肿瘤精确放疗新技术的比较

� 综述 �讲座� 肿瘤精确放疗新技术的比较 马一栋, � 李明焕, � 于金明 山东省肿瘤医院放疗科 山东省放射肿瘤学重点实验室,山东 济南 250117 Comparison of advanced radiotherapy delivery techniques MA Yi�dong , LI M ing�huan , YU J in�ming Dep ar tment of Radiation Oncology , Shandong P rovince K ey Laborator y of Radiation Oncology , Shandong Cancer H osp ital , J inan 250117, P. R. China 摘要! � 目的: 比较容积调强、螺旋断层调 强和射波刀等肿瘤精确放疗新技术的特点, 为临床选择最佳的治疗技术提供依据。方 法: 应用 PubMed 数据库检索系统, 以∀ 容积 调强、螺旋断层调强和射波刀#等为关键词, 检索 2000- 2009 年有关文献。纳入标准: 1) 3 种技术研究发展及其技术特点; 2) 3 种 技术的治疗 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 比较。根据纳入标准分析 22 篇文献。结果: 容积调强具有较高的照 射效率;螺旋断层技术靶区内的剂量分布均 匀, 给予靶区足够剂量的同时更好地保护了 危及器官和正常组织;射波刀技术靶区周围 剂量跌落较快,正常组织受到保护。结论: 3 种精确放疗技术都有其各自的优点以及适 应证 ,临床医生可以根据不同的肿瘤部位、 形状及与周围正常组织的毗邻关系选择最 佳的治疗技术。 中华肿瘤防治杂志, 2010 , 17 ( 23 ) : 1995 - 1998 [ ABSTRACT] � OBJECTIVE: T o compare the difference among the precision r adio therapy techno lo gies including vo lumetr ic modu� lated arc therapy, helical tomotherapy and cyberknife so as to pr o� vide an optimized method fo r clinical application. METHODS: The PubMed database from 2000 to 2009 w as f ilter ed by using the search terms ∀ volumet ric modulated ar c ther apy# , ∀ helical tomo� therapy# and ∀ cyberknife# . Retr ieval crit eria: 1) development and characterist ics o f three techniques. 2) compar ison o f the t reatment planning of three techniques. Tw enty�tw o studies w ere selected for the rev iew. RESULTS: Volumetric modulated arc therapy is an effi� cient method with high conformal dose distribution. Helical tomothera� py provides better uniform dose to the PTV with improved spar ing of org ans at risk and healthy tissue simultaneously. Cyberknife shows the better sparing of healthy tissue with gr adient dose distribution. CON� CLUSION: Three advanced radiation therapy delivery techniques each have own relative merits, and clinicians can choose the optimal tech� nique according to the complexity of the target. Ch in J Canc er Pr ev Tr eat , 2010 , 17 ( 23 ) : 1995- 1998 关键词! � 肿瘤;放射疗法; 综述文献 [ KEYWORDS] � neoplasms; r adiotherapy; literature r eview 中图分类号! � R735. 