醫(yī)用加速器差異化設(shè)計(jì)思想的探討（上）

田新智

新里程醫(yī)用加速器（無錫）有限公司，無錫市，214121

0 引言

眾所周知，放射治療是腫瘤治療的三種手段之一，其既可以作為其它治療方式的補(bǔ)充，又可以獨(dú)立完成治療過程，在腫瘤治療的貢獻(xiàn)上漸漸達(dá)到了手術(shù)的程度。也就是說，隨著制造工藝、微波技術(shù)、控制技術(shù)、影像技術(shù)和IT技術(shù)的發(fā)展，放射治療的治愈率（或者說5年生存率）得到了非常大的提高。圖1是對三種腫瘤治療手段的治愈率做出的一個(gè)統(tǒng)計(jì)。

圖1 各種手段的腫瘤治愈率統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of tumor cure rates by various means

從圖1中可以看到，從2000年到2013年，在國際范圍，腫瘤的綜合治愈率從45%提升到67%，其中放射治療的貢獻(xiàn)最大，從18%提高到30%，尤其對比化療的有限的提升率更為明顯。而這段時(shí)間恰好是X線放療技術(shù)從常規(guī)放療→精確放療→影像引導(dǎo)放療的發(fā)展時(shí)期，同時(shí)也是粒子放療技術(shù)逐漸成熟得到大力推廣、普及和應(yīng)用的時(shí)期。很顯然，設(shè)備學(xué)的飛速進(jìn)步對放療手段豐富和治愈率的提升起到了關(guān)鍵性的作用。

隨著臨床技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)在腫瘤治療的手段和技術(shù)層出不窮，放療市場逐步擴(kuò)大，這對于有意從事腫瘤治療行業(yè)的投資商以及工程人員來說，既是機(jī)會(huì)也是挑戰(zhàn)。機(jī)會(huì)在于隨著整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提升以及對自身健康和生命的關(guān)注，腫瘤治療行業(yè)特別是放療設(shè)備的市場空間越來越大，腫瘤放療裝備行業(yè)有逐步從虧損經(jīng)營到多年盈虧持平，再到短期內(nèi)就有望贏得巨大盈利和發(fā)展空間的方向轉(zhuǎn)變，研制、生產(chǎn)與市場營銷，目前正逐步由以前的冷門行業(yè)向熱門行業(yè)邁進(jìn)。挑戰(zhàn)在于，社會(huì)的發(fā)展同樣意味著對設(shè)備本身的要求（技術(shù)、質(zhì)量）越來越高，從事腫瘤治療設(shè)備行業(yè)的技術(shù)門檻越來越高（相對其他醫(yī)療器械設(shè)備，特別是其他行業(yè)裝備，放療產(chǎn)品的投資大、開發(fā)周期長），競爭越來越激烈（競爭者和潛在競爭者越來越多），產(chǎn)品發(fā)展的方向越來越多元化，產(chǎn)品規(guī)劃的難度越來越大。

如何在產(chǎn)品規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中來把握和創(chuàng)造真正的競爭優(yōu)勢呢？怎樣評價(jià)一個(gè)產(chǎn)品規(guī)劃和設(shè)計(jì)的成功與失敗是我們接下來需要思考的一個(gè)課題。

1 放療設(shè)備與技術(shù)跟隨臨床需求的發(fā)展

1.1 放療設(shè)備與臨床技術(shù)的發(fā)展簡介

1957年在美國安裝了世界上第一臺(tái)直線加速器，標(biāo)志著放射治療開始形成為一個(gè)完全獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)80年代到90年代，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和CT、MRI影像在放療中的應(yīng)用，我們逐漸開發(fā)出來三維治療計(jì)劃系統(tǒng)和多葉光柵，逐步實(shí)現(xiàn)了三維適形放療，放射治療學(xué)進(jìn)入了從二維到三維治療的嶄新時(shí)代。

近二十年來，我們更是廣泛地發(fā)展了立體定向放射外科、三維適形放療、調(diào)強(qiáng)適形放療、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)、圖像引導(dǎo)放療、非均整（Flattening Filter Free，F(xiàn)FF)、立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）、靶區(qū)追蹤等放療新技術(shù)，從而涌現(xiàn)了一批批高科技含量的放療設(shè)備。但不管怎樣發(fā)展，總的發(fā)展趨勢是從常規(guī)放療到精確放療、從固定束治療到旋轉(zhuǎn)束治療、從盲目放射到精準(zhǔn)放射（從二維位置驗(yàn)證到三維配準(zhǔn)定位）、從醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)到功能影像引導(dǎo)再到分子影像引導(dǎo)、從離線ART治療到實(shí)時(shí)在線ART治療等等，可謂是精彩紛呈目不暇接。

實(shí)際上，除了醫(yī)用電子直線加速器在不斷地發(fā)展，其他的放療設(shè)備也在發(fā)展。目前世界上針對腫瘤進(jìn)行放射治療的裝備大致還有如下幾種：

（1）外照射遠(yuǎn)距離治療機(jī)：同位素遠(yuǎn)距離治療機(jī)、醫(yī)用電子直線加速器、醫(yī)用質(zhì)子加速器、醫(yī)用重離子加速器、醫(yī)用中子發(fā)生器、硼中子（1 eV到10 keV的慢中子）俘獲治療裝備、醫(yī)用π-介子發(fā)生器；

