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1、放射治疗新技术,南方医院放疗科 任陈,放射治疗在肿瘤治疗中的作用,癌症治疗五年生存率,1900s 1930s 1960s 1990s 5% 15% 30% 45%,American Cancer Society: Cancer facts & figures 2019,手术、放疗、化疗三大手段对癌症治愈率的相对贡献,外科手术22% 放射治疗18%化学治疗 5%,Eur J Cancer 1992; 28A:2061-2069,60 %70 %的肿瘤患者需要接受不同目的（根治性、辅助性、姑息性）的放射治疗,常规放射治疗技术,时期,设备,技术特点,20世纪80年代以前,深部 X 线机60钴治疗机低
2、能医用直线加速器,照射野设置数少固定束治疗,二维治疗计划系统,“常规”至“适形”：挑战与机遇,3DCRT概念,适形放疗的机遇,CT模拟定位,三维治疗计划系统,20世纪60年代,1992,2019,3DCRT基本概念 相关设备研制,3D治疗计划系统 螺旋CT,多页光栅 螺旋多层CT,常规放疗面临的挑战 当肿瘤靶区剂量达到致死剂量时，对射线入射路径上的正常人体组织和器官损伤较大,三维适形放射治疗技术（3DCRT）,时期,设备,技术特点,20世纪90年代中期,带MLC的直线加速器,非共面、不规则野野截面形状由多页准直器调节,三维治疗计划系统,“经典”适形至“调强”：逆向思维的成功,危及器官,靶区,“
3、经典”适形面临的问题 约有30%左右的肿瘤为凹形靶区,周围有重要器官,“经典”适形至“调强”：逆向思维的成功,危及器官,靶区,治疗区,“调强”适形的核心理念：按照临床要求的靶区三维剂量分布计算出各射野方向上二维强度调制函数（逆向运算）,调强适形放射治疗技术（IMRT）,IMRT 利用逆向治疗计划系统和计算机控制的动态准直器,将每条射线束细分为很小的子野并调节每个子野的剂量强度,雕刻出与肿瘤相匹配的高度适形的剂量曲线., 什么是调强放射治疗 ,最大限度减少正常组织受照剂量,治疗不规则凹形肿瘤靶区,提高肿瘤分次照射剂量,“21世纪放疗技术的革命”,调强放疗的临床应用,目前主要应用于以下肿瘤：头颈部
4、肿瘤、脑瘤、前列腺癌和胰腺癌，妇瘤。它们的共同点是肿瘤本身不运动，或移动范围小。同时满足以下一个或多个条件： 靶区多为凹形，鼻咽、前列腺等 靶区附近有单个危及器官（OAR），常规放疗技术无法避开OAR，如脊柱旁肿瘤 、左乳癌。 靶区附近有多个OAR，与靶区位置关系复杂，常规放疗技术难以满足临床需要，如头颈、前列腺癌、胰腺癌； 邻近多个靶区同时治疗，如头颈部原发灶与淋巴结等 靶区PTV、GTV不同剂量梯度治疗，如鼻咽、胰腺、前列腺癌等 常规放疗技术无法实现多方向补偿,调强放疗的类型（一）,静态MLC调强,指在照射过程中照射野的形状不变，在相邻照射野中间改变，同义词是 Step and Shoot
5、或Stop and shoot，照射过程中机架角度不变。每次准直器形成一个子野形状，或叫一个分野。各个子野的不同权重的强度分布的相加就得到了所期望的强度分布。,调强放疗的类型（一）,静态MLC调强,调强放疗的类型（一）,静态MLC调强,相加后的总剂量,2/3剂量,调强放疗的类型（一）,静态MLC调强,调强放疗的类型（一）,静态MLC调强, 减少子野数目、叶片运动次数和MU数以便保证剂量传送的精度，但是子野太少剂量分布就达不到调强的要求。 MLC静态调强在每个子野照射结束后必须关断射线才能转到下一个子野，由于加速器射线的开关动作，带来剂量率的稳定问题 剂量验证比较容易，需要的治疗时间比较长,调强
6、放疗的类型（二）,动态MLC调强,指在照射的过程中，准直器的形状是变化的，其同义词是滑窗（Sliding window）。照射过程中机架不动。MLC中每对叶片（一对叶片形成一个缝隙）都朝着一个方向以不同的速度运动，其速度大小是时间的函数。叶片位置、叶片速度、输出的MU值和剂量率是相互影响的。,调强放疗的类型（二）,动态MLC调强,调强放疗的类型（二）,动态MLC调强, 一般动态调强的每个射野都由上百个子野组成，滑窗开口的设置及每对叶片任何时刻都由一个程序控制。在相对的叶片之间的窗口开到最大时，使用最大的叶片速度，这样可以缩短治疗时间。 需要参与射束传输的叶片数目取决于靶区的长度，靶区越长涉及的
