立體定向適形放療的幾個重要技術(shù)問題

1、立體定向適形放療的幾個重要技術(shù)問題近年來國內(nèi)許多放療單位和部門都購置了必不可少的高質(zhì)量、高功能的三維立體定向適形放療設(shè)備（3D stereotactic conformal radiaiton therapy，3D SCRT），如中科院大恒醫(yī)療公司的STAR系列全身腫瘤立體定向適形放射治療系統(tǒng)。3D SCRT適應(yīng)對腫瘤放射治療的精確定位、精確設(shè)計和精確治療的總要求，使臨床放療技術(shù)有了質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)從腫瘤的臨床放療、放射物理、放射生物與計算機(jī)結(jié)合部的邊緣學(xué)科角度，結(jié)合3D SCRT的技術(shù)特點，探討幾個值得關(guān)注的問題。一、3D SCRT系統(tǒng)的組成及其學(xué)科技術(shù)綜合問題3D SCRT系統(tǒng)由立體定向（定位

2、）系統(tǒng)、治療計劃（軟件）系統(tǒng)、附加準(zhǔn)直器系統(tǒng)及輔助裝置等組成。按臨床應(yīng)用和治療技術(shù)特點分類為：顱內(nèi)X-刀（SRS/SRT）、適形照射系統(tǒng)（MLC，線束補(bǔ)償/調(diào)強(qiáng)板，DMLC）、三維常規(guī)外照射治療計劃系統(tǒng)（3D TPS）以及CT模擬定位系統(tǒng)（CT-Sim）等。其整體構(gòu)成全身腫瘤三維立體定向適形放射治療系統(tǒng)。3D SCRT系統(tǒng)是一項技術(shù)知識高度密集的臨床應(yīng)用系統(tǒng)，也是集腫瘤影像診斷、治療和計算機(jī)應(yīng)用為一體的高技術(shù)產(chǎn)品。在未來相當(dāng)一段時間里，它將成為放療技術(shù)發(fā)展的主流。它不僅綜合了影像學(xué)、放射腫瘤臨床、神經(jīng)外科、放射物理和生物等多個臨床應(yīng)用學(xué)科的內(nèi)容，而且綜合了計算機(jī)軟件與數(shù)學(xué)、像處理、自動控制、精

3、密儀器和直線加速器等多項工程技術(shù)學(xué)科。二、三維（3D）治療計劃問題1.CT/MRI影像數(shù)字化傳輸和格式轉(zhuǎn)換誤差：患者的CT/MRI影像數(shù)據(jù)需要傳輸或轉(zhuǎn)換到立體放療工作站當(dāng)中才能設(shè)計治療計劃，但落后的處理方式會導(dǎo)致計劃精度的降低。CT/MRI顯示的是數(shù)字化像，應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)/光盤/磁帶方式進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)字，即數(shù)字化11無誤差傳輸。但如把CT/MRI影像拍成膠片，再由掃描儀將膠片掃入X-刀工作站，則產(chǎn)生不容忽視的數(shù)字模擬數(shù)字的像傳輸和轉(zhuǎn)換誤差。此外用掃描儀輸入多層（通常40層左右）CT像時，手工對中（centering alignment）會造成CT層面交錯扭曲，重建后存在較明顯臺階狀表面。按常用的像掃描

4、條件（512512）評估，一個像素尺寸（pixel）約0.751.0 mm左右，而由掃描輸入引起的綜合誤差會累計達(dá)1.52.0 mm，多層對中造成的錯移現(xiàn)象使誤差在原有量級上還會增大?？紤]到系統(tǒng)還有計劃、擺位等多種誤差因素的影響累積，因此我們建議，做X-刀時不宜用掃描儀輸入患者像，而應(yīng)直接通過數(shù)字化11方式傳輸，這樣才能既保證CT/MRI像準(zhǔn)確、不失真，又省時省力。2.CT/MRI定位掃描時存在的非平行掃描誤差及其像質(zhì)量的解析校驗：CT/MRI機(jī)器在醫(yī)院使用幾年后會出現(xiàn)一些機(jī)械磨損、床端面下沉、掃描孔機(jī)架校準(zhǔn)不歸零等精度偏差。加上頭或體部定位儀或框架的置放或多或少存在不完全水平或垂直的現(xiàn)象，這

