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1、第八章 治疗计划设计的物理 原理和生物学基础,前面几章讨论了各种射线的物理性质、剂量测量、剂量分布以及各种组织对射线剂量分布的影响。 本章将对治疗计划设计的基本原理、生物学基础，包括临床要求、剂量学原则、布野原理等进行原则性的叙述。,第一节 计划设计中的临床和生物学因素,一、临床要求,放射治疗的目的：不论是根治性放疗，还是姑息性放疗，其根本目的在于给予肿瘤很高的治愈剂量而其周围的组织和器官接受的剂量却很少。,治疗增益比：表示因某种治疗技术致成的肿瘤控制概率与周围正常组织损伤率之比，该比值正比于两者所受的剂量之比。可以通过提高肿瘤的治愈剂量和放射敏感性，也可以通过减少正常组织损伤的办法来提高放射
2、治疗的治疗增益比。 治疗比：正常组织耐受剂量和肿瘤致死剂量之比，不受治疗技术的影响。 肿瘤的致死剂量：放射线使得绝大部分肿瘤细胞破坏死亡而达到局部治愈的放射线的剂量。,例：精原细胞瘤的致死剂量为2500cGy，照射野内肠管的耐受剂量为5000cGy，治疗比大于1；畸胎瘤的致死剂量为10000cGy，治疗比小于1。治疗比大于1的，用放射治疗有可能治愈，治疗比小于1的，放射治疗治愈的可能性小。,曲线说明: 正确选择肿瘤的治疗剂量，对控制肿瘤和减少正常组织并发症有很大影响。,表8-1、表8-2分别给出了各种类型、不同期别的肿瘤的致死剂量和各种正常组织的耐受剂量，是放射治疗医生和放射物理工作者设计放射
3、治疗计划的依据。,两个重要表格：,影响放射生物效应的因素：剂量分次和剂量率（用LQ等数学模型描述）、受照的体积因子。 受照的体积因子对生物效应的影响：（1）由于肿瘤体积增加，肿瘤克隆源细胞数增多，对给定的剂量水平，治愈率随受照体积的增加而减小；（2）照射范围的增加，有可能使重要器官或组织卷入照射野的体积增大，放射并发症概率增加。,二、临床和生物学因素,一、临床剂量学原则,第二节 临床剂量学原则及靶区剂量规定,（1）肿瘤剂量要求准确。照射野应对准所要治疗的肿瘤区即靶区。对那些肿瘤范围不易确定或手术后的患者，在施行根治性放疗时，就必须注意将潜在转移区域也包括在内。例如对不能手术的乳癌，靶区不仅要包
4、括乳腺和胸壁，还需包括内乳、锁骨上和腋下淋巴结。,一个比较好的治疗计划应满足下列四项条件：,（2）治疗的肿瘤区域内，剂量分布要均匀，剂量变化不能超过5。（3）照射野设计应尽量提高治疗区域内剂量，降低照射区正常组织的受照范围。（4）保护肿瘤周围重要器官免受照射，至少不能使它们接受超过允许耐受剂量范围的照射。,理想的放射源在组织中形成的剂量分布应尽量符合图8-4所示的理想剂量学曲线要求，因此放射源的合理选择成为临床医生迫切关心的问题。,二、放射源的合理选择,图84 理想剂量学曲线,剂量学特点：最大剂量建成深度随射线能量增加而增加；在最大剂量建成点以前，剂量随深度的增加而增加，并随射线能量的增加而减
5、少；在建成点以后，剂量随深度的增加而减小，并随射线能量的增加而增加。,（一）高能X射线, 因剂量建成区域的剂量变化显著，所以一般将肿瘤放在最大剂量点之后。,肿瘤区域剂量分布不均匀，而且肿瘤之后的正常组织受到较高剂量的照射。优点是肿瘤组织前的正常组织剂量较小。,对高能X射线，单野照射时的特点：,对较深部的肿瘤，应选择较高的射线能量。从剂量学特性示意图8-6中可以看出，随着射线能量的提高，肿瘤区域的剂量越均匀，肿瘤组织前的正常组织的剂量越小，但肿瘤组织后的正常组织剂量稍有升高。,对一般体厚为20cm的患者，1025 MV能量的X射线比较理想。,（二）高能电子束,剂量分布特点： 肿瘤区域的剂量分布比
