肿瘤精确放疗技术发展及应用现状_乔延伟

肿瘤精确放疗技术发展及应用现状

Development and Application Situations of Precise and Accurate Radiotherapy Techniques for Tumors

乔延伟

河北医科大学第一医院 设备处，河北 石家庄 050031

[摘 要] 本文阐述了立体定向放射治疗（SRT）、三维适形放射治疗（3D-CRT）以及调强适形放射治疗（IMRT）等肿瘤精确放疗技术的概念、特点、发展历程及其临床应用近况，介绍了近年迅速发展起来的图像引导放射治疗（IGRT）影像系统、主要功能及其临床应用近况，指出以“精确定位、精确设计、精确治疗”为基础的精确放疗将会更有效地维护人们的健康。[关键词] 立体定向放射治疗；三维适形放射治疗；调强适形放射治疗；图像引导放射治疗Abstract: This paper describes the concepts, characteristics, development processes and recent situations of clinical applications of precise and accurate radiotherapy techniques including stereotactic radiotherapy (SRT), three-dimensional conformal radiation therapy (3D-CRT) and intensity modulated radiation therapy (IMRT), and introduces the imaging systems, main functions and recent situation of clinical applications of image-guided radiation therapy (IGRT). Precise and accurate radiotherapy based on accurate positioning, accurate design and accurate therapy will effectively maintain people's health.Key words: stereotactic radiotherapy; three-dimensional conformal radiation therapy; intensity modulated radiation therapy; image-guided radiation therapy

QIAO Yan-wei

Department of Equipment, The First Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang Hebei 050031, China

[中图分类号] R730.55 [文献标志码] Adoi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.026[文章编号] 1674-1633(2014)07-0073-04

随着科技水平的不断提高，手术治疗、化学药物治疗以及放射治疗3大肿瘤治疗手段也得到了快速发展。尤其随着计算机技术、放射物理技术、放射生物技术、分子影像技术特别是功能性影像技术的快速发展以及多种技术间的有机结合，近年来放射治疗技术的发展备受瞩目，已从传统的二维常规放疗发展到今天的三维数字化精确放疗，在肿瘤治疗中的地位也变得更加重要。肿瘤精确放疗因其具有高精度、高剂量、高疗效、低损伤的优点而成为21世纪肿瘤放疗的主要发展方向。本文主要阐述近年来精确放疗技术的研究进展，旨在为临床肿瘤的治疗提供相关参考信息。

变区）内受照剂量最大，靶区周围正常组织受照剂量最小，靶区内剂量分布最均匀，靶区定位及照射最准确的集成放射治疗技术[1-2]。

目前公认的精确放射治疗技术主要包括立体定向放射治疗（Stereotactic Radiotherapy，SRT）、三维适形放射治疗（Three-dimensional Conformal Radiation Therapy，3D-CRT）、调强适形放射治疗（IMRT）、以及图像引导放射治疗（IGRT）等。

2 立体定向放射治疗

SRT借助立体定向装置和影像设备准确定出靶区的空间位置, 经计算机优化后通过γ线(γ-刀) 或Χ线(Χ-刀) 集束照射，使靶接受高剂量均匀照射而周围组织受量很低以达到控制或根除病变的目的[2]。主要优点有：① 精度高，定位精确，靶区剂量分布集中；② 三维治疗系统设计精确；③ 无创；④ 靶周边的正常组织受照剂量很小。2.1 发展历程

1951 年瑞典神经外科专家Leksell[3]首先提出立体定向

中国医疗设备 2014年第29卷 07期 VOL.29 No.071 肿瘤精确放疗技术概述

精确放射治疗技术，即以“精确定位、精确设计、精确治疗”为核心，采用现代化的计算机技术、医学影像技术、放射物理技术等，通过常规或非常规剂量分割方式在三维水平上进行立体适形或调强放疗，使靶区（病