5、些都會使掃描成像發(fā)生非平行性掃描偏差，即像傾斜（tilt）、旋轉(zhuǎn)（rotation）等現(xiàn)象，最終影響像及靶點坐標(biāo)的準(zhǔn)確度。由于X-刀系統(tǒng)誤差量級為mm級，因此非常有必要對像傾斜和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計算糾正。如忽視此問題，將至少有12 mm甚至還要多的偏差。3.靶區(qū)邊界定義的準(zhǔn)確性問題CT/MRI像融合（Fusion）技術(shù)：靶區(qū)邊界定義的準(zhǔn)確性與否對于腫瘤治療成敗至關(guān)重要。由于有些腫瘤在像上不能清晰顯現(xiàn)靶區(qū)輪廓，一旦醫(yī)生不能正確地勾畫視見靶區(qū)（GTV）和臨床靶區(qū)（CTV），必將誤導(dǎo)物理人員設(shè)計錯誤的計劃靶區(qū)（PTV），由此為腫瘤治療埋下隱患。CT/MRI像融合技術(shù)可使此問題迎刃而解。按可比性和一致性原

6、則，把MRI像中靶區(qū)重疊映射到CT像上顯示，這樣可極大地改善靶區(qū)勾畫的可靠性，為提高腫瘤放療控制率提供了保障。4.逆向設(shè)計(inverse planning)及其局限性：逆向設(shè)計與常規(guī)正向設(shè)計思路相反。從放射物理和計算數(shù)學(xué)角度考慮，逆向設(shè)計就是根據(jù)醫(yī)生所確定的目標(biāo)劑量分布要求（如設(shè)定靶邊緣劑量分布要求，相鄰危險器官保護(hù)劑量要求等），通過數(shù)學(xué)方法(如迭代法、模擬退火法等)，推導(dǎo)出一個可執(zhí)行的實際照射方案，并使目標(biāo)劑量分布與實際照射劑量分布的偏差趨于零。也就是說通過逆向優(yōu)化計算，得出最接近目標(biāo)劑量分布函數(shù)的實際計劃方案（包括射野參數(shù)、權(quán)重、野形狀尺寸、MU等）。的確，逆向設(shè)計有許多便利性，而且對某

7、些凹嵌形狀的腫瘤也只有采用逆向設(shè)計的調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板或動態(tài)葉片變更組合調(diào)強(qiáng)放療才能達(dá)到目的。但它也存在局限性，如果限制條件苛刻，或者對目標(biāo)函數(shù)的提法不正確、要求不盡合理，則會導(dǎo)致計算時間冗長或拒絕計算。更最重要的是由于在殺死腫瘤和保護(hù)正常組織、危及器官之間始終存在著一種合理的、科學(xué)的、甚至是帶有某種經(jīng)驗折中的選擇。因此從計算數(shù)學(xué)來考慮，計算機(jī)不可能每次都給出唯一的最優(yōu)解。由于限制條件選擇不當(dāng)和其計算數(shù)學(xué)模型上的局限性，會經(jīng)常出現(xiàn)逆向設(shè)計的方案還不如正向設(shè)計的結(jié)果好。這都是因為專家?guī)资陙矸e累的和不斷發(fā)展的經(jīng)驗和知識本身就是一種優(yōu)化方式。逆向設(shè)計只是一種可供選擇的優(yōu)化工具，使用時應(yīng)很慎重。實踐表明，正

8、向設(shè)計和逆向設(shè)計結(jié)合起來使用最好。三、調(diào)強(qiáng)放療及有關(guān)的誤差問題調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）是新世紀(jì)之交放療技術(shù)發(fā)展的一個熱點。對于相對固定的瘤區(qū)，目前已研制的方法主要有：適形多野+ 調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板（dose compensator/modulator）；適形多野+動態(tài)葉片變更組合（nomos模式或sliding window移動窗）。調(diào)強(qiáng)方法、各具特點，都是在逆向設(shè)計前提下實現(xiàn)的一種調(diào)強(qiáng)適形放射治療方法。方法為每個射野提供一個調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板，然后對該射野進(jìn)行一次性調(diào)強(qiáng)照射；而方法則需將每個射野做離散化處理，分解成若干小窗，每個小窗最小分辨率為治療機(jī)等中心葉片的投影寬度（如1 cm或稍?。?，相鄰小窗之間通過分批