（2）內(nèi)照射近距離治療機(jī)：γ射線后裝機(jī)、中子后裝機(jī)；

（3）立體定向放射外科治療裝置：γ-刀、X-刀、質(zhì)子刀、中子刀。

正如上面所提到的一樣，絕大多數(shù)的分析判斷，基本上都是從工程技術(shù)的角度來分析和判斷放療設(shè)備的發(fā)展方向，但是單純從技術(shù)發(fā)展的角度來看待設(shè)備發(fā)展方向，容易出現(xiàn)以下問題：①為了追求技術(shù)的極致，容易忽視產(chǎn)品的市場承受能力；②與市場需求脫節(jié)；③產(chǎn)品開發(fā)路線容易同一化和同質(zhì)化；④產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)大而全，不利于產(chǎn)品的小型化、專業(yè)化設(shè)計(jì)和成本的控制。

基本事實(shí)是臨床的需求每家醫(yī)院都不盡相同，設(shè)備形態(tài)、功能和技術(shù)的應(yīng)用也是多樣的。這也合乎世界的多樣性以及細(xì)分市場需求多樣性的特點(diǎn)。市場和設(shè)備之間的競爭之所以存在，正是因?yàn)檫@種需求多樣性導(dǎo)致。

為此，我們希望在這眼花繚亂的設(shè)備形態(tài)和技術(shù)的背后，尋找出放療設(shè)備的發(fā)展方向，同時(shí)希望在滿足用戶需求的眾多技術(shù)展現(xiàn)的背后，找到發(fā)展的邏輯與方法，而避免被這些技術(shù)展現(xiàn)本身所誤導(dǎo)。

既然設(shè)備的技術(shù)本身是服務(wù)于客戶需求，那么放療設(shè)備的發(fā)展也必須從用戶需求的方向上來梳理?？傮w來說，設(shè)備的發(fā)展既然不是隨意的，那它必須是在某種規(guī)范下被驅(qū)動(dòng)而逐步前進(jìn)的，這種規(guī)范和驅(qū)動(dòng)力，既不是現(xiàn)有市場上已有的具體的參考對象，也不是高、精、尖的技術(shù)本身，回到需求方向來整理的話，我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)踐過程中不斷豐富內(nèi)容和提升境界的臨床需求決定了放療設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展方向。

1.2 放療的臨床需求和設(shè)備的技術(shù)要求

1.2.1 臨床上對射線類型的選擇

市場上主流的放療設(shè)備自然還是利用伽馬射線或X線來對腫瘤靶區(qū)機(jī)型照射，但是這里需要特意提及一下粒子放療技術(shù)。站在差異化的角度上來看，筆者傾向于將光子、電子、質(zhì)子、重離子等射線在臨床上的應(yīng)用理解為臨床工具或手段，而將基于某種射線發(fā)展出來的臨床方式方法理解為臨床技術(shù)。從目前的情況來看，質(zhì)子重離子的臨床技術(shù)遠(yuǎn)沒有光子臨床技術(shù)完善和成熟。所以從臨床應(yīng)用角度來說，單純利用布拉格峰的存在來強(qiáng)調(diào)質(zhì)子重離子治療比光子治療優(yōu)越是沒有意義的，立體定向放療技術(shù)的產(chǎn)生有效地提高了光子的臨床效應(yīng)，而質(zhì)子重離子由于結(jié)構(gòu)的局限目前還不能應(yīng)用立體定向治療技術(shù)。所以想強(qiáng)調(diào)粒子治療技術(shù)手段比光子治療優(yōu)越的地方，應(yīng)該是從粒子物理特性及臨床效應(yīng)上來突出。

需要關(guān)注的點(diǎn)是：不同類型的放射線照射機(jī)體后所產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)存在一定差異。從理論上講：X線對癌細(xì)胞的殺傷相對較輕，腫瘤細(xì)胞存在一定程度上修復(fù)的可能性，相比之下質(zhì)子對腫瘤則體現(xiàn)出較強(qiáng)的殺傷力，但它們也多只具備擊斷DNA單鏈效果；而重離子束（碳素）又有著更強(qiáng)大的破壞力，更多的是直接擊斷DNA雙鏈，殺死細(xì)胞。按照這個(gè)趨勢來推測，是否意味著未來放療領(lǐng)域內(nèi)更強(qiáng)大的放射線及其對應(yīng)的治療技術(shù)有望被應(yīng)用于臨床？理想的放射治療的必要條件是殺死腫瘤中的全部癌細(xì)胞，不傷害患者的正常細(xì)胞，且沒有復(fù)發(fā)的后效應(yīng)等。從醫(yī)學(xué)和經(jīng)濟(jì)綜合觀點(diǎn)來看，盡管質(zhì)子和重離子是一種先進(jìn)的治療粒子，但是也還不是理想的粒子。質(zhì)子和重離子的治療也有其特定的醫(yī)療范圍。如果按照“只要使腫瘤處照射足夠大的使癌細(xì)胞致死的劑量，而盡量使腫瘤周圍正常細(xì)胞少受照射，使副作用最小”的原則來看，只要放療嚴(yán)格按照質(zhì)量規(guī)范來執(zhí)行，都是滿足此條件的，但是也有30%的局部腫瘤，用常規(guī)治療根本找不出能控制的劑量值。這就需要用質(zhì)子和重離子來治療了。

