郭明教授组稿 | 张建英物理师：螺旋断层放射治疗简介

手术室老王

编者按：放疗的蓬勃发展发展得益于放疗设备及放疗技术日新月异的创新。精准化、数字化、智能化的放疗提高了患者的生存率，降低了放射损伤，改善患者生活质量。对于放疗团队的要求也越来越高，必须掌握医学、放射物理学、放射生物学和营养学等相关知识及最新学术动态，才能为患者提供优质的医疗。
【专家组稿】以匠心，敬初心。本期组稿由复旦大学附属眼耳鼻喉科医院放疗科郭明教授担任执行主编，特邀放疗领域专家进行学术观点分享，共计5期，以供交流。
第三期
执行主编：郭明教授
题目：螺旋断层放射治疗简介
作者：张建英复旦大学附属中山医院放疗科
专家简介

郭明 教授
复旦大学附属眼耳鼻喉科医院放疗科物理组长
中国装备医学协会放射治疗装备技术分会委员
中国生物医学工程学会精放分会物理学组青年委员
中华医学会会员
美国放射与肿瘤治疗学会（ASTRO）会员
美国医学物理学家协会（AAPM）会员
美国Fox Chase Cancer Center访问学者
发表国内外核心期刊十多篇
参与多项国际原子能机构（IAEA）和省市级课题。

张建英 物理师
复旦大学附属中山医院放疗科物理组长、高级工程师
南京大学物理系和物理专业理学学士
清华大学生物医学工程领域工程硕士
美国医学物理师协会国际会员
肿瘤放射治疗质量控制培训班（RTUP）教师
复旦大学附属中山医院远程医学教育课程教师
螺旋断层放射治疗发展
一、概念
螺旋断层放射治疗Tomotherapy（业内简称TOMO），是一种基于扇形束CT成像逆原理的放射治疗设备。
威斯康辛大学教授1993年在美国医学物理杂志发表了“Tomotherapy：A new concept for the delivery of dynamic conformal radiotherapy”[1]，正式提出了螺旋断层放疗和螺旋断层治疗机的基本概念。
他在文中提出，螺旋断层放疗的基本特征是：直线加速器装在类似CT的环形机架上；有一个初级准直器用于控制断层切片的厚度；次级准直器使用“或开或关”的二进制多叶准直器进行强度调制；在机架旋转的过程中，患者连续向机架方向运动，形成螺旋扫描的治疗模式。

简单说来：CT是结合已知分布的入射射线和探测器检测到的出射射线来计算人体内各组织对射线的衰减能力。这个能力既代表了人体组织的物理特性，也代表了人体组织对射线的吸收大小或射线在人体中的剂量沉积。而螺旋断层放疗与此相反，它根据人体组织的特性，通过对入射射线的强度调制在人体内形成医生给出放射治疗处方（即期望在人体中形成的剂量分布或能量沉积）。
二、进入临床
2002年到2003年间， Tomotherapy公司开发出的第一代螺旋断层放射治疗机Hi-ART通过美国FDA，正式进入临床，2002年8月21，全球第一例患者接受了治疗。2007年9月17号，我国第一台Hi-ART设备在解放军总医院投入使用。

进入临床使用后，虽然螺旋断层放疗表现出了相当多的优势，但是也有一些不足，像乳腺肿瘤治疗时间太长等等。在随后的10多年里，厂家陆续开发出了Helical H 和Radixact两种机型，开发出了Tomo Direct、Dynamic Jaw、Volo计算、ClearRT等新的技术。
其中比较重要的进步是Radixact机型。厂家把射波刀中Synchrony功能移植了过来，使得Radixact成为经FDA批准的、少数的，可以实现实时运动追踪照射的放疗设备。

设备技术特点

一、 调制能力强
当前调强放疗已经比较普及。所以我们知道，当一个设备对入射射线的强度调制能力越强，它就能够实现越复杂的剂量分布，也就是能够在保持靶区剂量均匀性的同时尽可能达到几何形状的适形，同时还能更好地保护危机器官，提高靶区和危机器官在剂量分布上的区分度。
螺旋断层放射治疗通过三个参数控制强度调制能力：断层厚度、螺距、调制因子。

断层厚度实际就是断层治疗时切片的厚度，减小这个厚度，显然可以提高患者头脚方向的照射分辨率。螺旋断层治疗机通常提供1.0cm、2.5cm、5cm三种切片厚度，当靶区形状在患者头脚方向变化比较大的时候，可以使用较小的切片厚度。
螺距指的是，机架每旋转一圈治疗床前进的相对距离。通俗地说，就是一个肿瘤细胞或克隆，从它进入切片到它离开切片机架需要旋转几圈。假如射线围绕肿瘤旋转的路径是一个弹簧，这个参数就代表了弹簧的疏密。也很明显，螺距变小，调制能力也将提高；因为在同一个切片里，一个肿瘤细胞将受到更多次多叶准直器的调制投照。
调制因子，是指二进制多叶准直器，最大叶片开启时间和平均叶片开启时间的比值。很直观，调制因子越大，意味着在机架旋转的瞬间，不同的叶片间开关时间的差异就越大，当然调制能力也越大。
在2009年前后，基于环形机架结构的螺旋断层放疗和基于C形臂技术的容积旋调强技术（VMAT或RapidArc）展开了技术争辩。比较典型的文献是Thomas Bortfeld and Steve Webb 发表的“Single-Arc IMRT?”[2]。

