腫瘤放射治療物理技術(shù)新進(jìn)展

席 強(qiáng)，涂恒業(yè)

（河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院放療科，河北 張家口 075000）

腫瘤放射物理學(xué)是醫(yī)學(xué)物理學(xué)的一個重要分支，是放射腫瘤學(xué)的重要基礎(chǔ)，將放射物理的基本原理和概念應(yīng)用于腫瘤的放射治療。自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線以及1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳后不久，放射線即被用于治療惡性腫瘤。一百多年來，放射腫瘤學(xué)取得的成就緊密系于腫瘤放射物理學(xué)的進(jìn)展。

腫瘤放射物理學(xué)主要是研究放療設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能以及各種射線在人體內(nèi)的分布規(guī)律，探討提高腫瘤劑量、降低正常組織受量的物理方法的學(xué)科。

1 放射治療在腫瘤治療中的地位

放射治療主要用于惡性腫瘤的治療，它與手術(shù)治療、化學(xué)藥物治療組成了腫瘤三大治療手段。隨著計算機(jī)技術(shù)、放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、分子生物學(xué)、影像學(xué)特別是功能性影像學(xué)的快速發(fā)展以及多門邊緣學(xué)科之間的有機(jī)結(jié)合，近年來放射治療的地位已大大提高，成為腫瘤的主要治療手段之一，由于三大治療手段的進(jìn)展，腫瘤五年生存率在不斷提升 （表1）。

國內(nèi)外的一些數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，約有50%～70%的腫瘤病人需做放射治療，據(jù)世界衛(wèi)生組織 （WHO）20世紀(jì)90年代的統(tǒng)計數(shù)字，目前經(jīng)治療后的腫瘤五年生存率可達(dá)45%左右，其中22%為手術(shù)治愈，18%為放射治療治愈，5%為藥物和其他方法治愈 （表2），足以看出放射治療在20世紀(jì)的進(jìn)展及其在腫瘤治療中的重要地位。

表1 腫瘤治療五年生存率變化

表2 手術(shù)、放療、化療對腫瘤治愈率比較

目前腫瘤治療失敗的主要原因為腫瘤局部控制失敗，而導(dǎo)致腫瘤的局部復(fù)發(fā)和遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)移。已有證據(jù)表明，改進(jìn)腫瘤局部治療，可以提高腫瘤的治愈率。放射治療通過物理手段不僅可以提高腫瘤的局部控制率，而且可以改進(jìn)患者愈后的生存質(zhì)量。

2 放射治療物理學(xué)的現(xiàn)狀

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線以及1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳后不久，放射線即被用于治療惡性腫瘤。在以往由于普通高壓X線機(jī)產(chǎn)生的射線能量低，穿透弱，皮膚表面反應(yīng)大，不能用于身體深部腫瘤的治療，故現(xiàn)在已被淘汰。1950年開始用重水型核反應(yīng)堆獲得大量的人工放射性60Co源，而使遠(yuǎn)距離60鈷治療機(jī)大批問世，由于其能量平均可達(dá)到1.25MeV，因而穿透能力強(qiáng)，可使皮膚損傷減小，骨和軟組織有同等吸收劑量等特點(diǎn)，使其得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代加速器正式應(yīng)用于臨床治療，由電子感應(yīng)加速器或回旋加速器產(chǎn)生的高能X線和電子線在腫瘤治療中的優(yōu)點(diǎn)逐漸被人們所認(rèn)識，因此被廣泛的推廣和應(yīng)用［1－3］。它既能產(chǎn)生高能X線也能產(chǎn)生高能電子線，這樣可以用于治療全身各部位不同深度的腫瘤，因此隨著60鈷治療機(jī)及直線加速器的推廣使用及其功能的不斷改進(jìn)，放射治療技術(shù)有了質(zhì)的突破，放療也成為腫瘤的主要治療手段之一。先后開展了二野、三野、四野、旋轉(zhuǎn)弧形照射技術(shù)以及楔形板技術(shù)、擋鉛技術(shù)、補(bǔ)償器技術(shù)等。

