TOMOTHERAPY螺旋斷層放射治療的現狀與應用前景

尚進，李東

沈陽軍區總醫院 放射治療科，遼寧沈陽 110015

隨著計算機技術的飛速發展，放射治療已經迎來了斷層治療時代。斷層治療字面上的意識就是分層治療，是來源于斷層成像的術語，它把精確的CT掃描機和放療設備結合在一起，能在有選擇性照射腫瘤組織的同時保護正常的功能性器官。與傳統的放療技術在幾個不同的方向上向腫瘤組織照射幾條射束不同，斷層治療使射線束圍繞病人旋轉，因此理論上允許從任何角度連續照射病人[1]。實際上，斷層治療的先進性在于，在旋轉過程中每旋轉一圈有51個弧形子野，并且有64片二元氣動多葉光柵（MLC）。光柵葉片可以在20ms內關閉或者打開扇形寬度方向上的射束，其移動速度相當于250cm/s。每個治療點都會被旋轉的扇形束重疊照射2～5次，大概可以照射100～250個子束流，并且子束流可以分為0～100的不同強度水平。它所能實現的對射線的調制能力也是傳統MLC的100倍以上，每次治療都會用到幾萬個子束流，因此腫瘤組織能被更精確的照射，腫瘤周圍的正常組織能得到更低的照射劑量，尤其在靶區附近的正常組織需要避開時仍能非常好的維持靶區劑量的均勻性。

1 國內、外斷層治療的現狀和發展

目前，所提及的斷層放射治療指的是CT引導的螺旋斷層調強放射治療，它將直線加速器和螺旋CT整合起來，使治療計劃、患者擺位和治療過程融為一體。該技術實現了在治療中以CT為基礎的擺位，能對病人的體位誤差做到實時修正，而該項技術正是放療界的熱門話題圖像引導放療（IGRT）的核心內容。與以往放射治療不同的是，它用調強的扇形射線束，以螺旋旋轉的方式以360°對腫瘤進行照射。斷層放射治療系統旋轉的機頭裝置類似于CT的環形機頭，裝有6MV直線加速器和影像引導CT探測器。直線加速器產生單一能量的6MV治療X線和3MV影像引導X線，治療劑量率達到850cGy/min，遠遠大于傳統的加速器輸出劑量率，同時配有氣動MLC。首先是用螺旋KVCT獲取患者治療體位的CT圖像，由治療計劃系統進行逆向治療計劃設計。直線加速器則同CT一樣進行旋轉式治療，同時，MLC也在工作，治療床自動向頭側移動以達到調強放射治療目的。另外，治療過程中穿過患者的射線可被CT探測器收集，通過反向投射計算，可以得出患者實際接受到的劑量分布，以便在下次治療時對劑量做出調整。

目前，臨床應用的斷層治療設備主要是Wisconsin大學Madison醫院開發的斷層治療技術，這種形式的斷層治療把調強放療和精確的斷層成像技術緊密結合在一起，把CT和逆向調強放療（IMRT）整合在一個一體化的設備中，使斷層治療從計劃、驗證到實施都在一個封閉的循環內進行。

在適形治療中，高劑量區經常出現在醫生不希望出現的區域，有時甚至是要保護的器官內，而且病人的定位和驗證起到重要作用，著名放療專家Purdy，已經指出了目前IMRT技術的質量保證和安全的重要性方面的不足[2]，就是說無法控制腫瘤靶區的移動以及照射過程中的實時圖像跟蹤，因此，腫瘤學家和物理學家正致力于此方面的研究，螺旋斷層治療可以在很大程度上克服上述問題。

對于斷層治療，首先要有一臺產生MV級的可以形成調強束的設備，并且帶外部探測器，能產生MV級的CT圖像，這就為斷層治療的實施及驗證提供了必要的硬件設施。

治療期間，病人在加速器每旋轉一圈后被標定（連續治療），或者通過床的移動來傳送病人（螺旋治療），而螺旋束治療對獲得靶區均勻的劑量分布是非常優秀的。斷層治療不使用大野，相反射野被限定為扇形束。Mackie等對斷層治療研究說明，斷層治療不一定需要多能級射線，6～10MV的單能射束就能滿足要求。低于6MV每個入射電子的輸出太低，而能量高于10MV中子污染太大，并且側向電子范圍也大。射束強度的調制使用一個實時調制MLC，該MLC是該醫院自主開發的，NOMOS公司許可該技術應用于連續地順序治療[3]。該MLC由一系列的葉片組成，治療期間這些葉片在開關兩個位置之間運動，這樣就可以根據治療計劃，通過MLC執行照射治療的過程。

