精确放疗计划的制定及验证

第二节　精确放疗计划的制定及验证

一、治疗计划的设计步骤

放射治疗的全过程一般包括体模阶段、计划设计、计划确认、计划执行4个环节，只有参加放射治疗各个环节的放疗医生、物理师、工程师和技术人员相互配合，做好质量保证与控制工作，放射治疗才算成功。

(一)体模阶段

此阶段的一个主要任务是确定患者的体位，使患者在重复摆位和治疗(或重定位)时体位容易重复。因此，必须采取必要的体位固定措施，如头颈部热塑网膜、抽气负压袋等。另一个主要任务是确定肿瘤的位置和范围，以及肿瘤与周围组织、重要器官的位置关系，需要保护的重要器官等。这一阶段可以采用的影像设备包括X光机、模拟定位机，较高级的设备包括CT、MRI等。这一阶段为计划设计提供了必要的条件。

(二)治疗计划的设计

根据肿瘤类型和期别及所在的部位，放疗医生勾画出肿瘤区和临床靶区，确定治疗计划的靶区(肿瘤)中心，给定靶区剂量、剂量分次模式，同时对靶区剂量的均匀性、周围重要器官的最大允许剂量、特殊点的剂量提出要求。与物理人员一起，利用计算机设计治疗计划，借助一定的手段评估治疗计划，进而优化治疗计划。治疗计划的设计和优化是一个不断反复的过程，最终选出理想的治疗计划。

(三)治疗计划的确认

治疗计划设计完成后，打印出治疗单，治疗单的内容包括各个射野的源皮距、机架角、床角、是否挡铅(如果有挡铅，铅块的形状)、是否需要组织补偿等。这些射野参数应该放到模拟机或CT模拟机上进行射野模拟核对，物理条件如源皮距、源限距、照射野大小等与⁶⁰Co治疗机、直线加速器的完全相同。治疗计划确认可以执行后，应在患者体表作标记，填写治疗单，准备好挡铅、组织补偿块等。

(四)治疗计划的执行

治疗计划执行包括三方面内容:治疗机物理、几何参数的设置，治疗摆位和治疗体位的固定。治疗计划最终要落实到摆位治疗上，患者的首次摆位治疗需要临床医师、物理人员、技术员的共同参与，以确保治疗的准确性。技术员是治疗计划的主要执行者，技术员的主要工作包括要确定照射野的数据、照射野的数目、剂量数据、照射技术、治疗机的几何参数、治疗体位、楔形板、射野挡块、固定器和各种治疗附件等。因此，在摆位治疗阶段QA、QC显得格外重要，针对各种治疗技术，制定不同的治疗规程，以确保治疗的正确实施。

二、三维治疗计划系统

(一)三维治疗计划系统的功能

计划设计定义为确定一个治疗方案的全过程，主要包括三个方面:CT/MRT/DSA等图像的输入及处理;医生对治疗方案包括靶区剂量及分布、重要器官及其限量、剂量给定方式等的要求及实现;计划确认及计划执行中精度的检查和误差分析等。按照这种理解，显然计划设计过程应是一对整个治疗过程不断进行量化和优化的过程。

治疗计划系统(3D-TPS)是随着肿瘤临床、放射物理、放射生物、计算数学、计算机技术的发展而发展的。它经历了从一维到三维的发展历程。20世纪50年代到60年代末的主要方法是手工计算，它将人体简化为无限均匀、各向同性的吸收体，主要计算剂量随深度的分布规律，各种计算参数皆由实测得到，这种计算方法的误差很大，最大可达30%，现在这种方法只用于手工的快速剂量估算。70～80年代出现了二维治疗计划系统，这种系统只考虑患者有代表性的一个层面(一般是肿瘤中心层面)，其他层面的信息都假定和这个层面相同，不能作组织不均匀性校正，这种系统的计算误差在5%～25%。三维治疗计划系统出现于90年代，现在正在逐渐发展成熟。概括起来，三维治疗计划系统具有十大功能，即治疗部位解剖结构的三维描述(包括患者坐标系的确立)。带有立体定位框架标记的CT/MRT等影像应成为计划设计的基础。照射野或放射源应有三维空间位置的描述，并可在任何方向上显示其位置。剂量计算应在三维剂量网格上进行，剂量计算网格应包括靶区及其感兴趣区的范围。体外照射剂量计算必须计入下述影响因子:患者体外轮廓的三维形状;三维电子密度(由CT值转换)及其对原射线的影响;射野或放射源的三维位置和形状;照射野三维扩散度;射野三维平坦度、对称性;楔形板、挡块、补偿器等线束修正装置的三维散射的影响;不均匀组织的三维散射影响。剂量分布及其评估必须用三维方式，如三维剂量分布显示，剂量—体积分析及其计划诸如生物效应因子等其他评估方式等。计算速度必须足够快，便于治疗计划设计时人机交换信息。计划系统必须带有计划验证和确认的手段和工具，以便验证治疗的精确性。具有射野模拟(通过DRR)显示的功能(CT simulation)。具有逆向治疗计划设计(inverse planning)的功能，即做调强适形治疗(IMRT)和逆向组织插植治疗计划设计的功能。现在的计划系统正向实用性方向发展，即在达到各种治疗要求的同时更加注重系统的易操作性、良好的对话界面及更快的运算速度。

