TOMOTHERAPY螺旋斷層放射治療的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

尚進(jìn)，李東

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 放射治療科，遼寧沈陽 110015

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，放射治療已經(jīng)迎來了斷層治療時(shí)代。斷層治療字面上的意識(shí)就是分層治療，是來源于斷層成像的術(shù)語，它把精確的CT掃描機(jī)和放療設(shè)備結(jié)合在一起，能在有選擇性照射腫瘤組織的同時(shí)保護(hù)正常的功能性器官。與傳統(tǒng)的放療技術(shù)在幾個(gè)不同的方向上向腫瘤組織照射幾條射束不同，斷層治療使射線束圍繞病人旋轉(zhuǎn)，因此理論上允許從任何角度連續(xù)照射病人[1]。實(shí)際上，斷層治療的先進(jìn)性在于，在旋轉(zhuǎn)過程中每旋轉(zhuǎn)一圈有51個(gè)弧形子野，并且有64片二元?dú)鈩?dòng)多葉光柵（MLC）。光柵葉片可以在20ms內(nèi)關(guān)閉或者打開扇形寬度方向上的射束，其移動(dòng)速度相當(dāng)于250cm/s。每個(gè)治療點(diǎn)都會(huì)被旋轉(zhuǎn)的扇形束重疊照射2～5次，大概可以照射100～250個(gè)子束流，并且子束流可以分為0～100的不同強(qiáng)度水平。它所能實(shí)現(xiàn)的對(duì)射線的調(diào)制能力也是傳統(tǒng)MLC的100倍以上，每次治療都會(huì)用到幾萬個(gè)子束流，因此腫瘤組織能被更精確的照射，腫瘤周圍的正常組織能得到更低的照射劑量，尤其在靶區(qū)附近的正常組織需要避開時(shí)仍能非常好的維持靶區(qū)劑量的均勻性。

1 國內(nèi)、外斷層治療的現(xiàn)狀和發(fā)展

目前，所提及的斷層放射治療指的是CT引導(dǎo)的螺旋斷層調(diào)強(qiáng)放射治療，它將直線加速器和螺旋CT整合起來，使治療計(jì)劃、患者擺位和治療過程融為一體。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在治療中以CT為基礎(chǔ)的擺位，能對(duì)病人的體位誤差做到實(shí)時(shí)修正，而該項(xiàng)技術(shù)正是放療界的熱門話題圖像引導(dǎo)放療（IGRT）的核心內(nèi)容。與以往放射治療不同的是，它用調(diào)強(qiáng)的扇形射線束，以螺旋旋轉(zhuǎn)的方式以360°對(duì)腫瘤進(jìn)行照射。斷層放射治療系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)頭裝置類似于CT的環(huán)形機(jī)頭，裝有6MV直線加速器和影像引導(dǎo)CT探測器。直線加速器產(chǎn)生單一能量的6MV治療X線和3MV影像引導(dǎo)X線，治療劑量率達(dá)到850cGy/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的加速器輸出劑量率，同時(shí)配有氣動(dòng)MLC。首先是用螺旋KVCT獲取患者治療體位的CT圖像，由治療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行逆向治療計(jì)劃設(shè)計(jì)。直線加速器則同CT一樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式治療，同時(shí)，MLC也在工作，治療床自動(dòng)向頭側(cè)移動(dòng)以達(dá)到調(diào)強(qiáng)放射治療目的。另外，治療過程中穿過患者的射線可被CT探測器收集，通過反向投射計(jì)算，可以得出患者實(shí)際接受到的劑量分布，以便在下次治療時(shí)對(duì)劑量做出調(diào)整。

目前，臨床應(yīng)用的斷層治療設(shè)備主要是Wisconsin大學(xué)Madison醫(yī)院開發(fā)的斷層治療技術(shù)，這種形式的斷層治療把調(diào)強(qiáng)放療和精確的斷層成像技術(shù)緊密結(jié)合在一起，把CT和逆向調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）整合在一個(gè)一體化的設(shè)備中，使斷層治療從計(jì)劃、驗(yàn)證到實(shí)施都在一個(gè)封閉的循環(huán)內(nèi)進(jìn)行。