6、较均匀，符合理想剂量分布，而且肿瘤后的正常组织剂量很小。但肿瘤前的正常组织剂量很高，等于或大于肿瘤剂量。（皮肤剂量随能量的增加而增加，并且接近最大剂量点的剂量）。,高能电子束本身的剂量特性决定于它只适用于治疗表浅的、偏心部位的肿瘤，而且以单野照射较好。,（三）电子和X射线混合束治疗,假设肿瘤之后有重要器官脊髓。两者结合后，在保证得到相同的肿瘤剂量情况下，皮肤剂量和脊髓剂量都相应得到了改善。,（四）高LET射线,负介子、质子和其他重离子等，因电离密度比X射线、电子束的高，称为高传能线密度射线。 高LET射线的剂量分布具有理想剂量学曲线的特点，从剂量学的观点看来，是比较理想的放射源。,为了保证治疗
7、方案的执行和改进以及对治疗方案进行评价、交流，需要记录和报告治疗方案。 在记录和报告治疗方案时只有肿瘤剂量是不够的，还应该有治疗时所用的照射技术和详细的剂量分布。 ICRU第29号、第50号报告中提出了有关剂量报告的一些规定。,三、外照射靶区剂量分布的规定,（一）定义,肿瘤区(GTV) 指肿瘤的临床灶，为一般的诊断手段(包括CT和MRl)能够诊断出的可见的具有一定形状和大小的恶性病变的范围，包括转移的淋巴结和其他转移的病变。当肿瘤已作根治术后，则认为没有肿瘤区。,临床要确定肿瘤区的原因：对根治性放疗，要给予肿瘤区以足够的剂量，使肿瘤得到控制；便于观察肿瘤随治疗剂量的变化及其他因素的影响。,临床
8、靶区（CTV) 指按一定的时间剂量模式绐予一定剂量的肿瘤的临床灶(肿瘤区)、亚临床灶以及肿瘤可能侵犯的范围。根据这个定义，对同一个肿瘤区，可能出现两个或两个以上临床靶区的情况。,肿瘤区和临床靶区是根据患者的肿瘤分布情况、肿瘤行为在静态影像上确定的，没有考虑到器官的运动并与所采用的内外照射方式无关。,内靶区(internal target volume，ITV) 肿瘤区(GTV)和临床靶区(CTV)都是在静态影像上确定的，没有考虑到器官的运动。但在患者坐标系中，CTV（GTV）的位置是在不断变化的，内靶区定义为在患者坐标系中，由于呼吸或器官运动引起的CTV外边界运动的范围。,ITV范围的确定应使
9、得CTV在其内出现的概率最高，以保证CTV在分次照射中，得到最大可能的处方剂量的照射。 ITV一旦确定，它与患者坐标系的参照物内、外标记应保持不变。lTV的确定在适形治疗和X()射线立体定向治疗中具有特殊的意义和地位。,计划靶区(planning target volume，PTV) 指包括临床靶区CTV本身、照射中患者器官运动(由ITV表示)，和由于日常摆位、治疗中靶位置和靶体积变化等因素引起的扩大照射的组织范围，以确保临床靶区CTV得到规定的治疗剂量。,显然计划靶区将决定照射野的大小。计划靶区PTV是联系患者坐标系和机器坐标系的几何概念，专用于治疗计划设计与执行。因此医生和计划设计者在确定
10、计划靶区PTV范围时，一定要考虑到临床靶区CTV的解剖位置(由ITV表示)和将使用的照射技术。,治疗区(treatment volume，TV) 对一定的照射技术及射野安排，某一条等剂量线面所包括的范围。该等剂量线面原则上要由主管医生选定，但通常选择90等剂量线作为治疗区范围的下限。,一个好的治疗计划，应该使其剂量分布的形状与计划靶区的形状相一致。但由于目前照射技术的限制，不能达到这一点，这是定义治疗区的原因之一；另外治疗区的形状和大小与计划靶区的符合程度，也可为医生提供一个很好的评价治疗计划的标准。,照射区(irradiation volume，IV) 对一定的照射技术及射野安排，50等剂量
11、线面所包括的范围。照射区的大小，直接反映了治疗方案设计引起的正常组织受照范围。,冷剂量区(cold volume) 在ITV内剂量低于CTV处方剂量的下限(-5)的范围。,热剂量区(hot volume) 高于CTV处方剂量的上限(5)的范围。,靶区最大剂量 计划靶区内最高剂量。当面积大于或等于2cm2（直径1.5cm)时，临床上才认为有意义，当面积小于2cm2时，临床上不考虑其影响。 靶区最小剂量 计划靶区内最低剂量。靶区最小剂量不能低于治疗区的剂量。 剂量热点 指内靶区ITV外大于规定靶剂量的范围。与靶区最大剂量一样，当剂量热点的面积等于或大于2cm2 （直径1.5cm）时临床上才考虑，但
