适形调强放疗课件

适形调强放疗(一)适形放射治疗目的和意义:使高剂量分布区的形状在三维方向上与靶区(PTV)的形状一致的一种放疗新技术,称之为三维适形放疗(3DCRT)

适形可减少周围正常组织和器官卷入射野,可导致靶区处方剂量提高同时减少周围正常组织并发症.靶剂量的提高能提高肿瘤的局部控制率.放射治疗与手术治疗同是一种局部治疗手段.达到剂量三维适形的条件及调强放疗1.在每个照射方向上,射野的形状必须与靶区形状一致---狭义的(经典的)三维适形放疗3DCRT.2.要使一些靶区和危及器官相邻,甚至包卷的情况,单纯外形的相适,不能使高剂量分布与靶区一致而又避开危及器官.此时要求每个射野内的剂量能按一定的要求进行调整,即每个射野内各点的剂量相对强度能按要求作调整,或者说,对射野内不同部份施以不同的剂量权重,即进行调强.才能达到高剂量与靶区适形而又保护了危及器官.图1为一示例.同时满足以上二条件的称为三维(适形)调强放疗3DIMRT.调强是适形的改进,调强是进一步的适形,是广义的适形.图2说明常规射野,适形射野及适形调强射野之间的区别.应注意:调强为适应一些特殊的情况.即危及器官难以躲避的情况(有文献认为可能有30%这样的病例).调强的实现有一定的难度,也可能带来一定的风险.实施起来也较费时,费事.不应盲目追求先进而滥用调强.适形与调强的实现1.单纯适形a.电子线:低镕点(约70度)铅模块易成型不规则形状射野,可作静态适形.成份:50%铋26.7%铅10.0%镉13.3%锡透射5%所需厚度:6MeV—2.3mm9MeV—4.4mm12MeV—8.5mm16MeV—18.0mm20MeV--25.0mmb.铅或钨钢挡块对X射线仅作简单近似适形.c.X射线静态适形的方法—手动多叶准直器(MLC)(多叶光阑).方便用于多野静态适形,也可用于立体定向(体部)多野照射.图3示一种附加于加速器上的手动MLC.胶片3.d.电动多叶准直器(包括气动)—可作多野静态适形,也可作多野动态适形(即边出束边适形).也是实现调强的主要方法,已成为加速器新技术主要附件.多叶准直器的结构4)叶片的截面设计为降低叶片相邻间的漏射线,侧面多用凹凸槽互嵌结构,或采用台阶式结构.横截面应为梯形结构,下宽上窄.因射线为一个以X射线靶为顶点的园锥,梯形侧面才能与射线平行,以减小穿射半影或构成无穿射半影的双聚焦结构.5)过中线设计叶片的运动行程应尽可能大些,至少应过中线一定距离,以便形成各种形状的射野,达到各种适形调强的实现.3.叶片的控制:常见由微电机驱动,需一套计算机控制的电路.4.多叶准直器的检验及质量保证.多叶准直器的叶片多,运动控制较复杂,是适形放疗,特别是调强放疗质量保证的基础,是必须作的工作.MLC的分类

1.手动电动2.外挂式内置式1)外挂式的优点:不影响原加速器,可附加于多种不同加速器上.手动MLC均为外挂式.缺点:受体积与重量的限制(射野大小受限);此外,外挂电动MLC的控制电路必须与加速器连结,要代来一些对加速器的改动,虽有产品,应用不广.2)内置式均为电动MLC.只有厂家对加速器改动才能做成内置式.国外一些大公司均有代内置电动MLC的加速器,并配置软件(计划系统)作适形调强.MLC的应用1.常规放疗中取代挡块构成非规则形状射野.手动,电动均可.2.非共面多野适形照射.手动,电动均可.如体部立体定向治疗.如用挡块,制作及固定均很难.3.旋转适形照射.旋转中跟踪改变射野形状以适应不同方向靶区形状的改变.只有电动MLC可完成.4.调强(适形)放疗.(二)实现(适形)调强放疗的方法物理补偿器法常规放疗中使用的射束挡块,楔形过滤器,二维补偿器都是调强手段—按需要改变野内的剂量分布.

