第一章 放射物理学、剂量学及放射治疗计划系统
第一节 现代三维适形放疗的发展和分类 第二节 多叶光阑（MLC) 一、MLC的一般特性 二、MLC半影与叶片位置设置 三、MLC与适形铅挡块的比较 四、MLC的临床使用 第三节 射束强度调制方法 一、物理补偿器
二、MLC静态强度调节(Step and Shoot, SMLC-IMRT) 三、MLC动态强度调节(dynamic MLC-IMRT, DMLC-IMRT)
四、强度调节旋转治疗(intensity modulated arc therapy，IMAT) 五、断层扫描治疗方式(Tomotherapy) 六、扫描束治疗(pencil beam scanning) 第四节 放射治疗中的图像处理技术 一、解剖或功能图像 二、图像处理
三、治疗计划系统中图形的可视化 四、与治疗计划设计相关的图像 第五节 三维适形放疗的体积与剂量规范 一、体积规范 二、吸收剂量规范
第六节 三维治疗计划及治疗评估 一、三维治疗计划的计算模型 二、治疗评估
三、组织放射效应的生物模型 四、逆向治疗计划与优化 第七节 体位固定技术和治疗验证 一、病人体位固定技术
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二、治疗验证
第八节 质子放射治疗的进展
第一节 现代三维适形放疗的发展和分类
适形调强放射治疗是目前放射治疗界的热点，它综合地体现了放射治疗在技术上的新进展。1965年，日本学者高桥（Takahashi）首先提出了旋转治疗中的适形概念。Proimos等在1970年代和1980年代初报道了采用重力挡块进行适形放射治疗的方法。随着计算机技术的飞速发展和图像技术的介入，三维适形治疗极大地改变了常规放射治疗的面貌。适形放射治疗是用增加剂量分布的适形度来减少晚期重度放射损伤并发症。有学者认为，三维适形放射治疗(3-dimensional conformal radiation therapy，3DCRT)和调强放疗(Intensity modulated radiotherapy IMRT)与其说是一种技术（technique），毋宁说更是一种过程(process)，一种综合医学影像、计算机技术和质量保证措施的现代放射治疗流程。为达到剂量分布上的三维立体适形，必须要求：①射野形状与靶区在该射束方向上的投影形状相同；②射野内各处束流强度能按所需方式调整。满足第一个条件的放射治疗一般称为适形放射治疗，同时满足上述两个条件的放射治疗称为调强放射治疗。3DCRT也被认应代表二十一世纪放射治疗的方向。为达到上述要求，一方面是采用快速而实用的方式使计算机系统生成与计划靶体积(Planning Target Volume, PTV)在射野方向上的投影一致的射野形状，另一方面是在射野内调制强度分布。
在“适形放疗”的名义下，实际上各单位的具体实施方法大相径庭。一方
面，这是由于对“适形放疗”至今尚未有一个明确的界定，并且，各相关领域的发展也在不断地刷新着适形放疗的内涵。另一方面，各单位所具有的设备、人力资源也不尽相同。表1－1根据治疗过程每一阶段的方法和手段试图对适形放疗作一个分类 [1、2]。 表1-1 适形放疗的分类
特征分类
病人数据获取
0
1
2
3
2
固定装置 图像系统 解剖数据的参照 关键器官的轮廓 不均匀性
GTV CTV ITV 设置射野 射野设置 ±不确定性 射线类型和 射线调整 射野方向 等中心 限束装置 射野形状决定 剂量计算和 算法模型 算法模型 治疗计划评估 计划优化 治疗复核与 治疗实施 治疗前模拟机复核 治疗固定装置 摆位辅助 病人摆位 图像复核系统 参考图像 记录验证系统 在体剂量测量
无 定位片＋轮廓仪 床面＋人体中线(可
有可无) 迭加在外轮廓上 迭加在外轮廓上 辨别＋迭加在外轮
廓上
临床辨别 没有这个概念
射野边界的 增大任意 强度均匀的 光子或电子 共面
SSD或SAD技术 (手工设置) 矩形野 解剖标志＋胶片
1D (线) 无不均质修正 单一层面剂量分布
无 可有可无 无 激光＋光野 皮肤标记 无 / 无 无
可有可无 定位片±分立的CT
层面 床面＋人体中线 个别层面上的轮廓 个别层面上的轮廓 个别层面上的轮廓 手工画在平面上 临床近似
PTV＋任意边界 光子和/或电子，
楔形滤片 共面
SSD或SAD技术 (手工设置) 标准挡铅 定位片＋CT片
1D或2D (层面) ±不均质修正 多平面＋ CT剂量分布 逐步试探＋ 目测评估
有(有时伴有 病人数据获取) 可有可无 激光＋光野 坐标＋皮肤标记 初次治疗 射野摄片 模拟定位片 个别治疗机 的优化连接 可有可无
个体模具或立体定向
框架 连续薄层或螺旋CT 外部标记或框架系统 逐层勾勒轮廓 逐层勾勒轮廓 逐层勾勒轮廓 机械地根据一定 的边界值扩展
确定的边界＋解剖边界
PTV＋定量的边界 光子(±电子) ±补偿片 非共面 SAD技术 (自动定靶区中心) 个体化挡铅或MLC
BEV中手动 或自动布野
2 D或3 D (体积) ＋不均质修正 任意平面剂量分布＋
DVH 逐步试探＋评分函数
推荐
个体化模具或 立体定向框架 激光(±光野) 采用与病人相关参照
(框架标记) 治疗摄片和/或EPID 虚拟模拟±DRR 网络系统的一部分 推荐使用TLD或半导体剂量仪
个体模具或立体定向框架 多种模式的图像合成 （CT，MRI等） 植入性标记或框架系统
三维分解轮廓 三维分解轮廓 三维分解轮廓 根据GTV和生物参数自动 决定在三维空间中的形状 基于运动的定量分析
剂量模拟变化的统计结果
调强光子 动态非共面 SAD技术(自动根 据剂量计算找中心)
动态MLC BEV中自动计算
3 D或4 D (动态)＋ 不均质修正和边界修正 等剂量面/结构＋DVH
＋TCP＋NTCP
逆向问题求解
由BEV治疗室视观取代 个体化模具或 立体定向框架
采用参照物＋计算机控制 采用与病人相关参照
(框架标记) EPID或治疗室内X摄片 虚拟模拟±DRR
为动态治疗的安全而强制使
用 TLD＋半导体＋EPID剂量仪
SSD: 源皮距; SAD:源轴距; MLC:多叶光阑; BEV:治疗室视观; DVH:剂量体积直方图; REV:治疗室视观; EPID:电子射野成象设备; DRR:数码重建图象; TLD:热释光剂量仪.