1 � � � 文献标识码! � A � � � 文章编号! � 1673- 5269( 2010) 23- 1995- 04 � � 肿瘤放射治疗已经进入以精确定位、精确计划设 计和精确治疗为基础的精确放疗时代, 尤其是多叶准 直器( mult i�leaf col limato r, M LC)调强技术在临床的 广泛应用, 调强放射治疗( intensity modulated radia� t ion therapy, IMRT)成为 21世纪肿瘤放射治疗的主 流方式。在常规放疗中, 由于受解剖位置的影响, 危及 基金项目! � 国家高技术研究发展计划( 863计划, 2007AA02Z437) 第一作者简介! � 马一栋, 男, 山西大同人, 主治医师, 主要从 事肿瘤放射治疗的临床研究工作。 Tel: 86- � E�mail: mayidong sd@ 163. com 通讯作者简介! � 于金明,男, 山东潍坊人, 博士, 研究员,主要 从事肿瘤放射治疗的临床研究工作。 Tel: 86- 531- 87984729 � E�mail: yujinming sd@ yahoo. com. cn 器官受到高剂量照射限制了靶区剂量的进一步提高, 肿瘤局部控制率受到影响。研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, IMRT 可以提 高靶区剂量、减少危及器官及周围正常组织受量, 提高 肿瘤 局部控 制概率 ( tumor control probability, TCP)、降低周围正常组织的放射并发症概率( normal tissue complication probability, NT CP) [ 1]。但是目 前 IMRT 每次照射时间长, 机器输出剂量多, 照射效 率低,受到低剂量辐射的正常组织体积大,增加了辐射 诱发第二肿瘤的可能性[ 2�3]。随着医学影像学和计算 机图像处理技术的发展及多学科的有机结合,一些肿 瘤放疗新技术和新设备在临床上得到了推广和应用。 1 � 容积调强技术 1. 1 � 容积调强的研究发展及技术特点 �1995�中华肿瘤防治杂志 2010年 12月第 17卷第 23期 � � CH IN J CANCER PREV TREAT , Decem ber 2010, Vol. 17 � No. 23 20世纪 50年代日本学者首次提出适形放射治疗 ( conformal radiotherapy, CRT) 基本概念, 并设计了 一套动态旋转放射治疗方法。Yu[ 4] 在 1995年提出了 一种 MLC动态调强方式 ∃ ∃ ∃ 旋转调强治疗( intensity modulated arc therapy, IMAT )。在照射过程中, 机 架角每隔 5%~ 10%形成 1个静态野,射野形状与靶区投 影形状相同,将相邻方向的射野连接成弧,通过多个动 态适形弧叠加实现计划所需的强度分布。一般需要 3~ 5个弧,但在照射过程中机架的旋转速度和加速器 输出剂量率保持恒定,并没有成为计划优化的参数[ 5]。 随着对逆向优化算法的探索以及逆向计划系统的推 广, Ot to[ 6]提出了单弧旋转调强放射治疗的算法,在原 有 IMAT 技术的基础上,实现了容积调强技术。该技 术综合了 IMAT 和 MLC 动态调强技术,特点是在机 架等中心旋转照射的同时, 通过改变 MLC 射野形状、 加速器输出剂量率和(或)机架旋转速度, 完成在不同 射野方向上束流强度的调整,实现逆向计划的优化强 度分布,具有实现最优计划质量和实施效率的可能性。 目前,我院正在进行这方面的临床研究。 1. 