（1）質(zhì)子和重離子適合于治療那些接近敏感器官，屬于不可手術(shù)或用X線和電子治療難以達(dá)到局部控制的腫瘤；

（2）原來用常規(guī)放療也能治好但是副作用難以全部消除且復(fù)發(fā)率高的腫瘤，如前列腺；

（3）大量兒童患者，由于正常組織處于發(fā)育期，一旦放療受損就會(huì)產(chǎn)生畸變致殘停滯發(fā)育等嚴(yán)重后果的；

（4）許多不規(guī)則形狀的腫瘤，即使用X線調(diào)強(qiáng)治療也費(fèi)時(shí)費(fèi)力的腫瘤；

（5）對X線和電子線甚至于質(zhì)子也難以治療的具有抗阻性、乏氧型腫瘤，就只能用重離子治療了。

應(yīng)用其他的粒子進(jìn)行臨床治療的研究情況在這里就不多說了。

1.2.2 常規(guī)放療的臨床需求和設(shè)備的要求

常規(guī)放療技術(shù)從放療伊始一直到現(xiàn)在還在臨床中得到廣泛的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是臨床的操作要求相對簡單，放療計(jì)劃的制定也比較簡單，多使用規(guī)則的射野，輔以楔形檔塊和外掛鉛檔塊等方式對射束進(jìn)行一定的修正。20世紀(jì)90年代以前國內(nèi)各醫(yī)院配置的基本上都是這種設(shè)備，近些年有把只具備3D適形治療設(shè)備功能的醫(yī)用加速器歸入到常規(guī)放療設(shè)備范疇的趨勢。常規(guī)放療設(shè)備是現(xiàn)代放療技術(shù)的基礎(chǔ)，盡管現(xiàn)在逐步被更先進(jìn)的放療技術(shù)所取代，但一些根本性的臨床要求仍然是放療設(shè)備發(fā)展的基礎(chǔ)和要求，對放療設(shè)備的開發(fā)與發(fā)展具備奠基性的意義，見表1。

表1 常規(guī)光子放療的需求Tab.1 Application requirements of conventional photon radiotherapy

一般來說，常規(guī)放療技術(shù)比較簡單，主要使用規(guī)則射野對靶區(qū)進(jìn)行射線放射，通常會(huì)從不同的角度使用幾個(gè)射野，有時(shí)也會(huì)使用楔形檔塊或者外掛鉛檔塊來修整射束形狀（即等劑量曲線），或使用弧形治療、非共面治療等。總之，常規(guī)放療基本還是基于規(guī)則射野的放療技術(shù)，對靶區(qū)的適形不是非常理想；另外，一些正常組織和危及器官緊鄰靶區(qū)的部分也無可避免地會(huì)受到過量的照射。而如果考慮到對正常組織和危及器官耐受劑量的限制，往往會(huì)導(dǎo)致對靶區(qū)加量不足。所以，常規(guī)放療最大的問題在于無法解決如何在靶區(qū)加量同時(shí)又能保護(hù)正常組織和危及器官這一矛盾。

常規(guī)放療主要要求放療設(shè)備的核心微波系統(tǒng)即以加速管為核心的微波系統(tǒng)具備穩(wěn)定和可靠工作的能力，很顯然束流品質(zhì)的變化將直接影響治療的效果，因此輸出射線的能量和劑量率的穩(wěn)定至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)微波系統(tǒng)的時(shí)候：①要盡量考慮一定的功率冗余能力；②采用“DE-q”或其他技術(shù)手段穩(wěn)定輸出脈沖高壓；③設(shè)計(jì)并采用束流伺服和劑量率伺服系統(tǒng)。

1.2.3 精確（調(diào)強(qiáng)）放療技術(shù)的需求和設(shè)備的要求

我們知道，由于X線的天然特性，其射線的劑量衰減曲線是隨著進(jìn)入物體的深度而衰減的。換句話說，就是射線到達(dá)物體深部靶區(qū)時(shí)，其在整個(gè)放射路徑上的劑量分布卻是外層的部分受量大而靶區(qū)受量小。這是電磁類射線的共性，無法克服，因此如果要在內(nèi)部靶區(qū)實(shí)現(xiàn)劑量聚焦，則需要在多個(gè)方向完成投照，方向越多，則在某一確定方向上接受的劑量會(huì)被平均得越小。事實(shí)上，和X 線性質(zhì)類似的伽馬射線裝置就很好地應(yīng)用了這個(gè)原理，對靶區(qū)使用幾十甚至上百個(gè)60Co源來達(dá)到病灶邊緣劑量陡降的效果。加速器精確放療技術(shù)其實(shí)就是在多方向投射的基礎(chǔ)上再結(jié)合電動(dòng)多葉光柵的2D 平面的不規(guī)則形狀的快速適形能力來達(dá)到整個(gè)3D 空間的劑量適形，從而解決在對靶區(qū)加量的情況下保護(hù)危及器官。為此我們整理了精確放療的要求，如表2所示。