7、叶片就越多。 治疗需要的时间比较短，剂量验证工作困难。,调强放疗的类型（三）,步进式断层调强,利用NOMOS公司的孔雀系统(peacock)来进行的。此技术是把一个狭长的准直器（MIMiC）装到传统的机器上面，得到大约20cm宽、1-4cm长的扇形束。随着机架的旋转，扇形束能够在患者的横截面上形成一个条状的照射野。在机架旋转过程中，准直器的叶片在计算机的控制下进出，来调节每个扇形部开或关的时间，达到调强的目的。要想治疗整个靶区就要多次旋转机架，与此同时治疗床必须连续向前步进，这种步进/旋转过程持续进行，直到治疗完整个靶区。,调强放疗的类型（三）,步进式断层调强,两组40个叶片组成，每组20片，
8、相对排列。 每个叶片高8cm，近源端宽5cm,接近患者一端6cm宽，叶片在加速器等中心处投影约为10mm。 每组叶片形成的细长条矩形野在等中心处的长度的两挡，分别为10mm和20mm。 每个叶片由一个微型气动活塞独立控制，两组叶片同时独立运动，形成两个细长条矩形野。也就是说，机架绕患者旋转一次，只能治疗两层切片（即2cm）,MIMiCLeaves,调强放疗的类型（三）,步进式断层调强,治疗过程示意图,调强放疗的类型（三）,步进式断层调强, 床步进的控制精度对相邻野剂量分布影响很大 需专门设计一个控制床步进的配合装置，以提供0.5mm以内的可选步进 治疗时间需要很长,调强放疗的类型（四）,弧形调
9、强治疗（IMAT）,指在照射过程中, 机架角每隔5-10形成1个静态野,射野形状与靶区投影形状相同,将相邻方向的射野连接成弧,通过多个动态适形弧叠加实现计划所需的强度分布。一般需要3-5个弧,但在照射过程中机架的旋转速度和加速器输出剂量率保持恒定,并没有成为计划优化的参数,调强放疗技术的新进展（一）,容积调强治疗,指综合了IMAT和MLC动态调强技术,在机架等中心旋转照射的同时, 通过改变MLC射野形状、加速器输出剂量率和(或)机架旋转速度, 完成在不同射野方向上束流强度的调整,实现逆向计划的优化强度分布,调强放疗技术的新进展（一）,容积调强治疗,调强放疗技术的新进展（一）,容积调强治疗,与动
10、、静态MLC调强技术比较,调强放疗技术的新进展（二）,螺旋断层调强治疗（HT）,指以类似螺旋CT的方式进行扇形束旋转调强放射治疗。该系统将直线加速器安装在螺旋CT环状机架上, 机头发出的扇形束随机架旋转行360照射,这些射线经过一个MLC系统调制；在照射的同时治疗床缓慢跟进, 通过治疗床的连续移动实施整个靶区的调强治疗,调强放疗技术的新进展（二）,螺旋断层调强治疗（HT）,1)采用同源双能加速管, 可进行MVCT成像, 进行图像引导2)治疗源与成像源统一, 避免了外加图像引导系统的非同源误差; 3)一次治疗的肿瘤范围长达160cm, 不需要多中心照射,无多野衔接问题; 4)通过MVCT探测器接
11、收放疗时穿过患者体内的衰减X线,实现剂量验证和自适应放射治疗。,调强放疗技术的新进展（二）,螺旋断层调强治疗（HT）,治疗头结构,调强放疗技术的新进展（二）,螺旋断层调强治疗（HT）,调强放疗技术的新进展（二）,螺旋断层调强治疗（HT）,容积调强 PK 螺旋断层调强,1)容积调强采用锥形束进行整体照射,解决了断层治疗相邻窄野间的衔接问题,在照射过程中,不需要移动治疗床,减少了分次治疗中的误差; 2)容积调强的实现只需要能够实施动态旋转治疗的新型加速器,而且可以进行MLC动和静态调强、非共面野照射及电子线治疗等常规照射,而HT的实现需要使用专用断层治疗机和二进制开关准直器,只能进行X线共面断层照
12、射; 3)容积调强在机架旋转的过程中, 邻近机架角间MLC叶片位置不能变化太大,受到MLC运动的限制, 而HT采用二元开关准直器,不受MLC运动的限制;,IMRT，RapidArc，HTJournal of Applied Clinical Medical Physics, Vol 10, No 4 (2009),四种模体,绿色：PTV红色、蓝色、紫色：危险器官,IMRT,RA,HT,IMRT，RapidArc，HTJournal of Applied Clinical Medical Physics, Vol 10, No 4 (2009),适形指数：CITomoHIRA 2 H IRA1