收稿日期：2014-05-06

作者邮箱：825360112@qq.com

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放射手术治疗（Stereotactics Radiation Surgery，SRS）理论, 即用多个小野三维集束，把高能射线准确地汇聚于不能手术的颅内病灶，以达到类似于外科手术切除的效果，可用于治疗诸如脑动静脉畸形等良性病变[4]。1968年，lars leksell和Larsson等研制出世界首台颅脑γ-刀。1975年第二台γ-刀装置在瑞典karolinska研究所临床试用，成功地用于治疗颅内肿瘤。1980年，由201个钴源组成的第三代γ-刀装置产生。同时，随着加速器的飞速发展，美国科学家用直线加速器发生的6~15 MV X 射线非共面多弧度等中心旋转实现多个小野三维集束照射病变, 起到与γ-刀一样的作用, 称为Χ-刀[5]。1990年代初，瑞典karolinska医院成功研制出首台体部Χ-刀，并将其应用于体部肿瘤颅外病灶靶区的定位、固定和治疗过程中。1992 年美国Standford 大学神经外科医师John Adler 发明了Cyber knife, 2001 年通过美国食品药品管理局认证, 成为全身肿瘤放射治疗的医疗设备。至此，立体定向放射手术治疗的技术逐步被引入到了放射治疗中，创建了立体定向放射治疗SRT技术，使肿瘤的定位和治疗达到了相当精确的水平。2.2 临床应用

季洪兵[6]等、姜雪松[7]等应用SRT技术对胰腺癌患者以及颅内转移癌患者进行治疗，表明SRT对于治疗胰腺癌、治疗及控制颅内转移癌具有良好效果。

立体定向体部放疗（Stereotactoc Body Radio Therapy，SBRT）是一种无创伤性的实时影像引导放疗技术，通过采用三级准直器系统和多弧非共面旋转聚焦技术产生高度聚焦的剂量分布区，可以提高局部控制率、降低局部复发及远地转移率[8]。很多肺癌患者因为各种原因不能或拒绝手术治疗，SBRT就是一种适用于治疗不适合手术的原发性肺癌患者的技术手段。Andratschke[8]、Takeda[9]和Timmerman[10]等分别通过SBRT对早期非小细胞肺癌患者进行治疗，结果表明SBRT 对早期非小细胞肺癌原发控制率高达80%~98%。Potters[11]、Rule[12]等的研究表明SBRT治疗肝转移癌的局部控制率最高可达100%。此外，SRT在治疗其他肿瘤如卵巢癌、鼻咽癌方面也比较有优势。随着SRT技术在国内外的迅速发展和不断普及，其将会成为综合治疗体部肿瘤的有效新途径之一。2.3 SRT设备

目前主流的SRT设备主要有德国BrainLAB公司生产的Novalis X-刀、美国Accuray公司生产的Cyber Knife（赛博刀）、日本Mitsubishi公司生产的C形臂X-刀、瑞典Elekta公司生产的Leksell γ-刀系统及最新研制的Perfexion™ γ-刀系统、深圳OUR 公司生产的旋转式头部γ-刀、深圳MASEP公司生产的旋转式头部γ-刀、深圳HYPER 公司生产的体部γ-刀、我国中科院大恒医疗生产的STAR-2000 SRT系统等[13]。

3 三维适形放射治疗

3D-CRT利用CT图像重建三维的肿瘤结构，通过在不同方向设置一系列不同的照射野，并采用与病灶形状一致的适形挡铅，使得高剂量区的分布形状在三维方向（前后、左右、上下方向）上与三维计划靶区形状一致，同时使得病灶周围正常组织的受量降低，从而明显增加肿瘤的局控率并减少正常组织的急性毒副反应和晚期放射性损伤[14]。3.1 发展历程

