立体定向放射治疗的物理学基础_张红志

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治疗计划系统实际是一套计算机系统 ,它具有 的软件功能 ,是和特定的立体定向照射设备所匹配 的。 第一 ,治疗计划系统应具有很强的图像处理能 力。通过输入带有定位标记的 CT 等影像学资料 ,完 成三维图像的重建 ,包括矢状面和冠状面的显示等。 必要时 ,可根据不同来源的影像学资料 ,完成图像的 融合 ,以方便主管医生更准确地确定治疗的靶体积 形状、体积 ,以及与周围正常组织特别是敏感器官的 几何关系。第二 ,治疗计划系统应具有很强的剂量计 算和评估功能 ,包括确定照射 技术、照射野入射方 向 、准直 器大 小、剂 量权 重、 旋转 弧起 始和终 止角 度、
影像定位框架带有可在 X 射线影像上显像的 V型 (或 Z型 )标记。 患者戴着定位框架实施 CT (或 M R)扫描 ,所获得的每一帧 CT 图像都带有标记。而 且这些标记在不同位置的 CT 影像上有不同的几何 位置 ,这是立体定向照射计划系统建立患者三维座 标系的基础。
治疗摆位框架实际是一三维定位框架。 它一般 有 X、 Y和 Z三个方向的标尺和座标指示器。当计划 系统设计的治疗计划方案确定后 ,由计划系统计算 出靶中心相对患者三维座标系各个方向的座标值。
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轴聚焦于一点 (精度为± 0. 3 mm ) ,源到焦点的距离 为 403 m m。焦点处的剂量率可达到 300~ 400 cGy / mi n。
Journal of Practical Oncology Vol. 19 N o. 2 2004
γ刀装置的剂量学特性 ,并且直线加速器还可以实 现常规分次放射治疗 ,相对成本也较 γ刀装置低很 多 ,这是 X射线立体定向照射系统更为优越之处。
实用肿瘤杂志 2004年 第 19卷 第 2期
图 5 a 不同立体定向照射方式示意图 b 不同方式照射剂量分布比较
(剂量跌落最陡和最缓处 )
在实施治疗时 ,患者戴有治疗摆位框架。首先根据治 疗计划系统的计算结果 ,通过治疗摆位框架 X、 Y和 Z三个方向的标尺 ,确定患者靶中心在三维空间的 位置 ,并将治疗机的等中心 (或 γ刀装置的焦点 )与 之重合 ,即可实施治疗。 1. 3 治疗计划系统
立体定向放射治疗的物理学基础
张红志
(中国医学科学院 肿瘤医院 ,北京 100021)
关键词: 立体定位技术 ;放射治疗 ;放射治疗计划 ,计 算机辅助
中图分类号: R454; R815 文献标识码: A 文章编号: 1001-1692( 2004) 02-0095-06
立体定向放射治疗是一种照射技术 ,它源于 20 世纪 50年代初瑞典神经外科学家 La rs Leksell 的 设计 ,即利用类似神经外科立体定向定位的方法 ,对 欲治疗的病变准确定位 ,然后使用放射线。主要是 γ 射线或 X 射线 ,给以多个非共面小照射野三维集束 照射。根据照射的不同分次模式 ,又可分为立体定向 放射手术 ( stereot actic radio surg ery , SRS) , 即早期 Lars Leksell单次大剂量照射和立体定向放射治疗 ( stereo tactic radio therapy, SRT ) ,即 20世纪 80年 代逐渐开展的分次照射。 目前立体定向照射的设备 主要是利用 γ射线照射的 Leksell γ刀装置 ,和利用 直线加速器实施照射的 X 射线立体定向照射系统 (亦称 X刀 )。 以下将 SRS和 SRT 统称为立体定向 放 射治 疗。本 文将 对立 体定 向放 射治 疗的实 施、 剂量 学特点和质量保证等内容给予简要论述。 1 立体定向放射治疗的实施
图 4 动态立体定向照射示意图
1. 2 立体定向系统 立体定向系统是在实施立体定向照射过程中 ,
为患者建立一个三维座标系 ,以保证立体定向照射 的精确。 它包括有影像定位框架和治疗摆位框架。
影像定位框架和治疗摆位框架使用时都与一基 准环相连接 ,基准环分为有创和无创固定型两种。有 创固定型通过局部麻醉后 ,固定在患者的头骨上 ,一 般在单次照射时使用。 无创固定型和患者的体位固 定器相连接 ,一般分次照射时使用。
