放射物理学剂量学及放射治疗方法系统.docx
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放射物理学剂量学及放射治疗方法系统
放射物理学、剂量学及放射治疗方法系统（总40页）
第一章放射物理学、剂量学及放射治疗计划系统
第一节现代三维适形放疗的发展和分类
第二节多叶光阑（MLC）
一、MLC的一般特性
二、MLC半影与叶片位置设置
三、MLC与适形铅挡块的比较
四、MLC的临床使用
第三节射束强度调制方法
一、物理补偿器
二、MLC静态强度调节（StepandShoot,SMLC-IMRT）
三、MLC动态强度调节（dynamicMLC-IMRT,DMLC-IMRT）
四、强度调节旋转治疗（intensitymodulatedarctherapy，IMAT）
五、断层扫描治疗方式（Tomotherapy）
六、扫描束治疗（pencilbeamscanning）
第四节放射治疗中的图像处理技术
一、解剖或功能图像
二、图像处理
三、治疗计划系统中图形的可视化
四、与治疗计划设计相关的图像
第五节三维适形放疗的体积与剂量规范
一、体积规范
二、吸收剂量规范
第六节三维治疗计划及治疗评估
一、三维治疗计划的计算模型
二、治疗评估
三、组织放射效应的生物模型
四、逆向治疗计划与优化
第七节体位固定技术和治疗验证
一、病人体位固定技术
二、治疗验证
第八节质子放射治疗的进展
第一节现代三维适形放疗的发展和分类
适形调强放射治疗是目前放射治疗界的热点，它综合地体现了放射治疗在技术上的新进展。
1965年，日本学者高桥（Takahashi）首先提出了旋转治疗中的适形概念。
Proimos等在1970年代和1980年代初报道了采用重力挡块进行适形放射治疗的方法。
随着计算机技术的飞速发展和图像技术的介入，三维适形治疗极大地改变了常规放射治疗的面貌。
适形放射治疗是用增加剂量分布的适形度来减少晚期重度放射损伤并发症。
有学者认为，三维适形放射治疗（3-dimensionalconformalradiationtherapy，3DCRT）和调强放疗（IntensitymodulatedradiotherapyIMRT）与其说是一种技术（technique），毋宁说更是一种过程（process），一种综合医学影像、计算机技术和质量保证措施的现代放射治疗流程。
为达到剂量分布上的三维立体适形，必须要求：
①射野形状与靶区在该射束方向上的投影形状相同；②射野内各处束流强度能按所需方式调整。
满足第一个条件的放射治疗一般称为适形放射治疗，同时满足上述两个条件的放射治疗称为调强放射治疗。
3DCRT也被认应代表二十一世纪放射治疗的方向。
为达到上述要求，一方面是采用快速而实用的方式使计算机系统生成与计划靶体积（PlanningTargetVolume,PTV）在射野方向上的投影一致的射野形状，另一方面是在射野内调制强度分布。
在“适形放疗”的名义下，实际上各单位的具体实施方法大相径庭。
一方面，这是由于对“适形放疗”至今尚未有一个明确的界定，并且，各相关领域的发展也在不断地刷新着适形放疗的内涵。
另一方面，各单位所具有的设备、人力资源也不尽相同。
表1－1根据治疗过程每一阶段的方法和手段试图对适形放疗作一个分类[1、2]。
表1-1适形放疗的分类
特征分类
0
1
2
3
病人数据获取
固定装置
无
可有可无
个体模具或立体定向框架
个体模具或立体定向框架
图像系统
定位片＋轮廓仪
定位片±分立的CT层面
连续薄层或螺旋CT
多种模式的图像合成
（CT，MRI等）
解剖数据的参照
床面＋人体中线（可有可无）
床面＋人体中线
外部标记或框架系统
植入性标记或框架系统
关键器官的轮廓
迭加在外轮廓上
个别层面上的轮廓
逐层勾勒轮廓
三维分解轮廓
不均匀性
迭加在外轮廓上