在这个文献中，作者认为，单弧的容积调强在复杂病例情况下能力不足，治疗效率和计划质量存在冲突。随着时间的推移，临床通常认为螺旋断层放疗调制能力强，计划适形度和均匀性相对较好，但治疗效率和射线利用效率不高；对于复杂计划，VMAT可能需要使用多弧的进行计划设计。
二、 图像引导
虽然螺旋断层治疗机原始概念里包含了同环的KV级CT，但是一直到Radixact-ClearRT技术发布后才正式实现这一目标。长期以来螺旋断层治疗机一直使用的是与治疗射线同源的MV扇形束CT。
目前普通直线加速器使用的大多数是KV级锥形束CT（CBCT），或者串列式KV级扇形束CT（如联影或西门子加速器）。无论哪种技术，由于图像引导的射线源和治疗使用的射线源不一致，会在图像引导过程中引入两个系统性偏差。一是图像引导系统中心和治疗机中心之间的不一致；二是图像引导系统坐标系统与治疗机坐标系统之间的旋转偏差。在螺旋断层治疗机上，由于同源的设计，这种偏差就会很小。
当然，MVCT的图像质量和KVCT的图像质量还是有所差别，软组织对比度不如KVCT。Chan, M等在他们的论文“Evaluation of imaging performance of major image guidance systems”[3]中进行了对比分析。他们认为在吸收剂量为2-3cGy的条件下，螺旋断层治疗机的图像质量完全可以满足治疗摆位验证的需求。

事实上，在螺旋断层治疗机的早期时代，Hi-ART的机架、图像探测器、重建算法都是直接使用普通CT机的部件。在厂家推出Radixact机型后，这些部件已经专为螺旋断层重新设计过，MVCT的图像质量也得到了进一步提升[4]。

三、 整合的体系
螺旋断层放疗由于其技术的特殊性，所以它的体系相对独立和完整，包括它的数据库、治疗计划、质量控制等等各个子系统都和常规以直线加速器为基础的放疗体系有很大的不同。厂家自称“单一系统、单一能量、单一方式、单一摆位可以治疗100%的病种”。虽然有点夸张，但也能侧面反应了这种技术的闭环性能和整合特性。这样的体系既有优点又有不足，优点是系统体系比较完整，流程和方法都比较固定和固化，学习比较简单；缺点是体系比较封闭，临床的改进需求反馈比较慢，不太容易很快实现临床物理师相关改进的想法。
以质量控制体系为例。螺旋断层治疗机的机械体系主要就五部分：加速器、初级准直器JAW、MLC、探测器和床。所以质控的主要目的就是验证各个机械系统和大机架的旋转平面和旋转中心是否对齐，再加上床的运动距离的检测和床、机架运动的同步性检测就可以了。螺旋断层放疗束流主要参考出厂的金标准，就是把当前的束流情况和出厂时候的金标准进行比对，看是否一致。螺旋断层放疗治疗机原来还自带了患者计划验证的模块。

随着螺旋断层放疗的普及，生产厂家也在逐步把第三方产品整合到它原来的体系中，比如现在Raystation的计划系统也可以设计螺旋断层治疗计划；主要基于厂标的AAPM TG148质量控制的部分检测项目也可以由RIT113软件完成；病人计划验证也出现了用第三方测量工具（如Arccheck）完成的例子。
结语
螺旋断层放疗具有较强的强度调制能力和较精确的图像引导能力，计划适形度和均匀性相对较好，体系也相对独立和完整，和常规以直线加速器为基础的放疗体系有很大的不同。
郭明教授评语：
螺旋断层放射治疗特有的360度环绕聚焦式放疗，具有射线入射方向优势，可实现剂量梯度陡峭分布。图像引导放疗系统具有0.1mm的成像精度，确保照射位置和剂量的高精准度。系统集成度高，体积小，性能稳定。
参考文献：
[1]. Medical Physics - November 1993 - Mackie - Tomotherapy A new concept for the delivery of dynamic conformal radiotherapy.
[2]. Bortfeld, T. and S. Webb, Single-Arc IMRT? Phys Med Biol, 2009. 54(1): p. N9-20.
[3]. Chan, M., et al., Evaluation of imaging performance of major image guidance systems. Biomed Imaging Interv J, 2011. 7(2): p. e11.
[4]. Kraus, K.M., et al., Helical tomotherapy: Comparison of Hi-ART and Radixact clinical patient treatments at the Technical University of Munich. Scientific Reports, 2020. 10(1).
版权声明
本文版权归医悦汇所有。欢迎转发分享，其他任何媒体如需转载或引用本网版权所有内容，须获得授权，且在醒目位置处注明“转自：医悦汇”。

来源：https://www.toutiao.com/article/7176********9150991
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！