針對上述需求，現(xiàn)已開發(fā)的精確放療技術(shù)主要如下：

（1）調(diào)強(qiáng)技術(shù)，分為靜態(tài)調(diào)強(qiáng)（Step &Shoot IMRT）和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)（Dynamic IMRT）或稱“滑動(dòng)窗”技術(shù)（Sliding Window）；

（2）容積調(diào)制旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療技術(shù)（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）。

調(diào)強(qiáng)技術(shù)的出現(xiàn)是放療技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)里程碑，這種方式主要通過電動(dòng)多葉光柵（MLC）來實(shí)現(xiàn)，MLC的配置與否，也是區(qū)分加速器有無能力從事精確放療的分界線。自此，MLC也成為和加速器系統(tǒng)并重的分系統(tǒng)。調(diào)強(qiáng)主要是通過在多個(gè)方向投射預(yù)先由治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System,TPS）計(jì)算的多個(gè)不規(guī)則子野（Segment）來完成的，以達(dá)到精確放療的目的。調(diào)強(qiáng)技術(shù)出現(xiàn)的最大意義在于給予了一種實(shí)用的技術(shù)既能夠保證在靶區(qū)注入更高劑量的同時(shí)仍能夠把周圍的危及器官的劑量壓低，這改變了常規(guī)放療權(quán)衡這兩者時(shí)經(jīng)常陷入兩難境地的局面。當(dāng)然，調(diào)強(qiáng)技術(shù)的出現(xiàn)對加速器提出了更高的要求（見表2），呈現(xiàn)出與常規(guī)放療加速器完全不一樣的功能要求。

表2 精確放療的應(yīng)用需求Tab.2 Application requirements for precision radiotherapy

靜態(tài)調(diào)強(qiáng)是指在照射過程中照射野的形狀不變，但在相鄰照射野中間改變，其同義詞是 Step and Shoot或Stop and Shoot，照射過程中機(jī)架角度不變。每次準(zhǔn)直器形成一個(gè)子野形狀，或叫一個(gè)分野。各個(gè)子野的不同權(quán)重的強(qiáng)度分布的相加就得到了所期望的強(qiáng)度分布。靜態(tài)劑量場強(qiáng)度分布，如圖2所示。

圖2 靜態(tài)調(diào)強(qiáng)“像束”強(qiáng)度分布Fig.2 "Image beam" intensity distribution for static IMRT

但另一方面，由于靜態(tài)調(diào)強(qiáng)劑量場分布的適形度不足，且治療時(shí)間較長，所以后來就發(fā)展出來動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)。在動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)照射過程中，光柵的適形的形狀是不斷變化的，其同義詞是滑窗（Sliding Window），即在照射過程中機(jī)架不動(dòng)，MLC中每對葉片（一對葉片形成一個(gè)縫隙）都朝著一個(gè)方向以不同的速度運(yùn)動(dòng)，其速度大小是時(shí)間的函數(shù)。整個(gè)過程中葉片位置、葉片速度、輸出的MU值和劑量率是相互影響的。所以需要設(shè)備具備劑量率伺服功能和光柵葉片位置精確控制能力（速度反饋、位置反饋、加速度反饋）。其劑量場分布，如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的“像束”強(qiáng)度分布Fig.3 "Image beam" intensity distribution for dynamic intensity modulation

從圖2和圖3可以看出，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)和靜態(tài)調(diào)強(qiáng)在劑量場分布上，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的劑量場適形度更細(xì)膩。

VMAT 技術(shù)是基于調(diào)強(qiáng)技術(shù)基礎(chǔ)上并結(jié)合弧形治療的優(yōu)勢開發(fā)出來的、目前兼具良好靶區(qū)劑量分布和高速治療效率的新一代調(diào)強(qiáng)方式。它將成百上千的子野分布在1到幾個(gè)弧上，目前有取代傳統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)的趨勢。但是它也是對加速器要求最高的一種調(diào)強(qiáng)技術(shù)，其要求如下：

（1）機(jī)架運(yùn)動(dòng)中加入對運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)時(shí)角度的精確要求；

（2）動(dòng)態(tài)IMRT與弧形（Arc）治療相結(jié)合，用旋轉(zhuǎn)射束來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的劑量分布；

（3）劑量率、機(jī)架速度、MLC葉片位置速度及角度等非均勻可調(diào)；

（4）機(jī)架圍繞病人旋轉(zhuǎn)，MLC葉片位置每隔10o變化一次以便跟隨靶區(qū)形狀。使用多個(gè)共面或非共面弧形照射野；

（5）所有弧形照射野的累計(jì)通量分布與計(jì)劃期望的分布一致，達(dá)到調(diào)強(qiáng)目的。

利用VMAT模式進(jìn)行放射治療，理論上比利用動(dòng)態(tài)IMRT進(jìn)行治療的速度要快。但是這種治療速度實(shí)際上也受制于加速器劑量率以及部件運(yùn)動(dòng)速度的限制。

目前醫(yī)科達(dá)的VMAT功能設(shè)備在執(zhí)行計(jì)劃時(shí)可以改變機(jī)架轉(zhuǎn)速，而瓦里安設(shè)備更多采用恒定機(jī)架速度的方式。相對而言，筆者認(rèn)為改變機(jī)架運(yùn)動(dòng)速度是萬不得已的方式，畢竟機(jī)架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太大了，難以保證其可控性和即時(shí)性?？梢灶A(yù)期，未來更先進(jìn)的放療設(shè)備也一定是以VMAT技術(shù)作為基石繼續(xù)向前發(fā)展的。