由具有逆向设计能力的计划系统,计算出立体方位上每个适形野需要的剂量分布及对应的野内各处需用的组织补偿器的厚度,再制作出每个野相应的补偿器进行照射,即构成三维调强.这是一种多野静态调强.

补偿器由计算机控制的补偿器生成装置自动加工制成.如图示（胶片）.也可由铅片手工堆砌粘贴构成.

优点:简单易行,直观可靠缺点:制作费事,需要自动加工装置.摆位不便;射野多,执行难.

不能作动态调强.

3.MLC动态调强1.与静态调强对应,动态调强出束时MLC叶片一直在运动.2.应用对应的一对叶片(常称之为引导片和跟随片)的相对运动实现野内剂量的调制.出束时,一对相应叶片总向一个方向运动,二者间构成一个照射窗口,在计算机控制下窗口”滑”过靶区,故又称之为滑窗式调强.控制二个叶片的相对位置及停留时间可实现剂量强度的调制.每对叶片均如此滑过,形成整个射野内剂量分布的调制.3.由某种算法,计算机将叶片位置作为每个射野出束时间(即剂量跳数MU)的函数,将需要的剂量分布转换为叶片位置.窗口的大小和叶片运动速度都按需要由计算机控制不断调节,以便产生窗口滑过的区域内各点予定的剂量.

5.步进式(index)断层调强1.nomos公司专用调强MLC,称为MIMiC.由二组叶片构成,每组20片,每片在等中心处投影为10mm,每组形成一个宽2cm,长20cm的矩形条野.每个叶片由气动控制,总处于开或关的状态,可在此条形野内进行剂量强度调制.2.MIMiC为外挂式,可通过附件插槽安装于加速器机头上,如图6(胶片)示,右图为上视图.3.加速器旋转照射时,二个(或一个)条形野构成一个断层(切片)治疗(每片宽2cm或1cm),同时每个叶片在按需要进行不断地开或关的动作,以构成此切片的调强治疗.治疗床可带动患者向前步进,以完成下一个切片的调强治疗.旋转调强—步进过程持续进行,直到治疗完整个靶区.图7(胶片)示意这种旋转—步进治疗过程.4.治疗床步进的精度决定相邻二条形野剂量的衔接,治疗床步进精度要求高.nomos为此专门设计了配合MIMiC使用的控制治疗床步进精度的装置,称Crane,由一根立柱支撑二个滚珠轴承驱动臂,臂上有电子数字刻度.Crane附着于治疗床上,通过调节驱动臂的位置来移动治疗床.Crane本身精度达0.1mm步进,安装于治疗床上后,能提供0.5mm以内的可选步进.只有使用Crane保证治疗床步进精度后,导至的剂量不均匀度可达3%以内.5.NOMOS的调强机(孔雀)是世界上第一台调强设备.但由于相邻条野剂量衔接受质疑,Crane的使用带来不便,气动阀门躁音大,治疗时间也较长,被采用日少.7.电磁扫描调强

1.电磁偏转扫描是一种极好的调强方法.使射束对射野进行逐个单元扫描,便于控制野内各处的剂量分布实现调强.提高了射束的利用率,缩短了治疗时间.电磁偏转扫描还可用于质子调强(见参考书第四章第七节)2.代表商品为MM50电子回旋加速器(Microtron).如图9(胶片)(详见参考书第四章第五节).采用电磁偏转扫描实现电子束和光子束的调强.它的MLC只用作射野的适形.治疗头内两对正交偏转磁铁控制电子束在两个正交方向上在射野内扫描调强.用X射线治疗时,控制电子束的打靶方向,形成X射线笔形束进行扫描调强.3.优点:a.二种射线(电子,光子)调强.还便于二种射线混合治疗.b.电磁扫描速度快,比MLC叶片机械运动快得多.治疗时间短.MLC只作适形,检测和质保较易.c.电子回旋加速器提供高品质的射束,能量单一,能得到较尖鋭的笔形束.窄束扫描调强,用MLC布野是较理想的适形调强方法.(三)逆向治疗计划