到目前為止，按照射技術(shù)放射治療可以分為兩大類：常規(guī)放療和精確放療。在計算機(jī)和立體定向技術(shù)問世以前，常規(guī)放療是放射治療的唯一方法，常規(guī)放療是在二維水平進(jìn)行的傳統(tǒng)的、經(jīng)驗式放療。由于顧及腫瘤周圍危及器官的照射耐受，從而限制了腫瘤劑量的提高，影響了腫瘤的局部控制率。而局部控制率的降低或失敗，將會導(dǎo)致腫瘤局部復(fù)發(fā)和腫瘤的遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)移。但20世紀(jì)90年代隨著放射治療機(jī)的不斷改進(jìn)、計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的進(jìn)步，以CT為基礎(chǔ)的三維治療計劃系統(tǒng)的發(fā)展，放射治療進(jìn)入了精確定位、精確計劃和精確治療的 “三精”時代。因為放療是以提高局部的治療增益，即最大限度地增加腫瘤局部控制概率 （TCP）和減低周圍正常組織的放射并發(fā)癥概率 （NTCP）為治療的最終目的［4－6］，從而達(dá)到高精度定位、高劑量、高治療效果和低正常組織損傷的三高一低放療模式。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和影像技術(shù)在腫瘤治療上的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了三維適形放射治療 （3D-CRT）、立體定向放射治療 （SBRT）、三維調(diào)強(qiáng)放射治療 （IMRT）［7－8］，使三高一低放射治療成為可能。目前代表性的設(shè)備有X（γ）刀、賽博刀 （Cyberknifer）圖像引導(dǎo)放射治療機(jī) （image-guided radiotherapy IGRT）、斷層放射治療機(jī) （tomotherapy）、TrueBeam系統(tǒng)等等。

在立體定向技術(shù)和計算機(jī)問世以前，二維放療是腫瘤放射治療的唯一方法［9］，20世紀(jì)90年代以前的放射治療技術(shù)基本上屬于常規(guī)照射，雖然不能否定常規(guī)放射治療發(fā)展中的地位及其治療效果，但由于正常組織和腫瘤組織的放射敏感性差異很小，因而受到正常組織耐受量的限制，在達(dá)到一定劑量后，無法再進(jìn)一步提高腫瘤局部劑量，否則就會增加正常組織的放射并發(fā)癥概率。除此之外還有劑量計算不準(zhǔn)確，定位及照射位置不精重復(fù)性差等缺點(diǎn)存在。隨著分子生物學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的進(jìn)步，三維計劃系統(tǒng) （3D-TPS）的出現(xiàn)，放療設(shè)備不斷更新，放射治療方法和技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。而三維適形及調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)是一種有效提高腫瘤局控率，降低正常組織放射損傷的物理措施，它通過改變靶區(qū)內(nèi)的射線強(qiáng)度，使靶區(qū)內(nèi)的任何一點(diǎn)都能達(dá)到理想的劑量，這種技術(shù)使得高劑量區(qū)分布的形狀在三維方向上與病變的形狀一致。從這個意義上講學(xué)術(shù)界將它稱為三維適形放射治療 （3-dimensional conformal radiation therapy 3DCRT），為達(dá)到劑量分布的三維適形，必須滿足下述的必要條件：①在照射方向上，照射野的形狀必須與病變的投影形狀一致；②為滿足靶區(qū)內(nèi)及表面的劑量處處相等，必須使每個射野內(nèi)諸點(diǎn)的輸出劑量率能按要求的方式進(jìn)行調(diào)整。滿足上述兩個必要條件的三維適形放療稱之為調(diào)強(qiáng)適形放射治療 （intensity modulation radiation therapy，IMRT）。1993年應(yīng)用于臨床的調(diào)強(qiáng)放射治療 （IMRT）代表了現(xiàn)代放療最主要的技術(shù)進(jìn)步之一，調(diào)強(qiáng)放射治療是更先進(jìn)的三維適形放射治療，它借助計算機(jī)，利用非均等強(qiáng)度的射線束對照射劑量進(jìn)行優(yōu)化［10－12］，最終獲得較為理想的劑量分布。

由于調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)具有一種新的能力對每束射線內(nèi)的子射線進(jìn)行強(qiáng)度控制［13］，當(dāng)它與能夠精確勾畫靶區(qū)的各種影像引導(dǎo)技術(shù)結(jié)合，并按計劃實(shí)施治療時，調(diào)強(qiáng)放射治療可以較大程度地控制劑量分布，使腫瘤控制率提高，正常組織的毒副反應(yīng)降低。三維調(diào)強(qiáng)適形放射治療是放射治療技術(shù)領(lǐng)域歷史上的一次重大飛躍，對腫瘤放射治療的發(fā)展起到了巨大的推動作用。而調(diào)強(qiáng)放射治療也必將成為21世紀(jì)放射治療技術(shù)的主流。