立体定向放射治疗的实施过程 ,是获取患者的 影 像学 资 料、 治疗 计 划 设计 和 实 施 治疗 的 一 个复 杂 过程。图 1为示意图。首先患者应带有在诊断装置 , 如 CT、 M RI等 ,可显像的 Z 形标记 (或 V 形 )定位 框架 ,行扫描获取影像学资料。 将这些资料经网络 (或磁盘、光盘等 )传输给治疗计划系统。计划系统完 成治疗方案的设计 ,靶体积的定位等 ,然后在立体定 向照射装置 (如 Leksel l γ刀装置或直线加速器立体
DOI : 10. 13267 /j . cnki . syzl zz . 2004. 02. 003
实用肿瘤杂志 2004年 第 19卷 第 2期
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三维立体定向放射治疗研究新进展
立体定向放射治疗的物理学基础 ……… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… 张红志 三维立体定向放射治疗中的放射生物学问题和机遇 … …… …… …… …… …… …… …… …… …… 杨伟志 鼻咽癌调强适形放疗的临床应用 ……… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… 惠周光 徐国镇 腹、盆部肿瘤的三维立体定向放射治疗… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… 余子豪
立体定向放射治疗采用的是非共面小照射野集 束旋转照射 ,其基本剂量模式为: D= DM· T M R· SC, P· O A R。 式中 DM 为参考条件的输出剂量 ,以 6 MV X射线为例 ,参考条件为最大剂量深度 ,即水下 1. 5 cm, 10 cm× 10 cm 照射野 ; TM R为组织最大剂 量比 ; SC, P为照射野输出因子 ; O A R为照射野 离轴 比。 因此立体定向放射治疗的基本剂量学参数应包 括 T M R, SC, P和 O A R。 考虑到水模体中实际 测量 TMR值较为 繁杂 , 可利用 测量 百分深 度剂 量 ( PDD) ,然后计算得到 T M R值。
图 5给出立体定向照射所采用的不同照射方法 和剂量分布的特点。可以看出 ,以直线加速器为基础 的 X射线立体定向照射系统 ,基本可以达到 Leksell
G: 机架旋转轴 ; C: 准直器旋转轴 ; T: 治疗床旋转轴 图 3 a: 直线加速器 立体定向照射系统示意图 b: 圆形准直器 系统
立体定向放射治疗通常所使用的圆形照射野 , 较常规放射治疗的照射野要小得多 ,一般直径为几 毫米或 3~ 4 cm之间。 这样选用常规电离室进行剂 量测量会有一定困难。 其原因主要为: ( 1)电离室位 于照射野中心轴 ,测量中心轴深度剂量和输出因子 , 缺乏测方向的电子平衡 ,使得具有一定几何尺寸的 探头 ,在测量时其中心到边缘即有明显的剂量变化 ; ( 2)测量照射野的离轴比时 ,由于小照射野内剂量梯 度较大 ,而常规电离室的空间分辨率较差。正是基于 这些考虑 ,通常对于剂量梯度较大的小照射野剂量 学参数的测量 ,特别要注意测量探测器的尺寸。
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上述立体定向放射治疗多采用小尺寸照射野。 其剂量参数与常规放射治疗所使用的较大尺寸照射 野的参数相比较 ,有着不尽相同的特点。
首先实际测量组织最大剂量比 ,在深度大于最 大剂量深度 dmax范围内 ,可用公式表示: T M R( d) = ex p( - μ( d- dmax ) )。 式中 μ为有效线性衰减参数 , 它依赖于射线能量和准直器的尺寸。 以 6 MV-X射 线的一组不同尺寸准直器的 T M R值为例 ,计算出 不同照射野的有效线性衰减系数 μ,并将此组数据 外推至零野的 μ值为 0. 0510~ 0. 0505 cm- 1 (如图 6 所示 )。 利用上述公式可很好拟合所测量的数据。