1.常规放疗---正向计划:人工选取参数,依赖于设计者的水平和经验.方案可接受,但不一定最佳.2.逆向计划:新技术治疗参数太多,尤其调强.人工优化难于实现.1988年Brahme提出逆向计划的概念---由予期的物理目标函数(剂量分布)或生物学目标函数,由计算机(算法)确定出优化的治疗参数.3.逆向计划及其算法涉及复杂的数学和计算技术.以数学式表示,如剂量分布D通过一个矩阵算子M与一组射束权重ω相关:D=M·ω这里M是一个矩阵,它包含每一个射束单元与每一个剂量单元之间的所有剂量学关系.则逆向运算为:ω=M-1·D这只是概括的数学表达.直接完成运算十分困难.方程的求解是不确定的.可能无解,也可能出现多个解,也可能出现无意义的负值解.必须附加一些条件,借助一定的算法使其可解.

目标函数与优化算法

目标函数和优化算法可参考参考书的第十章第三节的介绍,要意如下:1.目标函数表达治疗要求实现的目标,对运算给予一定的限制.目前有物理学目标函数及生物学目标函数二种.2.物理目标函数:通过限定靶区和危及器官应达到的剂量分布来实施剂量分布的优化.根据放疗剂量学原则,量化后应包括下列内容:1)靶区及重要器官内的平均剂量;2)靶区内剂量的均匀性;3)靶区内最低剂量;4)危及器官内的最高剂量;5)靶区与治疗区的适形度.3.生物目标函数限定应达到的治疗结果,通常表达为最大的肿瘤控制率(TCP)同时维持正常组织并发症(NTCP)到可接受的低水平.或达到无并发症的肿瘤控制率PUTC最大.*理论上,生物目标函数与治疗结果相关,应当是最佳优化,但实际上,生物目标函数尚达不到实用要求,目前仍广泛地采用物理目标函数.4.优化算法涉及复杂的数学.参考书第十章第三节介绍了大意.对逆向计划的认识

逆向计划及其算法涉及复杂的数学及计算技术,放疗工作者需了解其大概.我们应了解如下几点,,对调强的逆向计划和优化算法有较全面的认识:1.要实现调强放疗必须有逆向治疗计划软件(系统).2.逆向算法的结果只是数学上的优化,并非真正物理学上的优化..理想的处方(即靶区内剂量高而均匀,而靶区外无剂量)实际上是做不到的.如计算出的某些解应为负值才是最佳结果,即要求射束在某些方向给予负的剂量,这是不可能的.数学运算中处理的方法是舍弃这些解或强行将负值解均置零.因而只是近似优化解.3.目前大部分逆向计划仍采用物理目标函数,即以要求的剂量分布为基础.生物学目标函数仍不能实用.即目前调强优化仍缺乏生物学基础.优化结果不能等同于优化的治疗效果.但优化提供了所予期的较好的剂量分布,提供了优良疗效的可能性.4.目前大部分逆向计划仍需人为干预.最常见的是预先人为选定射野数目及入射方向,再进行有条件的优化计算.因为逆向计算的解往往倾向于从所有3600方向施以不同的照射,也倾向于旋转治疗而不是多个固定野照射.而放疗专家往往不同意这种纯数学的结果:为什仫旋转治疗就优于不同方向的几个固定野?放疗经验已证明,4~6个固定野所得剂量分布基本与旋转治疗相同,治疗效果也无差别.入射方向也容易选取.这种人为干预将简化计算.(四)调强治疗的验证1.调强技术较复杂,目前还不完善.治疗前的质保与验证十分重要.普偏认为,对每例调强治疗患者均进行治疗前的验证是十分必要而明智的