三维适形放射治疗技术作为一种精度很高的治疗技术, 是提高治疗比的重要物理措施, 它对于以局部肿瘤未控复发为主要失败原因的肿瘤患者的治疗有重要意义[1]。其设计和应用思路是:在杀灭肿瘤方面应像手术那样将足够的高剂量围歼到病灶上, 使高剂量区剂量分布的形状在三维方向上与靶区的实际形状一致; 而在保护正常组织器官方面应通过铅挡块与多叶准直器(MLC)等使线束躲避重要敏感器官。三维适形放射治疗技术把先进的计算机技术应用于患者病变的定位, 治疗计划的设计、验证及治疗的实施, 使放射治疗高剂量区分布与肿瘤的立体形态基本上保持一致[2-4]。现对多固定野三维适形放射治疗治疗计划实施过程中, 铅挡块与多叶准直器等相关知识的研究进行综述。
1 三维适形放射治疗技术的建立由于肿瘤生长的特点, 使大多数照射野形状是不规则的。在临床放疗实践中, 一般采用低熔点铅挡块技术和多叶准直器实施不规则照射野放疗。自上世纪40年代开始有人在临床研究中, 试图在二维放疗计划的指导下, 应用半自动的原始多叶光栅技术或低熔点铅挡块, 采用多个不规则照射野实施最初的适形放疗。1948年日本最先报道开展这一技术, 至今已有60年。初期报告的多数适形放疗采用标准的放疗技术, 即标准的直线加速器, 铅挡块和各种照射野的分别摆位。适形放射治疗技术一般需用2 ~ 6个非共面静止照射野, 有时照射野数多至9个, 由于用此技术实施适形放射治疗的手工操作繁杂使临床使用受限。上世纪80年代以来, 放射物理学家试图用更先进的多叶准直器替代铅挡块以达到对射线的塑形目的, 尤其是计算机技术在放射治疗设备的开拓和应用, 计算机控制的多叶准直器可根据不同视角靶体积形状, 在加速器机架旋转时变换叶片的方位调整照射野形状, 使高剂量区剂量分布的形状在三维方向上与靶区的实际形状一致, 临床实现了三维立体放射治疗计划指导的三维适形放射治疗。
2 铅挡块与MLC遮挡野的设计制作多固定野三维适形放射治疗其治疗计划设计由治疗计划系统完成, 患者的临床检查和治疗方针确定后, 主管医师按要求确定好体位和制作好体位固定器, 由CT定位, 获得为进行治疗计划设计所必需的患者治疗部位的解剖资料, 包括肿瘤的位置和范围、周围重要组织及器官的位置及结构等, 将这些信息送入治疗计划系统进行治疗方案的设计, 选择一最佳治疗方案, 通过网络传输到治疗机系统, 治疗时根据治疗方案由计算机控制MLC叶片进行不规则的遮挡。打印出三维适形放射治疗多个固定照射野铅挡块的形状图, 在全自动热丝切割机上, 将照射野的形状输进计算机, 设置相关参数, 切割得出治疗托架位置处几何形状的挡铅模块, 据此制作成实际挡铅铅块, 将其粘贴到托架的有机玻璃板上即可。
3 多叶准直器的工作原理及结构电动MLC是通过计算机控制的多个微型电机独立驱动每个叶片单独运动, 达到射野动态形成的目的。MLC的构成单元是单个叶片, 它一般由钨或钨合金制成。相邻叶片沿宽度方向平行排列, 构成叶片组, 两个相对叶片组组合在一起, 构成MLC。目前, MLC一般由20 ~ 60对叶片组成, 每对叶片宽度在等中心处的投影宽度为10mm或20mm。作立体定向放疗用的微型多叶准直器的叶片宽度在等中心处的投影宽度可到4mm, 3mm, 甚至1.6mm。叶片宽度决定了MLC形成的不规则射野与靶区形状的几何适合度, 叶片宽度越薄, 适合度越好; 但叶片宽度越薄, 制作越困难, 造价也相应提高, 因此必须在两者之间进行折中。叶片高度必须使原射线的穿射不到原来强度的5%, 即需要4 ~ 5个半价层的高度。由于叶片间存在漏射线, 会降低叶片对原射线的衰减效果, 叶片高度应适当加厚, 一般需要5cm厚钨合金。如果想进一步将叶片的衰减效果由5%提高到1%, 则需要7.5cm厚钨合金。设计时应综合考虑。
早期的MLC大都是无聚焦的叶片平移结构, 大野时会造成临床上不能接受的较大半影。单聚焦结构在垂直于叶片运动的方向上, 因为叶片上下宽度相等, 仍有穿射半影。双聚焦结构上小下大, 每个端面的梯形两边的向上延长线都交于放射源, 消除了半影。但为了避免磨损、碰撞引起机械损伤等故障, 通常留有少许间隙, 所以它们有射线泄漏。Jordan[5]和Galvin[6]等分别用Farmer型电离室和胶片剂量计对医科达、瓦里安等公司的MLC在相应X射线能量下的漏射线剂量进行了测量。为了将相邻叶片间的漏射线剂量和相对叶片合拢时端面间的漏射线剂量减低到规定要求的水平, 通常MLC还需与治疗机的可调常规准直器配合使用, 规定一个相对有效的最小外接矩形野, 使之既可屏蔽有效野外各对未完全闭合叶片端面间隙的漏射线, 又能遮挡相邻叶片间微小缝隙处可能的漏射线。治疗计划系统可计算出这种有效射野的最小外接矩形野, 并将相应的控制数据传输给对应的控制系统, 从而实现最小矩形野和MLC有效射野的自动设置。
