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        醫用電子加速器技術隨放療技術的發展

        LA技師 2021-10-07 13:38:19

        原文:田新智.醫用加速器技術隨放療技術的發展及我們的應對策略[TH].第八屆全國醫用加速器學術交流會論文集,2009

        鏈接:http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-YZZZ200908001008.htm


        醫用加速器是一種集了多種代科學于一身的放射治裝置,其技在不的發展,幾乎每兩三年就有一種新型號品種世。從技角度看,放射治的要求是于所提供的量特性的要求,可以分基本要求和精要求兩類,滿足基本要求就可用于床治,而滿足精要求是了使治更加精和方便。


        ????基本要求包括:

        射類型(由一的XX+電子發展)、射能量(由低能機向中高能機發展)、量率(量率由原的大于100cGy/min向400cGy/min甚至向600cGy/min發展)、射野面(由30cm×30cm向40cm×40cm發展)、射野均整度的調節(不同能量射的切換導致均整塊的切)、射對稱性的改等。


        ????要求包括如下:

        射野形調節、楔形量分布的自動生、弧形量分布的生、原體量分布的生等等。

        ?

        樣就致了醫用加速器基本上向兩個方向發展的趨勢,即射能量的高能化和技術應用的功能化。

        ?

        一、??? 醫用電子加速器的射能量從低能向中高能機的方向發展

        ?

        由于放醫生在作放療計劃的候特別關心的是射射深度特性,直接致了X能量向中高能方向發展。而加速器射能量自6MV向14MV甚至20MV發展以,目前在中國國中高能機的普及速度也很快。

        ?

        中高能機與低能機相比,在加速器能量層級醫生提供的治手段上均有的不同。低能機只能提供能的X4MV或6MV),而中高能機不能夠提供一到兩X,能提供不同能量次的電子。目前市面上一般把只能提供一X的機稱為單光子,能夠提供兩X的機器稱為雙光子,以此類推三光子、多光子等等。

        ?

        發展中高能機的根本目的不在于X射能量的提高,而在于電子床上的用需求。于電子而言,低能的6MV加速器,原上也能引出6MeV的電子,但是6MeV電子床上基本上有什么意義,中高能機的發展,使得電子的能量提高到大于10MeV,從而具有醫學用價值,應該說,才是中高能機的真正意義所在。

        ?

        要在一臺設備上實能量射的切,方法有:


        1、?改變加速管電子流強

        2、?改變微波源功率

        ? ? ? ? ? ? ?但樣就涉及到AFC電路的跟蹤以及射的變化。

        ? ? ? ?3、?使RF源率失或部分加速腔失。但種方法會使系統的定性變差。

        ?

        了解決問題,發展了能量開關,它首先在Varian的機器上得到用。

        ?

        所以,在國設備上實X加電子并不,困的是如何在有能量開關或能量開關不成熟的情況下實X加多電子并保持設備的定運行,于聚束段短的波加速管更是如此。

        ?

        二、??? 從常IMRT發展推動醫用加速器技術應用的多樣化

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        幸運的是,隨著算機硬件和影像技的發展,提供了另外一個舞臺。個舞臺也告,發展中高能加速器并非必然!

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        近十年,隨著放射物理學、放射生物學、瘤學和醫學影像學的發展,放射治術領域發生了巨大的變革。以三精”(精確定位、精確劃、精確治特征的高能X新的放射治-精確放射治得到了極大的發展,它包括以下幾個發展段:

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        1)?立體定向放射外科技SRS,主要包括X刀、γ刀和射波刀)

        2)?立體定向放射治SRT)技

        ? ?3) 三適形放射治3DCRT)技

        ? ?4調強放射治IMRT)技

        ?

        一般來說,SRS和SRT只適于用來對頭部或體部的球行治,而3DCRT和IMRT是用形束或扇形束各部位大的。IMRT甚至能治怪異很不規則。據調強技在美國2003年才展迅速的發展起,至今IMRT功能的放設備普及率已高達70%。

        ?

        1、 用常MLC行多個固定野調強治

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        加速器中的MLC最初設目的主要是了代替射野塊,隨著算機技的發展,MLC能在旋調節射野形跟隨靶,而且可以在算機控制下實現靜態調強和動態調強。

        ?

        靜態和動態調強都是由逆向劃系統先按照目的要求通優化算得出射野的強度分布。目是由劃者根據具體病例的床要求輸入到劃系統中的,在治療計劃被可后,些強度分布就被轉換為葉片位置序列文件,然后送到加速器的MLC控制系統中,在治療時調強控制系統控制葉片運動,實現這調強分布。

        ?