个别层面上的轮廓
逐层勾勒轮廓
三维分解轮廓
GTV
辨别＋迭加在外轮廓上
个别层面上的轮廓
逐层勾勒轮廓
三维分解轮廓
CTV
临床辨别
手工画在平面上
机械地根据一定
的边界值扩展
根据GTV和生物参数自动
决定在三维空间中的形状
ITV
没有这个概念
临床近似
确定的边界＋解剖边界
基于运动的定量分析
设置射野
射野设置
±不确定性
射野边界的
增大任意
PTV＋任意边界
PTV＋定量的边界
剂量模拟变化的统计结果
射线类型和
射线调整
强度均匀的
光子或电子
光子和/或电子，
楔形滤片
光子（±电子）
±补偿片
调强光子
射野方向
共面
共面
非共面
动态非共面
等中心
SSD或SAD技术
（手工设置）
SSD或SAD技术
（手工设置）
SAD技术
（自动定靶区中心）
SAD技术（自动根
据剂量计算找中心）
限束装置
矩形野
标准挡铅
个体化挡铅或MLC
动态MLC
射野形状决定
解剖标志＋胶片
定位片＋CT片
BEV中手动
或自动布野
BEV中自动计算
剂量计算和
算法模型
算法模型
1D（线）
无不均质修正
1D或2D（层面）
±不均质修正
2D或3D（体积）
＋不均质修正
3D或4D（动态）＋
不均质修正和边界修正
治疗计划评估
单一层面剂量分布
多平面＋
CT剂量分布
任意平面剂量分布＋DVH
等剂量面/结构＋DVH
＋TCP＋NTCP
计划优化
无
逐步试探＋
目测评估
逐步试探＋评分函数
逆向问题求解
治疗复核与
治疗实施
治疗前模拟机复核
可有可无
有（有时伴有
病人数据获取）
推荐
由BEV治疗室视观取代
治疗固定装置
无
可有可无
个体化模具或
立体定向框架
个体化模具或
立体定向框架
摆位辅助
激光＋光野
激光＋光野
激光（±光野）
采用参照物＋计算机控制
病人摆位
皮肤标记
坐标＋皮肤标记
采用与病人相关参照（框架标记）
采用与病人相关参照
（框架标记）
图像复核系统
无
初次治疗
射野摄片
治疗摄片和/或EPID
EPID或治疗室内X摄片
参考图像
/
模拟定位片
虚拟模拟±DRR
虚拟模拟±DRR
记录验证系统
无
个别治疗机
的优化连接
网络系统的一部分
为动态治疗的安全而强制使用
在体剂量测量
无
可有可无
推荐使用TLD或半导体剂量仪
TLD＋半导体＋EPID剂量仪
SSD:
源皮距;SAD:
源轴距;MLC:
多叶光阑;BEV:
治疗室视观;DVH:
剂量体积直方图;REV:
治疗室视观;EPID:
电子射野成象设备;DRR:
数码重建图象;TLD:
热释光剂量仪.
根据表1-1，一般可以认为满足2类特征的治疗可算作为适形放疗，而3类特征基本上代表了适形治疗未来发展的一个趋势。
当然，这仅仅是一个粗略的划分，而不是精确的界定。
目前更多的情况是有些适形治疗虽然不具备2类的全部特征，却同时采用了一些属于3类的技术。
第二节多叶光阑（MLC）
一、MLC的一般特性
MLC有很多优点，如较适形铅挡块省三分之二的时间，不污染环境，不需要在加速器托盘上调整挡铅块，不需进入治疗机房就可改变射束形状，较铅挡块的精度明显提高，减少了人为因素误差，因而在临床上正逐步代替铅挡块大量用于适形野照射。
而且MLC在旋转照射中射束的形状可动态改变，在计算机控制下可实现射束的强度调节，实现IMRT照射。
MLC叶片一般由钨或钨合金制成，叶片断面是凹凸槽结构，以降低叶片间的漏射线。
当然相对叶片合拢时端面间也存在漏射线。
MLC一般由20至60对叶片组成。
图1-1显示的是美国瓦里安（Varian）公司加速器上装置的60对叶片MLC。
图1-1.美国瓦里安（Varian）公司加速器上装置的60对叶片MLC
MLC叶片一般做成双聚焦结构，叶片一方面在端面做成梯形发散状，梯形两边向上延长线相交于源点，另一方面不同端面成发散状也会聚于源点。
MLC的单个叶片运动范围应能跨过射束中线若干距离。
