第一章 肿瘤精准放射治疗技术发展概要
　　放射治疗（简称放疗）是肿瘤综合治疗的重要组成部分，据WHO公布的数据显示，约70%的肿瘤患者在治疗的各个环节需要接受放疗。放疗作为一种不良反应*小的局部治疗手段，已在肿瘤综合治疗中发挥了不可替代的作用。
　　自1895年伦琴发现X射线以来，放疗的发展经历了120多年。从传统二维放射治疗到三维适形放疗、CT/MR模拟定位技术、调强适形放疗、立体定向放射外科治疗和立体定向放疗、图像引导放疗、自适应放疗等，放疗精度和安全有了翻天覆地的变化。
　　在放疗的发展历程中，有三种革命性进步的里程碑技术：调强适形放疗技术、图像引导放疗技术、质子/重离子放疗技术。这三种技术分别从精度、安全及生物效应方面实现了放疗一次又一次的飞跃。本章主要对代表性放疗设备/技术的发展进行简要阐述。
　　一、二维放射治疗
　　自伦琴发现X射线以来，用放射线进行肿瘤治疗的思路开始盛行，随之以浅部X射线治疗机、深部X射线治疗机、60Co治疗机、高能X射线及电子线放疗为主要实现方式的二维放射治疗（two-dimensional radiation therapy，2D-RT）逐渐用于临床，在长达半个多世纪的时间内成为肿瘤*主要的放疗方式，并取得了良好疗效。临床上接受2D-RT获得长期生存的患者不在少数（有的患者可以存活20年以上），2D-RT 在肿瘤放疗早期阶段发挥了非常重要的作用。
　　2D-RT *初是以手触、二维X射线透视/摄片来确定肿瘤范围（确切地说是照射范围），进一步发展到通过低熔点铅挡块或钨门，形成方形或矩形照射野，对肿瘤实施放射治疗（图1-1）。通过不同形状铅块的组合形成不规则形状的照射野。
　　2D-RT的优点是照射速度快、范围大、适用人群广，主要缺点是肿瘤边界判断缺乏依据，以及照射野形状不能契合肿瘤形状，包含较多进入照射野的正常组织。目前2D-RT 应用越来越少，逐渐被调强适形放疗所代替。
　　二、三维适形放射治疗
　　2D-RT照射野无法契合肿瘤形状的问题必然会导致过多的正常组织接受照射，放射性损伤发生概率较高。而铅挡及多叶准直器[（multileaf collimator，MLC），又称多叶光栅]的发展及应用，将传统矩形照射野转变为不规则形状照射野，通过等中心照射技术，以不同角度照射野在三维空间形成与肿瘤形状相近的剂量分布，即三维适形放射治疗（three-dimensional conformal radiation therapy，3D-CRT），如图1-2、图1-3所示。
　　3D-CRT是肿瘤精准放疗的起点，对肿瘤放疗精度的提升具有重要启示和推动作用。3D-CRT是肿瘤精准放疗的**个革命性进步技术，而后发展起来的逆向调强放疗、容积弧形调强放疗、螺旋体层放疗等都是3D-CRT的延伸和升级。
　　图1-1 2D-RT的照射野布置示意图
　　红色区域为肿瘤靶区
　　图1-2 基于铅挡块实现3D-CRT的示意图
　　紫色区域为铅挡阻挡射线的区域
　　图1-3 基于MLC 实现3D-CRT的示意图
　　黄边框旁的灰色区域为MLC
　　3D-CRT的优势在于设备需求低、放疗速度快、剂量分布与肿瘤形状接近。但是3D-CRT也存在很多劣势，如只注重形状上的契合度，对肿瘤内剂量分布均匀性未充分考虑；对复杂肿瘤靶区的剂量学优势并不明显；计划设计费时费力，如鼻咽癌、乳腺癌术后放疗等。不可否认的是在逆向调强放疗大范围应用之前，3D-CRT在很长一段时间内一直是肿瘤精准放疗的代表技术。时至今日，3D-CRT仍是肿瘤精准放疗的主流技术之一。
　　3D-CRT的普及得益于CT模拟定位技术的发展及应用，而随着治疗理念改变，MR模拟定位技术也日趋成熟，其应用日渐增多。
　　三、CT/MR模拟定位技术
　　自1972年，英国豪斯菲尔德教授发明计算机断层成像（computed tomography，CT）机以来，实现了人类医学影像从二维到“真正”三维的转变，也为放疗技术进步注入了强力推进剂。
　　CT通过计算机辅助分析X射线在人体内的衰减情况，重建出三维空间中的人体结构，进而断面显示正常组织及病变。CT不仅可以进行组织成像，还可以对组织结构进行精准的空间定位，这是CT在肿瘤放疗中获得广泛应用的主要基础。
　　目前，全球接受精准放疗的患者几乎100%接受了CT模拟定位，除了精准的空间定位以外，图像中的CT值反映的电子密度信息是进行放疗计划剂量计算的基础。CT值估算精度不足可导致高达11%的剂量计算误差，这对肿瘤的控制十分不利。