        適形而言,MLC的葉片度只影響了射野的形,但對調強而言,葉片度卻影響到整個面上的量,所以MLC葉片度越小越好,但是葉片越薄,制作越困,成本也就越高。目前國MLC一般只有30多葉片,但國外,已經出100葉片以上的MLC系統。

        ?

        ??靜態MLC調強(SMLC

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        靜態調強是由逆向調劃系統根據各個射野要求的強度分布行分,利用MLC每個照射野分成若干個子野,每個子野的強度是均的。優化予每個子野不同的重,所有射野的子野都被優化,由此生期望的治療計劃。

        ?

        療時各個子野分步按行,在實施治療過程中,葉片運動到第一個子野定的位置停下,加速器出束,達到MU停下,然后葉片運動到下一個子野的定位置停下后加速器再出束;如此行下去,使得每個子野的強度累加,直到完成整個射野,所有子野的束流強度相加形成要求的強度分布。

        ?

        一般來說,希望量減少子野目、葉片運動次MU以便保證劑送的精度,但是子野太少量分布就達不到調強的要求。MLC靜態調強在每個子野照射束后必須關斷才能到下一個子野,由于加速器射開關動作,帶來劑量率的問題,從而AFC系統提出了高的要求。

        ?

        靜態調驗證容易,但是需要的治療時間比長。

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        ???MLC調強(DMLC

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        調強是利用MLC對應的一葉片的相運動現對射野強度的調節的。大致包括:動葉片、動MLC抽、動弧形調強等方法。它是在動葉片運動技的基以加速器筆形束輸出強度的調節,通控制葉片運動的速度和改變輸出強度的方法達到要求的強度分布。

        ?

        在每個射野的照射程中,由算機系統按照調出的行控制,在各葉片作變速運動,加速器不停地以變化的量率出束,由此得到所要求的強度分布。治療時葉片構成一個窗,它算機控制下橫掃過。窗的口和葉片運動速度都按照定的方案不斷調節,以便生需要的強度分布。也同樣決定于滑窗跡之下的治療區內各點的吸收量。在程中算機用一種算法葉片位置作每個射野出束間的函,需要的強度分布轉換為葉片位置。

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        態調強的技特點是:一的葉片總是向一個方向運動,并在運動程中不形成各種形的窗口(即子野)掃過。

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        一般動態調強的每個射野都由上百個子野成,滑窗口的設置及每葉片任何刻都由一個程序控制。在相的葉片之間的窗口到最大,使用最大的葉片速度,樣可以短治療時間。需要參與射束輸的葉片目取決于靶的長度,靶越長涉及的葉片就越多。

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        調強方法治需要的間比短,然而驗證工作比靜態調強困得多。

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        2、 容積調弧形治VMAT

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        積調制弧形放可以認為是由IMRT和弧形放兩者合發展出的一種新型的放。通加速器置的MLCMLC與弧形治合,用旋射束優化的量分布。用種技同樣要先制定調強治療計劃,人選擇弧形射野目及入射角度,再由劃系統射束的行優化,優化算出床要求的強度分布,再轉換為MLC動文件。

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        在治療過程中,機架圍繞患者旋,MLC葉片位置每隔10°變化一次以便跟隨靶,并與楔形板合使用多共面或非共面弧形照射野。最果被輸入到葉片序列發生器,個發生器直接復制每個射束的MU并通MLC形成射束。樣的MLC處方被送到MLC控制器用于動葉片。在出束期間有程序控制加速器實施弧形治,同控制MLC地逐步完成一系列射野形。所有弧形射野的累計劑量分布與劃期望的分布一致從而達到調強的目的。

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        機架圍繞患者旋轉時加速器是出束的,因此射束角相鄰的照射野不應該要求MLC的葉片運動很長距離。在多數臨床病例中,各個角度之間的射野形變化也是慢的。短出束間,可以用治機最高的量率配以最大的機架放置速度;偶爾由于MLC葉片速度的限制也會要求治療過程中改變機器量率以避免治療時出束停的象。

        目前只用VMAT主要用瘤,而且多患者是在1~3個弧形角度射野內進種治。ELEKTA已經將這種技IGRT合起推廣,可以用體部瘤。

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        3、 特殊的IMRT技:采用步或螺旋式連續進床方式的扇形束斷層調強旋。

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        ??斷層調強治(美國NOMOS公司的Peacock系統):