在適形治療中，高劑量區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)在醫(yī)生不希望出現(xiàn)的區(qū)域，有時(shí)甚至是要保護(hù)的器官內(nèi)，而且病人的定位和驗(yàn)證起到重要作用，著名放療專家Purdy，已經(jīng)指出了目前IMRT技術(shù)的質(zhì)量保證和安全的重要性方面的不足[2]，就是說無法控制腫瘤靶區(qū)的移動(dòng)以及照射過程中的實(shí)時(shí)圖像跟蹤，因此，腫瘤學(xué)家和物理學(xué)家正致力于此方面的研究，螺旋斷層治療可以在很大程度上克服上述問題。

對(duì)于斷層治療，首先要有一臺(tái)產(chǎn)生MV級(jí)的可以形成調(diào)強(qiáng)束的設(shè)備，并且?guī)獠刻綔y器，能產(chǎn)生MV級(jí)的CT圖像，這就為斷層治療的實(shí)施及驗(yàn)證提供了必要的硬件設(shè)施。

治療期間，病人在加速器每旋轉(zhuǎn)一圈后被標(biāo)定（連續(xù)治療），或者通過床的移動(dòng)來傳送病人（螺旋治療），而螺旋束治療對(duì)獲得靶區(qū)均勻的劑量分布是非常優(yōu)秀的。斷層治療不使用大野，相反射野被限定為扇形束。Mackie等對(duì)斷層治療研究說明，斷層治療不一定需要多能級(jí)射線，6～10MV的單能射束就能滿足要求。低于6MV每個(gè)入射電子的輸出太低，而能量高于10MV中子污染太大，并且側(cè)向電子范圍也大。射束強(qiáng)度的調(diào)制使用一個(gè)實(shí)時(shí)調(diào)制MLC，該MLC是該醫(yī)院自主開發(fā)的，NOMOS公司許可該技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)地順序治療[3]。該MLC由一系列的葉片組成，治療期間這些葉片在開關(guān)兩個(gè)位置之間運(yùn)動(dòng)，這樣就可以根據(jù)治療計(jì)劃，通過MLC執(zhí)行照射治療的過程。

1.1 斷層治療的過程概述

1.1.1 預(yù)處理

在預(yù)處理階段，病人經(jīng)醫(yī)生確認(rèn)病情及病變部位后進(jìn)行CT掃描獲得一系列的醫(yī)學(xué)圖像，用來進(jìn)行3-D劑量計(jì)算，醫(yī)生確定靶區(qū)和正常組織，也包括確定送到優(yōu)化設(shè)備的處方。在該階段，逆向計(jì)劃系統(tǒng)得出最優(yōu)的治療計(jì)劃，能量的實(shí)施模式也要進(jìn)行計(jì)算[4]。有了這些具體的數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行下面的實(shí)時(shí)處理。

1.1.2 實(shí)時(shí)處理

本處理過程中，每天早晨必須對(duì)機(jī)器的進(jìn)行日檢，驗(yàn)證各項(xiàng)讀數(shù)是否正確，這項(xiàng)工作使用帶有機(jī)械和劑量控制的特殊體模來做。當(dāng)病人進(jìn)行首次治療時(shí)，一定要進(jìn)行CT掃描，確保治療時(shí)病人定位的準(zhǔn)確，此時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)記也要做，這些標(biāo)記將是病人后續(xù)治療的第一步。之后要進(jìn)行螺旋厚掃獲得投影圖像或者受量圖，來預(yù)測病人位置是否正確，該掃描的圖像對(duì)照計(jì)劃過程中的登記圖像，作為后續(xù)治療的參考。每次治療都要進(jìn)行螺旋掃描，數(shù)據(jù)由探測器記錄和登記的參考位置做比較，來確定病人的平面和旋轉(zhuǎn)偏移。一旦病人相對(duì)參考位置的偏移確定之后，可以采用兩種正確的方法：① 重復(fù)病人的床上擺位；② 按照病人的偏移實(shí)施修正程序。注意該步驟不必重新優(yōu)化，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)橹匦聝?yōu)化要耗費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，而修正程序只花費(fèi)幾秒鐘[5]。