常规MLC在临床应用的首要条件是, MLC叶片形成的射野能够适合计划靶区。因为MLC叶片有一定的物理宽度, 每对叶片宽度在等中心处的投影宽度为10mm~ 20mm, 形成的射野的边界必然是锯齿形, 叶片边缘形成的等剂量线近似为正弦波形[7]。由于等剂量线近似为正弦波形, 射野的半影较难定义, 有人建议用有效半影(effectivepenumbra)概念[8]。有效半影P有效为80%(或90%)正弦波形等剂量线的波峰到20%(或10%)正弦波形等剂量线的波谷间的距离, MLC叶片在等中心处的投影宽度决定了射野的适形度, 也造成了射野边缘剂量波动和有效半影的增大[9]。
随着MLC用途的进一步开发, 动态非线性楔形野, 动态调强, 逆向设计等各种不同的形状和复杂剂量分布射野的高级应用技术越快越多, 常常要求成对的叶片从最远的一端一前一后以不同的变速同向运动到另一端。因此, 叶片运动的过中线行程是实现高性能适形调强照射的必要条件, 并成为衡量现代MLC功能强弱的重要指标之一, 要求叶片的过中行程应尽可能大, 一般不应小于12cm[10]。
4 铅挡块与多叶准直器临床应用的比较 4.1 铅挡块与MLC适形度的比较从射线源沿中心轴观察, 能够看到被野覆盖的整个靶区, 这样的视线称为束流视线, 在垂直中心轴的等中心面上的射野称为该束流的BEV。通过适形铅挡块或MLC构成的射野形状与BEV野中的靶区完全包罗, 这种仅从射野几何形状上去对肿瘤形状的适形叫几何适形。适形度就是铅挡块和MLC遮挡构成的射野形状与BEV野中的靶区(治疗计划系统打印出的靶区形状图)相吻合的程度。瓦里安23EX医用电子直线加速器MLC为左右各40片等中心处宽1cm的叶片组合构成, 是无聚焦的叶片平移结构, 没有考虑射线发散聚焦问题, 在射野边缘呈锯齿印状, 因此适形度差, 也就是说, 较难达到和满足医生在计划系统上勾画出的平滑靶区形状, 从而导致计划系统计划靶区与实际物理治疗靶区边缘不一致。铅挡块在制作时模拟了源与托架及靶区的距离关系, 而且铅挡块遮挡的靶区边缘光滑, 使等剂量曲线比较平滑。
4.2 铅挡块与MLC漏射剂量率的比较射野几何边缘附近的剂量主要由模体的侧向散射、准直器的漏射线和散射线造成。虽然有最小矩形野和MLC有效射野的自动设置。但对于凹形野、凸形野、星形野等特殊形状照射野, 最小外接矩形野无法完全遮挡相邻叶片和相对叶片间微小缝隙处可能的漏射线, 造成MLC的漏射剂量率、不规则靶区边缘1cm处剂量率较大。铅挡块不存在这些问题。
4.3 铅挡块与MLC物理半影的比较在射野边缘附近, 剂量随离轴距离增加逐渐减少。这种减少, 一方面由于几何半影、准直器漏射引起, 另一方面由于侧向散射的减弱引起。由几何半影、准直器漏射和侧向散射引起的射野边缘的剂量渐变区称为物理半影, 这里用垂直于射线中心轴的平面内, 以该平面与射线中心轴交点处剂量为100%, 在此平面内20%至80%等剂量线间的侧向距离表示物理半影的大小。瓦里安23EX医用电子直线加速器MLC为左右各40片等中心处宽1cm的叶片组合构成, 是无聚焦的叶片平移结构, 没有考虑射线发散聚焦问题, 在射野边缘呈锯齿印状, 造成较大的物理半影。铅挡块在制作时模拟了源与托架及靶区的距离关系, 物理半影小。
4.4 铅挡块与MLC质量保证和质量控制的比较铅挡块制作完成后到治疗机上验证, 出现的问题可在实际治疗前发现解决, 质量保证和质量控制较易完成, 可以确保患者接受不规则野治疗时, 几何位置准确无误, 并有很好的重复性。由于MLC自身固有的特点, 在应用于实际放疗工作中质量保证和质量控制情况复杂, 主要的检测内容为MLC叶片的机械定位精度和射野边界的校准精度, 其包括:MLC检查:叶片的编号顺序、叶片的运动范围、叶片位置的数字; 叶片运动的一致性; MLC叶片的到位精度, 在不同的机架角如90°、180°、270°, MLC叶片到位精度随机架角的变化; MLC形成的照射野与灯光野的符合性; MLC旋转中心轴与线束中心轴的符合性; MLC本身及相邻叶片间、相对叶片间漏射线; MLC处方准备系统的软、硬件和MLC处方准备系统与MLC控制计算机间通讯。MLC射野的Sc (Sc, p)随M.U.的变化。MLC射野平坦度随M.U.的变化等。MLC的质量保证和质量控制难以保证。