2 � 容积调强与其他放疗技术治疗计划剂量分布 通过对头颈部肿瘤、肺癌、前列腺癌、宫颈癌和肛 管癌等[ 7�11]多个部位肿瘤容积调强技术与 MLC动、静 态调强技术进行计划比较,表明该技术在保持或提高 靶区剂量分布的基础上, 减少危及器官受量, 减轻了放 射相关毒性;照射效率高, 每次照射时间短; 机器输出 跳数较少,受到低剂量辐射的周围正常组织体积减少, 可能减少辐射诱导第二肿瘤的发生。由于不同部位肿 瘤靶区复杂程度不同, 单弧和多弧容积调强技术的选 择目前仍然存有争议。Guckenber ger 等[ 12] 研究结果 表明,容积调强计划质量的优劣与靶区的复杂程度和 容积调强拉弧的数量有关。当靶区较为简单时,单弧 技术可以实现相同或略优于 IMRT 的剂量分布;当靶 区较为复杂时, 单弧技术的计划质量劣于 IMRT,多弧 技术剂量分布具有优势, 但多弧技术治疗时间、机器跳 数和低剂量照射范围都会增加。V erbakel 等[ 7] 比较 12例头颈部肿瘤患者滑窗调强放疗技术、容积调强 RapidArc单弧( RA1)、双弧( RA2)计划, RA 每次照 射机器输出跳数比 IMRT 减少了 59% ,双弧比单弧的 机器跳数仅增加了 5% , 但 RA2 的靶区均匀性好于 RA1和 IMRT。RA与 IMRT 计划中尽管腮腺受量平 均减少 2 Gy, 但危及器官受量差异并没有统计学意 义, P> 0. 05。Clivio 等[ 11]对 10例肛管癌做了类似的 比较,结果显示:三种技术靶区均匀性分别为( 6. 6 & 1� 4) %、( 8. 1 & 0. 8) %和 ( 5. 7 & 0. 3) % , RA2 优于 IMRT ; RA1和 RA2 计划适形指数均为 1. 04 & 0. 1, IMRT 为 1. 03 & 0. 1。与 IMRT 相比, RA2 计划膀 胱、股骨受量均显著减少,而且每次照射机器输出跳数 少,治疗时间短,平均仅需 545 MU 和 2. 6 m in, IMRT 平均需要 1 531 MU 和 9. 4 min。从技术实施过程的 角度来看,容积调强技术比静态 IMRT 具有较高的照 射效率,但是容积调强的剂量分布优势能否提高肿瘤 放疗疗效、延长肿瘤患者的生存期需要临床试验进一 步证实。 2 � 螺旋断层治疗 2. 1 � 工作原理及技术特点 1993年 Mackie等 [ 13] 提出螺旋断层治疗( helical tomother apy, HT)的概念,并对其实现方式提出了构 想。H T 以类似螺旋 CT 的方式进行扇形束旋转调强 放射治疗。该系统将直线加速器安装在螺旋 CT 滑环 机架上, 机头发出的扇形束随机架旋转行 360%照射, 在照射的同时治疗床缓慢跟进, 通过治疗床的连续移 动实施整个靶区的调强治疗。 该系统的特点: 1)采用同源双能加速管, 在每次治 疗前进行兆伏级 CT ( megavoltage computed tomo� g raphy, MVCT)成像, 进行图像引导, 保证治疗的精 确性。但是由于衰减系数与能量呈反比关系, 所以 MVCT 图像分辨率、信噪比方面处于劣势, 倘若要取 得与 KVCT 图像相同的分辨率,需要输出更多的成像 剂量才能获得同样的信噪比[ 14]。2)由于该系统将治 疗源与成像源统一, 避免了基于直线加速器外加图像 引导系统的非同源误差; 3) HT 一次治疗的肿瘤范围 可以长达 160 cm, 当肿瘤范围较大时, HT 不需要多 中心照射就可以完成多个靶点的照射, 不需要考虑多 野衔接问题; 4)通过旋转机架上的兆伏级 CT 探测器 接收放疗时穿过患者体内的衰减 X线,可以计算出患 者体内累积的剂量沉积, 实现剂量验证和自适应放射 治疗( adapt ive r adiat ion ther apy, ART )。 2. 2 � 剂量学优势及临床应用 HT 最大的优势在于机架旋转每周对应有 51个 投影角度,射野方向多,靶区的适形度好, 靶区内的剂 量分布均匀,给予靶区足够剂量的同时更好地保护了 危及器官和正常组织。HT 应用范围广泛, 适合于解 剖结构复杂的头颈部肿瘤、毗邻重要器官的体部肿瘤、 全中枢神经系统照射以及全身多部位肿瘤同时放疗。 Lee等 [ 15]比较 20 例鼻咽癌患者 HT 和 7 个共面野 MLC 静态调强( step and shoo t IMRT , SaS�IMRT )治 疗计划,原发灶处方剂量 72 Gy/ 40 次, 淋巴结引流区 处方剂量 54 Gy/ 30次。