        斷層調強是利用C型醫用加速器和NOMOS公司的孔雀系統(Peacock)來進行的??兹赶到y包括一臺門設調強準直器,叫做MIMiC。它是一臺電動氣動式裝置,可以通附件插槽安裝到加速器機頭形成長的矩形射野,叫做扇形束。在機架放置,利用MIMiC開關ON ,OFF)運動,實現調強治。MIMiC由兩40個葉片成,每20片,相排列。葉片是由制作成的,每個葉片高8cm,近源端5mm,接近患者一端6mm,葉片在加速器等中心處投影約為10mm。相鄰葉片間有凹凸槽,以減少漏射。每葉片形成的長條矩形野在等中心處的長度的兩,分別為10mm和20mm。每個葉片由一個微型氣動活塞立控制,兩葉片同時獨立運動,形成兩個長條矩形野。也就是,機架患者旋一次,只能治切片(即2cm) ,一般來說長度都不只2cm,所以要想治整個靶就要多次旋機架,與此同床必須連續向前步,種步/轉過程持續進行,直到治完整個靶。

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        程中MIMiC受氣運動,后,高氣體推動活塞使葉片入射野,閥關閉時,活塞的低氣體反向拉回活塞使葉片推出射野?;钊p向運動約為40-60ms。按照治療計出的強度分布要求,通過計算機控制活塞停留在射野間,就能達到調強需要的強度分布。MIMiC本身有感器和示屏,可以監測顯示機架、葉片的位置和運動速度。

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        種治方式,床步的控制精度相鄰野量分布影響很大。了減少由于相鄰野不重合生的不均性,治床步的精度和可確定性是非常重要的。此需門涉及一個控制床步的配合裝置,以提供0.5mm的可。

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        射束調制所需要的控制參也是從治療計劃得出,由劃系統軟盤上,用作MIMiC據文件。MIMiC中的控制系統包括微處理器、機架角度感器和葉片運動感器。

        ?

        缺點:治療時間長,因此必克服器官運動的面影響。而且即使步精度非常好,斷層銜接非常好,也可能由于器官的運動使得治療區時進入治療斷層,有時脫離治療斷層,從而在斷層銜現過劑量或欠量的情況。

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        ??X螺旋斷層調強放Tomotherapy

        ?

        螺旋斷層放射治系統是今最先的、融治療計劃、患者位和治療過程適型和調強融一體的放射治系統。它的研制成功被認為是五十年放射治史上最大的技突破。

        ?

        它的構見1)。它由6MV的直加速器(Linac)、KVCT和MVCT、多葉準直器和一個可速前的治成。與以往放射治不同的是,它用適型調強的扇形射束,以360°螺旋旋的方式對腫行照射治。其中MVCT的探器是由充有氦氣的電離室列所成的。此系統采用了螺旋CT中的“滑,從而使治療環能在治療過程中圍繞病人連續,在治床向前移動時給出平的螺旋照射治。


        圖1?螺旋斷層治療機結構示意圖

        ?

        它是由美國Wisconsin大學兩名教授經十五年苦努力研制出的;它的世,引起放射治界極大注。2003年7月始治第1例患者,截止到2004年10月,在美國已有14臺斷層放射治機投入床使用,治患者達百例。

        ?

        在治之前,先由KVCT病人斷層掃描,根據此像由治療計劃系統行逆向治療計劃設,即各個角度束流形及流強分布設;也既算出在治療環每一個旋角度和治床前的每一個位置上的多葉準直器各個葉片的確切位置。然后打加速器,用MVCT再核準病灶位置;如有位,調節;在治療過程中,治療環和治速前,行螺旋照射,見2


        圖2?螺旋治療機治療照射示意圖


        依據治療計劃,在束流旋的不同角度和治床的不同位置調節多葉準直器,使輸出的扇型束流形與治療計定的形想一致,也既適形”;與此同,通MVCT記錄的各點的據與據相比,得出據,在下一個位置量校正,樣也就能達到調強的目的。

        ?

        多葉準直器由64個葉片成,每片在病人位置的6.25mm, 樣扇型束流的總長度40cm。斷層掃描治厚度從0.5cm到5cm可調。

        ?

        加速器是一個長度40cm的小型6兆伏、S波段(3GHz)電子直加速器。它除了生X射束流用于治外,它面的氦電離室探列構成螺旋MVCT。在旋轉過程中, MVCT接受穿人體病灶的射,形成病灶斷層圖像,由此據可以算出要治的病灶吸收的射線劑量;此據和治療計劃中所設的據相比,即可劃的吸收量是否正確;如若有,在下一角度照射時調節輸出束流作修正,實調;另外也可視被治的部位是否移動(如肺上的瘤,隨呼吸而移動),隨做適型、調強和引,最大限度地保體位和劃體位的重復一致,以便使被治部位得空前大的量和使周圍沒有病的正常織受到最小的照射害(見3)。


        圖3 Tomotherapy螺旋治療機的劑量分布圖


        色部分要高量照射的性鼻咽瘤,而中間色部分要保護的脊髓。目前其它的放設備就無法治此類瘤了,但是螺旋斷層放射治儀就可以施治。

        除上述優點之外,治度也非???,從常精確治20分鐘以上(甚至于1個多小)減至小于5分鐘。

        ?