　　CT模拟定位机（图1-4）来源于诊断CT，又与诊断CT有明显不同：①为了配合体位固定体架使用，其机械孔径一般都比较大（80～85cm），配备与加速器相同规格和型号的治疗床；②机房内需要配备定位激光灯（一般为5 轴联动激光灯）；③需要有配套的虚拟处理软件（如放疗计划系统）；④取消了倾斜机架角度的扫描方式；⑤具有呼吸、心跳运动的解决方案，如呼吸门控和心电门控技术等。因此在CT模拟定位机的采购和安装中，这些细节应予以重视。
　　随着放疗精度要求不断提高，磁共振（MR）模拟定位逐渐应用到了肿瘤放疗临床实践。与CT模拟定位相比，MR模拟定位具有软组织分辨率高的成像特点，在肿瘤靶区及危及器官（organ at risk，OAR）边界显示中更具有优势，而这也符合肿瘤精准放疗的实际需求（图1-5）。另外，MR多维参数的功能影像如弥散加权成像
　　（diffusion-weighted imaging，DWI）、灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）、弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，
　　MRS）等为肿瘤靶区生物活性评估及放疗反应的追踪提供可行的量化工具。MR的快速成像为放疗中肿瘤运动的追踪及分析提供了直观方法。
　　图1-4 CT模拟定位机
　　图1-5 CT、PET及MR图像在肿瘤边界显示差异的示意图
　　蓝色为肿瘤区（GTV）范围
　　有学者提出21 世纪图像引导放疗的发展方向必然是MR引导。MR与加速器结合的一体化放疗设备应运而生，如医科达（Elekta）公司的MRUnity 直线加速器（图1-6）在肿瘤放疗中发挥着越来越重要的作用。
　　四、调强放射治疗
　　3D-CRT从形状上解决了剂量分布与肿瘤契合的问题，但不能保证肿瘤空间中的每一个点都接受均匀的剂量，而调强放疗（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）技术的发展与应用解决了这个问题。简而言之，IMRT 就是通过将传统3D-CRT每个角度的照射野分割为多个小野，完成放疗剂量强度分布精细调节，进而实现剂量分布符合肿瘤负荷（肿瘤细胞多少及分布密度）的实际情况（图1-7）。调强放疗技术分为正向IMRT和逆向IMRT两大类，目前*常用的IMRT 为逆向IMRT。
　　传统IMRT *大优点在于剂量分布的适形度和均匀性优于3D-CRT，但其主要不足在于射线利用率低、散射线多、照射时间长，对于形状复杂或者形状较长（≥40cm）的肿瘤靶区需要多靶点联合照射，靶点之间交界处剂量冷、热点问题难以解决。
　　为了解决照射时间长的问题，旋转弧形调强放疗（intensity modulated arc therapy，IMAT）（图1-8）及容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技术引入到临床。
　　IMAT/VMAT 就是在直线加速器机架连续旋转的过程中，动态调整MLC 形状和照射剂量率，进而在75～150s（按照加速器角速度4.8°/s计算）完成对肿瘤的IMRT。IMAT/VMAT *大优点是照射速度快，与3D-CRT基本相当。IMAT 速度快的优势，促使其成为放疗中心的主流放疗技术（单台设备每日*多可以完成180～200 例患者的放射治疗，是传统IMRT 工作量的两倍）。提高IMRT 速度的另外一个解决方法，就是应用无均整器（flattening filter free，FFF）技术。
　　图1-6 MRUnity 直线加速器
　　图1-7 Trilogy 直线加速器IMRT计划实施的MLC示意图
　　图1-8 IMAT 放疗设备Trilogy 的工作示意图
　　FFF 是在传统直线加速器硬件构造基础上，去掉了射线均整过滤器，提高了射线利用率，剂量率*高可达2400MU/min，是传统有均整器技术的4～12倍，同时其在剂量学上也有一定优势。