1.1 斷層治療的過程概述

1.1.1 預處理

在預處理階段，病人經醫生確認病情及病變部位后進行CT掃描獲得一系列的醫學圖像，用來進行3-D劑量計算，醫生確定靶區和正常組織，也包括確定送到優化設備的處方。在該階段，逆向計劃系統得出最優的治療計劃，能量的實施模式也要進行計算[4]。有了這些具體的數據才可以進行下面的實時處理。

1.1.2 實時處理

本處理過程中，每天早晨必須對機器的進行日檢，驗證各項讀數是否正確，這項工作使用帶有機械和劑量控制的特殊體模來做。當病人進行首次治療時，一定要進行CT掃描，確保治療時病人定位的準確，此時基準點的標記也要做，這些標記將是病人后續治療的第一步。之后要進行螺旋厚掃獲得投影圖像或者受量圖，來預測病人位置是否正確，該掃描的圖像對照計劃過程中的登記圖像，作為后續治療的參考。每次治療都要進行螺旋掃描，數據由探測器記錄和登記的參考位置做比較，來確定病人的平面和旋轉偏移。一旦病人相對參考位置的偏移確定之后，可以采用兩種正確的方法：① 重復病人的床上擺位；② 按照病人的偏移實施修正程序。注意該步驟不必重新優化，這一點很重要，因為重新優化要耗費相當多的時間，而修正程序只花費幾秒鐘[5]。

病人在治療的前后及治療期間都要進行CT掃描，這些數據用來驗證病人的位置，而且對于進行劑量重建也是必要的。同時，每個病人每星期要進行一次典型的CT掃描，緊接著要進行的是實施驗證，實施驗證計算病人的真實受量，通過比較腫瘤所受劑量和計劃的給與劑量，來分析照射的具體實施過程。實施驗證也可以在檢測到錯誤發生時使機器停止，病人的真實受量通過這種方法獲得，它是進行劑量重建的輸入數據，實施驗證的最后步驟是治療的實施。所有上面提及的過程將發送到機器的控制和同步系統，在該過程中機架、探測器、MLC和床要控制同步。每個設備和機器的每個過程都要進行相關的驗證，并發送信息給安全系統，安全系統驗證劑量多少，必要時該系統可以切斷機器。上面描述的每個過程，所有的信息都被探測器收集，這些信息提供給后面的處理過程[6]。

1.1.3 后處理

后處理過程的開始于實時處理階段所收集的信號，在該過程中，機器產生和重新獲得的信息將被在其他任務中分析使用，驗證和校準的日檢工作也要做。確定病人的偏移后，決定是重新給病人定位還是進行實施修正（對于操作者這一點在實時處理階段就可以呈現），然后病人的掃描成像也可以進行重建。

使用治療前后及治療期間獲得的圖像和真實的照射劑量，病人所受的確切劑量被計算出來，并和治療計劃的進行比較。如果必要，在下次治療前，治療可以被修正，應用這樣的方法，一次接一次的自適應放療就可以進行。而且醫生還可以分析確切的治療實施，在這些過程的每一步后，下一次治療前要確定一些修正。

1.2 實施治療

以前關于優化的討論都是獨立的射野照射技術，然而軸向或螺旋束照射是斷層治療中的觀點，因為這里涉及病人潛在的劑量冷點和熱點，軸向和螺旋治療的主要區別在于，如果不能非常精確的指示病人位置（精確度要達到0.2mm），軸向束照射的連接處就存在問題。

通過應用斷層治療操作平臺，對兩種治療技術進行了比較，治療平臺通過安裝一臺Orion直線加速器來構成，照射的中軸平行于水平線。一種商品化的MLC可以隨時連接到加速器的治療頭上，為了模擬機架的旋轉和病人的運動，應用一種計算機控制的定位設備，該設備可以把體模定位在精確的位置，體模、MLC和加速器由計算機來控制同步。可以做一個簡單的實驗，通過在均一的水模內放入一個驗證片來分析精確引導病人的重要性。未經調制的狹縫射束被定向，以便它的長軸和圓筒的照射方向平行。膠片的中心放于斷層治療平臺的等中心，中間的12對葉片打開，12對葉片在等中心處的投影是107.8mm。體模和膠片在連續照射期間旋轉360°，每次旋轉后照射停止，體模膠片做平移，要重復12次連續照射。因為膠片獲得的劑量是在整個平面上，所以能確定體模受到的總劑量，而且射束強度是均一的，之后對膠片數字化（像素＝0.4mm），并且用校準膠片把數據轉換成劑量[7]。