從原理上講IMRT可用下述四種方式實(shí)現(xiàn)：①固定野物理方式調(diào)強(qiáng)，采用固定式楔形板、動態(tài)式楔形板 （一維調(diào)強(qiáng)）、二維補(bǔ)償器、IMRT調(diào)制器等方式［14］，目前由于多葉準(zhǔn)直器 （MLC）的應(yīng)用，這種方式已逐步被淘汰；②斷層放療調(diào)強(qiáng)技術(shù) （tomotherapy），是一種扇形束調(diào)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)治療，包括步進(jìn)式 （step by step）和螺旋式 （spiral）連續(xù)進(jìn)床式斷層調(diào)強(qiáng)兩種方式；③固定野多葉準(zhǔn)直器靜態(tài)調(diào)強(qiáng) （stop and shoot）和多葉準(zhǔn)直器動態(tài)調(diào)強(qiáng) （sliding window）葉片運(yùn)動式調(diào)強(qiáng)；④電磁掃描筆形束調(diào)強(qiáng) （pencil beam），通過計算機(jī)控制擊靶前電子束的擊靶方向，產(chǎn)生方向不同、強(qiáng)度各異的電子束或X線筆形束，形成要求的強(qiáng)度分布或劑量分布。

隨著影像學(xué)、腫瘤分子生物學(xué)以及計算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，隨著多維適形治療、生物靶區(qū)、自適應(yīng)放療等新概念的提出，放療正在由適形放療、適形調(diào)強(qiáng)放療到四維放療即圖像引導(dǎo)的自適應(yīng)放療發(fā)展［15－16］。影像引導(dǎo)放射治療 （IGRT）是一種四維的放射治療技術(shù)，它是當(dāng)前世界先進(jìn)的放療中放療精度的驗證與評價技術(shù)之一，它的應(yīng)用使放療劑量定位精度提高，它在三維放療技術(shù)的基礎(chǔ)上加入了時間因數(shù)的概念，充分考慮了解剖組織在治療過程中的運(yùn)動和分次治療間的位移誤差，如呼吸和蠕動運(yùn)動、日常擺位誤差、靶區(qū)收縮等引起放療劑量分布的變化和對治療計劃的影響等方面的情況，在患者進(jìn)行治療前、治療中利用各種先進(jìn)的影像設(shè)備對腫瘤及正常器官進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控，并能根據(jù)器官位置的變化調(diào)整治療條件使照射野緊緊 “追隨”靶區(qū)，使之能做到真正意義上的精確治療［17－20］。IGRT已由二維成像過渡到三維重建成像的時代，而且正在向四維發(fā)展，目前臨床應(yīng)用的影像指導(dǎo)設(shè)備除了EPID外，還包括KV級X線攝片和透視、MV級斷層CT、放療室內(nèi)CT、KV或MV錐形束CT、機(jī)架上的KV-KV系統(tǒng)或KV-MV系統(tǒng)等。研究熱點(diǎn)集中在錐形束CT、機(jī)架上的KV-KV系統(tǒng)或KV-MV系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能聯(lián)合X線透視監(jiān)測和靶區(qū)成像，提供了放療時三維軟組織靶區(qū)影像和實(shí)時射線監(jiān)測，使放療靶區(qū)的確定建立在內(nèi)靶區(qū)的基礎(chǔ)上，而不是建立在體表標(biāo)記或印記上，對放療過程的在線或離線修正起著重要作用。

TrueBeam系統(tǒng)是繼影像引導(dǎo)放射治療 （IGRT）后又一種新型放療設(shè)備，其提供四種X－線能量和兩種無均整塊過濾的能量 （高強(qiáng)度模式），同時電子線能量選擇可拓展至0－8檔。由于劑量率的提高，高強(qiáng)度模式可將束流照射速度提高40%～140%，治療時間短 （75s／2Gy），在完成放射外科手術(shù)和立體定向放射治療時更得心應(yīng)手。小射野調(diào)強(qiáng)治療技術(shù) （IMRT、VMAT、RapidArc○R放療技術(shù)）主要得益于束流中心的高劑量率和治療／腫瘤邊緣的強(qiáng)度大大降低，因為這能使投照劑量更好地避開正常組織和關(guān)鍵器官結(jié)構(gòu)。