病人在治療的前后及治療期間都要進(jìn)行CT掃描，這些數(shù)據(jù)用來驗(yàn)證病人的位置，而且對(duì)于進(jìn)行劑量重建也是必要的。同時(shí)，每個(gè)病人每星期要進(jìn)行一次典型的CT掃描，緊接著要進(jìn)行的是實(shí)施驗(yàn)證，實(shí)施驗(yàn)證計(jì)算病人的真實(shí)受量，通過比較腫瘤所受劑量和計(jì)劃的給與劑量，來分析照射的具體實(shí)施過程。實(shí)施驗(yàn)證也可以在檢測到錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)使機(jī)器停止，病人的真實(shí)受量通過這種方法獲得，它是進(jìn)行劑量重建的輸入數(shù)據(jù)，實(shí)施驗(yàn)證的最后步驟是治療的實(shí)施。所有上面提及的過程將發(fā)送到機(jī)器的控制和同步系統(tǒng)，在該過程中機(jī)架、探測器、MLC和床要控制同步。每個(gè)設(shè)備和機(jī)器的每個(gè)過程都要進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證，并發(fā)送信息給安全系統(tǒng)，安全系統(tǒng)驗(yàn)證劑量多少，必要時(shí)該系統(tǒng)可以切斷機(jī)器。上面描述的每個(gè)過程，所有的信息都被探測器收集，這些信息提供給后面的處理過程[6]。

1.1.3 后處理

后處理過程的開始于實(shí)時(shí)處理階段所收集的信號(hào)，在該過程中，機(jī)器產(chǎn)生和重新獲得的信息將被在其他任務(wù)中分析使用，驗(yàn)證和校準(zhǔn)的日檢工作也要做。確定病人的偏移后，決定是重新給病人定位還是進(jìn)行實(shí)施修正（對(duì)于操作者這一點(diǎn)在實(shí)時(shí)處理階段就可以呈現(xiàn)），然后病人的掃描成像也可以進(jìn)行重建。

使用治療前后及治療期間獲得的圖像和真實(shí)的照射劑量，病人所受的確切劑量被計(jì)算出來，并和治療計(jì)劃的進(jìn)行比較。如果必要，在下次治療前，治療可以被修正，應(yīng)用這樣的方法，一次接一次的自適應(yīng)放療就可以進(jìn)行。而且醫(yī)生還可以分析確切的治療實(shí)施，在這些過程的每一步后，下一次治療前要確定一些修正。

1.2 實(shí)施治療

以前關(guān)于優(yōu)化的討論都是獨(dú)立的射野照射技術(shù)，然而軸向或螺旋束照射是斷層治療中的觀點(diǎn)，因?yàn)檫@里涉及病人潛在的劑量冷點(diǎn)和熱點(diǎn)，軸向和螺旋治療的主要區(qū)別在于，如果不能非常精確的指示病人位置（精確度要達(dá)到0.2mm），軸向束照射的連接處就存在問題。