MLC叶片位置控制及叶片位置的验证十分重要，特别是在不同机架角度检验由于重力影响造成叶片位置的改变。
MLC有手动式，也有电动式。
电动MLC每个叶片由一个电机驱动，通过丝杆将旋转运动变成叶片的直线运动，运动速度在0.2至50mm/秒范围内，一般采用1至2cm/sec。
图1-1所示的Varian加速器60对叶片的MLC叶片穿透率约为2.5%，叶片最大运动速度为每秒1.5cm/sec，在等中心处叶片位置精度为正负1mm，等中心旋转误差在1mm半径内。
1992年Boyer[3]测量Varian的26对叶片的MLC。
该MLC每叶片投影到等中心处宽度为1cm，能过中心16cm。
测得的6MV的深度剂量曲线与规则野的差别在1%以内，提示着传统的深度剂量曲线可适用于MLC。
实际上，MLC射野处方剂量计算基本上可以按挡块形成的不规则射野处理，即可以采用面积周长比法、Day氏[4]法或Clarkson[5]积分法。
面积周长比法较简单，Day法和Clarkson积分法准确程度较高。
当计算点位于射野中心区域未被遮挡时，应首选面积周长比法；当计算点靠近射野边缘或位于遮挡区域时，若叶片对数较少，可考虑采用Day法，若叶片对数较多，可考虑采用Clarkson法。
二、MLC半影与叶片位置设置
MLC叶片有一定的物理宽度，形成锯齿形射野边界，叶片边缘形成的等剂量线近似为正弦波形。
图1-2是用胶片剂量仪测量的半影图像。
图1-2用胶片剂量仪测得的半影图1-3MLC有效半影的定义
MLC的半影是一个复杂的问题。
将MLC设置成叶片与轴成45°角，用胶片剂量仪在组织最大深度和10cm深度（均作等中心）测量半影，定义“有效半影”为80%等剂量线的波峰和20%等剂量线，或90%等剂量线的波峰和10%等剂量线的波谷之间的距离，如图1-3所示。
换言之，有效半影是指正弦等剂量曲线波峰处的切线与第二条正弦曲线在波谷处的切线间的距离。
芝加哥大学[6-9]测量了VARIAN40对叶片和６0对叶片MLC的有效半影。
测量采用6MV光子束，射野大小为15x15cm，胶片分别放在30×30cm固体体模的1.5cm（SSD=98.5cm）和10cm（SSD=90cm）深度处，让MLC分别形成45°和15°锯齿边缘，均照射100cGy剂量。
校正胶片是在5cm深度分别照射0，25，50，80，100cGy剂量。
用Vidar扫描仪扫描胶片并用自制软件处理结果，并在深度1.5cm照射的胶片上分别绘出10%,20%,50%,
80%和90%的等剂量线，如图1-4所示。
结果是，在1.5cm深度，MLC边缘呈45度时，80叶片MLC的有效半影（均指20%-80%曲线）为8.0mm，120叶片MLC的有效半影为5.5mm；MLC边缘呈15度时，80叶片MLC的有效半影为6.0mm，120叶片MLC的有效半影为5.0mm。
在相同条件下测得的铅挡块半影为3.5mm。
图1-4芝加哥大学测量的４0对叶片和６0对叶片MLC的有效半影。
从图1-4也能看出，等效半影中50%的正弦形等剂量线的波动幅度最大。
与以往半影概念不同，有效半影是一个局部概念。
此外，三维治疗计划系统必须考虑锯齿状半影并采用1mm的间隔进行卷积计算剂量。
临床设置叶片位置有四种方法，即按叶片端面与靶区边界的几何相交方式的内交方式（in-field）、中点交方式（cross-boundary）和外交方式（outoffield）以及从剂量学考虑保证50%正弦形等剂量曲线绕靶区边界的方法。
内交方式对靶区周围器官组织有利，但有一部分靶区欠剂量；外交方式可保证靶区边缘有足够剂量，但会对靶区边缘外周器官组织受到更多剂量；中点交方式是介于二者之间，临床最常用，但由于靶区边界凸出部分远多于凹陷部分，因此靶区外被照面积常常大于靶区内被遮挡面积。