图 2 Lekshell γ刀示意图
Leksell γ刀装置有 4个盔形次级准直器系统 , 分别由 201个通道对放射源准直 ,可在焦点处形成 4、 8、 14、和 18 m m直径的照射野。如果需要 ,可以对 任意通道即放射源屏蔽。在治疗时 ,患者戴有定位框 架 ,进入盔形准直器系统 ,并使靶体积与焦点同位 , 由液压系统驱动治疗床进入 γ刀的辐射单元 ,盔形 准直器与初级准直器重合 ,位置精度可好于± 0. 1 m m,即可实施治疗。 由于 201个放射源是沿着 92° × 160°一个弧形面分布 ,并聚焦于一点 ,可保证对靶 体积从多方向聚焦照射 ,并具有很高的治疗精度。这 是 Leksell γ刀装置最主要的优点。
Fra Baidu bibliotek
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剂量分布计算和显示。 同时在设计时能提供野视图 ( BEV ) 等工具 , 可直观 地避开正 常组织 和敏感 器 官。 对于最终的剂量分布 ,可提供剂量评估工具 ,如 剂量 - 体积直方图 ( DV H)等评价剂量分布的优劣。 以及靶剂量的剂量参数。 在多靶点治疗和再程治疗 等计划设计时 ,要有能处理多计划的叠加和评估处 理功能。 第三 ,能完成特定患者三维座标系的建立 , 在各种治疗参数输出清单中给出靶中心 的三维座 标、照射野几何设置条件、剂量值、治疗时间 (或机器 单位 )等。 2 立体定向放射治疗的剂量学特点 2. 1 基本剂量学参数
根据美国医学物理学家学会 ( AAPM )的建议 , 无论是 γ刀装置还是 X 射线立体定向照射系统的 剂量参数的测量 ,要使用灵敏体积较小的探测器。具 体测量深度剂量 (包括 T M R) 和照射野输出因子 , 建议使用电离室探测器 ,并其灵敏体积直径≤ 3 mm。照射野的离轴比可使用胶片剂量计 ,半导体 , 闪烁探测器或热释光 ( T LD)及电离室等 ,其灵敏体 积直径≤ 2 m m。 胶片剂量计由于其空间分辨率较 高 ,可作为首选。使用半导体要注意其角度响应特性 (即入射方向 )的影响。 2. 2 剂量学参数的特点
收稿日期: 2004-02-16 作者简介: 张红志 ( 1948-) ,男 ,贵州兴义人 ,中 国医学科 学院肿瘤医院研究员 ,从事肿瘤放射治疗物理学研究 .
定向照射系统 )实施治疗。
F定位框架 ; P支撑系统 ; Z显像标记 ; C诊断设备 ; T治疗设备
图 1 立体定向照射示意图
从上面的分析可以看出 ,立体定向照射装置主 要有三部分组成 ,即治疗实施系统 ,立体定向系统和 计划系统。 Leksell γ刀装置和直线加速器立体定向 照射系统的主要区别是治疗实施的方式不同 ,而立 体定向系统和计划系统基本相同或相近。 1. 1 治疗实施系统 1. 1. 1 Leksel l γ刀装置 Leksell γ刀装置主要部 件是辐射单元 ,盔形准直器系统 ,治疗床 ,液压系统 和控制部分。 如图 2所示 ,辐射单元包括有 201颗 60 Co放射源 ,按半球形排列。中心源射线束中心轴与 水平线呈 55°,其余放射源沿治疗床长轴方向± 48°, 和沿治疗床横向± 80°分布。所有放射源射线束中心
由我国深圳奥沃公司研发的旋转式 γ刀装置 , 仅使用 30颗 60 Co放射源 ,分组排列 ,源旋转轴与垂 直平面交 角分别为 14°~ 43°, 空间立体角 为 30°× 360°,可实施多野旋转集束照射。 1. 1. 2 X射线立体定向照射系统 X射线立体定 向照射系统是以直线加速器为基础实现的。 如图 3 所示 ,在标准的直线加速器治疗头上增加第三级准 直器系统 ,通常为一组圆形准直器 ,可在等中心处形 成 5~ 50 m m的照射野。根据临床治疗的要求 ,可替 换不同大小的准直器。实施治疗时 ,通过变换治疗床 的旋转角度 ,实行多弧旋转照射。也可以采用动态立 体定向照射。即治疗时 ,治疗床和机架按照计划设计 的要求 ,同时旋转 ,并出束照射 (图 4)。 按照这种方 式 ,可以同样实现类似 γ刀装置那样的多方向小照 射野集束照射的效果。
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