12、对较小器官，如眼、视神经、喉等，小面积也必须给予注意。,（二）靶剂量规定,由于靶区剂量的不均匀性，不可能用整个剂量分布来描述靶区剂量，故建议用靶剂量代替肿瘤剂量使用。靶剂量(又称名义剂量) 为使肿瘤得到控制或治愈的肿瘤致死剂量。,靶区剂量归一点 在治疗计划系统中，靶区及正常组织中的剂量分布均表示成以靶区内某一点剂量归一的相对剂量分布的形式，该点称为靶区剂量归一点。,规定1：所述靶剂量应针对具体的解剖部位，照射技术及其剂量分布；对一个以上的计划靶区，应该有相应的靶剂量。一旦靶剂量规定点确定以后，不应随疗程中照射野及其安排的改变而改变。,ICRU推荐的靶剂量规定点的选择原则 （ICRU第29号、第
13、50号）,规定2：对只有一个计划靶区或多计划靶区的第一个计划靶区(通常是肿瘤区)，靶剂量规定点选在计划靶区中心或中心附近。对多计划靶区的第2、第3个计划靶区，靶剂量规定点(一个或一个以上)应是解剖部位和剂量分布的代表点，并应注明这些点的位置。 规定3：靶剂量以及其他剂量规定点不能选在剂量变化梯度较大的地方，即剂量规定点应至少离开射野边缘2cm。,单野照射时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴上计划靶区中心处；,规定4：对固定野（包括等中心和固定源皮距）照射，按下述方法选取靶剂量规定点：,两野或三野以上交角照射时，靶剂量规定点应选在照射野中心轴的交点处。,剂量比相等的两个对穿野照射时，靶区剂量规定点
14、应选在两射野中心轴的中点；,剂量比不等的两对穿野照射时，靶剂量规定点应选在两射野中心轴上计划靶区中心；,规定5：X射线旋转治疗时，当旋转角在270360之间时，靶剂量规定点应选在旋转主平面的旋转中心处；当旋转角小于270时，靶剂量规定点应选在旋转主平面旋转中心或计划靶区中心处，旋转中心的安排应使得计划靶区中心的剂量接近于最大剂量。,规定6：高能电子束单野照射，当线束垂直入射时，靶剂量规定点应选在射野中心轴上最大剂量点处；当线束斜入射或使用不规则射野时，若用计算机计算剂量分布，靶剂量规定点选在射野中心轴上计划靶区中心处，并注明靶剂量不均匀性超过5或10的偏差量。若用查表计算时，靶剂量规定点应选在
15、假设射野垂直人射时，射野中心轴上最大剂量点位置。,规定7：如果靶区剂量分布的剂量归一点(100)与上述靶剂量规定点一致时，100等剂量线就代表靶剂量，如果不一致时，用相应的等剂量线计算靶剂量。 上述规定中，规定1，2，3，7是ICRU剂量规定点选择的普遍原则；规定4，5，6是规定2，3对共面射野的具体应用。对某些共面射野安排，当规定4，5，6不能使用时，或对非共面射野的安排时，剂量规定点应按规定2，3的原则自己选定。,危及器官(organ at risk，OAR) 指可能卷入射野内的重要组织或器官，它们的放射敏感性（耐受剂量）将显著地影响治疗方案的设计或靶区处方剂量的大小。在确定计划靶区时要考
16、虑这些器官的存在。与计划靶区PTV的定义一样，在勾画危及器官OAR范围时，应考虑器官本身运动和治疗摆位误差的影响，其扩大后的范围，称为计划危及器官官区(planning organ at risk volume，PORV)。,（三）危及器官及其剂量,危及体积(risk volume，RV) 指危及器官OAR卷入射野内并受到一定剂量水平照射的范围，RV的大小和受照射剂量水平直接关系到该器官因照射引起的可能的损伤即正常组织并发症概率(NTCP)的大小。 因此，在计划设计时，应注明RV的范围及其相应的剂量大小。 例如： 左肾剂量21Gy;或左肺剂量最大53Gy;40肺组织剂量高于25Gy等。,射野设
