射波刀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展及其臨床應(yīng)用

胡立宏，程 瑞，張 倩，鄭國寶

射波刀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展及其臨床應(yīng)用

胡立宏，程 瑞，張 倩，鄭國寶

介紹了射波刀的組成、結(jié)構(gòu)，從照射系統(tǒng)、影像引導(dǎo)、呼吸追蹤技術(shù)、目標(biāo)參考系4個(gè)方面闡述了射波刀的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了第四代射波刀（G4）較第三代射波刀（G3）所具有的技術(shù)優(yōu)勢，并通過具體臨床應(yīng)用實(shí)踐，指出射波刀對于一些體積較小、手術(shù)困難、伽馬刀和加速器難以治療以及隨呼吸運(yùn)動(dòng)的腫瘤病例有著良好的臨床效果，是放射治療的有力工具。

射波刀；技術(shù)優(yōu)勢；腫瘤

0 引言

1951年，瑞典神經(jīng)外科醫(yī)生Lekshell提出了立體定向放射外科（stereotactic radiosurgery，SRS）概念，并于1967年發(fā)明了治療頭部病變的伽馬刀。1985年，Colombo等將經(jīng)過改造的直線加速器用于立體定向放射治療，發(fā)明了顱腦X刀[1-2]。1992年，美國斯坦福大學(xué)神經(jīng)外科醫(yī)生Adler發(fā)明了技術(shù)更先進(jìn)的射波刀[3]，并于2001年8月通過美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）全身腫瘤放射治療認(rèn)證，將病變治療范圍拓展到全身。

1 射波刀技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 射波刀的組成

射波刀主要由6個(gè)部分組成[4-5]（如圖1所示）：（1）由機(jī)械臂（manipulator）及直線加速器（linear accelerator）組成的機(jī)器人照射系統(tǒng)（robotic delivery sys tem）；（2）由安裝在治療室天花板上的2部X線源和治療床兩側(cè)90°正交的2部X線平板探測器（image detector）組成的靶區(qū)定位系統(tǒng)（targeting system）；（3）治療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system）；（4）治療床（treatment couch）；（5）紅外線同步追蹤攝像機(jī)（synchronycamera）；（6）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成與控制系統(tǒng)。

1.2 射波刀的技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 機(jī)器人照射系統(tǒng)靈活精準(zhǔn)

機(jī)器人照射系統(tǒng)可產(chǎn)生6 MV治療用X線且僅有150 kg的輕型直線加速器安裝在可做6軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械臂上并隨機(jī)械臂靈活地運(yùn)動(dòng)[6]，機(jī)械臂重復(fù)定位精度為0.2 mm，保證了定位的精準(zhǔn)度。在4.4 m× 5.5 m的機(jī)械臂活動(dòng)范圍內(nèi)，不同半徑的球面上有100個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有12個(gè)投射方向，機(jī)械臂可精確地移動(dòng)，且在指定位置上精確地停止，最多可形成1 200條射束。對頭部病灶，照射距離為650或800 mm；對體部病灶，照射距離為800～1 000 mm。采用等中心或非等中心照射，形成圓球面或橢圓球面射野分布，可使頭頸部腫瘤治療精度達(dá)到0.95 mm，胸腹部腫瘤呼吸追蹤精度達(dá)到1.5 mm[7]。

1.2.2 影像引導(dǎo)功能強(qiáng)大，擺位及治療中定位精度高

放射治療一般需要比較精確的固定裝置，使影像定位時(shí)的患者體位與治療時(shí)保持一致。而射波刀對于患者的體位固定要求不是很嚴(yán)格，因?yàn)樗ㄟ^2組正交的kV級X線攝像，在治療前進(jìn)行數(shù)字重建圖像（digital reconstructedly radiograph，DRR）配準(zhǔn)，可以使治療位置與計(jì)劃（定位）位置有很好的一致性，并且在治療過程中可以通過圖像引導(dǎo)隨時(shí)校正患者位置，保證位置精度在1 mm以內(nèi)。

1.2.3 同步呼吸追蹤（Synchrony），實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)治療定位

為解決腫瘤靶區(qū)隨呼吸發(fā)生三度空間位移的問題，呼吸門控技術(shù)要求X線的發(fā)射與患者呼吸某一周期同步，這樣就只有在一個(gè)很小的呼吸周期內(nèi)可以進(jìn)行照射；呼吸保持技術(shù)要求患者在治療過程中保持某一呼吸狀態(tài)，那些肺功能有缺陷的患者很難做到；而同步呼吸追蹤技術(shù)通過建立患者自然呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)體表運(yùn)動(dòng)模式和體內(nèi)腫瘤三度空間的連鎖關(guān)系，得到自然呼吸周期中腫瘤的四維影像模式，并將此四維影像模式回饋到機(jī)器人手臂，帶動(dòng)直線加速器X線束向相應(yīng)的方向照射，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、精準(zhǔn)的四維照射[8-9]。

1.2.4 唯一利用人體骨架結(jié)構(gòu)作為目標(biāo)參考系的放療系統(tǒng)