1.2.4 影像引導(dǎo)放療技術(shù)的需求和設(shè)備的要求

上面提及的所有的臨床治療技術(shù)，都是基于腫瘤組織是剛性和固定位置的前提下，但是由于實(shí)際上腫瘤組織存在很大的柔性且具備一定的（自我或被動(dòng)）運(yùn)動(dòng)性，且隨著治療的進(jìn)行，腫瘤的體積和形狀也在發(fā)生改變，因此，我們必須對腫瘤靶區(qū)的定義進(jìn)行修正，例如引進(jìn)靶區(qū)勾畫PTV概念、追求實(shí)時(shí)靶區(qū)跟隨放療、4D時(shí)相/呼吸門控放療以及自適應(yīng)治療等臨床需求，都是在IGRT條件下對腫瘤基于剛性假定的計(jì)劃和治療過程進(jìn)行修正、補(bǔ)充和優(yōu)化。

也就是說，IGRT技術(shù)的運(yùn)用是放療發(fā)展史上第二個(gè)里程碑，基于人們對精確放療技術(shù)滿足了打得狠，但無法確定是不是打得準(zhǔn)這一擔(dān)憂，IGRT開始被開發(fā)出來并逐漸進(jìn)入臨床階段。本質(zhì)上IGRT追求的是對放療靶區(qū)（實(shí)時(shí)）可視化監(jiān)測及其放療計(jì)劃的實(shí)施和修正。由此，筆者整理出來影像引導(dǎo)放療的主要應(yīng)用需求如表3所示。

廣義的IGRT其實(shí)也包含了多模態(tài)影像融合條件下的TPS計(jì)劃，只是它屬于制定準(zhǔn)確的放療計(jì)劃的臨床需求。IGRT技術(shù)將影像技術(shù)和治療技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，從而定義了醫(yī)用加速器發(fā)展過程中的追求精準(zhǔn)放療的一個(gè)維度。加速器本體、精確放療以及影像引導(dǎo)在臨床上發(fā)展的權(quán)重變遷，可以如圖4所示來進(jìn)行形象展示。

圖4 醫(yī)用直線加速器各部分技術(shù)重要性的變遷Fig.4 Changes in the technical importance of various parts of the medical linear accelerator

1.3 對比

在常規(guī)放療時(shí)代，以微波器件組成的射線產(chǎn)生裝置占據(jù)主要地位；精確放療技術(shù)的臨床應(yīng)用大大提升了MLC的地位，尤其動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的應(yīng)用，開始利用MLC 將通過有限的適形野來調(diào)節(jié)劑量分布變成了通過理論上無限的適形野的共同聚合來調(diào)節(jié)劑量分布；而影像引導(dǎo)系統(tǒng)的引入則徹底改變了以往臨床放療的盲目性，精確地將靶區(qū)的位置、形狀、體積的變化呈現(xiàn)在我們的面前，兩者結(jié)合，將放療時(shí)代導(dǎo)入了一個(gè)廣闊的高速發(fā)展時(shí)代。

1.3.1 EPID引導(dǎo)

EPID實(shí)際上是一種能夠承受MV級高能射線照射的二維X線平板探測器，其圖像引導(dǎo)的特點(diǎn)是：

（1）MV射線錐形束成像，軟組織圖像模糊，只能利用骨骼影像和模擬機(jī)系統(tǒng)傳過來的圖像做配準(zhǔn)，主要用于擺位驗(yàn)證；

（2）2D影像（拍片模式）；

（3）理論上可任意選擇拍片角度，操作簡單，成本低、容易實(shí)現(xiàn)，既可以離線校正驗(yàn)證射野的大小、形狀、位置和患者擺位，也可以直接測量射野內(nèi)劑量，是一種簡單實(shí)用的二維影像驗(yàn)證設(shè)備。

該模擬過程中常無法直接或完整看到腫瘤侵犯范圍，通常需要借助骨、氣腔和體輪廓線等標(biāo)志來間接確立放療臨床靶區(qū)。應(yīng)用該種技術(shù)進(jìn)行放療模擬定位時(shí)存在諸多的問題。主要缺點(diǎn)表現(xiàn)如下：

表3 影像引導(dǎo)放療的應(yīng)用需求Tab.3 Application requirements for image guided radiotherapy

（1）所獲得影像是二維的，前后位影像重疊失去了諸多前后位解剖學(xué)信息；

（2）無法勾畫出腫瘤和正常組織和器官幾何體積；

（3）基本無法進(jìn)行三維治療計(jì)劃設(shè)計(jì)和劑量分布的顯示；

（4）無法與其它來源影像進(jìn)行融合來共同確定腫瘤的臨床靶區(qū)。

因此，該種影像用于惡性腫瘤放療特別是根治性放療的計(jì)劃設(shè)計(jì)中存在很大限制。由于獲得該影像經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，影像的整體感強(qiáng)，連續(xù)采集能獲得動(dòng)態(tài)信息，因此目前該種影像多用于姑息性治療靶區(qū)確定和用于治療計(jì)劃設(shè)計(jì)、實(shí)施等方面的驗(yàn)證。

