【doc】全身伽玛刀及其适形调强治疗

【doc】全身伽玛刀及其适形调强治疗 全身伽玛刀及其适形调强治疗 第35卷 2007正 第2期 2月 华中 J.Huazhong 科技大学(自然科学版) Univ.ofSci.&Tech.(NatureScienceEdition) Vo1.35No.2 Feb.2007 全身伽玛刀及其适形调强治疗 段正澄黄禹 (华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074) 摘要:介绍了立体定向伽玛射线全身治疗系统(全身伽玛刀)的基本原理,关键技术及特点,推导了全身伽玛 刀的剂量计算模型,并以此为基础探讨了其在适形调强放射治疗方面的应用.该设备采用多束伽玛射线旋转 聚焦,能对肿瘤病灶自动定位,可在治疗过程自动更换焦点大小,对体部肿瘤病灶进行自动辐照,是一种自动 化程度高,安全可靠,具有完全自主知识产权的大型放射治疗设备.在 IMRT治疗系统配合下,能进行体 部及其他部位肿瘤的精确适形调强治疗.该设备目前已在全国5O多 家医院使用,疗效显着. 关键词:全身伽玛刀;旋转聚焦;放射治疗;适形调强; 中图分类号:R14:R815文献标识码:A文章编 号:1671-4512(2007)02-0107-03 Thewhole-bodyY—knifeanditsintensitymodulatedradiationtherapy DuanZhengchenHuangYu (CollegeofMechanicalScienceandEngineering,HuazhongUniversity ofScienceandTechnology,Wuhan430074,China) Abstract:Theworkingprinciple,constructandcharacteristicswereintroducedofstereotacticgamma raywhole—bodytherapeuticsystem(thewhole—body7-knife).Thedoseca lculationmodelforthe whole-bodytherapeuticsystemwasalsodeduced.Theintensitymodulatedradiationtherapy(IMRT) byitisdiscussedindetail.Thismachineisup—to—datatherapeuticequipme ntwithhighautomationand securitylevel,whichusesrotatingfocusingmethodandisapplicabletothetreatmentoftumorsevery— whereinthewholebody.Anditcanautomaticallychangethesizeofthefocusa ndpreciselyorient tumors.Withthecooperationofcorrespondingtreatmentplanningsystem,I MRTcanbecarriedout byit.Sofarithasbeenusedinnear50hospitals.Itsbettercurativeeffecthasbeen provedinprac— tice. Keywords:whole—body7-knife;rotatingfocusing;radiationtherapy;inten sitymodulatedradiation therapy 体部肿瘤是一种常见的多发病,放射治疗是 其主要的治疗手段之一.立体定向伽玛射线全身 治疗系统(下称全身伽玛刀)是一种首创的全新放 疗设备.该设备采用多束伽玛射线动态旋转聚焦 的原理,保证了在焦点位置具有高剂量的伽玛射 线对肿瘤病灶进行辐照,而正常组织的剂量吸收 小].临床应用和病员随访明该设备辐照治 疗增益比高,治疗效果好. 1关键技术 全身伽玛刀采用了旋转聚焦辐照的原理,率 先将伽玛射线聚焦后的高强度辐射焦点用于全身 肿瘤的治疗.下面论述其关键技术. 1.1应用于全身各部位肿瘤治疗的伽玛刀 体部肿瘤是多发性肿瘤.目前用于体部肿瘤 治疗的放疗设备一般采用大射野照射(配备准直 收稿日期:2006—08-30. 作者简介:段正澄(1934一),男,教授;武汉,华中科技大学机械科学与 工程学院(430074). E-mail:zcduan3@public.wh.hb.cn ? 108?华中科技大学(自然科学版)第35卷 器或多叶光栅),主要存在以下问题:大射野的半 影大,剂量边界不清晰,治疗增益比差,治疗效果 难以保证;正常组织的照射受量大,受到的伤害 大,射野内剂量分布不均匀,调制困难. 为将伽玛刀治疗适应范围由头部扩大到全 身,全身伽玛刀采用独特的机械结构,从而实现体 部肿瘤的精确放射治疗. 1.2采用旋转聚焦辐照原理 如图l所示,在半球形源体上,在经度0., 源 (a)射源装置结构(b)旋转聚焦原理 图1射源装置结构及旋转聚焦原理不意图 360.和纬度14.,43.之间螺旋排列30个钴60放 射源,在经度上间隔59.,纬度上间隔7.,源直径 2.6mHi.与此相对应,源体上分布有30个预准直 器来限制射线束的方向.半球形准直体上有四组 终准直器,每组30个,各组内径不同,可根据靶点 大小选择不同的束径.伽玛射线经预,终准直器准 直后指向球心.治疗时,源体,准直体同步旋转,形 成30个射线束锥面,每个锥面互不重叠,最终在 球心处聚焦.与静态聚焦辐照方式相比,伽玛射线 束不以固定路径穿透病灶周围组织,健康组织吸 收的辐照剂量更为均匀,分散,治疗增益比更高. 