射波刀利用顱內(nèi)病灶與顱骨之間、脊柱與其周圍腫瘤之間的固定對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行腫瘤病灶定位[10]，形成顱骨追蹤（6Dskull）和脊柱追蹤（X-sight-spine）2種追蹤方法。對于隨呼吸運(yùn)動(dòng)的腫瘤，需植入4～6粒金標(biāo)（fiducial）建立靶目標(biāo)參考系，再利用同步呼吸追蹤功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤。對于盆腔等軟組織部位腫瘤，因隨呼吸運(yùn)動(dòng)幅度小，所以只需植入金標(biāo)建立靶目標(biāo)參考系就可實(shí)現(xiàn)精確定位。對于肺部某些部位腫瘤，因腫瘤組織密度遠(yuǎn)大于肺組織密度，利用X-sight-lung追蹤軟件可將腫瘤從肺組織中識別并實(shí)施同步呼吸追蹤定位。

2 射波刀技術(shù)發(fā)展

2.1 劑量率提高

第三代射波刀（G3）劑量率為400 cGy/min，第四代射波刀（G4）劑量率提高到800或1 000cGy/min[11]，縮短了照射出束時(shí)間，提高了治療效率。

2.2 路徑優(yōu)化

G3射波刀治療過程中，機(jī)械臂需按順序走完計(jì)劃中每一路徑上的所有空間節(jié)點(diǎn)，包括不出射線的空間節(jié)點(diǎn)。而G4射波刀則可跳過不出射線的空間節(jié)點(diǎn)，減少了機(jī)械臂的走位運(yùn)動(dòng)，縮短了走位時(shí)間。

2.3 軟件更加豐富

在G3射波刀的簡單（simplex）和迭代（iterative）2種劑量算法基礎(chǔ)上，G4射波刀增加了被譽(yù)為劑量計(jì)算黃金標(biāo)準(zhǔn)的蒙特卡羅（Monte Carlo）算法，并且通過更大容量的X線攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了專門治療前列腺癌的追蹤軟件（InTempo）。

2.4 突破了SGI服務(wù)器瓶頸

通過增加CDMS工作站，使G4射波刀承擔(dān)了G3射波刀SGI服務(wù)器的患者DRR圖像生成、患者數(shù)據(jù)存儲與備份、CT及MR定位圖像傳輸?shù)墓ぷ魅蝿?wù)，從而使SGI服務(wù)器只需執(zhí)行患者治療控制工作，優(yōu)化了工作流程，大大提高了工作效率。

2.5 自動(dòng)更換準(zhǔn)直器

G4射波刀增加了準(zhǔn)直儀更換器（Xchange）。治療過程中，計(jì)算機(jī)操控機(jī)械臂上的準(zhǔn)直儀更換器自動(dòng)更換準(zhǔn)直器，無需治療人員進(jìn)入治療室進(jìn)行人工更換。

2.6 加大了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間

G4射波刀影像板由G3的地面上90°正交改為落地式，隱藏在地板內(nèi)，增加了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間，從而增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)，入射角度也更為靈活。

2.7 MLC功能及自動(dòng)成型功能

最新的射波刀可帶有多葉光柵（multi-leaf collimator，MLC），自動(dòng)形成各種不規(guī)則射野，并且可通過機(jī)頭前方的六邊形附件自動(dòng)形成12個(gè)不同大小孔徑的準(zhǔn)直器。

3 射波刀的臨床應(yīng)用

我院于2010年4月引進(jìn)射波刀，截止到2014年2月，已治療全身各部位腫瘤患者827例?；仡櫺允占?010年4月至2011年9月治療的322人次（其中41人再次治療或第三次治療）患者資料：顱內(nèi)152例（47.2%），胸部 100例（31%），腹部 52例（16.1%），脊髓脊柱腫瘤16例（5%），盆腔2例（0.6%）；其病種分別為：原發(fā)肺癌及肺轉(zhuǎn)移癌100例，原發(fā)腦瘤及腦轉(zhuǎn)移瘤120例，肝癌及肝轉(zhuǎn)移癌31例，胰腺癌21例，脊柱轉(zhuǎn)移癌16例，其余為全身其他腫瘤。下面簡單介紹射波刀治療的一些初步經(jīng)驗(yàn)。

3.1 顱內(nèi)良性腫瘤

（1）當(dāng)垂體瘤患者瘤體較大且不能耐受開顱手術(shù)時(shí)，可使用射波刀分次治療。處方劑量分割成3～5次給予，既可達(dá)到有效控制腫瘤的目的，又能同時(shí)減輕顱內(nèi)不良反應(yīng)[12]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我院治療的50例垂體瘤患者在治療后均有不同程度改善。圖2為某垂體瘤患者在射波刀治療前、后增強(qiáng)MRI影像圖。該患者76歲，腫瘤體積1.4 cm3，因年齡較大不能手術(shù)，分割3次射波刀治療，處方總劑量20 Gy，腫瘤周邊70%等劑量線包繞95%腫瘤體積。盡管視神經(jīng)和視交叉距離腫瘤非常近，但對二者的劑量限制很成功，治療后視力未受影響，而且治療后復(fù)查，MRI顯示腫瘤體積明顯縮小。