但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于非晶硅平板探測器的EPID，可以直接測量射野內(nèi)劑量，是一種快速的二維劑量測量系統(tǒng)，用EPID系統(tǒng)進(jìn)行劑量學(xué)驗(yàn)證的研究開始不斷增多，逐漸興起并推向臨床。相信EPID會(huì)迎來DGRT的春天。

1.3.2 CBCT圖像引導(dǎo)

為了滿足在3D方向上得到清晰圖像的需求，人們又開發(fā)了基于kV射線的CBCT的成像技術(shù)。CBCT系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)X線系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)平板。CBCT獲取數(shù)據(jù)的投照原理和傳統(tǒng)扇形掃描CT不同，X線球管以較低的射線量圍繞患者做環(huán)形DR（數(shù)字式投照），獲得的圖像數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)重建后進(jìn)而獲得三維圖像。從成像結(jié)構(gòu)看，CBCT用錐形束X線掃描代替常規(guī)診斷CT的扇形束掃描；與此相對應(yīng)，CBCT采用一種動(dòng)態(tài)平板探測器來代替常規(guī)診斷CT的線狀探測器。因?yàn)閿?shù)據(jù)獲取的方式不一樣，常規(guī)診斷CT的投影數(shù)據(jù)是一維的，重建后的圖像數(shù)據(jù)是二維的，后處理工作站上的三維圖像是連續(xù)多個(gè)二維切片堆積而成的；CBCT的投影數(shù)據(jù)是二維的，重建后直接得到三維圖像。顯然，CBCT采用錐形束X線掃描可以顯著提高X線的利用率，只需旋轉(zhuǎn)360o即可獲取重建所需的全部原始數(shù)據(jù)，由于CBCT提供的三維方向上的靶區(qū)的圖像定位比二維影像準(zhǔn)確得多，因此可以說CBCT的出現(xiàn)引領(lǐng)放療進(jìn)入了真正的圖像引導(dǎo)時(shí)代。其特點(diǎn)是：

（1）kV射線錐形束成像，通過軟件圖像重建，呈現(xiàn)3D影像和DRR圖像，即錐形束CT；

（2）可360o旋轉(zhuǎn)，部分設(shè)備突破360o；

（3）由于利用的是錐形束和kV平板，射線散射較大，圖像清晰度有限；

（4）可以做組織彈性配準(zhǔn)，由于器官邊緣分辨度不高，精確度有限。但是對于部分組織例如頭部等器官，骨骼剛性配準(zhǔn)就比較精確；

（5）適合三位配準(zhǔn)和二維配準(zhǔn)。

缺點(diǎn)是：成像軟組織分辨率和空間分辨率均比較差，成像劑量要比常規(guī)診斷CT高一個(gè)數(shù)量級別。

1.3.3 CT引導(dǎo)

從某種程度上來說，CT引導(dǎo)是真正意義上的IGRT。CT影像是組織影像，不僅包含組織器官的位置信息，也包含組織器官的密度信息，因此它不但能夠做圖像位置定位，還能夠利用CT影像對治療計(jì)劃進(jìn)行離線調(diào)整。其特點(diǎn)是：

（1）能提供3D和2D圖像組織配準(zhǔn)；

（2）成像速度快，圖像質(zhì)量好；

（3）具備離線自適應(yīng)能力：CT不僅能提供靶區(qū)位置、體積、結(jié)構(gòu)信息，最主要的是還能夠提供組織密度信息，提供放療計(jì)劃修正的便利，部分承擔(dān)CT模擬機(jī)的功能。該能力在分次放療中，可根據(jù)腫瘤退縮或周圍器官變化做適應(yīng)性計(jì)劃優(yōu)化、修正甚至分次治療過程中的再計(jì)劃。

這是CT-linac的最大的優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)是：CT掃描層面和加速器治療層面不同面，因此導(dǎo)致通過CT的擺位和定位位置校正確認(rèn)后，患者還需要挪動(dòng)位置，挪動(dòng)后的位置精度無法確認(rèn)和驗(yàn)證。

1.3.4 雙X線系統(tǒng)正交影像引導(dǎo)

這種成像技術(shù)把兩套kV級X線系統(tǒng)以正交的角度安裝，同時(shí)對病人進(jìn)行照射。先在病人體內(nèi)植入金球或者以病人骨性標(biāo)記為配準(zhǔn)標(biāo)記。使用治療室內(nèi)兩個(gè)交角安裝kV級X線成像系統(tǒng)，等中心投照到患者治療部位，追蹤金屬標(biāo)志的位置變化，或者根據(jù)拍攝的低劑量骨骼圖像，與先前儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像進(jìn)行比對，以便決定腫瘤的正確位置，并將數(shù)據(jù)輸送至控制加速器的計(jì)算機(jī)中用以控制加速器的工作，從而達(dá)到靶區(qū)定位的功能。由于X線照射對人體附加了過量劑量，因此在計(jì)劃中需要對這部分附加劑量予以考慮。

