调强放疗

什么是调强放疗？

调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）即调强适形放射治疗是三维适形放疗的一种，要求辐射野内剂量强度按一定要求进行调节，简称调强放疗。它是在各处辐射野与靶区外形一致的条件下，针对靶区三维形状和要害器官与靶区的具体解剖关系对束强度进行调节，单个辐射野内剂量分布是不均匀的但是整个靶区体积内剂量分布比三维适形治疗更均匀。

严格地说，使用楔形板和常规的表面弯曲补偿器也是调强。但这里我们所说的调强放射治疗是指一种形式的三维适形放射治疗，它使用计算机辅助优化程序不获取单个放射野内非均匀的强度分布以达到某种确定的临床目的。下面要讲的就是这个意义上的调强放射治疗。

编辑本段调强分布的设计

1、正向计划设计调强放疗

在CT影像上勾画好解剖轮廓后，三维适形放射治疗是由计划者根据靶区部位和大小在计划系统上安排照射野的入射方向、大小、形数目并对各个辐射野分配权重然后由计算机系统进行剂量计算，算完后显示射野分布，计划者依据靶区及正常组织所受剂量来评估计划的好坏。如果剂量分布不符合治疗要求，再由计划者改变射野的入射方向和权重，重新计算，如此反复进行，直至满意为止。这种制定计划的方式叫做正向计划设计。

2、调强放疗多采用逆向计划设计方案

调强概念是受了CT成像的逆原理启发：当CT的X射线管发出强度均匀的X射线穿过人体后，其强度分布与组织厚度和组织密度的乘积成反比；那么我们不是可以先确定射线照到靶区及正常组织上产生的剂量分布，然后再由此推算出各个射野应该贡献的束流强度吗？根据调强的概念，首先要依据病变（靶区）与周围重要器官和正常组织的三维解剖特点，以及期望的靶区剂量分布和危及器官（OAR）的剂量耐受极限，由计划者输入优化参数，通过计划系统计算出各个射野方向上需要的强度分布。即在完成勾画轮廓和确定辐射野数目及入射方向后，先确定对CT影像中各个兴趣区的剂量要求。由计划者以数学形式输入这些临床参数（即目标函数），如对靶区剂量范围的要求，对相关危及器官剂量的限制等，然后由计算机通过数学的方法（如迭代法、模拟[font color=#000000]退火[/font]法、蒙特卡洛法等）自动进行优化，在经过几百乃至上千次计算与比较后得出最接近目标函数并能够实现的计划方案。它是常规治疗计划设计的逆过程，所以叫做逆向计划设计。

在患者影像获取、勾画轮廓和确定辐射野数目及方向这些步骤上两者相同，但它们的优化过程是不同的。前者是先计算剂量，看结果如何，不行就人为地改动计划再试，如此反复，直到可以接受为止。后者是先由计划者通过输入目标函数来限定靶区和危及器官主剂量分布，再由计划系统自动反复进行优化计算，反复的次数由病例的复杂程度决定，至少需要一二百次。

编辑本段调强放疗的应用

调强放射治疗中，把每一个辐射野分割成多个细小的野（也叫做线束）。在制定计划时，按照靶区的三维形状和与相关危及器官之间的解剖关系，对这些线束分配以不同的权重，使同一个射野内产生优化的、不均匀的强度分布，以便使通过危及器官的束流通量减少，而靶区其他部分的束流通量增大。

调强放射治疗也不是万能的，在制定调强计划时几乎总是有一些限度，有些度剂量分布（或剂量一体积组合）无法真正实现。例如，一个脑干旁的肿瘤，假如要求给予肿瘤致死剂量而不许照射脑干，即使用调强技术也是无法实现的。而且目前我们关于什么是临床最佳要求以及如何确定调强剂量目标的知识也有限。此外，由于数学公式的限制，或由于计算机速度及时时间的限制，我们往往找不到最好的结果。还有各种各样的不确定性，例如，患者每天相关的治疗位置、内解剖位置的变化、在治疗期间器官的变形及各个分次之间的位移限制了调强的适用范围和功效。传输装置的剂量特性，如通过多叶光栅（MLC）叶片的散射和透射，也对调强放疗的精度及可传输性产生某些限制。目前调强验证手段还不成熟，剂量验证系统（基于胶片）准确度的限制也会降低人们对所传输剂量的信心。另外当前所用的剂量计算模式在精度上都有局限性，有可能在剂量计算上出现误差。另一种可能使调强不成功的重要因素是现在的影像系统还不能充分给出肿瘤的真正范围、肿瘤的扩展方式与放射生物特性以及正常组织的几何范围、剂量响应及功能特性等。对某些部位，例如肝、肺部的肿瘤，因为他们受呼吸影响较大，位置移动较多，在实施调强时要格外小心。