(二)三维治疗计划设计的原理和工具

1.治疗机机械参数和剂量学数据的输入治疗机的机械参数包括机架、准直器、治疗床等运动范围及方向、放射源几何直径、放射源至等中心距离(SAD)、标称源皮距(SSD)、源至挡块托架距离(STD)、源至准直器距离(SDD)、楔形板规格及方向。

百分深度剂量(PDD)、组织最大剂量比(TMR)、散射最大剂量比(SMR)、组织空气比(TAR)、散射空气比(SAR)、空气散射因子(Sc)、体模散射因子(Sp)、总散射校正因子(Scp)、射野离轴比(OAR)、反向散射因子(BSF)、楔形因子(Wf)、托架因子(Tf)、电子束射野的X线污染、电子束有效源皮距(SSDeff)，不同数学模型所需的专门数据。

这些数据一部分可以通过联网、软盘、光盘、扫描仪或数字化仪等媒介输入治疗计划系统，另一部分可以通过计算机键盘输入。

2.患者影像数据的获得与处理患者的影像主要包括CT、MRI、DSA和PET等断层扫描图像，这些影像资料数字化(联网、软盘、光盘)输入治疗计划系统。患者的影像信息输入计划系统后，首先进行坐标系和患者解剖结构的三维重建，患者进行影像定位时，体表或体内附加有坐标定位标记点，计划系统通过识别这些标记点进行三维坐标的重建。坐标重建完成后，临床医生勾画患者外轮廓、重要器官和靶区，勾画方式既可以是手动交互方式、半自动方式，也可以是全自动方式，这些轮廓勾画的精确性直接影响剂量计算和分布的准确性。轮廓勾画完成后进行患者解剖结构的三维重建，这可以帮助医生了解患病部位的临床情况，包括病变的性质、特征等。确定靶区与周围重要组织和器官的相互关系，显示照射野或放射源的位置。将不同来源的图像(如CT、MRI、PET)、模拟机射野模拟片、加速器射野证实片等进行融合、叠加和比较。

3.照射野的设计首先需要确定靶区(病变)的中心，选择治疗机、射线的种类、能量、SAD(或SSD)及射野方向、形状等。这个工作一般由医生或计划设计者根据肿瘤部位和自己的经验设定，若使用有逆向设计功能的计划系统，可按照治疗计划的要求设定靶区和邻近危及器官的最大、最小和平均剂量，计划系统按照要求经过大量的运算，自动选择、优化各个射野参数。现在主要有两个工具便于计划设计者设计治疗计划:①医生方向观(REV):相当于医生或计划设计者在检查室(CT或模拟机室)和治疗室从任意位置观察射野与患者治疗部位间的相对空间关系以及射野间的相对关系，REV对于非共面射野的设计特别方便。②射野方向观(BEV):相当于医生或计划设计者站在放射源位置，沿射野中心轴方向观察射野与靶区及周围组织器官间的相互关系。BEV是REV的一种特殊情况，它不仅帮助设计者选择最好的入射方向，而且可以设置射野挡块或安排MLC叶片的位置。

4.剂量的计算、显示和计划评估剂量计算是在三维网格矩阵上进行的，一般的三维治疗计划系统可以调节计算网格的大小，计算网格的最小尺寸为一个像素点的尺寸。二维计划系统中等剂量曲线叠加在治疗部位的轮廓图上，计划系统只作为剂量计算器和剂量分布显示器，剂量的显示和评估显得相对简单。

