醫(yī)用直線加速器的研究進展

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。

1 常規(guī)放射治療設備

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]。

2 3D適形放射治療

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]。

3 3D適形調強放射治療設備

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。

4 圖像引導放射治療設備

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。

5 總結展望

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）