在近距離治療方面，1898年居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳，并將其主要用于表淺腫瘤的治療，直至1903年，美國的Alexander Graham Bell首先提出了將放射源直接植入腫瘤這個戰(zhàn)略性的方法，從此開創(chuàng)了腫瘤近距離治療的新紀(jì)元。20世紀(jì)50年代，為完全有效地應(yīng)用近距離放射治療，開始引進(jìn)后裝治療技術(shù)。從照射方式上講，近距離照射大致可以分為強(qiáng)內(nèi)照射 （intracavitary irradiation）、組之間插植照射 （interstitial irradiation）、管內(nèi)照射 （intraluminal irradiation）、表面施源器照射 （surface application）。20世紀(jì)70年代，隨著后裝技術(shù)的應(yīng)用，這種照射方式得到長足發(fā)展，特別是近些年在近距離治療中，根據(jù)CT、MR、超聲等三維影像學(xué)圖像資料，正向或逆向設(shè)計插植計劃，并給出相對于患者解剖位置的劑量分布，這一技術(shù)已在多種部位腫瘤的近距離治療中應(yīng)用，是近十年來近距離治療不斷發(fā)展的重要標(biāo)志，并被認(rèn)為是21世紀(jì)近距離治療的主要方法之一。

在立體定向放射治療方面，1951年瑞典神經(jīng)外科專家Lars Leksell提出立體定向放射手術(shù)概念，所謂立體定向放射手術(shù)，即用多個小野三維集束，把高能射線準(zhǔn)確地匯聚于不能手術(shù)的顱內(nèi)病灶，以達(dá)到類似于外科手術(shù)切除的效果，諸如腦動靜脈畸形 （AVM）等良性病變［14］。立體放射治療是在立體放射外科的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，由于多個小野集束定向照射，病變周圍劑量跌落大，正常組織受累很小，射線對病變起到類似手術(shù)的作用。1967年，由Leksell和Larsson研制出第一代頭部γ－刀，1975年第二臺γ－刀裝置在瑞典Karolinska研究所臨床試用，逐步形成現(xiàn)在的第三代201個鈷-60源集束照射的γ－刀裝置。同時由于加速器的飛速發(fā)展，機(jī)械精度的不斷提高及三維計劃系統(tǒng)的不斷完善，美國同道提出用直線加速器的6～15MV X射線非共面多弧度等中心旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)多個小野三維集束照射病變，起到與γ－刀一樣的作用，故稱為X射線刀。

X （γ）刀的學(xué)名稱為X （γ）射線立體定向放射手術(shù) （stereotactic radiosurgery）簡稱SRS，其特征是小野三維集束單次大劑量照射。隨著SRS技術(shù)在腫瘤治療中的推廣應(yīng)用，和三維適形放射治療對定、擺位精度的要求，出現(xiàn)了他們的結(jié)合，稱為立體定向放射治療。（stereotactic radiotherapy），簡稱SRT。目前，隨著臨床經(jīng)驗的積累和技術(shù)上的改進(jìn)，治療病變的部位已經(jīng)從顱內(nèi)發(fā)展到治療顱外的部位，并且開始了無創(chuàng)分次的治療。

3 腫瘤放射治療物理學(xué)的發(fā)展方向

質(zhì)子治療作為一種較新的放射治療手段正在逐漸發(fā)展和完善，以質(zhì)子為代表的高能重離子 （快中子除外），具有布拉格 （Bragg）峰型劑量分布［14］，即射線能量大部分損失在峰區(qū)，峰區(qū)前后的組織劑量很低。在腫瘤治療中，Bragg峰的深度和寬度是可以調(diào)節(jié)的。對于體積較小的腫瘤，可通過改變質(zhì)子束的速度而調(diào)節(jié)能量，使Bragg峰直接作用于腫瘤；而對于較大的腫瘤，則需通過補(bǔ)償器、Propeller、Bar Ridge等方法擴(kuò)展Bragg峰，使其與腫瘤的大小相吻合。由于質(zhì)子束的能量很大，在達(dá)到靶區(qū)的途中與組織形成的散射遠(yuǎn)小于電子束，故在照射區(qū)域周圍半影非常小；同時，質(zhì)子Bragg峰的陡然減弱，可使腫瘤后面及側(cè)面的正常組織得到保護(hù)。

質(zhì)子束的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是由Wilson于1946年提出的，經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力研究和發(fā)展，在1991年美國Loma Linda大學(xué)中心醫(yī)院首先啟用了醫(yī)學(xué)專用質(zhì)子裝置，這在質(zhì)子治療的歷史上是具有劃時代意義的。他們在顱內(nèi)良性病變和惡性腫瘤、兒童腫瘤、前列腺癌、肺癌等的治療中取得良好的成績。截止到2003年8月，全世界有質(zhì)子治療中心20余家，正在建設(shè)中的有9家［21］。目前的治療方式有質(zhì)子適形、質(zhì)子刀、質(zhì)子掃描照射等。近年來，人們將調(diào)強(qiáng)技術(shù)引入質(zhì)子治療之中，使質(zhì)子治療技術(shù)更進(jìn)一步。

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