在组织补量的调强放射治疗中使用大分次剂量的结果可能会增大嵌在靶区内或紧邻靶区的正常组织的损伤机会。调强放射治疗的高度适形可能导致病变的地理遗漏（如摆位不准确）和复发，尤其对位置与运动不确定的病变影响更大。

这些局限性和风险表明，在现阶段使用调强技术要格外小心，还要继续研究改进技术并减少误差，这样的研究是调强技术全部潜力的根本。

编辑本段产生调强分布的方法

1、物理补偿法

用于调强的补偿器可以作为射野挡块的一部分放在治疗机挡块托盘架上。由逆向计划系统根据目标函数的要求计算出每个射野的强度分布形状或被补偿的组织厚度分布，并将数据输出到PC机控制的补偿器生成器，就可以制作补偿器了。制作出来的补偿器就可以进行调强补偿用了。这种方法出现在用MLC进行调强以前，目前还在广泛使用，是可靠的物理调强技术。缺点是因为这种技术需要对每个射野都来制作补偿器，费时费力效率低；治疗时每个照射野都需要工作人员进治疗室工作，摆位也不方便；补偿器作为一种滤过器，也会影响原射线的能谱分布。

2)、用常规MLC进行多个固定野调强治疗

加速器中的MLC最初设计目的主要是为了代替射野挡块，随着计算机技术的发展，MLC不仅能在旋转治疗中调节射野形状跟随靶区，而且还可以在计算机控制下实现静态调强和动态调强。

静态和动态调强都是由逆向计划系统先按照目标函数的要求通过优化计算得出射野的强度分布。目标函数参数是由计划者根据具体病例的临床要求

输入到计划系统中的，在治疗计划被认可后，这些强度分布就被转换为叶片位置序列文件，然后传送到加速器的MLC控制系统中，在治疗时由调强控制系统控制叶片运动，实现这些调强分布。

虽然对三维适形而言，MLC的叶片宽度只影响了射野的形状，但对调强而言，叶片宽度却影响到整个层面上的剂量，所以MLC叶片宽度越小越好，但是叶片越薄，制作越困难，成本也就越高。目前国内的MLC一般只有30多对叶片，但国外，已经出现了100对叶片以上的MLC系统。

编辑本段调强放疗的类型

1、静态调强

静态调强是由逆向调强计划系统根据临床数据将各个射野要求的强度分布进行分级，利用MLC将每个照射野分成若干个子野，，每个子野内的强度是均匀的。

优化计算赋予每个子野不同的权重，所有射野的子野都被优化，由此产生期望的治疗计划。

治疗时各个子野分步按顺序进行，在实施治疗过程中，叶片运动到第一个子野规定的位置停下，加速器出束，达到规定mu停下，然后叶片运动到下一个子野的规定位置停下后加速器再出束；如此进行下去，使得每个子野的强度累加，直到完成整个射野，所有子野的束流强度相加形成要求的强度分布。

一般来说，希望尽量减少子野数目、叶片运动次数和MU数以便保证剂量传送的精度，但是子野太少剂量分布就达不到调强的要求。MLC静态调强在每个子野照射结束后必须关断射线才能转到下一个子野，由于加速器射线的开关动作，带来剂量率的稳定问题，从而对AFC系统提出了较高的要求；或者说只有栅控电子枪才能完全实现这种要求！

静态调强剂量验证比较容易，但是需要的治疗时间比较长。

2、MLC动态调强

这种调强是利用MLC相对应的一对叶片的相对运动来实现对射野内强度的调节的。

在每个射野的照射过程中，由计算机系统按照调强计划给出的数据进行控制，在各对叶片作变速运动时，加速器不停地以变化的剂量率出束，由此得到所要求的强度分布。治疗时每对叶片构成一个窗，它们在计算机控制下横扫过靶区。窗的开口和叶片运动速度都按照预定的方案不断调节，以便产生需要的强度分布。这也同样决定于滑窗轨迹之下的治疗区内各点的吸收剂量。在计划过程中计算机用一种算法将叶片位置作为每个射野出束时间的函数，将需要的强度分布转换为叶片位置。

动态调强的技术特点是：一对相对的叶片总是向一个方向运动，并在运动过程中不断形成各种形状的窗口（即子野）扫过靶区。

一般动态调强的每个射野都由上百个子野组成，滑窗开口的设置及每对叶片任何时刻都由一个程序控制。在相对的叶片之间的窗口开到最大时，使用最大的叶片速度，这样可以缩短治疗时间。需要参与射束传输的叶片数目取决于靶区的长度，靶区越长涉及的叶片就越多。

