放疗物理剂量学

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对于脑部肿瘤和其他功能性病变 传统的治疗方法是实施外科开颅手术 开颅手术使病人遭受痛苦 而且还可能带来后遗症，甚至导致死亡 而γ -刀的问世 使脑神经外科手术揭开了新的一页 在治疗过程中，病人无出血、无感染、无痛苦 照射一次就达到了手术效果 这是人类医学史上一项伟大的革命性创举 1993年全世界装备有γ -刀共66台 其中美国7台，中国7台
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γ-刀的全称应是 “γ-射线立体定位治疗系统” 之所以被称为“刀”，是因为它满足了两个条件： ⑴较大的“焦皮比”；⑵准确的定位 所谓“焦皮比”，就是 单位体积内病变组织与健康组织所受剂量之比 一般来说，焦皮比在100：1以上的放射治疗设备 才能称之为“刀”
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所谓定向，就是： 利用X-CT、MRI、DSA等现代化的诊断手段 加之“立体定位”技术 使γ 射线的焦点准确地与病灶点重合 而不损伤病灶点周围的健康组织 目前，立体定向方法有三种： ⑴静态式；⑵动态旋转扫描式；⑶弧形等中心式 相应地有静态γ -刀、旋转式γ -刀和体部γ -刀 三大系列射线手术刀产品
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有的头架上将四个颅骨螺旋钉固定于病人头部 固定效果好，但是一种侵入式的方式 适用于单次照射治疗 另一种头架通过病人的 牙齿咬合枕骨固定垫和头带固定于头部 是非侵入式的，适用于需要重复照射的病人
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安装于头架上的CT定位架 在周围设有定标或在侧面装有定标线 接受CT扫描时用其确定 每张CT片和CT片上每个点的精确位置 对于颅内血管疾病的病人 需要使用安装在头架上的血管造影架 用以确定血管病灶的空间位置
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旋转式γ -刀的旋转式源体 由半球缺状球墨铸铁制 成，上有30个钴源装载 位置及准直器孔道，分 成6组，每组5个，按螺 旋线交错有序地布置在 球面上。当源体旋转时， 则形成30个锥面，30个 钴源的几何轨迹无一重 迭，因此对健康组织损 伤最小；而且，由于采 用旋转式布置，相邻两 个源的准直通道夹角最 大，故射线产生“交叉 半影”最小
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因医用电子直线加速器具有 非常好的精确度和可靠性，所以X-刀适用于 比γ-刀更大的颅内病灶 （γ-刀适用病灶<18mm，X-刀适用病灶<50mm） X-刀利用直线加速器作为照射源 不象γ-刀那样需要定期更换放射物质 X-刀的价格仅为γ-刀的1/5～1/6 具有更高的性能价格比，从而减少了治疗费用 因此X-刀得到了世界各国医院的广泛采用
（七）治疗计划系统 （八）后装机 （九）剂量测量仪
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X(γ)射线临床剂量学
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翟福山
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一、人体模型
1.1 组织替代材料 X(γ)射线、电子束及其他重粒子入射到人体时 与人体组织相互作用后，发生散射和吸收 能量和强度逐渐损失 对这些变化的研究，很难在人体内直接进行 因此，必须使用人体组织的替代材料(tissue substitutes)
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立体定向放射治疗原理是： 采用静态几何聚焦原理 把窄束放射线从不同方向定向准直照射颅内病灶 在病中心（靶点）形成大剂量聚焦 在短时间内将病灶击毁 而靶点之外的健康组织所受到的照射剂量却很小 从而达到了比手术切除更好的效果
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Leksell 教授的立体定向放射治疗原理 成了立体定向放射治疗外科的经典 立体定向放射外科是一种 大剂量窄束定向集中照射技术 它以X-CT、磁共振（MRI）和数字血管造影（DSA） 图像为诊断依据 以放射性钴60或医用电子直线加速器为照射源 利用现代计算机技术进行三维重建、立体定位 制定精确的照射方案（称为放射外科治疗计划） 准确地对颅内肿瘤或病灶进行定向照射
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治疗计划的制定方法如下：首先是定位 一般在局部麻醉下进行 将脑立体定向仪固定在病人头部 肿瘤病人采用CT定位 每2～4mm层厚连续扫描并通过图像三维重建
