曾偉明

醫(yī)用直線加速器的研究進(jìn)展

曾偉明

本文簡(jiǎn)介了醫(yī)用直線加速器的發(fā)展情況，重點(diǎn)介紹了常規(guī)放射治療設(shè)備（Conventional radiation therap）的特點(diǎn),3D 適形放射治療設(shè)備（3-dimensional conformal），3D 適形調(diào)強(qiáng)放射治療設(shè)備(3D Conformal and Intensity Modulation-IMRT)，還有圖像引導(dǎo)設(shè)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(diào)強(qiáng)放射治療；圖像引導(dǎo)放射治療

據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)惡性腫瘤還沒(méi)有特效治療方法。放射治療與外科手術(shù)治療、化學(xué)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(guó)際衛(wèi)生組織（WTO）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(shù)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(shè)備相比具有：X線和電子束輸出量大，射野大的特點(diǎn)，醫(yī)用電子直線加速器成為了目前最常用的放療設(shè)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(jiǎn)稱“直加”是指電子從微波電磁加速場(chǎng)獲得能量并延直線軌道加速運(yùn)動(dòng)醫(yī)用電子直線加速器按加速的電磁場(chǎng)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(dá)公司所生產(chǎn)的precise直線加速器是行波直線加速器，而美國(guó)瓦里安所生產(chǎn)的Trilogy是駐波直線加速器。

1952年末在英國(guó)倫敦Hammersmith醫(yī)院開始安裝第一臺(tái)直線加速器，為適應(yīng)臨床醫(yī)學(xué)的要求，以醫(yī)用電子直線加速器為代表的外照射放療設(shè)備呈現(xiàn)出前所未有的技術(shù)快速提升、設(shè)備不斷推陳出新的發(fā)展態(tài)勢(shì)。概括總結(jié)其技術(shù)發(fā)展歷程為：上世紀(jì)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(diào)強(qiáng)放射治療，以及當(dāng)今的圖像引導(dǎo)放射治療。

1 常規(guī)放射治療設(shè)備

上世紀(jì)80年代以前的常規(guī)放療一般通過(guò)常規(guī)模擬定位機(jī)模仿各類治療機(jī)，按不同條件進(jìn)行定位，制定治療計(jì)劃，并用標(biāo)準(zhǔn)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(hù)射野內(nèi)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(diǎn)比較高（327℃），制作較困難，一般只作為射野標(biāo)準(zhǔn)擋塊使用，不易對(duì)每個(gè)患者制作特定形狀的鉛塊。采用低熔點(diǎn)鉛（低熔點(diǎn)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(diǎn)約為70℃。）以后，克服了這個(gè)缺點(diǎn)，可以較容易實(shí)現(xiàn)適合患者個(gè)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(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種帶有革命性的腫瘤放療技術(shù)，其被認(rèn)為是21世紀(jì)腫瘤放射治療的發(fā)展方向[4]。三維放射治療以病人個(gè)體化為原則；采用CT模擬定位和三維治療計(jì)劃系統(tǒng)，進(jìn)行三維劑量計(jì)算和顯示，使空間劑量分布與靶區(qū)符合（適形），盡量減少對(duì)正常組織的損傷。與常規(guī)放療設(shè)備相比，3D 適形放射治療設(shè)備增加了多葉準(zhǔn)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(guān)鍵，CT定位系統(tǒng)包括CT機(jī)，激光定位系統(tǒng)（等中心標(biāo)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(jī)架孔徑》70cm，最大掃描直徑》42cm，和常規(guī)模擬定位機(jī)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(jìn)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(jī)重建影像的CT值反應(yīng)了X線在組織中的線性衰減關(guān)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(jù)系統(tǒng)內(nèi)建的校正公式，進(jìn)行密度不均勻計(jì)算[6]，這都是常規(guī)放療所不具備的。多葉準(zhǔn)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(yīng)用[7]。與射野擋塊相比，MLC適形具有顯著優(yōu)勢(shì)：能大幅提高適形治的效率，使靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)的實(shí)施成為可能[8]。

3 3D適形調(diào)強(qiáng)放射治療設(shè)備

調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）代表了現(xiàn)代放射治療(RT)最主要技術(shù)進(jìn)步之一，它是在三維適形治療基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型放射治療設(shè)備，與三常規(guī)維適形治療（3DCRT）相比，最大優(yōu)點(diǎn)是它能產(chǎn)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(diào)強(qiáng)適形治療技術(shù)自上世紀(jì)90年代誕生以來(lái)，以其“三高一低”的特點(diǎn)，迅速獲得了國(guó)內(nèi)外放療界的認(rèn)可，并成為當(dāng)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(jí)提高到毫米級(jí)。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(dǎo)放射治療設(shè)備