螺旋治療不僅大大地減少了連接問題，它也可以改善長軸方向（平行于螺旋軸）的劑量強度。這可以實現是因為，螺旋束照射可以設置不同的螺距值，螺距的定義是機架每旋轉一圈床的位移和層厚的比值，一個螺距就表示床的位移等于一個層厚，0.5個螺距就表示每次旋轉床位移是一個層厚的一半[8]。

1.3 其他醫院應用的斷層治療

目前，螺旋斷層治療是世界上最新和最先進的放療設備，在美國，Thompson腫瘤治療中心和Madison醫院及幾個主要的腫瘤中心是應用該技術的先鋒，而且Thompson腫瘤治療中心把該設備應用于臨床，并治療了第一個病人。第一例應用斷層治療的前列腺、乳腺、肺、頭頸部、脊髓、小兒疾病和立體定向外科的病人都是在該醫院完成的，Thompson腫瘤治療中心應用螺旋斷層設備及CT圖像引導治療的病人數量在世界上是最多的。在此之后，奧蘭多M.D.Anderson癌癥中心、弗吉尼亞大學健康中心、美國癌癥治療中心、加拿大倫敦區癌癥中心、Johns Hopkins放射核醫學科、UAB健康中心等北美著名醫療機構都相繼應用斷層治療技術[9]。

從2003年7月Thompson腫瘤治療中心開始治療第1例患者，截止到2011年8月，在全世界已有近400臺斷層放射治療機投入臨床使用。在國內，解放軍總醫院于2007年9月率先引進以來，現國內總計有9臺應用于臨床。

2 斷層治療的前景

斷層放射治療是CT引導的螺旋式旋轉的調強放射治療，它能夠治療不同的靶區，從立體定向治療小的腫瘤到全身治療，均由單一的螺旋射線束完成。通過治療前兆伏CT與計劃比較一個連續的照射野，實時調整患者的治療體位，最大限度地保證治療體位和計劃體位的重復一致性。通過每次治療所得的兆伏CT圖像，可以觀察到腫瘤劑量分布及在治療過程中腫瘤的變化，及時調整治療計劃中的靶體積。

總之，斷層放射治療可提供高度精確的調強放射治療和實時的位置、劑量驗證，是影像引導放射治療的典范。它為放射治療醫師開辟了一個新的治療平臺，在調強放射治療發展史上占有重要地位。

[1]朱廟生.影像技術與放療設備結合[N].中國醫學論壇報,2004-4:B8.

[2]胡逸民.腫瘤放射物理學[M].北京:原子能出版社,2002.

[3]J Frank Wilson.The Tomotherapy Hi-Art System[J].Med Phy,2004,(24):1465-1476.

[4]Jake Van Dyk,Tomas Kron,Glenn Bauman,et al.Tomotherapy:A "revolution" in radiation therapy[J].Physics in Canada,2002,58:79-86.

[5]Craig Lewis, Tomas Kron, Jeff Chen,et al.Helical tomotherapy or IMRT to boost a 'suboptimal' prostate brachytherapy implant:a feasibility study[J].Med Phys.29 (2002) 1941 (abstract of a works in progress paper presented at the 44st Annual Meeting of the American Association of Physicists in Medicine,Montreal,July 2002).

[6]Tomas Kron,Jeff Chen,Eugene Wong,et al,Edward Yu and Jerry Battista.Initial Experience with Tomotherapy Treatment Planning in London,Ontario[J].Radiother.Oncol.64(2002) S78(abstract of a paper presented at the ESTRO annual meeting in Prague, September 2002).

[7]Tomas Kron,Jeff Chen,David Grant,et al.Lung sparing in chest wall radiotherapy using 3D conformal RT,IMRT,IMAT and helical tomotherapy: A planning comparison[J].Radiother.Oncol.65 (2002) S17-18 (abstract of a paper presented at the Meeting of the Canadian Association of Radiation Oncologists,Toronto, October 2002).

[8]Eugene Wong,Jeff Chen,J Greenland.Intensity modulated arc therapy simplified[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys 2002;53(1):222-235.

[9]B Kelly,Kevin Jordan,Jerry Battista.Optical CT reconstruction of 3D dose distributions using the ferrous-benzoic-xylenol (FBX)gel dosimeter[J].Med Phys,1998,25(9):1741-1750.