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在有些情况下，病灶成像于MRI图像 在CT上却看不清楚，这时需利用MRI图像进行定位 是在病人做MRI时 带上类似于CT定标架那样的装置来确定病灶的位置 或采用“计算机信息融合（Fassion）技术” 将MRI图像的数据与CT数据融合 利用CT定标系统和MRI数据来确定病灶的位置
3.旋转式γ -刀 旋转式γ -刀是由中国深圳OUR公司率先研制成功 它在静态式γ -刀的基础上作了重大改进 设计更为合理,旋转式γ -刀也只适用于头部 旋转式γ -刀采用旋转聚焦的工作原理， 装在旋转式源体上的30个放射源绕病灶中心 做锥面旋转聚焦运动 由于射线束不是以固定路径穿越健康组织 致使健康组织中受到瞬时及几乎无伤害的照射
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3. X-刀治疗计划体系
与γ -刀一样，计算机治疗计划体系 也是X-刀不可缺少的重要组成部分 治疗计划系统由计算机、图像输入装置、显示器及 打印机组成，其任务是根据病人的CT、MRI和DSA （或Angiography）图像，确定病灶的大小和位置 标定靶区、计算靶心，最终制定出治疗计划和进行 剂量分布计算
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到1993年底 全世界共210台，仅美国就有83台 1994年中国开始引进X-刀 由于X-刀设备简单、造价低、不使用钴源 因此它的发展甚为迅速 已有逐步取代γ-刀的趋势
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X-刀的适应病症有： 脑血管疾病 （如颅内动静脉畸形、动静脉瘤） 颅内肿瘤（如垂体瘤、听神经瘤 脑膜瘤、颅内转移肿瘤） 功能性疾病 （如帕金森氏综合症、癫痫、三叉神经疼等）
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X-刀的结构
X-刀的系统结构 是由医用电子直线加速器 立体定向装置 计算机治疗计划系统 三大部分组成
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医用电子直线加速器可产生4～18MeV的X射线 或6～20MeV的电子射线 最新一代的加速器配有电子枪、调速管等 放射源可围绕等中心点作270～360°旋转 依靠放射源的垂直旋转与 操作床180°范围内的水平旋转 使照射集中于等中心点上
1. 医用电子直线加速器
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在直线加速器的头部安装有准直器 其作用是将X射线形成窄射束准确地聚焦 于靶区（病灶） 而使周围正常组织受到最小的损伤 一般采用圆形射束，直径4～50mm 按照一定间隔配备10～15个不同直径的准直器
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2. 立体定向装置
X-刀与γ-刀一样，需要将靶心精确定位 定位精度要求<0.5mm 立体定向装置是头部立体定向框架 （又称头架、头环、脑立体定向仪） 其作用是精确地固定人头部的位置
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Patient positioning collimator
放射源释放组件包括Байду номын сангаас 铸铁半球形屏蔽壳体 装有201个钴60γ辐射源的中心体及屏蔽门等 201个辐射源的总装活性达6000居里
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准直器头盔呈半球形结构，有201个束道 每一束道均有源衬套组件 钨合金预准直器和准直器 以产生正确的束的角度和直径 准直器使201条γ 射线束聚焦于半球源体的球心上 每一束射线只具有较小的照射剂量 但在聚焦点形成达200：1的照射剂量 所有主要的射线束均限在半球屏蔽体和屏蔽门内 为改变剂量分布和预防辐射到人体其他要害组织 （如眼睛），须将闭合塞插在选择孔道中
二、放射治疗常用设备
（一）X射线治疗机 （二）钴-60治疗机
（三） 医用加速器 （四）模拟定位机
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（五） 立体定向放射治疗装置 γ -刀(Gamma-knife)
1.立体定向放射治疗外科 （Stereotactic Radiosurgery，SRS） 1951年,瑞典一著名的神经外科医生最先提出了 立体定向放射治疗原理 并于1968年同生物物理学家合作 研制出世界上第一台γ-刀
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治疗时 定位系统首先按照治疗计划中给出的靶心位置 将靶心放置到加速器的等中心上 在治疗过程中加速器按照治疗计划中给定的 照射弧旋转，其射束始终对准靶心 达到大剂量集中照射的目的 为保证治疗过程中的靶心始终位于中心上 还有专门的等中心校验装置 对靶心位置进行精确地校验