1950年初，日本学者Takahashi 首次提出并阐明了适形放射治疗的基本概念及其实施方法，并在1965 年提出采用多叶准直器（Multileaf Collimator, MLC） 实现适形放射治疗[15]。1959 年，Wright 提出了同步挡块法适形放射治疗：射线束水平照射, 患者坐在特制的旋转椅上, 挡块固定在一个架子上, 与患者同步旋转, 从而使患者旋转到任何位置时, 射线束经挡块、准直后得到的照射野形状总是与靶区的投影形状一致[16]。之后，Proimos、Trump 和Takahashi等设计和改进了该方法, 并应用到临床上[17]。同时期，Green 提出通过循迹扫描技术实施适形放疗，即依靠治疗机和治疗床的相互配合, 使得靶区每个截面中心总是位于治疗机的中心上, 而射野的大小随截面的变化而变化。之后，英国分别制造出深部X 射线循迹扫描治疗机和60Co循迹扫描治疗机并用于临床治疗。20世纪90年代，3D-CRT技术在国外得到大幅度的推广并成为肿瘤治疗的主流技术。3.2 临床应用

李清林等[18]通过3D-CRT对住院且不能手术治疗的胰腺癌患者进行治疗，郭政霜[19]、王承伟[20]等对晚期食管癌患者应用3D-CRT技术，结果表明3D-CRT能够有效治疗胰腺癌以及食管癌。

3D-CRT是目前放射治疗的主流技术，适用于绝大部分的肿瘤，特别是在脑肿瘤、头颈部肿瘤（包括喉癌、上颌窦癌、口腔癌等）、肺癌、纵隔肿瘤、肝肿瘤、前列腺癌等方面疗效显著。3.3 3D-CRT设备

目前主流的3D-CRT设备主要有美国Varian公司生产的Clinac 600C/D、2100C/D、2300C/D医用电子直线加速器，德国Siemens公司生产的OPTIFOCUS多叶准直器，瑞典Elekta公司生产的 Agility™ 160多叶准直器等[13]。

4 调强适形放射治疗

调强适形放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）是在3D-CRT基础上发展起来的放疗技术，与普通放射治疗相比，它要求剂量更加准确地集中到肿瘤靶区。

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具体来说，IMRT需要满足以下两个条件：① 在照射方向上，照射野的形状必须与病变的投影形状一致，这样使周围的正常组织受到最低剂量的照射，称之为三维适形;② 为使靶区内及表面的剂量处处相等，必须使每个射野内诸点的输出剂量率能按要求进行调整, 让同一靶区内的各点获得各自不同的剂量, 称之为强度调节[21]。4.1 发展历程

1977 年, Bjarngard [22]及其同事首次提出了IMRT的概念，开始了相关研究。1987 年Brahme[23]发明了快门技术,在理论上较好地解决了二维任意剂量场的调制问题，同时，他和同事又进一步解决了在较短时间内实现剂量场调制的问题，从而使剂量场调制在实践上成为可能。随着多叶准直器及其计算机控制系统的发展，IMRT的临床应用逐渐得以实现。1994年，NOMOS公司在加速器上使用特殊设计的MIMic 多叶准直器，率先实现了IMRT 的临床应用[24]。

由于大多数肿瘤的形状不规则，而且肿瘤各点离人体表皮的入射距离也不一样，这就需要根据医生对肿瘤病灶靶区均匀性照射剂量要求和周围正常组织器官保护剂量要求，逆向设计第二次限束以改变加速器线束出束剂量率，达到最终目标剂量要求的照射方案，这个过程称为逆向调强放疗。目前，国际上真正开展做肿瘤逆向IMRT 的时间才3~5年[25]。4.2 临床应用

美国Stanford大学医学中心[26]放疗科通过应用IMRT治疗鼻咽癌和胸椎体转移癌，表明IMRT可在以高剂量杀伤肿瘤组织基础上，最大程度地保护正常组织及敏感器官。杨杰[27]等关于宫颈癌的研究发现，IMRT在宫颈癌治疗中，具有减少危及器官剂量、降低危及器官平均受照体积、保护邻近器官、提高靶区剂量等优势；徐胜[28]等关于原发性肝癌的研究发现，在危及器官的照射剂量分析中，IMRT能有效地提高靶区的照射剂量，降低危及器官的损伤。

此外，IMRT在头颈部肿瘤、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌等的临床治疗中也具有良好的效果 [26]。4.3 IMRT设备