　　螺旋体层放疗（helical tomotherapy，HT）的应用则解决了IMRT 对于形状较长（≥40cm）或形状怪异肿瘤靶区的的治疗困境。HT 应用气动二元化MLC，以类似螺旋CT球管连续旋转并与治疗床同步运动结合的方式，实现利用人体螺旋体层扫描的方法完成放射治疗（图1-9）。HT 的*大优势在于剂量分布优于传统IMRT 及IMAT，可以作为剂量分布的“金标准”；其次，HT 单次可以完成长度达160cm 肿瘤靶区的放疗，避免多靶点放疗中不同节段肿瘤靶区交界处的剂量冷、热点，因此HT 是全脊髓放疗的*选技术。另外，HT 整合了兆伏级CT（MVCT）扫描装置，可同步实现图像引导放疗及自适应放疗（ART）。HT *大问题在于照射时间长，其照射时间与传统IMRT 基本相当甚至更长。
　　五、立体定向放射外科和立体定向放疗
　　随着CT/MR模拟定位技术的应用，以精准定位、精准计划及精准施照为代表的精准放疗技术得到了快速发展，其中基于射波刀、伽马（γ）刀、配备较高精度MLC 和外部治疗配件的直线加速器在立体定向放射外科（stereotactic radiosurgery，SRS）和立体定向放疗（stereotactic radiotherapy，SRT）中得到了广泛应用。
　　关于SRS和SRT，很多初学者对这两种技术的区别并不清楚。SRS和SRT应用技术、操作方法及设备要求基本一样，但是在治疗理念上有本质区别。SRS倾向于外科手术的理念，即用单次或少次（一般不超过3次）的大剂量放疗，获得与手术切除肿瘤一样的效果。而SRT更依赖于放疗理念，也就是通过立体定向技术，在短时间内完成5～10次大剂量肿瘤精准放疗。SRS注重手术切除的作用，SRT强调放疗的作用。SRS及SRT中无论是应用射波刀、γ刀（图1-10），还是应用限光筒X刀，对肿瘤（尤其是小体积肿瘤）都能获得非常好的治疗效果。
　　图1-9 HT 设备
　　图1-10 γ刀治疗系统
　　SRS、SRT治疗中，使用射波刀、γ刀、X刀设备的原理就是将多方向、多维度射束以聚焦方式实现高剂量非适形精准放疗。对小肿瘤病灶而言，放射剂量的提升可实现良好的效果，而对大体积肿瘤来说，为了降低正常组织受照射剂量，则需要适形度更高、均匀性更好地剂量分布，这就引入了当前*常见的调强放疗技术。
　　六、图像引导放疗
　　3D-CRT与IMRT 实现了目标剂量分布与肿瘤的紧密契合。然而这种紧密契合的放疗方式，也对肿瘤位置的精准性提出了严格要求，肿瘤位置一旦脱离了剂量分布区域，二者的剂量学优势将无法得到保证，图像引导放疗（image-guided radiation therapy，IGRT）是保证肿瘤位置准确的主要方式。IGRT 从定义上分为广义和狭义两种。
　　广义IGRT 是指所有可以进行肿瘤或正常组织成像的影像手段都可以实现IGRT 的成像方式，如CT、MR、正电子发射断层成像（positron emission tomography computed tomo

目录
第一章 肿瘤精准放射治疗技术发展概要 1
第二章 放射治疗流程 9
第三章 模拟定位设备 12
第一节 放射治疗普通模拟定位机 12
第二节 放射治疗CT模拟定位机 12
第三节 磁共振模拟定位 19
第四章 呼吸门控设备 26
第一节 呼吸运动管理设备 26
第二节 呼吸运动管理设备 30
第三节 腹部加压技术 34
第五章 常见放射治疗技术 37
第一节 二维放射治疗 37
第二节 三维适形放射治疗 37
第三节 调强放射治疗 40
第四节 容积旋转调强放射治疗 47
第五节 图像引导放射治疗及设备 50
第六章 常规放射治疗系统 61
第一节 60Co治疗机及普通医用电子直线加速器 61
第二节 图像引导放射治疗直线加速器 62
第三节 容积旋转调强放射治疗直线加速器 67
第四节 无均整器放疗直线加速器 72
第五节 立体定向放射治疗专用直线加速器 75
第六节 高速图像引导放射治疗直线加速器 82
第七节 模块式直线加速器 96
第八节 螺旋体层放射治疗系统 102
第九节 射波刀放射治疗系统 113
第十节 MR引导直线加速器 123
第十一节 质子放射治疗系统 137
第十二节 重离子放射治疗系统 144
第十三节 伽马刀立体定向放射治疗系统 150
第十四节 国产多模式一体化放射治疗设备 159
第十五节 GammaPodTM乳腺多源γ射束立体定向放射治疗系统 166
第十六节 近距离放射治疗设备 171
第七章 放射治疗质控设备 187
第一节 肿瘤放射治疗质控 187
第二节 放射治疗质控设备 188