通過應(yīng)用斷層治療操作平臺(tái)，對(duì)兩種治療技術(shù)進(jìn)行了比較，治療平臺(tái)通過安裝一臺(tái)Orion直線加速器來構(gòu)成，照射的中軸平行于水平線。一種商品化的MLC可以隨時(shí)連接到加速器的治療頭上，為了模擬機(jī)架的旋轉(zhuǎn)和病人的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用一種計(jì)算機(jī)控制的定位設(shè)備，該設(shè)備可以把體模定位在精確的位置，體模、MLC和加速器由計(jì)算機(jī)來控制同步?？梢宰鲆粋€(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，通過在均一的水模內(nèi)放入一個(gè)驗(yàn)證片來分析精確引導(dǎo)病人的重要性。未經(jīng)調(diào)制的狹縫射束被定向，以便它的長軸和圓筒的照射方向平行。膠片的中心放于斷層治療平臺(tái)的等中心，中間的12對(duì)葉片打開，12對(duì)葉片在等中心處的投影是107.8mm。體模和膠片在連續(xù)照射期間旋轉(zhuǎn)360°，每次旋轉(zhuǎn)后照射停止，體模膠片做平移，要重復(fù)12次連續(xù)照射。因?yàn)槟z片獲得的劑量是在整個(gè)平面上，所以能確定體模受到的總劑量，而且射束強(qiáng)度是均一的，之后對(duì)膠片數(shù)字化（像素＝0.4mm），并且用校準(zhǔn)膠片把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成劑量[7]。

螺旋治療不僅大大地減少了連接問題，它也可以改善長軸方向（平行于螺旋軸）的劑量強(qiáng)度。這可以實(shí)現(xiàn)是因?yàn)?，螺旋束照射可以設(shè)置不同的螺距值，螺距的定義是機(jī)架每旋轉(zhuǎn)一圈床的位移和層厚的比值，一個(gè)螺距就表示床的位移等于一個(gè)層厚，0.5個(gè)螺距就表示每次旋轉(zhuǎn)床位移是一個(gè)層厚的一半[8]。

1.3 其他醫(yī)院應(yīng)用的斷層治療

目前，螺旋斷層治療是世界上最新和最先進(jìn)的放療設(shè)備，在美國，Thompson腫瘤治療中心和Madison醫(yī)院及幾個(gè)主要的腫瘤中心是應(yīng)用該技術(shù)的先鋒，而且Thompson腫瘤治療中心把該設(shè)備應(yīng)用于臨床，并治療了第一個(gè)病人。第一例應(yīng)用斷層治療的前列腺、乳腺、肺、頭頸部、脊髓、小兒疾病和立體定向外科的病人都是在該醫(yī)院完成的，Thompson腫瘤治療中心應(yīng)用螺旋斷層設(shè)備及CT圖像引導(dǎo)治療的病人數(shù)量在世界上是最多的。在此之后，奧蘭多M.D.Anderson癌癥中心、弗吉尼亞大學(xué)健康中心、美國癌癥治療中心、加拿大倫敦區(qū)癌癥中心、Johns Hopkins放射核醫(yī)學(xué)科、UAB健康中心等北美著名醫(yī)療機(jī)構(gòu)都相繼應(yīng)用斷層治療技術(shù)[9]。

從2003年7月Thompson腫瘤治療中心開始治療第1例患者，截止到2011年8月，在全世界已有近400臺(tái)斷層放射治療機(jī)投入臨床使用。在國內(nèi)，解放軍總醫(yī)院于2007年9月率先引進(jìn)以來，現(xiàn)國內(nèi)總計(jì)有9臺(tái)應(yīng)用于臨床。

2 斷層治療的前景

斷層放射治療是CT引導(dǎo)的螺旋式旋轉(zhuǎn)的調(diào)強(qiáng)放射治療，它能夠治療不同的靶區(qū)，從立體定向治療小的腫瘤到全身治療，均由單一的螺旋射線束完成。通過治療前兆伏CT與計(jì)劃比較一個(gè)連續(xù)的照射野，實(shí)時(shí)調(diào)整患者的治療體位，最大限度地保證治療體位和計(jì)劃體位的重復(fù)一致性。通過每次治療所得的兆伏CT圖像，可以觀察到腫瘤劑量分布及在治療過程中腫瘤的變化，及時(shí)調(diào)整治療計(jì)劃中的靶體積。

總之，斷層放射治療可提供高度精確的調(diào)強(qiáng)放射治療和實(shí)時(shí)的位置、劑量驗(yàn)證，是影像引導(dǎo)放射治療的典范。它為放射治療醫(yī)師開辟了一個(gè)新的治療平臺(tái)，在調(diào)強(qiáng)放射治療發(fā)展史上占有重要地位。

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