圖2 垂體瘤射波刀治療前、后增強(qiáng)MRI比較

（2）中、小型聽神經(jīng)瘤是放射外科治療的良好適應(yīng)證之一。射波刀通過實(shí)施低分割照射，可以很好地保存患者的有效聽力。圖3為某左側(cè)聽神經(jīng)瘤患者在射波刀治療前、后增強(qiáng)MRI影像圖。該患者的腫瘤體積為1.5 cm3，腫瘤附近有金屬異物，無法做伽馬刀治療，實(shí)施分割照射3次、周邊劑量18 Gy的射波刀治療，治療后隨訪患者腫瘤縮小，且聽力正常。

圖3 聽神經(jīng)瘤射波刀治療前、后增強(qiáng)MRI比較

3.2 脊髓、脊柱及椎管內(nèi)外的腫瘤

Ryu等[13]的16例射波刀治療脊髓腫瘤患者結(jié)果顯示，在其治療結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)與射波刀治療有關(guān)的并發(fā)癥，并且在6個(gè)月后的隨訪中也沒有出現(xiàn)明顯的疾病進(jìn)展，同時(shí)減輕了患者痛苦，提高了患者生活質(zhì)量[14]。本組16例脊髓、脊柱及椎管內(nèi)外的轉(zhuǎn)移瘤經(jīng)射波刀治療后，多數(shù)腫瘤得到控制，1/3腫瘤縮小。

3.3 神經(jīng)系統(tǒng)以外的腫瘤

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，肺癌、肝臟腫瘤、胰腺癌、腎臟腫瘤、前列腺癌、骨腫瘤和一些婦科腫瘤也可應(yīng)用射波刀進(jìn)行放射治療[15]。由于Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)可在治療過程中追蹤及捕捉腫瘤的活動(dòng)，因此射波刀在立體定位放射治療領(lǐng)域中的作用獨(dú)一無二。本組100例肺癌患者接受射波刀治療后，腫瘤基本沒有明顯進(jìn)展，表現(xiàn)為35名患者完全緩解、60名患者部分緩解、3名患者的腫瘤穩(wěn)定及2名患者的病情惡化。本組31例肝癌患者接受射波刀治療，70%的患者情況好轉(zhuǎn)，腫瘤縮小。Koong[16-17]及其研究隊(duì)伍發(fā)表的2項(xiàng)研究顯示，佐以Synchrony呼吸追蹤系統(tǒng)的射波刀治療局部晚期胰腺癌，可使病情得到控制；在有效保護(hù)盆腔等臟器的前提下，可進(jìn)一步提高前列腺癌靶區(qū)照射的總劑量[18]。

4 結(jié)語

射波刀系統(tǒng)以其先進(jìn)的交互式機(jī)器人技術(shù)，精確操控X線以共面和非共面、聚焦和非聚焦、等中心和非等中心的照射方式治療腫瘤；以實(shí)時(shí)拍片驗(yàn)證體位和影像引導(dǎo)糾偏的方法確保擺位的準(zhǔn)確性；以同步呼吸追蹤系統(tǒng)得到自然呼吸周期中腫瘤四維影像模式，從而帶動(dòng)直線加速器X線束實(shí)施動(dòng)態(tài)的、精準(zhǔn)的四維照射，提供了傳統(tǒng)放射外科治療所無法比擬的靶區(qū)照射的高度精確性，解決了患者呼吸運(yùn)動(dòng)的難題。該系統(tǒng)是目前世界范圍內(nèi)唯一利用人體骨架結(jié)構(gòu)作為目標(biāo)參考系的放療系統(tǒng)，是兼容放射外科和放射治療的新一代設(shè)備，能治療全身病灶且治療過程無創(chuàng)或微創(chuàng)，分割次數(shù)少，單次劑量高，并發(fā)癥少，恢復(fù)期短。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和臨床應(yīng)用的日漸成熟，射波刀系統(tǒng)必將造福越來越多的腫瘤患者。

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（收稿：2014-03-15 修回：2014-07-26）

（欄目責(zé)任編校：李惠萍 傅 靂）

Present situation,development and clinical application of Cyberknife

HU Li-hong,CHENG Rui,ZHANG Qian,ZHENG Guo-bao
(Department of Tumor,the 150th Hospital of the PLA,Luoyang 471031,Henan Province,China)

Cyberknife is introduced for its composition,structure,irradiation system,image guiding,respiration tracking technique and target reference system.The technical advantages of the fourth-generation Cyberknife are analyzed over the third-generation one.Clinical trials show that Cyberknife behaves well in the tumor with small body,moving synchronously with breath or difficult to be cured by operation,Gamma knife and accelerator.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：110-112，115]

Cyberknife;technical advantage;tumor

R318；TH774

A

1003-8868（2015）03-0110-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.110

胡立宏（1970—），男，副主任技師，主要從事放射物理方面的研究工作，E-mail：hulihong_1970@sohu.com。

471031河南洛陽，解放軍150醫(yī)院腫瘤科（胡立宏，程 瑞，張倩，鄭國寶）

程 瑞，E-mail：378393166@qq.com