三维治疗计划系统通常有多种剂量显示和计划评估工具，如剂量体积直方图(DVH)，横断面、冠状面、矢状面和任意斜切面的剂量分布，体剂量分布(voluroe dose)，面剂量分布(surface dose)和靶区及各种器官组织的剂量汇总表(dose summary)。其中，DVH的定义是某一感兴趣的区域如靶区、重要器官的体积内有多少体积受到多高剂量水平的照射，有积分和微分两种形式。最佳的治疗计划是靶区100%的体积接受剂量规定点的剂量(100%)，同时危及器官(OAR)100%的体积接受的剂量为零。采用适形调强技术，可以近似实现靶区内DVH的要求，而保持OAR的剂量低于允许的剂量水平。DVH用于多个治疗计划的评估和比较是近年来治疗计划系统的一项极其重要的发展。主要目的是让医生较客观地评价治疗计划的优化程度，靶区的绝大部分体积接受较高的治疗剂量而正常组织尽可能少地受累及。它亦可用于显示病灶相邻的重要结构的情况;另外，还有数字化重建放射显像(DRR)功能;可贮存、调用不同计划到同一屏幕进行方案比较择优;可在屏幕上适时模拟显示治疗床、加速器、机架移动情况，使治疗过程直观化，多平面旋转环视“漫游患者摆位情况”。

5.生物效应评估模型物理剂量分布不能完全反映对病变的控制率和对正常组织引发的并发症。因为总剂量是否给得太大或太小，不同组织对放射线的敏感性不同，临床剂量学四原则并没有显示不同肿瘤和正常组织的生物剂量响应特性，更没有反映单次量、分次模式、肿瘤细胞倍殖时间、正常组织半修复时间、治疗后细胞开始增殖时间、肿瘤的半致死剂量D₅₀及早反应组织和晚反应组织的各种放射生物学参量等。因此，补充生物效应的评估十分必要。但影响肿瘤治疗效果的因素十分复杂多变，有些因素和规律至今仍处于研究之中。此处列举两种生物效应模型供参考，即正常组织并发症发生概率(normal tissue complicatiom probability，NTCP)和肿瘤控制率(tumour control probability，TCP)。NTCP和TCP两个生物学指标是将一串DVH值换算成单个百分数，使得评判标准简单明了。TCP应尽量高，NTCP应尽量低，从而在不引起并发症的情况下彻底有效地杀灭、控制肿瘤。

三、适形放射治疗

(一)适形放射治疗的目的与定义

1959年，日本学者Takkahashi等首次提出了适形放射治疗的概念。他们用一个机械系统控制多叶准直器(MLC)的开口形状与射野方向的靶区投影形状一致，绕患者进行旋转治疗。调强适形放射治疗(IMRT)最早由Bjamgard Kijewski等于上世纪70年代提出，由于当时医学工程技术的限制，IMRT还不能在临床上实现。多叶准直器的最初设计主要是代替射野挡块实现高质量的适形放疗。20世纪80年代末期，多叶准直器开始商品化，目前使用多叶准直器主要考虑它的如下优点:①在常规放疗中代替各种空心挡铅块，实现非共面多野照射;②实现旋转式动态适形放疗;③实现动、静态多野调强适形放射治疗。

理想的放射治疗技术应最大限度地将放射线剂量集中于靶区(病变)，而周围正常组织照射量很低或基本不受照射。要实现这个目标，必须满足3个条件:①在BEV方向上使不规则射野的形状与靶区(病变)的形状一致;②采用非共面照射技术，使射野立体聚焦式照射靶区(病变);③按临床要求对每一个射野的输出剂量率进行调节。满足上述3个条件，我们称之为调强适形放射治疗，这项技术的最终结果是高剂量区剂量分布的形状在三维方向上与靶区(病变)的形状一致。

调强适形放射治疗是放射肿瘤学的一场革命，放射肿瘤学工作者对这项技术寄予厚望，并积极投身到这项技术中去，这项技术是本世纪初放射治疗技术的主流。

(二)IMRT的优势

随着放疗技术的进展，精确放疗已经在逐渐取代常规放疗技术。调强放疗是采用精确定位、精确计划和精确照射的方式，其结果可以达到“四最”的特点，即靶区接受的剂量最大，靶区周围正常组织受量最小，靶区的定位和照射最准以及靶区内的剂量分布最匀。在目前的情况下，调强放疗是最理想的选择。

