TOMOTHERAPY螺旋断层放射治疗的现状与应用前景

尚进，李东

沈阳军区总医院 放射治疗科，辽宁沈阳 110015

随着计算机技术的飞速发展，放射治疗已经迎来了断层治疗时代。断层治疗字面上的意识就是分层治疗，是来源于断层成像的术语，它把精确的CT扫描机和放疗设备结合在一起，能在有选择性照射肿瘤组织的同时保护正常的功能性器官。与传统的放疗技术在几个不同的方向上向肿瘤组织照射几条射束不同，断层治疗使射线束围绕病人旋转，因此理论上允许从任何角度连续照射病人[1]。实际上，断层治疗的先进性在于，在旋转过程中每旋转一圈有51个弧形子野，并且有64片二元气动多叶光栅（MLC）。光栅叶片可以在20ms内关闭或者打开扇形宽度方向上的射束，其移动速度相当于250cm/s。每个治疗点都会被旋转的扇形束重叠照射2～5次，大概可以照射100～250个子束流，并且子束流可以分为0～100的不同强度水平。它所能实现的对射线的调制能力也是传统MLC的100倍以上，每次治疗都会用到几万个子束流，因此肿瘤组织能被更精确的照射，肿瘤周围的正常组织能得到更低的照射剂量，尤其在靶区附近的正常组织需要避开时仍能非常好的维持靶区剂量的均匀性。

1 国内、外断层治疗的现状和发展

目前，所提及的断层放射治疗指的是CT引导的螺旋断层调强放射治疗，它将直线加速器和螺旋CT整合起来，使治疗计划、患者摆位和治疗过程融为一体。该技术实现了在治疗中以CT为基础的摆位，能对病人的体位误差做到实时修正，而该项技术正是放疗界的热门话题图像引导放疗（IGRT）的核心内容。与以往放射治疗不同的是，它用调强的扇形射线束，以螺旋旋转的方式以360°对肿瘤进行照射。断层放射治疗系统旋转的机头装置类似于CT的环形机头，装有6MV直线加速器和影像引导CT探测器。直线加速器产生单一能量的6MV治疗X线和3MV影像引导X线，治疗剂量率达到850cGy/min，远远大于传统的加速器输出剂量率，同时配有气动MLC。首先是用螺旋KVCT获取患者治疗体位的CT图像，由治疗计划系统进行逆向治疗计划设计。直线加速器则同CT一样进行旋转式治疗，同时，MLC也在工作，治疗床自动向头侧移动以达到调强放射治疗目的。另外，治疗过程中穿过患者的射线可被CT探测器收集，通过反向投射计算，可以得出患者实际接受到的剂量分布，以便在下次治疗时对剂量做出调整。

目前，临床应用的断层治疗设备主要是Wisconsin大学Madison医院开发的断层治疗技术，这种形式的断层治疗把调强放疗和精确的断层成像技术紧密结合在一起，把CT和逆向调强放疗（IMRT）整合在一个一体化的设备中，使断层治疗从计划、验证到实施都在一个封闭的循环内进行。

在适形治疗中，高剂量区经常出现在医生不希望出现的区域，有时甚至是要保护的器官内，而且病人的定位和验证起到重要作用，著名放疗专家Purdy，已经指出了目前IMRT技术的质量保证和安全的重要性方面的不足[2]，就是说无法控制肿瘤靶区的移动以及照射过程中的实时图像跟踪，因此，肿瘤学家和物理学家正致力于此方面的研究，螺旋断层治疗可以在很大程度上克服上述问题。

对于断层治疗，首先要有一台产生MV级的可以形成调强束的设备，并且带外部探测器，能产生MV级的CT图像，这就为断层治疗的实施及验证提供了必要的硬件设施。

治疗期间，病人在加速器每旋转一圈后被标定（连续治疗），或者通过床的移动来传送病人（螺旋治疗），而螺旋束治疗对获得靶区均匀的剂量分布是非常优秀的。断层治疗不使用大野，相反射野被限定为扇形束。Mackie等对断层治疗研究说明，断层治疗不一定需要多能级射线，6～10MV的单能射束就能满足要求。低于6MV每个入射电子的输出太低，而能量高于10MV中子污染太大，并且侧向电子范围也大。射束强度的调制使用一个实时调制MLC，该MLC是该医院自主开发的，NOMOS公司许可该技术应用于连续地顺序治疗[3]。该MLC由一系列的叶片组成，治疗期间这些叶片在开关两个位置之间运动，这样就可以根据治疗计划，通过MLC执行照射治疗的过程。

1.1 断层治疗的过程概述

1.1.1 预处理

在预处理阶段，病人经医生确认病情及病变部位后进行CT扫描获得一系列的医学图像，用来进行3-D剂量计算，医生确定靶区和正常组织，也包括确定送到优化设备的处方。在该阶段，逆向计划系统得出最优的治疗计划，能量的实施模式也要进行计算[4]。有了这些具体的数据才可以进行下面的实时处理。

1.1.2 实时处理

本处理过程中，每天早晨必须对机器的进行日检，验证各项读数是否正确，这项工作使用带有机械和剂量控制的特殊体模来做。当病人进行首次治疗时，一定要进行CT扫描，确保治疗时病人定位的准确，此时基准点的标记也要做，这些标记将是病人后续治疗的第一步。之后要进行螺旋厚扫获得投影图像或者受量图，来预测病人位置是否正确，该扫描的图像对照计划过程中的登记图像，作为后续治疗的参考。每次治疗都要进行螺旋扫描，数据由探测器记录和登记的参考位置做比较，来确定病人的平面和旋转偏移。一旦病人相对参考位置的偏移确定之后，可以采用两种正确的方法：① 重复病人的床上摆位；② 按照病人的偏移实施修正程序。注意该步骤不必重新优化，这一点很重要，因为重新优化要耗费相当多的时间，而修正程序只花费几秒钟[5]。