计划比较结果显示, HT 比 SaS�IMRT 的靶区适形度、均匀度平均分别提高 11� 9%和 8. 8%, 而危及器官脑干、脊髓最大剂量平均 减少 8� 0%; 晶体、视神经最大剂量分别平均减少 20� 0%和 10� 0% ;腮腺平均剂量减少 28� 0%, 但视交 叉的最大剂量平均增加了 44� 0% ; 治疗时间 HT 和 �1996� 马一栋,等 � 肿瘤精确放疗新技术的比较 SaS�IMRT 平均为 8. 1和 13. 9 m in。Cozzi等[ 16]对 12 例头颈部良性肿瘤包括 HT、IMRT、射波刀 ( Cy� berknife)和立体定向放疗( stereotact ic radio therapy, SRT)不同治疗技术的治疗计划进行了比较, 结果显 示, HT、IMRT 靶区剂量均匀性好, 但脑干、视交叉和 同侧视神经受照剂量相对较高; Cyberknife与 SRT 靶 区内剂量分布不均匀,由于其周边剂量衰减较快, 危及 器官脑干、同侧视神经和视交叉受量低,周围正常组织 受到低剂量照射的体积较少。Pe�agar�cano 等 [ 17]对 5 例单发脑转移患者 HT 与 ��刀计划进行比较, 2种计 划中靶区的适形度相似,但是在 ��刀计划中受到低剂 量照射( 5~ 20 Gy)的体积较小。��刀的治疗时间取决 于处方剂量和60 Co源强度,在该研究中, HT 比��刀需 要更多的治疗时间。 容积调强与 H T 相比: 1)容积调强采用锥形束进 行整体照射,解决了断层治疗相邻窄野间的衔接问题, 在照射过程中, 不需要移动治疗床,减少了分次治疗中 的误差; 2)容积调强的实现只需要能够实施动态旋转 治疗的新型加速器, 而且可以进行 MLC 动和静态调 强、非共面野照射及电子线治疗等常规照射, 而 HT 的实现需要使用专用断层治疗机和二进制开关准直 器,只能进行 X线共面断层照射; 3)容积调强在机架 旋转的过程中, 邻近机架角间 MLC 叶片位置不能变 化太大,受到 MLC 运动的限制, 而 HT 采用二元开关 准直器,不受 MLC运动的限制; 4)在计划质量和实施 效率方面, Oliver 等[ 18] 对 4种不同的模体勾画靶区和 危及器官, 分别设计 5 和 9 野 IMRT、RA1、RA2 和 HT 计划,处方剂量 60 Gy/ 30 f。结果显示,适形指数 CITomo< CIIM RT5< CIIMRT9 < CIRA1 < CIRA2 , RA2 靶区适 形度较好; HT 靶区均匀性较好, 均匀度 HITomo > HIRA2> H IRA1 > HIIMRT9 > HIIM RT 5 ; HT 危及器官平均 剂量具 有优 势, dOAR, T omo < dOAR, RA 2 < dOAR, RA1 < dOAR, IM RT5or9 ; HT 所需要的计划优化时间最长, tplan, Tomo > tplan, RA 2 > t plan, RA 1 > t plan, IM RT9 > t plan, IMRT5 ; 治疗时间 RA1最短, t treat, IM RT9 > ttr eat, IMRT5 > t treat, Tomo > t treat, RA 2 > tt reat, RA1。作者认为各种技术均有其各自的优点, IM� RT 的计划时间最短; RA 治疗时间短,而且靶区适形 度最佳; HT 计划中靶区剂量分布最均匀,危及器官受 量最低。 3 � Cyberknife 3. 1 � 研制发展 1951年瑞典神经外科专家 Leksel l[ 19] 首先提出立 体定向放射手术治疗 ( Stereo tact ic radio surgery, SRS)理论。利用立体定向技术对颅内病灶精确定位, 通过放射线单次大剂量集束照射, 使病灶发生局灶性 坏死,而且病灶周围的剂量梯度较陡,周围正常脑组织 受到保护,达到类似手术的效果。传统的 SRS 虽然有 很多优点,但亦有不足: 1)采用有创性而且摆位重复 性较差的金属框架, 通常只限于大剂量单次照射; 2)采用小野集束聚焦照射,其应用受到肿瘤大小和形 状的限制(一般适用于直径 ∋ 3 cm 的类圆形肿瘤) ,对 于体积大、形状不规则的肿瘤需采用多靶点治疗, 靶区 内剂量分布不均匀; 3)主要治疗头部的肿瘤, 不适合 体部肿瘤的治疗。