与适形铅挡块不同，准直器的转角会影响MLC叶片的运动方向和叶片位置的设置。
Brahme通过研究认为MLC叶片运动的最佳方向应该与靶区的最短轴平行，此时，靶区内组织和靶区外正常组织与MLC投影所围成的面积之和为最小。
三、MLC与适形铅挡块的比较
MLC的有效半影略大于铅挡块的半影，但临床使用时，随射束数目增加，并考虑摆位重复性的误差，MLC与铅挡块在半影上的差别已不大。
在所需时间方面，使用MLC较使用铅挡块节省6%至44%的时间。
一般而言，在射束数目较大时使用计算机控制的MLC要节省很多时间，但由于其复杂性，MLC的质量保证控制均要花费更多工作及更多的硬件支持。
四、MLC的临床使用
适形治疗已被证实可提高局部控制率。
为了描述适形度，Nedzi等1993年定义了“治疗体积比”（treatmentvolumeRratio,TVR），即计划靶体积（planningtargetvolume,PTV）与治疗体积（treatmentvolume,TV）的比值。
治疗体积可理解为至少是靶区最小剂量以上对应的等剂量面所包围的体积。
在完全的适形放射治疗中，TVR=1。
治疗体积一般包含有计划靶体积和另外的正常组织。
在一般情况下，共面与非共面照射的正常组织并发症概率（normaltissuecomplicationprobability,NTPC）结果很接近，但相对于共面照射，非共面照射能以较少的射束给出非常高的肿瘤控制概率（tumorcontrolprobability,TCP），换句话说，在满足临床要求时，使用非共面适形MLC能减少所用的射束。
但由于诸多原因，一般来讲，非共面照射射束不宜过多。
过去几十年里，立体放射治疗仅在伽玛刀上进行。
1980年代后期和1990年代前期开始在加速器机头上附加圆形准直器，采用单中心多个弧形旋转照射，生成球形高剂量区，代替伽玛刀治疗小球形脑部肿瘤；对非球形的肿瘤则采用多个旋转中心治疗，但这样会使靶区剂量很不均匀。
而现在对非球状肿瘤可用几个非共面固定方向的MLC或适形铅挡块射束进行单一同中心治疗，所形成的剂量均匀性也大大地好于圆孔多中心旋转治疗。
对理想的的球状靶区，一般用四个弧形旋转射束便可使靶区外正常组织的剂量降低到比较令人满意的程度；随着靶区最大径与最小径之比的增加（即肿瘤偏离球形程度的增加），所需的射野数应适当增加以保证周围正常组织的耐受。
应注意MLC能有效生成适形射野而很少使用矩形野，PTV与传统放射治疗的靶区有所不同。
此外，MLC也不适用于诸如“斗篷野”大照射野。
第三节射束强度调制方法
一、物理补偿器
过去，补偿器是用作“缺欠组织”的补偿，解决病人的解剖轮廓的改变及内部组织的不均匀性。
补偿器的原理是在射野内不同位置补偿器厚度不同，对射线产生不同衰减，从而得到预定强度分布的射束。
通过将一个如图1-5所示的物理补偿器在加速器托盘上，进行特定机架角度方向的照射，从而获得照射野的强度调节。
A
B
图1-5物理补偿器示意图（A）和实物（B）
该方法优点是可同时补偿整个照射范围，无电器机构运动，可能是唯一的能常规使用的方法。
缺点是费工费时，需要专门的补偿器的设计软件和三维的补偿器切割机，对每个射束需制造不同的补偿器，每个射野照射前需进入治疗机房更换补偿器，增加摆位时间和技术员劳动强度。
此外，补偿器作为一种过滤器，也会影响原射线的能谱分布。
补偿器设计时应注意最大厚度由最小穿透决定，补偿器各参数选择要适中，既保证一定精度又要便于制作。
随着计算机控制技术的普及及成本降低，该方法已逐步淡出放射治疗，但它却是最简单的调强放方法。
二、MLC静态强度调节（StepandShoot,SMLC-IMRT）
SMLC-IMRT是指由多个静态MLC射野分段照射叠加而形成一个最终的强度调节照射野，即由图1-6（A）、（B）、（C）等所示的若干个静态子照射野，每个静态子照射野用MLC形成不同的射野形状，在同一个固定机架角度方向进行照射，最终获得一个强度调节的照射野，如图1-7所示。