IMRT与常规放疗相比有以下优势:①采用了精确的体位固定和定位技术:即采用头、体部固定膜和负压袋固定，用MRI三维扫描或螺旋CT扫描三维重建定位，这就较其他技术大大提高了定位精度。②采用了精确计划:即逆向计划(inverse planning)，因为随着照射技术复杂性的增加，能够实现这一结果的可能性很多，但哪一个是最好的方法靠常规计划无从知道，只有通过逆向计算才能确定。③采用了精确照射:即能够优化配置射野内各线束的权重，使高剂量区分布的形状在三维方向上与靶区的实际形状相一致。因此，剂量分布的适形程度要比标准的3D-CRT技术好得多，计划靶区(PTV)内的剂量分布也更均匀，如果需要在PTV边缘可以同时形成非常陡的剂量梯度。这意味着靶区周围的正常组织受高剂量照射的体积将显著减少，从而可以较大幅度地增加肿瘤剂量或(和)减少正常组织的受量，提高肿瘤控制率(TCP)或(和)降低正常组织并发症的发生率(NTCP)。另外，IMRT技术可在一个计划里同时实现大野照射及小野追加剂量照射，这样在每次照射中正常组织受照的剂量较低，而不同靶区可以获得相应所需要的剂量，同时缩短了治疗时间，这一治疗方案可能具有重要的放射生物学意义。

(三)调强放疗的射野数及强度水平数

理论上射野数越多，适形程度越好，但是当射野超过一定数目后，增加射野对适形程度的贡献越来越少。因此，如何确定这一射野数即超过该数目后增加射野对治疗计划结果的改善无任何实际意义，就成为射野规划中的重要问题。IMRT照射时所选取照射野数目的多少主要由以下参数决定:①靶区因素:包括靶区的大小、位置和形状;②靶区周围敏感组织概况:包括体积、位置、形状及是否属于并行或串行器官;③靶区要求的照射剂量和敏感组织耐受剂量之间差异的大小。许多作者发现，＞10个照射野对于剂量的优化往往无任何实际作用，故射野数以10个以内为宜;另一方面，若射野数少到3～4个，剂量分布的适形程度会明显降低。然而，随着影像重建技术的发展，许多研究者发现由于IMRT的应用，即使用3～4个野，也可以在某一等剂量曲线上获得所需的剂量分布。所以，如果靶区与周围正常组织的剂量差别不大，可用较少的射野来实现调强，以提高效率。当然采用较少的射野时，应对射野的方向进行反复的优化。研究表明，采用5～7个剂量强度水平与连续调强的结果无明显差异。因而，在用MLC实施调强放疗时，无需在整个过程都使用动态模式。

(四)调强放疗的未来发展方向

1.影像学指导的放疗即将治疗机与影像设备结合在一起，每天治疗时采集有关影像信息，确定和验证靶区，做到每日一靶。

2.四维照射技术四维照射技术是在三维照射的基础上考虑到时间的因素，主要包括适时照射和适应性照射，一是指在治疗时射束随靶区的位移而移动;二是指在治疗的前5次每天在治疗时行一次影像学验证检查并通过放疗计划系统确定计划靶区，然后综合分析这5次的结果确定最终调整后的计划靶区。

3.五维照射技术五维照射技术是在四维照射技术的基础上考虑到生物学因素。这需要在细胞生物学和放射生物学方面进行深入的研究。一是通过对乏氧肿瘤细胞的研究，指导最佳的分割时间，因为肿瘤内乏氧细胞含量是影响肿瘤放疗最重要的因素之一;二是生物学靶区的确定，因为随着PET和MRI的临床应用以及细胞显像和基因显像技术的研究，从功能和代谢水平早期诊断肿瘤以及确定肿瘤的亚临床灶区域，即确定生物学靶区已成为可能。

四、三维适形放射治疗计划的具体实施

严格掌握适应证，召开病例会诊讨论会，选好患者;确定治疗体位，用适当的体位固定装置固定患者;让患者连带体位固定装置和患者坐标系一起行CT/MRI扫描，获取患者治疗体位的解剖数据;将患者的影像数据通过网络传输到CT模拟工作站或治疗计划系统中，由临床医师勾画靶区、周围正常器官;医师提供处方剂量和对治疗计划的具体要求;治疗计划设计者按要求利用三维治疗计划系统设计和优化患者的治疗计划;医师和物理师共同检查治疗计划，确认无误后，则可以将治疗计划打印输出或通过网络输出到加速器控制系统，准备实施治疗;在治疗计划系统工作站生成与射野垂直方向的DRR，然后在加速器上为患者拍片，检查等中心的位置是否正确，如果没有问题就可以开始治疗。