13、HIIMRT9 HIIM RT 5 危及器官平均剂量：dOARTomo t planRA 2 t planRA 1 t planIMRT9 t planIMRT5 治疗时间：t treatIMRT9 t treatIMRT5 t treatTomo t treatRA 2 t treatRA1,“适形”至“精确”：自适应放疗时代,3DCRT/IMRT：解决了静止的、 刚性的靶区剂量适形问题,“适形”至“精确”：自适应放疗时代,3DCRT/IMRT面临的挑战 肿瘤及周围正常组织在单次治疗中和各次治疗之间都可能随时间的变化而变化,“适形”至“精确”：自适应放疗时代,3DCRT/IMRT面临的挑战
14、肿瘤及周围正常组织在单次治疗中和各次治疗之间都可能随时间的变化而变化,剂量分布不确定,自适应放射治疗（ART）,ART 将放疗整个过程从诊断、计划设计、治疗实施到验证作为一个可自我响应、自我修正的动态闭环系统，需要考虑诸多纠正参数，逐步调整从而实现准确的放射治疗, 什么是自适应放射治疗 ,A. 为闭环的放疗过程,B. 对治疗过程的各个偏差进行检测,C. 在治疗前对原始治疗计划根据反馈结果进行再优化,D. 治疗因人而异,自适应放射治疗（ART）,广义分类：通过反馈来调节治疗过程的技术,影像引导放射治疗( IGRT) 体积引导放射治疗剂量引导放射治疗( DGRT) 结构引导放射治疗,自适应放射治疗
15、（ART）,图像引导放射治疗（IGRT）,其发展是以图像引导设备的发展为基础的,图像引导放射治疗（IGRT）,电子射野影像系统(elect ronic portal imaging device ,EPID) EPID是当射线束照射靶区时 ,采用电子技术在射线出射方向获取图像的工具。它既可以离线验证射野的大小、形状、位置和患者摆位 ,也可以直接测量射野内剂量。 应用 MV级 X射线的 EPID系统剂量引导放疗设备的雏形,图像引导放射治疗（IGRT）,KV 级 X线摄片和透视 KV 级 X线摄片较清晰 ,但是由于其采集的图像为二维图像 ,难以检测放疗过程中软组织的相对形态变化。,图像引导放射治疗
16、（IGRT）,KV级CT 诊断用 KV 级CT扫描速度快 ,成像清晰 ,具有较高的空间分辨率和密度分辨率 ,软组织显像清晰。但该系统不是在治疗位置成像 ,无法对治疗时的肿瘤运动进行实时监测管理。而传统 KV 级 CT 的环形探测器排列和相对小的孔径 ,决定了其不可能直接安装在加速器上。 加进了时间变量因素的 CT 扫描 ,称之为四维 CT (four dimensional computed tomography,4DCT) 。应用4DCT模拟定位,图像引导放射治疗（IGRT）,4DCT,图像引导放射治疗（IGRT）,锥形束 CT(cone beam CT ,CBCT) 基于大面积非晶硅数字化
17、 X射线探测板，直接整合到直线加速器上。机架旋转一周就能获取和重建一个体积范围内的 CT图像。这个体积内的 CT 影像重建后的三维患者模型 ,可以与治疗计划的患者模型匹配比较 ,并得到治疗床需要调节的参数。 根据采用放射线能量的不同分为两种 ,即:KV 级 X射线的 KV-CBCT和 MV 级 X射线的 MV-CBCT。,图像引导放射治疗（IGRT）,4D CBRT,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,粒子放射物理特点,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,放疗原理,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,剂量分布优势：更好地保护正常组织
18、,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,粒子放射生物特点,“光子”至“粒子”：放疗质的飞跃,粒子放疗设备 The new HIT facility at the University Hospital Heidelberg,粒子放疗的临床应用,目前主要应用于以下肿瘤：非鳞状细胞癌，包括腺癌、腺粘液囊性癌、肝细胞癌、骨或软组织肉瘤等，还有脑胶质瘤、非小细胞肺癌、恶性黑色素瘤、脊索瘤、神经纤维瘤、恶性神经元性肿瘤、子宫颈癌、前列腺癌、盆腔复发的直肠癌以及晚期及复发的鼻咽癌等。 局部晚期、分化高、增殖慢的肿瘤，或是对低LET射线放疗抗拒的难治性肿瘤； 外科手术困难的肿瘤； 不能手术的老年患者或脏器功能衰退的患者； 生长发育期的青少年患者； 邻近重要组织器官肿瘤； 常规放疗复发/无效或需要再程放疗者,放疗技术后续发展方向,路漫漫其修远兮汝需上下而求索,