1992年美国 Standford大学神经外 科医师 John Adler 发明了 Cyberknife, 2001年通过美 国食品药品管理局认证, 成为全身肿瘤放射治疗的医 疗设备。由于其临床治疗总精度可达亚毫米级,被认 为是最为精确的 SRT 技术之一。 3. 2 � 技术特点 1)该系统将 6MV 直线加速器安装在具有 6个自 由度的机械臂末端, 在患者体外 1 200个方位选择最 合适的入射线束, 显示出独有的灵活性; 2)由于其采 用非等中心、非共面照射, 对形状不规则、周围有重要 器官、直径> 6 cm 的肿瘤可以实现均匀、适形的剂量 分布,而且靶区边缘剂量梯度大, 周围正常组织受量 小,可以用于全身多个部位肿瘤的照射; 3)该系统应 用实时影像追踪定位系统,无需使用重复固定性较差 的有创性框架; 4)治疗过程中实时追踪患者和靶目 标,校准射线方向,补偿因肿瘤移位造成靶区受照剂量 的缺失,保证治疗的精确性; 5) Cyberknife 采用呼吸 同步追踪技术, 通过追踪患者的呼吸运动, 计算出肺 癌、肝癌等肿瘤随呼吸运动的空间位移变化, 指导机械 臂跟踪靶区作同步运动照射, 在患者自然呼吸状态下, 完成四维照射。6)射波刀每次治疗肿瘤的实施时间较 长,其放射生物学效应可能会受到影响。 3. 3 � 剂量分布优势及临床应用 该系统准确、灵活、非等中心和非共面照射的治疗 特性,具有较好的剂量分布优势。Prevost 等 [ 20]对 10 例(期非小细胞肺癌患者进行 Cyberknife 与三维适 形放疗计划比较, Cyberknife 给予处方剂量 45 Gy/ 3 次, Cyberknife和适形计划中靶区最小剂量、平均剂量 分别为 93� 0、115. 8 Gy 和 61� 0、66� 0 Gy( P< 0� 04) , 平均受照 20 Gy 的肺体积 ( V 20 ) 分别为 8. 2% 和 6� 8% , P= 0� 124。结果显示, 在没有显著增加 V 20的 前提下, Cyberknife计划中靶区最小生物剂量、平均生 物剂量分别提高了 51� 0%和 75� 0%。 Cyberknife 临床用于治疗颅内良恶性肿瘤、三叉 神经痛等功能性疾病以及脊柱、肺癌、肝癌、胰腺癌和 前列腺癌等体部肿瘤。临床试验显示, Cyber knife 不 仅能提高肿瘤的局部控制率,而且保留了周围正常组 织器官的功能, 改善患者的生存质量,是一种安全有效 的治疗手段。Pham 等 [ 21]用 Cyber knife 治疗 34例视 神经周围肿瘤患者, 处方剂量为20 Gy/ 2~ 5次。该组 �1997�中华肿瘤防治杂志 2010年 12月第 17卷第 23期 � � CH IN J CANCER PREV TREAT , Decem ber 2010, Vol. 17 � No. 23 患者平均随访 29 个月, 肿瘤控制率为 94� 0%, 其中 91� 0%的患者保持了治疗前的视觉功能。Wow ra 等[ 22]比较了 126 例单发脑转移患者传统 ��刀与 Cy� berknife治疗计划,结果表明, Cyberknife 靶区剂量分 布适形度、均匀度优于 ��刀, 靶区外正常组织受到 10 Gy低剂量辐射的体积较小。Kaplan�Meier 生存分 析显示,经 ��刀和 cyberknife治疗后总生存时间分别 为 3� 6和 6� 9年,但两者治疗后 12~ 18个月肿瘤局部 控制率、中位生存时间差异并无统计学意义。King 等[ 23]应用 Cyberknife 对 41 例前列腺癌患者进行 SBRT 前瞻性 )期临床试验,处方剂量 36. 25 Gy / 5 f, 中位随访 33个月, 采用 RT OG毒性标准评判毒性反 应,尿道和直肠没有发生 4级毒性反应, 有 2例发生 尿道 3级毒性反应, 直肠没有发生 3级毒性反应。 总之,每种新治疗技术的出现都有其各自的优点 以及适应证,临床医生可以根据不同的肿瘤部位、形状 及与周围正常组织的毗邻关系选择最佳的治疗技术。 改善肿瘤和周围正常组织的剂量关系和剂量水平, 特 别是对解剖结构复杂、形状不规则及多靶点的肿瘤,在 不增加正常组织损伤的前提下提高靶区的照射剂量, 提高肿瘤局部控制率, 仍然是放射治疗技术在今后发 展的主要方向。 参考文献! 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