與EPID MV級射線攝野片相比，骨和空氣對比度都較高，軟組織顯像也比較清晰。

自從在放療進(jìn)入影像引導(dǎo)時(shí)代后，人們就始終無法回避而且需要解決的一個(gè)問題，就是怎么樣才能“看”著靶區(qū)投照射線，并且根據(jù)靶區(qū)的變化指揮射線進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。這不僅要有設(shè)備硬件上的提升，還要求軟件上一樣取得巨大的進(jìn)步。比如：TPS的在線優(yōu)化功能（最好是實(shí)時(shí)優(yōu)化），而且是多目標(biāo)的優(yōu)化，解決靶區(qū)由于器官運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生形變的彈性配準(zhǔn)等功能等。

目前來看，以上比較成熟的影像引導(dǎo)技術(shù)并不能提供實(shí)時(shí)成像，而放療界對精確定位的要求則日益提升，最終希望能夠做到“看”著靶來治療，所以分次內(nèi)的影像引導(dǎo)技術(shù)被提上日程。

但是目前而言：

（1）雙X線交叉成像的技術(shù)立體成像能力很有限，只能提供幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置，無法呈現(xiàn)整個(gè)器官的運(yùn)動(dòng)圖像。

（2）CBCT 對于呈現(xiàn)比較清晰的器官立體圖像具有很大的優(yōu)勢，但需要轉(zhuǎn)動(dòng)一段弧度才可以完成成像過程，無法提供實(shí)時(shí)影像。

（3）超聲成像可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測器官運(yùn)動(dòng)，但適應(yīng)癥非常有限，目前比較成熟的臨床方案是針對前列腺的。而且它作為一個(gè)獨(dú)立的第三方裝置，需要和加速器控制進(jìn)行通訊溝通。

（4）RF 探測技術(shù)首先需要在人體的靶區(qū)里面植入一些射頻信號源，通過體外的探測器收集它們發(fā)出的信號來監(jiān)控靶區(qū)的移動(dòng)情況。

（5）盡管從臨床應(yīng)用的角度來看，CT影像是最接近臨床應(yīng)用需求的，但是它同樣不能提供實(shí)時(shí)影像，因而也無法提供靶區(qū)追蹤信息。

所以綜合來看，目前只有MRI 圖像引導(dǎo)技術(shù)，向?qū)崿F(xiàn)真正的、軟硬件高度集成配合自適應(yīng)跟隨靶區(qū)的放療技術(shù)前進(jìn)了一大步。

1.3.5 MRI引導(dǎo)

在放療過程中，靶區(qū)組織的位置和結(jié)構(gòu)形狀會(huì)根據(jù)治療過程、人體應(yīng)激反應(yīng)、呼吸、情緒等因素隨時(shí)間而變動(dòng)，這就導(dǎo)致了靶區(qū)的3D信息是不夠的，還需要加入時(shí)間因子。4D成像技術(shù)就是在3D成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過獲取運(yùn)動(dòng)器官不同時(shí)相的圖像來判斷其最大權(quán)重位置，這樣可以有效縮小靶區(qū)外放的邊界，有利于正常組織和危及器官的保護(hù)。

然而，無論是EPID還是CBCT或者普通CT引導(dǎo)，目前都做不到實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)放療?；蛘呤且?yàn)槌上駮r(shí)間較長，或者是因?yàn)槌上窈椭委熯^程不同步，或者是因?yàn)橛跋窠嵌扰c治療角度存在固有偏差。

這樣要實(shí)現(xiàn)呼吸門控治療，一般都是通過以下兩種實(shí)施：

（1）紅外（或超聲）監(jiān)控呼吸幅度；

（2）通過4DCT采集呼吸時(shí)相規(guī)律然后納入到治療計(jì)劃中。

前者屬于間接監(jiān)控腫瘤靶區(qū)隨呼吸的運(yùn)動(dòng)，誤差較大；后者則是將靶區(qū)隨呼吸運(yùn)動(dòng)的變化抽象化和簡單化，沒有考慮靶區(qū)隨呼吸運(yùn)動(dòng)的頻率及幅度在不同時(shí)間和條件下會(huì)有不同呈現(xiàn)的復(fù)雜性。

就目前而言，只有MRI有機(jī)會(huì)提供這一種實(shí)時(shí)成像的可能。

同時(shí)，由于MRI是一容積性影像采集裝置，能獲得高空間分辨率和高對比度在任意層面和方向的解剖影像，尤其是對于確定頭頸、中樞神經(jīng)、脊髓和軟組織等部位腫瘤臨床靶區(qū)有極大幫助。

由于MRI成像取決于物質(zhì)的質(zhì)子密度、T1加權(quán)、T2加權(quán)和血管流空效應(yīng)。因而MRI較CT影像含有豐富的信息，而且磁共振檢測序列的選擇和優(yōu)化可有效地提高腫瘤與周邊正常組織的區(qū)分能力。因而MRI是顯示組織密度對比差異小的區(qū)域如頭頸、中樞神經(jīng)、脊髓、軟組織、宮頸、前列腺以及骨轉(zhuǎn)移處腫瘤臨床靶區(qū)的一種重要手段。