根据表1-1，一般可以认为满足2类特征的治疗可算作为适形放疗，而3类特征基本上代表了适形治疗未来发展的一个趋势。当然，这仅仅是一个粗略的划分，而不是精确的界定。目前更多的情况是有些适形治疗虽然不具备2类的全部特征，却同时采用了一些属于3类的技术。
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第二节 多叶光阑（MLC)
一、MLC的一般特性
MLC有很多优点，如较适形铅挡块省三分之二的时间，不污染环境，不需要在加速器托盘上调整挡铅块，不需进入治疗机房就可改变射束形状，较铅挡块的精度明显提高，减少了人为因素误差，因而在临床上正逐步代替铅挡块大量用于适形野照射。而且MLC在旋转照射中射束的形状可动态改变，在计算机控制下可实现射束的强度调节，实现IMRT照射。MLC叶片一般由钨或钨合金制成，叶片断面是凹凸槽结构，以降低叶片间的漏射线。当然相对叶片合拢时端面间也存在漏射线。MLC一般由20至60对叶片组成。图1-1显示的是美国瓦里安(Varian)公司加速器上装置的60对叶片MLC。
图1-1. 美国瓦里安(Varian)公司加速器上装置的60对叶片MLC
MLC叶片一般做成双聚焦结构，叶片一方面在端面做成梯形发散状，梯形两边向上延长线相交于源点，另一方面不同端面成发散状也会聚于源点。MLC的单个叶片运动范围应能跨过射束中线若干距离。MLC叶片位置控制及叶片位置的验证十分重要，特别是在不同机架角度检验由于重力影响造成叶片位置的改变。
MLC有手动式，也有电动式。电动MLC每个叶片由一个电机驱动，通过丝杆将旋转运动变成叶片的直线运动，运动速度在0.2至50mm/秒范围内，一般采用1至2cm/sec。图1-1所示的Varian加速器60对叶片的MLC叶片穿透率约为2.5%，叶片最大运动速度为每秒1.5cm/sec，在等中心处叶片位置精度为正负1mm，等中心旋转误差在1mm半径内。
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1992年Boyer[3]测量Varian的26对叶片的MLC。该MLC每叶片投影到等中心处宽度为1cm，能过中心16cm。测得的6MV的深度剂量曲线与规则野的差别在1%以内，提示着传统的深度剂量曲线可适用于MLC。实际上，MLC射野处方剂量计算基本上可以按挡块形成的不规则射野处理，即可以采用面积周长比法、Day氏[4]法或Clarkson[5]积分法。面积周长比法较简单，Day法和Clarkson积分法准确程度较高。当计算点位于射野中心区域未被遮挡时，应首选面积周长比法；当计算点靠近射野边缘或位于遮挡区域时，若叶片对数较少，可考虑采用Day法，若叶片对数较多，可考虑采用Clarkson法。 二、MLC半影与叶片位置设置
MLC叶片有一定的物理宽度，形成锯齿形射野边界，叶片边缘形成的等剂量线近似为正弦波形。图1-2是用胶片剂量仪测量的半影图像。
图1-2 用胶片剂量仪测得的半影 图1-3 MLC有效半影的定义
MLC的半影是一个复杂的问题。将MLC设置成叶片与轴成45°角，用胶片剂量仪在组织最大深度和10cm深度(均作等中心)测量半影，定义“有效半影”为80%等剂量线的波峰和20%等剂量线，或90%等剂量线的波峰和10%等剂量线的波谷之间的距离，如图1-3所示。换言之，有效半影是指正弦等剂量曲线波峰处的切线与第二条正弦曲线在波谷处的切线间的距离。
芝加哥大学[6-9]测量了VARIAN 40对叶片和６0对叶片MLC的有效半影。测量采用6MV光子束，射野大小为15 x 15 cm，胶片分别放在30×30cm固体体模的1.5cm (SSD=98.5cm)和10cm(SSD=90cm)深度处，让MLC分别形成45°和15°锯齿边缘，均照射100cGy剂量。校正胶片是在5cm深度分别照射0，25，50，
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