        總之,斷層放射治系統可提供高度精確的放射治和實時擺位、驗證,是影像介放射治的典范。它放射治師開辟了一個新的治平臺,在適型、調強和引放射治發展史上是一個里程碑。

        ?

        主要功能:

        a) CT成像

        b) 高精度病灶定位,并且診斷與治體位相同,避免重復位。

        c) 逆向治療計

        d) 算與重建

        e) 適形調強出束治

        f) 驗證,也是術顯著的優點。

        ?

        三、精確放射治的發展趨勢引下的放IGRT

        ?

        精確定位與位是精確放的前提,影像引和驗證調強放發展的重要點,是動態調強的技。

        ?

        驗證療過程中病人位位置是否正確,以往生的加速器曾經直接利用加速管生的高能X線進行拍射野照片”的功能,但一方面由于膠片沖洗需要一段間,所以功能只能起驗證記錄的作用,不能起即時糾位的作用,另外一個方面是利用高能X成像像灰度比不高,影像不清晰。

        ?

        在發展起的實成像系統正在向克服兩個缺點的方向發展,即希望可以達到在治療開始前和治療過行射野照片, 并與TPS過來DR比,通影像的引導計算和減少由于位或器官移動造成的瘤位置變化后帶來的放療誤差。就是大家所IGRT功能(見4)。


        圖4 IGRT基本工作流程


        IGRT的意義主要在于以下兩個方面:

        ?

        1、 它是控制差的新手段。

        ?

        在治機上安裝兆伏KVX射野影像視器(EPID)可在治中實時監測驗證射野幾何位置乃至野內劑量分布。

        ?

        目前,在多加速器上均可安裝EPID設備,先EPID設備可以量分布算和驗證。如果機與影像系統合在一起,每天治療時采集有的影像學信息,確定治,做到每日一靶,也可稱為IGRT。

        ?

        又或者加速器與CT一體安裝在同一室,適用同一個床,可位前CT描(螺旋或束容積掃描)等,CT定位后把治床向前或旋180°,病人不動就可以完成定位與治。最新型的CT加速器也已經投入用。另外,合有多種影像(CT/MRI/PET一體的IMRT機,其目的也是了提高各種影像設備像融合的準確性,以利于更合理準確地勾畫靶。

        ?

        有在TOMOTHERAPY斷層機和射波刀上病人不用動也可以定位和治。

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        2、 它能器官移動

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        中如何消除器官的生理運動的影響,如呼吸運動、膀胱充盈、小蠕動、瘤的增大和減小、以及器官的性形變等,目前尚在研究之中。之所以提出問題是因為這方面的帶來遠遠大于差。解決呼吸運動帶來差有目前有門控系統和跟蹤系統等;而IGRT是在3DCRT基上加入間因素,充分考了解剖織或器官在放療過程中的運動和放分次間的差,在患者治前、治中利用各種先的影像設備對腫瘤和危及器官行實控,并能根據器官位置和形的變化調整治條件使照射野緊緊追隨”靶,以使瘤完全在治療計劃系統所設量范圍內,實現腫瘤的精確放射。IGRT4DCRT涉及放射治療過程中的所有步,包括患者4DCT取、治療計劃、驗證和修正、劃修改、予、治等各方面。其目的是減少了靶不確定性因素,療過程中器官/間而運動的全部信息整合到放療計劃中,提高了放療過程的精確性。

        ?

        目前用的影像指設備除了EPID外,包括KVX線攝片和透視、MV級斷層CT、放CT、KV或MVCT、機架上的KV-KV系統或KV-MV系統等。研究點集中在CT、機架上的KV-KV系統或KV-MV系統(如5),些系統能聯合X透視監測和靶成像,提供了放療時維軟組織靶影像和實線監測,使放的確定建立在的基上,而不是建立在體表標記或印上,療過程的在或離修正起著重要作用。

        ?

        四、精確放射治的發展趨勢之生物適形放射治?

        ?

        一般來說,CT、MRI只能用于描述瘤靶,照射野完整覆蓋劃靶予均勻劑量。由于我不能胞的生物學分布特征,所以外照射劃中的劃靶區內劑量均的要求是非常統和保守的,使得各處的量分布均;但是研究發,實際上織本身的癌胞分布是不均的,不同的癌胞核團的敏感度也是存在相大的差異。隨著PET、SPECT、MRS代表的功能性影像技的發展,使得我能夠的生物學特征,將這些功能與X、CT等形學影像像融合后用于放射治療計劃系統中,將為適形治療創造發展條件。樣我能夠織什么候適合行放,織的哪個部分應該多少量等等??梢?/span>,種生物功能性影像和生物適形合的多適形治新世紀腫瘤放射治的發展方向。