该方法要求MLC的每个叶片均能越过射束的中心轴。
图1-6MLC静态照射子照射野
图1-7用胶片剂量仪测得的一个MLC静态强度调节射野的剂量分布
SMLC-IMRT的关键要确定各子静态野中各对叶片的位置。
以其中任何一对叶片为例，其主要步骤是：
①将射野内二维强度分布按叶片的数量分解为每一对叶片下沿叶片运动方向的一维连续强度分布；②选择一个离散的强度间隔（强度阶梯值），对一维强度分布进行强度分级；③对一维连续强度分布再采样以获得数字阶梯式强度分布；④每个阶梯为一个静态射野，其左右叶片位置由该层阶梯与一维连续强度分布的交点决定；⑤为完成整个阶梯内的各个静态射野照射，“叶片扫描式”（leafsweep）和“叶片收缩式”（leafclose-in）两种不同方法均能达到完全相同的效果，照射时间基本相同；⑥在特定组织深度最终形成所需的剂量分布。
图1-8MLC静态调强中沿叶片运动方向强度分布的分级图1-9叶片收缩式静态MLC强度调节示意图。
该方法优点是叶片位置直观地对应于强度分布，一致的射束暂停时间允许所有层面同时进行强度调节照射，缺点是叶片重新设置新位置过程中要暂停照射，总照射时间应包括射束照射时间和叶片重新设置时射束暂停时间；虽然射束暂停时间很短，但仍将降低效率；重复开关动作可能使X射线出束不稳定；虽然带有“栅控”电子枪的加速器可以方便形成加速器射束的连续开关动作，但大多数加速器电子枪并未配置“栅控”装置。
对单峰形强度分布，SMLC-IMRT几乎接近MLC动态强度调节（滑行窗技术）（见下一段）；对于多峰形强度分布，MLC动态强度调节（滑行窗技术）明显优于SMLC-IMRT，但两者均优于物理补偿器技术。
SMLC-IMRT可采用“叶片收缩式”和“叶片扫描式”两者中的任一种方式。
将射野要求的强度分布进行分级如图1-8所示。
“叶片收缩式”SMLC-IMRT如图1-9所示。
十个子静态野照射形成图1-8所示的强度分布。
每个矩形代表一个子射野，矩形的左右垂直边分别代表子射野中该对光阑的左右叶片位置。
“叶片收缩式”也可理解为“叶片逐步关闭”。
“叶片扫描式”的SMLC-IMRT如图1-10所示。
十个子静态野照射形成图1-8所示的强度分布。
每个矩形代表一个子射野，矩形的左右垂直边分别代表子射野中该对光阑的左右叶片位置。
“叶片扫描式”也可理解为“叶片单方向逐步移动”。
图1-10叶片扫描式静态MLC强度调节示意图。
矩形的下面是该对MLC叶片的示意图，箭头所指是MLC该对叶片的左右位置。
SMLC-IMRT的精度很明显依赖于强度间隔的选择。
对复杂的强度分布也能用少量的静态射野组成。
每对叶片可以单独控制。
用MLC不同对叶片处理不同层面，与只用一对叶片处理一个层面相比，除了射束暂停时间可能不同，并没有增加额外的复杂性。
该方法甚至可能形成“野内屏蔽”的效果，而这是在动态治疗中很难实现的。
三、MLC动态强度调节（slidingwindows,或dynamicMLCIMRT,DMLC-IMRT）
DMLC-IMRT是指采用计算机控制MLC每对叶片的左右叶片向一个方向连续移动，左右叶片均能越过中心轴，不同时刻移动速度不一样，运动速度一般高于2cm/秒，移动分步完成，每一步组成一个照射野进行照射，各步照射叠加，形成所需剂量强度分布。
这种方法被称为“滑行窗技术”，也称为“照相快门技术”或“叶片追逐技术”。
同一对叶片可能会有许多种不同的叶片移动速度曲线产生相同剂量强度分布，实际工作中必须进行优化，根据实际最大叶片速度和最小总照射时间限制寻找一个最优的速度曲线。
有许多种优化方法，包括解析优化法、迭代优化法及根据经验得到优化结果等。
用图形方式来解释在固定机架角度方向上用动态MLC进行强度调节的实际过程。