这种调强方法治疗需要的时间比较短，然而剂量验证工作比静态调强困难得多。

3、弧形调强治疗

弧形调强治疗是用加速器内置的标准MLC完成的，是将动态MLC与弧形治疗相结合，用旋转射束来实现优化的剂量分布。用这种技术同样要先制定调强治疗计划，人为地选择弧形射野数目及入射角度，再由计划系统对射束的权重进行优化，优化计算出临床要求的强度分布，再转换为MLC的驱动文件。

在治疗过程中，机架围绕患者旋转，MLC叶片位置每隔10°变化一次以便跟随靶区形状，并与楔形板结合使用多共面或非共面弧形照射野。最终的计划结果被输入到叶片序列发生器，这个发生器直接复制每个射束的MU数并通过MLC形成射束。这样的MLC处方被传送到MLC控制器用于驱动叶片。在出束期间有程序控制加速器实施弧形治疗，同时控制MLC动态地逐步完成一系列射野形状。所有弧形射野的累计剂量分布与计划期望的分布一致从而达到调强的目的。

当机架围绕患者旋转时加速器是出束的，因此射束角相邻的照射野不应该要求MLC的叶片运动很长距离。在多数临床病例中，各个角度之间的射野形状变化也是缓慢的。为了缩短出束时间，可以用治疗机最高的剂量率配以最大的机架放置速度；偶尔由于MLC叶片速度的限制也会要求降低机器剂量率以避免治疗时出束暂停。

目前只用IMAT治疗头颈部肿瘤，多数患者用1~3个弧形射野治疗。

4、步进式断层调强治疗

步进式断层调强是利用NOMOS公司的孔雀系统(peacock)来进行的。孔雀系统包括一台专门设计的调强准直器，叫做MIMiC。它是一台电动气动式装置，可以通过附件插槽安装到加速器机头形成细长的矩形射野，叫做扇形束。在机架放置时，利用MIMiC的开关（ON ,OFF）运动，实现调强治疗。MIMiC 由两组40个叶片组成，每组20片，相对排列。叶片是由钨制作成的，每个叶片高8cm，近源端宽5cm,接近患者一端6 cm宽，叶片在加速器等中心处投影约为10mm。相邻叶片间有凹凸槽，以减少漏射线。每组叶片形成的细长条矩形野在等中心处的长度的两挡，分别为10mm和20mm。每个叶片由一个微型气动活塞独立控制，两组叶片同时独立运动，形成两个细长条矩形野。也就是说，机架绕患者旋转一次，只能治疗两层切片（即2cm） ,一般来说靶区长度都不只2cm，所以要想治疗整个靶区就要多次旋转机架，与此同时治疗床必须连续向前步进，这种步进/旋转过程持续进行，直到治疗完整个靶区。

在这个过程中MIMiC受气阀操纵运动，当气阀打开后，高压气体推动活塞使叶片进入射野，当气阀关闭时，活塞内的低压气体反向拉回活塞使叶片推出射野。活塞双向运动时间约为40-60ms。按照治疗计划给出的强度分布要求，通过计算机控制活塞停留在射野内的时间，就能达到调强需要的强度分布。MIMiC本身有传感器和显示屏，可以监测叶片运动速度和位置。

这种治疗方式，床步进的控制精度对相邻野剂量分布影响很大。为了减少由于相邻野不重合产生的不均匀性，治疗床步进的精度和可确定性是非常重要的。为此需专门涉及一个控制床步进的配合装置，以提供0.5mm以内的可选步进。

辐射束调制所需要的控制参数也是从治疗计划得出，由计划系统写在软盘上，用作MIMiC的数据文件。MIMiC中的控制系统包括微处理器、机架角度传感器和叶片运动传感器。

步进式断层调强方式治疗时间需要很长，而且由于使用气动阀门，治疗时发出很大噪声可能使得患者会感到不舒服。

编辑本段调强放射治疗的适应征

(1) 神经系统肿瘤包括脑胶质瘤、垂体瘤、脑膜瘤、脑转移瘤、生殖细胞瘤、髓母细胞瘤、室管膜瘤、松果体、脊索瘤、颅内淋巴瘤、脑干肿瘤、脊髓肿瘤等。

(2) 头颈部肿瘤包括鼻咽癌、喉癌、上颌窦癌、口腔癌及中耳癌等。

(3) 胸部肿瘤包括肺癌、食管癌、纵隔肿瘤及乳腺癌等。

(4) 腹部肿瘤包括胰腺癌、肝癌、胆管癌、肠癌等

(5) 泌尿及生殖系统肿瘤包括前列腺癌、肾癌及盆腔肿瘤等

(6) 骨肿瘤包括骨肉瘤,、软骨肉瘤、纤维肉瘤等

(7) 其它血管瘤、恶性肉芽肿等。