9、筆形束（pencil beam）或單個筆形束進(jìn)行射束強(qiáng)度調(diào)整照射或移動窗方式照射。由于直線加速器出束是連續(xù)均勻的，因而靶區(qū)線束調(diào)整最好也是連續(xù)變化的，不要出現(xiàn)間斷或跳躍。但對于動態(tài)葉片變更組合或移動窗的調(diào)強(qiáng)方式來說，由于每個射野被離散分割，葉片步進(jìn)運動控制會存在位移偏差(至少一個像像素)，加上異步與漏射等原因，最終難免造成相鄰小窗射束之間的重疊照射，引起實際照射過程中靶區(qū)劑量的不均勻性。Nomos公司自身研究也證實其重疊照射位移偏差1 mm時會引起至少7%12%的劑量梯度變化。鑒于DMLC適形照野內(nèi)相鄰小窗之間的射束重疊，導(dǎo)致劑量不均勻性的現(xiàn)象不容忽視，計算數(shù)學(xué)專家和放射物理學(xué)專家強(qiáng)調(diào)，擬購置

10、并開展DMLC調(diào)強(qiáng)照射的用戶需認(rèn)真考慮這種不均勻性劑量偏差幅度及應(yīng)采取的驗證手段。又因國外IMRT系統(tǒng)配置造價還比較昂貴，從國情財力、可操作性和功能價格比來考慮，國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院放療部門（85%以上）采用MLC+調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板實現(xiàn)射野內(nèi)一次調(diào)強(qiáng)照射的方案更為經(jīng)濟(jì)可行。MLC+IMRT適形調(diào)強(qiáng)板技術(shù)已不再是傳統(tǒng)的open野+compensator的補(bǔ)償方式，而是在高級3D TPS系統(tǒng)和逆向優(yōu)化情形下實現(xiàn)的一種先進(jìn)而實用的多野適形調(diào)強(qiáng)方式。國外(如美國NCI、德國癌癥研究中心)已經(jīng)做了關(guān)于調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板和通過動態(tài)葉片變更組合的調(diào)強(qiáng)對比研究，認(rèn)為在其他條件(如加速器型號、X線能量、MLC各野邊界形狀、治療床角

11、、機(jī)架角等)相同的情況下，其計劃所達(dá)到的劑量分布基本一致。移動窗的調(diào)強(qiáng)方法花費較高，每次做之前需用EPIDS電子射野影像驗證系統(tǒng)進(jìn)行校驗，很繁瑣。而調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板方法實用可靠，費用低。原先認(rèn)為的調(diào)強(qiáng)補(bǔ)償板制作時間較長，但現(xiàn)在利用先進(jìn)的高速形工作站以及激光等數(shù)控自動切割成形術(shù)，只需幾分鐘即可完成。四、三維立體照射計劃系統(tǒng)的生物學(xué)問題目前臨床上所使用的三維照射計劃系統(tǒng)，主要是根據(jù)物理學(xué)和數(shù)學(xué)原理編程的，尚未涉及生物體的特點及要求。由于放射治療的對象是生物體（即腫瘤和正常組織），因此在確定治療方案和設(shè)定照射劑量時必須考慮生物體的不同器官、組織、細(xì)胞對放射線反應(yīng)的差異性，即必須根據(jù)生物效應(yīng)設(shè)定合適的照射劑量及間隔時間，使生物劑量和物理劑量合理統(tǒng)一于最終有效治療腫瘤的目的。目前由于探索等效生物劑量（BED）的工作落后于臨床要求，致使在適形放療中應(yīng)用L-Q公式進(jìn)行BED換算時存在著很大程度的盲目性。例如：/比值的代入，同一種腫瘤，不同醫(yī)生、不同單位代入的值各不相同；有的單位在/基本表達(dá)式的基礎(chǔ)上添加了損傷修復(fù)修正項，而相關(guān)數(shù)據(jù)多出自動物實驗，與臨床實際有一定差異；L-Q基本表達(dá)式?jīng)]能夠反映出X-刀和適形照射做BED轉(zhuǎn)換時，分次間隔不同引起的生物效應(yīng)差異。對此，我們擬采用直接或間接方法確定不同類型腫