图1-11A是希望得到的剂量强度分布。
图1-11Slidingwindow调强技术（A:
所需的剂量强度分布;B:
剂量强度曲线进行分段;C:
第一阶段照射示意图;D:
第二阶段照射示意图;E:
第六阶段照射示意图;F:
最后一个阶段（第15阶段）照射示意图;G:
最终所形成的剂量分布）
将所需的剂量强度曲线分成若干段，例如15段，如图1-11B所示。
图1-11C显示第一阶段照射，其中黄色小点代表MLC中该对叶片在每个照射阶段中左叶片（图1-11C中叶片A）的位置，红色小点代表MLC中该对叶片在每个照射阶段中右叶片（图1-11C中叶片B）的位置，第一个红色小点（-4.6cm）和第一个黄色小点（-2.2cm）组成第一阶段照射野进行照射，如图中粉红色部分所示。
第一阶段照射完成后，该左右叶片各自迅速移动到第二阶段位置，如图1-11D所示，进行第二阶段照射。
该阶段照射剂量如图中粉红色区域所示，以前所有阶段照射剂量累积如图中绿色区域所示。
第二阶段照射完成后，同样方式再进行第三阶段、第四阶段、第五阶段照射。
在第五阶段照射结束后，右叶片（叶片B）快速移动到下一个位置，即图11-D中红色小点从第一条下降曲线底部（-1.4cm）直接越过下一个峰的上升曲线而进入下降曲线（+2.4cm），左叶片（叶片A）（图11-D中黄色小点）从第5点（-3.4cm）进入第6点（-3.1cm），从而开始进行第六个阶段照射，如图1-11E所示。
这样通过若干阶段照射后直至最后一个阶段（第15阶段）照射，如图1-11F所示。
从而完成该对叶片的调强照射，使射野内剂量分布达到如图1-11G所示形状。
从图1-11G中可看出，希望获得的光滑的剂量分布曲线变成了实际获得的阶梯状剂量分布曲线，是因为叶片移动、停止（照射）、再移动这种循环过程所引起。
若每个阶梯很小，叶片可视为连续运动。
这种调强方式也被称为叶片追逐式。
用胶片剂量仪可以测量在同一个固定机架角度方向进行照射，通过动态叶片移动（滑行窗）方式最终获得的一个强度调节射野的剂量分布，如图1-12所示。
将图1-12与图1-7进行比较可以看出，DMLC-IMRT方式的剂量调强结果好于SMLC-IMRT方式。
图1-12用胶片剂量仪测得的一个动态MLC方式强度调节射野的剂量分布
DMLC-IMRT方式的一个特点是X射线在所有照射时间内剂量输出很稳定，光阑/叶片单方向连续运动，没有出束暂停周期。
该方式缺点是必须进行半影、散射、漏射影响的校正。
此外，由于MLC叶片移动速度曲线没有唯一解，故必须根据对速度和最小总照射时间实际限制寻找一个优化结果。
动态楔形板可视为只有一对叶片的动态MLC光阑强度调节。
Spirou及Chui[10]提出使加速器的束流输出强度随叶片空间位置作动态改变，即同时控制叶片运动的速度和改变射线剂量输出强度的方法来进行强度调节，称为动态MLC扫描光子束治疗技术。
该技术能使总照射时间明显缩短，但实际使用中输出强度的调节范围有一定限制，在Scanditronix公司生产的MM50加速器上实施时监测电离室的面积过小，叶片运动控制要与输出强度调制同步，从而对加速器控制技术要求更加严格。
目前该技术还未在临床上使用。
四、强度调节旋转治疗（intensitymodulatedarctherapy，IMAT）
IMAT是治疗机机架绕患者作N次等中心旋转，每一次旋转过程中，MLC一般每间隔一定角度改变一次射野的形状。
可以将一个强度调节旋转照射近似成许多个固定角度的静态调强子照射野，例如从0°至360°每间隔5°一个子照射野共72个子照射野，每个子照射野剂量强度分布如图1-9和图1-10所示又被分为N个（例如10个）照射野。
对每个角度而言，如0°，在第一次旋转照射中，完成
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