同时,放射源数量大幅减少,简化了源体的结构. 采用四组终准直器,可选择照射焦点的大小,提高 了伽玛刀治疗精确性,扩大了适应范围. 1.3肿瘤病灶的三维立体自动定位 全身伽玛刀系统框图如图2所示. 主机Il立体定位系统ll治疗计划系统I每床 传动与控制 故障诊断 通信模块 图像处理 方案优化 与评估 适应症 操作规范 靶区确定 时间剂量 分割 随访与 疗效评估 图2全身伽玛刀系统框图 为实现精确的适形调强治疗,全身伽玛刀采 用计算机控制的全自动三维治疗床,配合可靠的 立体定位系统对肿瘤辐照进行全自动定位,以保 证定位的准确可靠. 在上述关键技术的基础上,完成了全身伽玛 刀的机械系统,控制系统,治疗计划系统的研究和 开发,并进行了临床规范研究. 2全身伽玛刀适形调强治疗 适形调强放射治疗IMRT是一种理想的放 射治疗技术,它满足:a.在照射方向上,照射野形 状与靶区形状一致;b.在每一个照射野内,各点 照射剂量能按照要求的方式进行调整.IMRT被 放射肿瘤学界认为是放射治疗技术的发展方向, 是新一代放射治疗技术的主流.全身伽玛刀独特 的剂量分布特点和系统结构满足了体部肿瘤的适 形调强放射治疗要求. 2.1全身伽玛刀的剂量计算模型 全身伽玛刀剂量计算的原始输入数据包括: 单个放射源的剂量率D(即最大剂量),百分深度 剂量Pn.和离轴比OA等.这些数据由实验测定. 全身伽玛刀的剂量计算模型是以单源剂量计算为 基础,各放射源剂量叠加得到的. 全身伽玛刀的照射方式为:正交5组,每组6 个相同活度的钴60放射源,连续旋转,放射源到 旋转中心的距离为389.5mm,放射源到末级准直 底端距离为223mm,每个放射源旋转形成一条纬 线轨迹,每个放射源的辐射线经准直器准直后形 成一个顶点在等中心的辐照锥面. 2.1.1单个静止放射源的剂量计算 如图3所示,Z轴为人体纵向,X轴为人体横 向,y轴为源体轴线方向,等中心为0点,放射源 图3照射野和治疗机的坐标关系 S,与等中心连线和体表的交点为F,P点为体内 某点,则单个放射源S在静止状态下在该点 P(z,Y,2)处形成的辐射剂量 D(z,Y,2)一Dd(,,r)一 PDD(“rf)0AR(,rf). 一藿一钴=机一一控 第2期段正澄等:全身伽玛刀及其适形调强治疗?1O9? 式中:P..(,)为相对体表F点深度为处的 百分深度剂量;0(,r1)为相对体表F点深度 为,离轴距离为rl处的离轴比. 由几何关系,可得: OP一0P0S/l0s. 又OP一+yJ+z_k,OS一(cos0cos~i+ sinOcos~ij—sink)lOSl, 一xcos0cos~,+ ysin0cos~一zsin~一,(1) d一OF一,(2) r一(OP一0P)一p2.(3) 式中:P】一xcos0cos~+ysin0cos~一zsin~;lD2一 (++一p). 综合式(1),(3)可计算出单个放射源S(图 3中的点S)在静止状态下在某点P(x,Y,)处形 成的剂量D(,Y,). 2.1.2单个旋转放射源的剂量计算 单个放射源旋转形成的剂量D(,Y,)为 静止状态下剂量对角的积分,即 r2—— Ds.(,Y,)一IPDD(OF一’J0 lDl,lD2)OAR(0F一p1,lD2)dO, 若不考虑体表曲面对辐照的影响,OF为一常数. 2.1.3全部旋转放射源的剂量计算 由剂量叠加原理,得到全身伽玛刀的剂量计 算公式 3O D(x,Y,)一?PDD(一l=1L P】,lD2)OAR(0F一P】,lD2)dO1. 由上述模型得到的全身伽玛刀在等中心平面 上的剂量分布如图4所示,此时为单靶点照射,靶 图4单靶点在等中心平面上的剂量分布 点设置在等中心处. 2.2全身伽玛刀的适形调强控制 对于N个靶点,按剂量叠加的原理,病灶内 Nb 某计算点的剂量D,一?d,X,式中:x为第k 个靶点的非负权值;d是第k个靶点在病灶内第 J点产生的单位化后的剂量.经遗传算法迭代计 算可得到各靶点的权值X(即照射时间).详细过 程不再赘述.图5为一个多靶点适形调强的实例, 其中图5(a)为靶点的分布图,图5(b)为剂量分 布图.从图中可见,经多靶点照射,在较大病灶体 ?(a)靶点分布(b)多靶点照射在等中心 平面上的剂量分布 图5多靶点照射适形调强 积内形成了较高的剂量场,其等剂量线形状与病 灶轮廓形状近似. 在IMRT治疗计划系统配合下,全身伽玛刀 能在计算机控制下进行体部及其他部位肿瘤的精 确适形调强治疗,为IMRT提供了新的手段和途 径.该设备目前已在全国5O多家医院使用,疗效 显着. 参考文献 [1]WuA,LinderG.KalendA,eta1.Physicsofgamma knifeapproachonconvergentbeamsinstereotacticra— diosurgery[J].IntJRadiatOncolBiolPhys,1990, 18:941—949. [23WuA.Physicsanddosimetryofgammaknife[J]. NeurosurgClinNorthAm,1992,3:35—50. [33MaitzAH,WuA.Treatmentplanningofsterotactic convergentgamma-rayirradiationusingCo60sources [J].MedicalDosimetry,1998,23(3):169—175. [4]MaitzA,WuA,LunsfordLD,eta1.Qualityassur— anceforgammaknifestereotacticradiosurgery[J]. 1471. IntJRadiat0ncolBiolPhys,1995,32:1465—