的地方安裝了6MV直線加速器;②MLC實現(xiàn)扇形束調強治療;③MV級電子射野影像設備(EPID)做劑量驗證和位置驗證;④激光定位系統(tǒng);優(yōu)點:①配有治療計劃優(yōu)化器,比傳統(tǒng)治療計劃系統(tǒng)更方便;②使用特殊的兆伏級(3MV)CT精確驗證其位置,保證射線束流真正作用于病灶。③可采用束流的螺旋傳送實現(xiàn)復雜的調強放療,使放射劑量完全集中于腫瘤,避免對周圍健康組織的傷害;④使醫(yī)生在治療過程中根據需要調整劑量;⑤將傳統(tǒng)的加速器中的模擬機、治療計劃系統(tǒng)用計算機、適形塊和補償器及部分圖像系統(tǒng)集成在一起,簡化了流程,降低了成本,提高了效率;⑥CT孔徑大,加速器在機架中,減少了病人的恐懼心理。
隨著計算機制造技術和制造工藝的進步,信息化的發(fā)展,使得放射治療人工系統(tǒng)更加智能化,使治療精確性和準確性更高,提高了病人的生存率,降低了副反應,治愈了更多的腫瘤病人,提高了生存質量。人工智能的進一步發(fā)展,我們的科學家正不斷研制出更加接近人類智能的放療機器人,例如賽博刀(Cyberknife)由美國Stanford大學醫(yī)療中心腦外科與Accuray公司合作研發(fā)[14],賽博刀是一種影像引導的立體定向治療機,將6MeV直線加速器置于一6自由度的大型機器人手臂上,以圖像導引系統(tǒng)取代剛性的立體定向用的框架,加速器的等中心可以隨靶區(qū)的變化而同步變化,核心技術是機器人和圖像導引系統(tǒng)。而最新改型的賽博刀立體定向放射治療(手術)系統(tǒng)帶有一種特有的基準追蹤裝置,該裝置經皮埋在需治療的目標附近外圍,通過六個數(shù)據追蹤,用作腫瘤定位的參考點。放射治療時,圖像導引系統(tǒng)跟隨該基準裝置的位置,腫瘤的位置就被傳送到機器人臂,由此配合患者位置的變化對加速器重新定位,治療誤差可控制在亞毫米水平[15]。該產品在發(fā)達國家有較好的應用前景,美國喬治敦大學醫(yī)院(花費290萬美元)和舊金山醫(yī)學中心已安裝了這套新系統(tǒng),毫無疑問,對于患者的治療將更加精確,更加安全.從而提高治愈率,減少并發(fā)癥的發(fā)生.對于如此智能化得放療機器人,將是放療的理想境界。
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10.3969/j.issn.1009-4393.2011.29.017
537100 廣西貴港市人民醫(yī)院(曾偉明)