17、计是肿瘤放射治疗计划设计中的极其重要的一环，它既要体现主管医生对具体患者的治疗要求，又要考虑到治疗计划执行过程中，治疗体位的可实现性和重复性，以及机器所能提供的极限条件。这就要求临床医生和放射物理工作者共同参与治疗计划的设计，使其射野设计更好地满足临床和物理学两方面的要求。,第三节 照射技术和射野设计原理,体外照射常用的照射技术有：固定源皮距(SSD)技术，等中心定角(SAD)技术和旋转(ROT)技术三种。,一、体外照射技术的分类,图814 SSD、SAD照射技术示意图,固定源皮距照射 是将放射源到皮肤的距离固定，不论机头在何种位置。在标称源皮距下，将治疗机的等中心放在患者皮肤上(A点)，而肿
18、瘤或靶区中心T放在放射源S和皮肤入射点A两点连线的延长线上。,该技术摆位的要点是机架转角一定要准确，同时要注意患者的体位，否则肿瘤中心了会逃出射野中心轴甚至照射野之外。,等中心定角照射 是将治疗机的等中心置于肿瘤或靶区中心T上。其特点是，只要等中心在肿瘤或靶区中心T上，机架转角的准确性以及患者体位的误差，都能保证射野中心轴通过肿瘤或靶区中心。 该技术的摆位要求是保证升床准确。,旋转(ROT)技术 与SAD技术相同，也是以肿瘤或靶区中心为旋转中心，用机架的旋转运动照射代替SAD技术中机架定角照射。 由于模拟定位机的普遍采用，多数钴60机和医用加速器都是等中心旋转型，加之SAD和ROT技术给摆位带
19、来的方便和准确，SAD技术应用越来越多，SSD技术只是对姑息治疗和非标称源皮距离照射时才使用。,典型的百分深度剂量曲线可分三个区：剂量建成区（表面dmax），区宽随射线能量增加而增宽，剂量变化梯度较大；治疗区（dmaxd90或d95)，剂量变化梯度较小；剂量跌落区（d90或d95以后)，剂量突然下降。 若肿瘤落在治疗区内，能量选择合适，单野照射可在靶区内获得较好的剂量分布。若将靶区后缘深度d后取在90或95剂量线，电子束能量可近似选为：,二、高能电子束射野设计原理,其中23 MeV为选用不同大小射野和适应加速器上电子能量设置所加的调整数。 按电子束射野内平坦度和对称性的要求，射野大小一般取计划
20、靶区横径的1.18倍。 随着电子束能量的增加，皮肤剂量和肿瘤后面正常组织的剂量也增加，因此临床常用的电子束能量不能太高，425MeV较为理想，而且单野照射比多野照射优越。,高能X（）射线典型的百分深度剂量曲线特点是：最大剂量点深度dmax将曲线分成剂量建成区和指数吸收区两部分。 因剂量建成区内剂量变化梯度较大，剂量不易控制，靶区应放到最大剂量点深度之后。,三、X（）射线射野设计原理,（一）单野照射,若用单野照射，由于百分深度剂量随深度呈指数递减，靶区范围较大时，靶区内剂量分布很不均匀，除非靶区范围很小（如治疗颈、锁骨上淋巴结）时，可使用单野照射外，临床上不主张用单野治疗。 用单野照射时，也应将
21、病变放到dmax之后。如果病变深度较浅，X射线能量较高时，应使用组织替代物放在射野入射端的皮肤上，将dmax深度提到病变之前。对靶区较大的病变，应该用多野照射。,对偏体位一侧病变，例如上颌窦癌等。两平野交角照射时，剂量分布如图8-15（a）所示，靶区剂量不均匀。用适当角度的楔形滤过板，可使靶区剂量均匀。当选用楔形角与两射野中心轴的交角满足=90-/2条件时，可在两野交叉形成的菱形区内得到均匀的剂量分布，如图8-15(b)。,（二）两野照射,两野交角照射,根据临床要求，适当增减楔形角的大小，可分别在射野远、近端得到偏高的剂量。,对中位病变，一般采取两野同轴对穿照射。 两野对穿照射的特点是，当两野
22、剂量配比相等时，可在体位中心得到左、右、上、下对称的剂量分布(图8-17)。,两野对穿照射,轴向的剂量分布要比横向的好，因此要将射野适当扩大才能满足靶区剂量均匀性的要求。,图817 两野对穿照射的剂量分布（Dm1：Dm21.0：1.0）,另外靶区剂量与靶区外正常组织剂量之比即治疗增益比，亦随射线能量和射野间距变化。射野间距越小，射线能量越高，治疗增益比越大。 要使靶区剂量比两侧正常组织剂量高，拉开肿瘤剂量和正常组织剂量范围，得到大于1的治疗增益比，一般应使每野在体位中心处的深度剂量PDD1/2间距75。,当靶区所在部位有组织缺损而又必须用两野对穿照射时，如乳腺癌的切线野照射(图818)、喉癌的