調(diào)強(qiáng)適型放療技術(shù)的最新進(jìn)展是圖像引導(dǎo)放射治療設(shè)備（Image Guide RadioTherapy-IGRT），稱為四維放射治療，是當(dāng)今進(jìn)入臨床推廣應(yīng)用的最先進(jìn)的醫(yī)用電子直線加速器放療設(shè)備[10]。 IGRT充分考慮了解剖組織在治療過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和分次治療間的位移誤差，如呼吸運(yùn)動(dòng)、小腸蠕動(dòng)、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(duì)治療計(jì)劃的影響等，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)在新型加速器集成KV級(jí)X射線容積成像設(shè)備而實(shí)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(cè)器，這種探測(cè)器具有空間分辨率高，靈敏度高，射野范圍寬等特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)照射野的形狀和位置，是調(diào)強(qiáng)適形放療的理想質(zhì)量控制設(shè)備[12]。在電子直線加速器上又增加了KV級(jí)X診斷影象系統(tǒng)，實(shí)際上，該類型的IGRT設(shè)備是將CT與電子直線加速器整合的結(jié)果。而Tomotherapy是一種最新研制成功的IGRT設(shè)備，稱為斷層掃描放射治療設(shè)備(Tomotherapy)[13]。Tomotherapy 是HI-ART由美國(guó)威斯康星大學(xué)醫(yī)學(xué)物理系的研究小組經(jīng)過(guò)十多年的研究完成，外表與CT掃描機(jī)相似，主要組成：①環(huán)狀機(jī)架上原先裝X線球管的地方安裝了6MV直線加速器；②MLC實(shí)現(xiàn)扇形束調(diào)強(qiáng)治療；③MV級(jí)電子射野影像設(shè)備（EPID）做劑量驗(yàn)證和位置驗(yàn)證；④激光定位系統(tǒng)；優(yōu)點(diǎn)：①配有治療計(jì)劃優(yōu)化器，比傳統(tǒng)治療計(jì)劃系統(tǒng)更方便；②使用特殊的兆伏級(jí)（3MV）CT精確驗(yàn)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)強(qiáng)放療，使放射劑量完全集中于腫瘤，避免對(duì)周圍健康組織的傷害；④使醫(yī)生在治療過(guò)程中根據(jù)需要調(diào)整劑量；⑤將傳統(tǒng)的加速器中的模擬機(jī)、治療計(jì)劃系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)、適形塊和補(bǔ)償器及部分圖像系統(tǒng)集成在一起，簡(jiǎn)化了流程，降低了成本，提高了效率；⑥CT孔徑大，加速器在機(jī)架中，減少了病人的恐懼心理。

5 總結(jié)展望

隨著計(jì)算機(jī)制造技術(shù)和制造工藝的進(jìn)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(zhǔn)確性更高，提高了病人的生存率，降低了副反應(yīng)，治愈了更多的腫瘤病人，提高了生存質(zhì)量。人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，我們的科學(xué)家正不斷研制出更加接近人類智能的放療機(jī)器人，例如賽博刀（Cyberknife）由美國(guó)Stanford大學(xué)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(dǎo)的立體定向治療機(jī)，將6MeV直線加速器置于一6自由度的大型機(jī)器人手臂上，以圖像導(dǎo)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(shù)是機(jī)器人和圖像導(dǎo)引系統(tǒng)。而最新改型的賽博刀立體定向放射治療（手術(shù)）系統(tǒng)帶有一種特有的基準(zhǔn)追蹤裝置，該裝置經(jīng)皮埋在需治療的目標(biāo)附近外圍，通過(guò)六個(gè)數(shù)據(jù)追蹤，用作腫瘤定位的參考點(diǎn)。放射治療時(shí)，圖像導(dǎo)引系統(tǒng)跟隨該基準(zhǔn)裝置的位置，腫瘤的位置就被傳送到機(jī)器人臂，由此配合患者位置的變化對(duì)加速器重新定位，治療誤差可控制在亞毫米水平[15]。該產(chǎn)品在發(fā)達(dá)國(guó)家有較好的應(yīng)用前景，美國(guó)喬治敦大學(xué)醫(yī)院（花費(fèi)290萬(wàn)美元）和舊金山醫(yī)學(xué)中心已安裝了這套新系統(tǒng)，毫無(wú)疑問(wèn),對(duì)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(duì)于如此智能化得放療機(jī)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）