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精确放射治疗技术的现状

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一、精确放射治疗技术概述

1.精确放射治疗技术的概念

近十年来，随着放射物理学、放射生物学、临床肿瘤学和医学影像学等相关学科的发展，放射治疗技术领域发生了巨大变革。精确放射治疗技术就是以“精确定位、精确计划、精确治疗”为特征的高能X射线新的放射治疗技术的统称，它包括立体定向放射外科(SRS)和立体定向放射治疗(SRT)技术、三维适形放射治疗(3DCRT)技术以及调强放射治疗(IMRT)技术等。这些放疗技术的特点是它的剂量分布的高剂量区外围有十分陡的剂量下降梯度，从而使得高精度、高剂量、高疗效和低损伤(三高一低)的现代放疗模式得以实现。

精确放射治疗技术能明显提高肿瘤的局部控制率，降低正常组织的并发症，从而提高治疗效果。在实际应用中可按靶区的位置与形状大小选用不同的精确放射治疗技术。一般来说SRS/SRT只适于头部、体部的球状小肿瘤的治疗，而3DCRT和IMRT的适用范围较广，能治疗各部位不规则形状的较大肿瘤。3DCRT的技术已完全成熟，而调强放疗被认为是肿瘤放疗技术的重大突破，它产生的剂量分布优于3DCRT，应当能得到更好的治疗效果，这已在前列腺癌、乳腺癌、头颈部肿瘤、宫颈癌、鼻咽癌、胰腺癌等的临床试验中得到证实，据报道因此调强技术在美国于2003年才开始大规模的发展。一些学者预言，随着生物功能性影像技术的发展，若靶区内的乏氧区能够实现影像显示、并能得到高剂量的照射，则高LET射线在放疗中的作用将显著减弱。21世纪放疗发展的主流将是高能X射线的精确放射治疗技术，特别是物理及生物优化的调强技术。

2.精确放射治疗技术的历史

关于精确放射治疗技术的研究一直没有停止过。1949年，瑞典科学家Leksell首先提出放射外科学的构想，利用立体定向定位技术，使用大剂量聚焦的γ射束一次性摧毁需治疗的病灶。1959年日本Takahashi提出了适形放射治疗的概念及原理。1977年美国Bjangard，Kijewski等提出了调强放射治疗的原理。80年代末90年代初，由于计算机及影像技术的高速发展促进了精放设备的开发，如美、德等国相继开发了商用的X刀系统，瑞典开发了第三代g刀系统。1994年，Spirou等人提出了使用动态多叶准直器(DMLC)来实现IMRT，而Bortfeld和Boyer则首先进行了多个静态野的实验(SMLC)，发展至今已出现各种束流强度优化算法及各种调强方式，并在全身各部位肿瘤进行了临床试验，获较佳效果。近年来又出现了各种新型精放治疗设备与技术，如把放疗机和CT机集成到一起的“断层放疗”(Tomotherapy)技术，以及具有影像学引导定位和跟踪功能的机械手“Cyber-knife”治疗机等。

上世纪90年代以来，我国的精确放射治疗事业也已不断地快速发展。深圳奥沃公司、北京大恒公司、深圳一体智能公司、北京医疗器械研究所、东影公司、上海拓能公司等也相继在不同程度上对精确放疗技术进行了研究，并开发了相应的产品。

当前调强放射治疗正得到广泛的推广应用。IMRT采用逆向计划设计，即计划系统根据用户输入的期望剂量分布要求，自动优化出合理的照射野的束流分布，以尽可能地实现要求的剂量分布。在逆向计划设计的过程中，除了剂量计算之外，目标函数、优化算法以及调强方式也是关键。

目标函数是期望剂量分布的数学化。目前有物理目标函数和生物目标函数两种。物理目标函数是对物理剂量分布要求的数学化，优化计算是对所关注点当前运算的剂量值和所期望的剂量值之差的二次方的总和的逼近过程，理想情况下要求均方和的值为极小或极大。而生物目标函数是通过限定应达到要求的治疗效果，如无并发症的肿瘤控制概率等，实施最佳的治疗，以求能够量化地反映治疗后患者的生存质量。目前物理目标函数最为常用，生物目标函数还有待进一步发展。

优化算法的作用是试图寻找出最佳的照射条件。这些照射条件可以是给定射野的束流强度分布(强度优化)，也可以是射野的角度分布(角度优化)等。因为角度的优化是目前仍未很好解决的难题，下面涉及到的优化都是指束流强度分布的优化。

目前的优化算法主要分为两类:确定算法(DeterministicAlgorithm)和随机算法(StochasticAlgorithm)。确定算法如梯度法具有快速、易行的特点，但存在一个问题就是如何恰当选择最初迭代的估计值，以避免陷入局部最小值的危险。而随机算法如模拟退火法、遗传法等在理论上可以求得全局的最佳值，但是计算的时间相对较长，如果运算时间较短，就不能创造充分的条件，使得系统有机会逃出局部极小值。

逆向计划系统根据特定的优化算法可以求得最接近目标函数值的解—最大程度地产生接近靶区所要求剂量分布的非均匀束流强度分布，调强方式是指如何来实现这个非均匀束流强度分布的技术与装置。实现不