23、两野对穿照射(图819)等，必须加楔形板，对线束的进行修整以获得特定形状的剂量分布。,由于射线的能量原因，两野对穿照射时其百分深度剂量不能满足要求。这时，应设立第三野，形成三野照射。 建立第三野之后虽然提高了靶区剂量，但由于单野剂量分布的不均匀性，与两野对穿照射致成的对称形剂量分布叠加，在靶区内形成不均匀的剂量分布(图8-21)。,（三）三野照射,三野照射,改进方法： 首先，设法使对穿野均匀对称的剂量分布变成不对称的分布（图822(a)） ，即从第三野的方向看，造成一个深度剂量随组织深度增加而增加的剂量分布。 然后，与第三野的实际剂量分布合成，形成图822(b)的均匀的靶区剂量。（楔形滤过板可
24、以实现这种要求，注意楔形角和各野剂量配比）,靶区附近有重要器官而不能使用四野照射技术。,图8-22所示的三野照射技术，因以下情况而得到普遍采用：,靶区位于体位中心而不能使用两野交角照射；,两野对穿照射因不能得到较高的射线能量，射野间距又很大，不能获得大于1的治疗增益比；,在病变(靶区)和重要器官间设立“安全线”。如图823所示，胰腺(靶区)周围的重要器官中，首先要保护的器官应是双侧肾及脊髓，同时要兼顾到小肠及胃的受量。显然“安全线”应置于图示AA的位置。,三野技术中射野方向的设置步骤为：,过靶区中心作B-B的垂直线OC，确定第三野的入射方向。 射野方向确定后，根据每个射野在靶区中心的百分深度剂
25、量，计算出对穿野应使用的楔形板的楔形角和每个野的剂量配比。,过靶区中心作“安全线”的平行线B-B。B-B即为对穿野的方向。,对食管肿瘤，靶区位于两侧肺之间，后面有脊髓，都是需要保护的重要器官，存在互相垂直的三条“安全线”。,三野交角照射,如果要保护肺，只能采用高能射线两野对穿照射，脊髓会受到与食管一样的甚至更高的剂量；,但当病变位于中下段时，因靶区位于体位中心，很深，需用平行于AA“安全线”的对穿野。因食管野都很长(1216cm)，用平行A-A的对穿野，意味着几乎全肺受到与靶区同等剂量的照射。,如果要保护脊髓，当病变位于上段或颈上段时，因靶区较浅，可用两野交角照射技术，肺的受量也不会太高。,因
26、此，对食管部位肿瘤，为了避免两侧肺的过多照射和减低脊髓受量，采取图8-26所示的三野交角照射。两后野因交角形成“内野”形剂量分布，与前野构成一个相对照射野，故在靶区形成均匀剂量分布。,四、相邻野设计,临床上若肿瘤面积很大，照射野不够大，不能满足治疗需要时，需要两野或两野以上的照射野进行照射。例如霍奇金氏病治疗中的斗篷野与倒Y野相邻（图8-29）等。 两野之间如何衔接问题：由于射野相邻，会发生射野相接处超剂量或欠剂量，造成严重的放射并发症或肿瘤的局部复发。,图830(a)利用两共面相邻野彼此沿相邻方向向外倾斜的方法，克服射野扩散角的影响。,图830(b)利用两共面相邻野在皮肤隔开造成一定深度处剂量均匀，其射野间隔可按射野几何扩散度或等剂量线相接方法进行计算。,图830(c)利用半野挡块或独立准直器将其射野扩散度消除。 图8-30(d)利用“半影产生器(特殊楔形挡块)使其射野相邻处剂量分布均匀。,1. 临床要求 治疗比，治疗增益比，肿瘤致死剂量，正常组织耐受剂量2. 临床剂量学原则及靶区剂量规定 临床剂量学四原则，各种能量X()线剂量学特点，各种能量电子束剂量学特点，肿瘤区，临床靶区，计划靶区，治疗区，照射区，靶剂量规定点，危及器官3. 照射技术和射野设计原理体外照射技术分类，高能电子束射野设计原理，高能X()射线射野设计原理，相邻野设计，不对称射野,小结：,