和CT等不同，MRI可以通過梯度場的變化提供任意方向的2D圖像，且圖像的成像速度快，1幀不超過10 ms，這就相當(dāng)于實(shí)時(shí)影像了，目前這種2D圖像主要用于門控系統(tǒng)，實(shí)際上放療呼吸門控或跟蹤要求時(shí)間尺度是300 ms（約0.1個(gè)呼吸周期），這包括圖像采集、重建靶區(qū)、勾畫（判斷）、開關(guān)射線，這樣圖像重復(fù)率至少需要4 ftps，圖像延遲不超過100 ms，MRI完全滿足這種需要。

MRI引導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）無附加劑量，軟組織對比度高，可以進(jìn)行治療中引導(dǎo)；

（2）實(shí)時(shí) MRI引導(dǎo)軟組織擺位和在線劑量預(yù)測：病人每日治療的擺位可直接利用 MRI 影像針對靶區(qū)位置做定位，讓對位更精準(zhǔn)，并且病人在治療床上，能利用門卡預(yù)測當(dāng)前放療將要投遞的劑量；

（3）術(shù)中適應(yīng)性放射治療（on-table Adaptive RT）：在分次放療中，根據(jù)腫瘤退縮或周圍器官變化做在線適應(yīng)性計(jì)劃優(yōu)化。

直接使用MRI圖像進(jìn)行物理劑量計(jì)算存在困難：MRI上的像素量與物質(zhì)內(nèi)質(zhì)子有關(guān)而與核外的電子密度不相關(guān)，因而無法直接利用磁場信號進(jìn)行物理劑量的計(jì)算。解決此問題辦法有兩個(gè)：一是將MRI影像融合疊加到CT影像上，用MRI和CT影像進(jìn)行靶區(qū)的勾畫，用CT影像中CT值進(jìn)行物理劑量計(jì)算；另一方法是通過數(shù)學(xué)模型將磁共振信號轉(zhuǎn)變成電子密度用于劑量的計(jì)算。

（4）治療中實(shí)時(shí)追蹤腫瘤（Real-Time Tracking）與門控：治療全程連續(xù)造影，系統(tǒng)透過軟組織追蹤和自動(dòng)化的射線控制，當(dāng)腫瘤組織移動(dòng)超過醫(yī)師定義的追蹤界限，射線會(huì)自動(dòng)暫停照射，當(dāng)靶區(qū)移回界線內(nèi)的范圍，治療會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。

當(dāng)然僅僅能夠看到靶區(qū)運(yùn)動(dòng)是不夠的，臨床需要在看到后能夠有下一步的動(dòng)作，目前能夠做到的就是在靶區(qū)移出計(jì)劃范圍后中止射線，即影像門控。但更吸引人的方案是射束能夠做出實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)整，即射線實(shí)時(shí)跟蹤靶區(qū)（tracking）。目前給出的方法一個(gè)是通過移動(dòng)床來彌補(bǔ)位置上的偏差，但這個(gè)方案只是處于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且涉及移動(dòng)患者使之有不舒適感。另一個(gè)可能更快用于臨床治療的方案是MLC葉片修正，即用MLC葉片的位置來補(bǔ)償器官移動(dòng)或形變引起的偏差。這兩個(gè)方案無論是哪個(gè)，都涉及到以下事項(xiàng)：

（1）計(jì)劃的實(shí)時(shí)調(diào)整；

（2）誰來對調(diào)整后的計(jì)劃進(jìn)行確認(rèn)。

實(shí)時(shí)射線跟蹤技術(shù)需要圖像引導(dǎo)和加速器的無縫配合才可達(dá)成，需要控制系統(tǒng)的高度集成，目前的主流加速器的控制架構(gòu)都需要做出較大的改進(jìn)和提升。迄今為止兩個(gè)主要供應(yīng)商都還沒能在這個(gè)方向上做出重大突破。

1.4 影像引導(dǎo)放療技術(shù)要求對設(shè)備一體化設(shè)計(jì)

總之，以上這些影像引導(dǎo)技術(shù)的主要目的其實(shí)還在于對靶區(qū)（位置、體積、形狀）的再確認(rèn)，用于糾正放療過程中的變化、誤差或人為錯(cuò)誤。筆者不認(rèn)為自適應(yīng)（包含靶區(qū)追蹤）等技術(shù)是一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)發(fā)展維度，總體上它是在影像引導(dǎo)下，對原有立足于剛性靶區(qū)前提下發(fā)展起來的臨床技術(shù)IMRT等在應(yīng)用上的一個(gè)補(bǔ)充和修正。IGRT的技術(shù)開發(fā)在精確放療之后，這主要源于人們非常擔(dān)心精確放療萬一打偏了而會(huì)產(chǎn)生的巨大負(fù)面后果，因此從需求的角度考慮理應(yīng)包含影像引導(dǎo)條件下的放療過程的修正（靶區(qū)追蹤、射線控制和跟隨）。當(dāng)然要完全達(dá)到這樣的水平還需要設(shè)備的更大進(jìn)步，但毫無疑問，目前精確調(diào)強(qiáng)技術(shù)和IGRT已經(jīng)組成了現(xiàn)代放療的主要內(nèi)容，我們所做的一切都在圍繞著它們進(jìn)行技術(shù)基礎(chǔ)的夯實(shí)以及進(jìn)一步的完善和提升。

以下內(nèi)容請關(guān)注：醫(yī)用加速器差異化設(shè)計(jì)思想的探討（下）