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所测得的资料借助磁盘或光盘输入计算机 以便确定治疗方案 计算机处理后可绘制出病灶各层面的正 侧及轴位的剂量曲线 操作者可根据临床需要使之与靶点边缘准确重叠 较大或形状不规则病灶可选用多中心靶点 计算机根据选入的参数制定治疗方案 包括单次或多次照射、每次照射时间 靶点的坐标位置、准直器选择形式等 以使射线准确集中于病灶上 避免损害其周围正常组织
伽马刀
The Gamma Knife:-
Gamma Knife
• uses numerous high activity 60Co sources positioned in a device so that the radiation beams converge at the specified point of treatment. • is used to treat head tumors
（六） 立体定向放射治疗装置 X-刀(X-knife)
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X-刀最早是美国人Colombo和Betti等研制成功 他们将用于常规放射治疗的医用电子直线加速器 加以改进，采用专用的准直器和立体定向装置 把放射线聚集在病灶实施一次大剂量照射 通过三维空间把线束投射到靶区形成高剂量 而周围正常组织受量低 因等剂量曲线在靶区外急剧陡降 病灶与正常组织剂量界限分明 达到控制、杀灭病变保护正常组织的目的 尤如外科手术刀切除病灶一样
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2.静态γ -刀 瑞典的Elekta公司是静态γ-刀的唯一生产厂家 于1968年推出第一代Leksell型静态γ-刀 目前已发展到第三代 Leksell型静态γ-刀适用于头部 静态γ -刀由 放射源释放组件、准直器头盔、液压系统 病人治疗床、控制台和治疗计划系统等部分组成
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液压系统用来开启和关闭屏蔽门 以及将病人治疗床移进移出准直器头盔 控制台上有两个定时机构 用来控制辐射曝光时间 另外还有红外摄像监视器、对讲机、治疗开关等 安全锁止系统在检出技术故障时会终止仪器运行
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在用γ -刀作放射外科手术前 要先制定放射治疗计划 手术时，先进行靶区定位 然后根据预定的靶区坐标 将病人头部放入某个准直器头盔中 这样靶区中心就能定位于201束射线的交叉点上
因而水是最易得到、最廉价的组织替代材料
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水模的缺点
如用电离室等作探头时 必须加防水措施，使测量免受影响 近年来发展了干水和其他组织替代材料
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1.2 模体
由组织替代材料组成的模体(phantom) 用于模拟各种射线在人体组织或器官中 因散射和吸收所引起的变化 即模拟射线与人体组织或器官的相互作用的物理过程
构成的模型代替人体，简称模体(phantom)
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“模拟人体组织与射线相互作用的材料” 替代材料必须具有
与被模拟的组织和射线相互作用相同的有关的物理特点
为了保证等体积的组织替代材料和被替代组织的质量相等 两者的质量密度即物理密度必须近似相等
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因人体组织特别是软组织中含有大量的水 水对X(γ)射线、电子束的散射和吸收 几乎与软组织和肌肉的近似 水不仅在世界各地都能得到 而且各地水的辐射特性几乎不变
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4.体部γ -刀 全身γ -刀的工作原理与 动态旋转式头部γ -刀相同 只是总体结构布局、放射源钴60的分布 屏蔽与防护、以及人体的全身立体定位更为复杂 体部γ -刀主要适用于躯干部位的肿瘤
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1.X-刀的发展及特点 X-刀是继γ -刀之后于80年代发展起来的 一种新型立体定向放射外科设备 由于它利用电子直线加速器（LINAC） 产生的X射线作为放射源 所以又称为LINAC的立体定向放射外科装置 简称X-刀
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操作者在另一房间操作 通过摄像机及对讲机监护病人 整个照射过程由计算机根据放射治疗计划控制 治疗时间一般5~20分钟 使用静态γ -刀时 病人治疗床和其他部件都不旋转或移动 放射源的射向和病人在整个治疗期间都是固定 治疗之后 采用X-CT、MRI或DSA来评价受治部位
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