目前临床上应用的IMRT设备主要有美国NOMOS公司生产的Peacock系统以及Scanditronix MM50回旋加速器，美国Varian公司生产的Clinac 21EX、Clinac 23EX医用电子直线加速器，德国Siemens 的Primus M直线加速器和SOMATOM Plus4CT机，比利时IBA 公司生产的MM50医用电子回旋加速器等。

运动度等因素所造成的误差，应用各种影像设备在患者治疗前、治疗中对肿瘤及肿瘤周围的正常组织器官进行实时监控并做出相应的调节，是在三维放疗技术的基础上加入了时间因素后形成的一种四维放射治疗技术 。5.1 IGRT影像系统

（1）电子射野影像系统（Electronic PortalImaging Device， EPID）。由射野摄片技术发展而来，可在射线束照射靶区时, 采用电子技术在射线出线的方向获取图像。（2）kV级X线摄片和透视设备。常与治疗设备结合在一起，通过骨性标志或基准标志，实时跟踪和监测治疗时肿瘤和正常器官的位置和形态。

（3）kV级CT。将模拟机、kV 级CT 和直线加速器都安装在治疗室内，精确度可达1 mm，扫描速度快、成像清晰，具有较高的空间分辨率和密度分辨率，也称为滑轨CT技术。（4）锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）。是一种三维验证技术，分为kV-CBCT和MV-CBCT。可对患者周围不同角度的投射图像进行重建，具有体积小、重量轻、开放式架构的特点。

（5）CT-on-rail。典型代表为CTVision，是集成的IGRT解决方案，可将治疗计划使用的快速、高对比度诊断CT 成像标准引入治疗室 。5.2 主要功能

（1）在线校正。为IGCT最基本的功能，在每次治疗前采集相关的影像学信息，通过与计划参考CT比较，确定肿瘤三维方向的摆位误差，进行实时在线纠正，减小放疗中靶区的不确定性。

（2）离线校正。即自适应放疗，是使用图像数据、剂量以及其他信号作为反馈进而对治疗计划进行修正，从而提高放疗准确性和精确性。

（3）屏气和呼吸门控技术。屏气可使受呼吸运动影响的靶区暂时停止运动，呼吸门控技术在患者治疗过程中通过某种门控设备来监测患者的呼吸，在呼吸的某一时相才有射线开启。

（4）实时跟踪。通过照射野或治疗床的移动，使肿瘤靶区与照射野保持相对位置固定，达到动态追踪的效果，进而减少呼吸运动对胸腹肿瘤放疗的影响，有效保护正常组织。5.3 临床应用

王瑾等[35]对鼻咽癌患者行kV级CBCT扫描，李炯雁等关于前列腺癌的研究，李建成等关于食管癌的研究都表明kV-CBCT图像引导放射治疗可以提高等中心摆位精度，调整摆位误差。此外，Al-Halabi等关于宫颈癌的研究验证了图像引导调强放疗计划能够有效降低膀胱和直肠受照剂量。此外，IGCT还在食管癌、宫颈癌等肿瘤的治疗中发挥着重要的作用。随着影像技术及计算机技术的发展，未来IGCT

5 图像引导的放射治疗

图像引导放射治疗（Image-guided Radiation Therapy，IGRT）在治疗过程中考虑靶区剂量分布、摆位误差、呼吸

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将朝着剂量引导放射治疗、动态跟踪治疗以及肿瘤生物信息采集等方向发展，为肿瘤的治疗提供更广阔的治疗空间。5.4 IGCT设备

目前临床上应用的IGCT设备主要为德国Siemens 公司生产的CTVision系统、美国Varian公司生产的TrueBeam(TM)系统等。目前我国重庆市自主研发成功国内首套放疗图像引导系统，具有成像速度快、放射剂量低、摆位精度高的技术优势，辐射剂量仅为CT类设备的1/60~1/30，是我国放疗设备研制技术的重大进展，期待未来能够在临床上得到广泛应用。

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精确放疗技术的不断发展有效增加了肿瘤治疗的可靠性、可控性以及成功率。随着科技的不断进步，质子治疗、剂量引导放射治疗等新技术的引入将会促使精确放疗技术朝着更有效、更精准、更可控的方向不断前进。

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