4.5 CT扫描方向肿瘤计划靶区(PTV)大小不是多叶准直器叶片整数倍带来的问题采用CT扫描层厚为2.5 mm, 当确定CT扫描方向(径向、头脚方向)N个扫描层面都有肿瘤计划靶区时, 经过TPS重建CT图像, 则得到一个CT扫描方向2.5N mm长的PTV。MLC按PTV成型, 当PTV在M个叶片中都有时, 由于叶片在等中心处宽为10mm, 结果在CT扫描方向MLC形成的实际照射野宽度为10M mm, 此时在CT扫描方向MLC形成的实际照射野宽度10M mm大于肿瘤计划靶区宽度2.5N mm。PTV两端外的非肿瘤计划靶区受到了肿瘤计划靶区一样的照射, 造成了非肿瘤计划靶区正常组织不必要的照射。铅挡块做出的照射野边缘和肿瘤计划靶区的效果相吻合。
4.6 铅挡块与MLC治疗时间的比较加速器在常规放疗2Gy肿瘤量用时约1.5min; 6个固定野MLC三维适形放射治疗2Gy肿瘤量用时约3min; 但6个固定野铅挡块三维适形放射治疗, 由于每照射一个野后, 技术员要打开防护门进入治疗室, 取下已治疗的铅挡块, 插入待用的铅挡块, 旋转机架到计划位置, 离开治疗室, 关上防护门, 开机治疗…… 6个固定野铅挡块三维适形放射治疗2Gy肿瘤量用时达15min左右。固定野减少, 治疗时间会适当减少; 固定野增加, 治疗时间会相应增加。治疗时间长意味着降低了照射剂量率, 对放射生物效应有一定影响; 同时治疗时间越长, 患者治疗体位改变的可能性也增加。
放疗临床中使用电动MLC有三个主要原因:第一, 常规放疗中, 使用常规铅挡块有许多缺点:①射野挡块的制作费时费力, 且在熔铅和挡块加工过程中的蒸发气体和铅粉尘会对工作人员健康有影响; ②射野挡块都比较重, 治疗摆位效率不仅低, 而且操作不太方便。MLC的最初设计主要是用于替代射野挡块, 形成不规则射野, 提高治疗摆位的效率。第二, 采用计算机后, 旋转照射野过程中, 可用MLC调节射野形状跟随靶区的投影形状。第三, 在照射过程中, 利用计算机控制的叶片运动实现静态和动态调强[11]。
综上所述, 恶性肿瘤生物学行为和周围正常组织关系多构成不规则的几何形状, 所以用铅挡块或MLC将规则射野变成不规则射野, 以使射野形状与靶区形状的投影一致。多固定野三维适形放射治疗的各种射野都可由铅挡块设计制作实现, 其边缘平滑, 几何适形度高, 物理半影小, 射野大小不受限制, 无机械磨损, 临床易于操作, 可以重复使用, 无维护费用, 质量保证和质量控制较易完成, 但铅挡块的制作费时费力, 且在熔铅和挡块加工过程中的蒸发气体和铅粉尘会对工作人员健康有影响; 铅挡块都比较重, 治疗摆位效率不仅低, 操作不太方便。MLC的最初设计主要是用于替代射野挡块, 形成不规则射野, 提高治疗摆位的效率。但由于MLC自身固有的特点, 在应用于实际放疗工作中的确存在着许多问题, 如价格昂贵, 机械磨损, 维护费用高, PTV的边缘剂量不可靠, 照射野大小不是叶片整数倍带来的问题, 计划不能过于“精确”, 与普通放疗接野的问题, 掌握根治放疗与姑息放疗适应症的问题, MLC的质量保证和质量控制难以保证等。本课题分析比较多固定野三维适形放射治疗中铅挡块与MLC的适形度、漏射剂量率、不规则靶区边缘1cm处剂量率、物理半影、质量保证和质量控制、CT扫描方向肿瘤计划靶区大小不是MLC叶片整数倍、每次治疗时间等; 研究多固定野三维适形放射治疗中, 根据照射野形状、肿瘤的位置和范围、周围重要组织及器官的位置及结构等怎样科学、准确、有效地使用铅挡块和MLC; 为科学、准确、有效地使用铅挡块与多叶准直器提供重要依据; 以便较好地处理好肿瘤组织和周围正常组织间的剂量关系, 使肿瘤得到最大限度的局部控制而周围正常组织和器官的放射性损伤最小, 提高疗效。
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