病人在治疗的前后及治疗期间都要进行CT扫描，这些数据用来验证病人的位置，而且对于进行剂量重建也是必要的。同时，每个病人每星期要进行一次典型的CT扫描，紧接着要进行的是实施验证，实施验证计算病人的真实受量，通过比较肿瘤所受剂量和计划的给与剂量，来分析照射的具体实施过程。实施验证也可以在检测到错误发生时使机器停止，病人的真实受量通过这种方法获得，它是进行剂量重建的输入数据，实施验证的最后步骤是治疗的实施。所有上面提及的过程将发送到机器的控制和同步系统，在该过程中机架、探测器、MLC和床要控制同步。每个设备和机器的每个过程都要进行相关的验证，并发送信息给安全系统，安全系统验证剂量多少，必要时该系统可以切断机器。上面描述的每个过程，所有的信息都被探测器收集，这些信息提供给后面的处理过程[6]。

1.1.3 后处理

后处理过程的开始于实时处理阶段所收集的信号，在该过程中，机器产生和重新获得的信息将被在其他任务中分析使用，验证和校准的日检工作也要做。确定病人的偏移后，决定是重新给病人定位还是进行实施修正（对于操作者这一点在实时处理阶段就可以呈现），然后病人的扫描成像也可以进行重建。

使用治疗前后及治疗期间获得的图像和真实的照射剂量，病人所受的确切剂量被计算出来，并和治疗计划的进行比较。如果必要，在下次治疗前，治疗可以被修正，应用这样的方法，一次接一次的自适应放疗就可以进行。而且医生还可以分析确切的治疗实施，在这些过程的每一步后，下一次治疗前要确定一些修正。

1.2 实施治疗

以前关于优化的讨论都是独立的射野照射技术，然而轴向或螺旋束照射是断层治疗中的观点，因为这里涉及病人潜在的剂量冷点和热点，轴向和螺旋治疗的主要区别在于，如果不能非常精确的指示病人位置（精确度要达到0.2mm），轴向束照射的连接处就存在问题。

通过应用断层治疗操作平台，对两种治疗技术进行了比较，治疗平台通过安装一台Orion直线加速器来构成，照射的中轴平行于水平线。一种商品化的MLC可以随时连接到加速器的治疗头上，为了模拟机架的旋转和病人的运动，应用一种计算机控制的定位设备，该设备可以把体模定位在精确的位置，体模、MLC和加速器由计算机来控制同步。可以做一个简单的实验，通过在均一的水模内放入一个验证片来分析精确引导病人的重要性。未经调制的狭缝射束被定向，以便它的长轴和圆筒的照射方向平行。胶片的中心放于断层治疗平台的等中心，中间的12对叶片打开，12对叶片在等中心处的投影是107.8mm。体模和胶片在连续照射期间旋转360°，每次旋转后照射停止，体模胶片做平移，要重复12次连续照射。因为胶片获得的剂量是在整个平面上，所以能确定体模受到的总剂量，而且射束强度是均一的，之后对胶片数字化（像素＝0.4mm），并且用校准胶片把数据转换成剂量[7]。

螺旋治疗不仅大大地减少了连接问题，它也可以改善长轴方向（平行于螺旋轴）的剂量强度。这可以实现是因为，螺旋束照射可以设置不同的螺距值，螺距的定义是机架每旋转一圈床的位移和层厚的比值，一个螺距就表示床的位移等于一个层厚，0.5个螺距就表示每次旋转床位移是一个层厚的一半[8]。

1.3 其他医院应用的断层治疗

目前，螺旋断层治疗是世界上最新和最先进的放疗设备，在美国，Thompson肿瘤治疗中心和Madison医院及几个主要的肿瘤中心是应用该技术的先锋，而且Thompson肿瘤治疗中心把该设备应用于临床，并治疗了第一个病人。第一例应用断层治疗的前列腺、乳腺、肺、头颈部、脊髓、小儿疾病和立体定向外科的病人都是在该医院完成的，Thompson肿瘤治疗中心应用螺旋断层设备及CT图像引导治疗的病人数量在世界上是最多的。在此之后，奥兰多M.D.Anderson癌症中心、弗吉尼亚大学健康中心、美国癌症治疗中心、加拿大伦敦区癌症中心、Johns Hopkins放射核医学科、UAB健康中心等北美著名医疗机构都相继应用断层治疗技术[9]。

从2003年7月Thompson肿瘤治疗中心开始治疗第1例患者，截止到2011年8月，在全世界已有近400台断层放射治疗机投入临床使用。在国内，解放军总医院于2007年9月率先引进以来，现国内总计有9台应用于临床。

2 断层治疗的前景

断层放射治疗是CT引导的螺旋式旋转的调强放射治疗，它能够治疗不同的靶区，从立体定向治疗小的肿瘤到全身治疗，均由单一的螺旋射线束完成。通过治疗前兆伏CT与计划比较一个连续的照射野，实时调整患者的治疗体位，最大限度地保证治疗体位和计划体位的重复一致性。通过每次治疗所得的兆伏CT图像，可以观察到肿瘤剂量分布及在治疗过程中肿瘤的变化，及时调整治疗计划中的靶体积。

总之，断层放射治疗可提供高度精确的调强放射治疗和实时的位置、剂量验证，是影像引导放射治疗的典范。它为放射治疗医师开辟了一个新的治疗平台，在调强放射治疗发展史上占有重要地位。

[1]朱庙生.影像技术与放疗设备结合[N].中国医学论坛报,2004-4:B8.

[2]胡逸民.肿瘤放射物理学[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.