伽瑪射線立體定向放療機的發展

劉峰，馬穎穎，韓俊慶

山東大學附屬省立醫院 a.醫療設備科；b.腫瘤研究治療中心，山東 濟南250021

0 前言

伽瑪射線立體定向放療機自1968年被應用于臨床以來，截止2007年共治療病例總數超過55萬人[1,11]。1993年我國首次引進伽瑪射線立體定向放療機（簡稱伽瑪刀）并應用于臨床。伽瑪刀因其創傷小，并發癥發生率低和治愈率高等優勢，使得對許多疾病的治療發生了根本性變化。同時，伽瑪刀治療適應癥的嚴格；定向、定位的精確及劑量的精度控制等特點，決定了對伽瑪刀的購置和使用需慎重評估。

1 第一代伽瑪刀

1968年，瑞典醫科達公司研制出世界上第一臺伽瑪刀[2,3]。當時的伽瑪刀有179個鈷源呈球狀排列，使病變組織經過一次性大劑量照射就可以產生壞死灶，并且極小甚至幾乎不損害鄰近的正常組織。1974年醫科達公司改進的伽瑪刀[4]是采用201個鈷放射源，鈷源在半球型的殼體經度上的分布為0~360°，緯度上分布為6~36°。第一代伽瑪刀技術的基本特征是靜態聚焦（圖1），二維平面布源方式，殼體和鈷源均不運動，鈷源劑量小，射線束之間在形成焦點之前的路徑是有間隙的，未能做到最大程度的在健康組織中分散射線。

圖1 靜態伽瑪射線立體定向放療機結構示意圖

2 第二代伽瑪刀

第二代伽瑪刀的顯著特征是安裝鈷放射源的治療頭可以做360°的自轉，但治療機頭不做任何運動。放射源在轉動過程中，放射線束可以形成多個角度的錐形聚焦，從而使得整個放射治療過程可以實現部分地或完全地自動化。旋轉聚焦顯著地提高了其“焦皮比”和放射治療的增益。第二代伽瑪刀可以更換不同型號的準直器頭盔，治療范圍也隨之擴大。其基本特征是三維立體布源方式，確立病灶軸向斷面層數，對斷面層進行人工布源或自動布源，實現三維劑量計劃計算。

第二代伽瑪刀的顯著代表為深圳奧沃國際科技發展有限公司生產的旋轉聚焦式頭部伽瑪刀[10]。深圳奧沃的旋轉伽瑪刀由30個鈷放射源按照螺旋方式排列6組。放射源的放射線均經準直器引導聚焦于中心位置，然后疊加能量，從而形成足劑量的焦點，如圖2所示。馬西普醫學科技發展有限公司1999年也指出一種頭部伽瑪刀，其結構、原理等與奧沃公司的旋轉聚焦式頭部伽瑪刀基本相同。隨后，生產研制頭部伽瑪刀的有武漢康橋、深圳圣愛、海博公司，其原理及結構無顯著改進。

圖2 旋轉聚焦結構圖

3 第三代伽瑪射刀

1980年以后，由于CT、MRI、DSA和立體定向伽瑪射線全身治療系統DICOM圖像傳輸等技術的發展，促進了伽瑪刀的變革，第三代伽瑪刀應運而生。

第三代伽瑪刀[5,9]的特征是采用扇形聚焦回轉弧照射方式，照射角度和區域不受重要器官限制，使得腫瘤治療無盲區。其安置在治療頭上的鈷放射源呈扇形排列，治療頭不能自轉，但可圍繞人體縱軸做360°轉動；除了扇形靜態聚焦外，還在治療頭做360°轉動時，形成二次回轉聚焦，并且高放射劑量區（照射野）形態與腫瘤（靶區）形態一致；另外在進行精確聚焦放射治療功能的基礎上，采用序列軌跡、靶點規劃實現三維靶點適形放射治療功能。總之，跟第二代伽瑪刀相比較，第三代伽瑪刀明顯優化了健康組織劑量分布狀態，可選擇射線入射角度，在適形、調強、焦點劑量場形狀等方面有了顯著改進。除此之外，第三代伽瑪刀的主要特征還有劑量量化及計劃驗證量化。第三代伽瑪刀的靶點定位引入了CT、MRI等無創傷診斷技術，同時配備電子計算機和圖像分析儀等，使得劑量計算、方案制定及治療等全部工作程序化、自動化及簡單化。

圖3 超級伽瑪刀外形圖

從第三代伽瑪射刀開始，可以同時治療頭部腫瘤和體部腫瘤。其代表機型為2002年深圳市海博科技有限公司研制的“超級伽瑪刀”，它也是全球第一臺可以兼治頭部腫瘤和體部腫瘤的伽瑪刀。如圖3所示。

4 第四代伽瑪刀

第四代伽瑪刀[6,14]治療頭仍不能自轉，但是可以圍繞人體進行轉動，在治療床三個軸向運動配合下，進行任意入射角度的放射治療。其基本特征是基于PACS技術，不僅可以完成前三代伽瑪刀射線立體定向放療機的功能，而且還具有實時的臨床動態、靜態圖像采集和實時計劃操作；擁有實時的導航或控制能力；解決圖像無損的輸入和輸出；進行科學的量化的診斷和治療；并能實現網絡數據共享等。

早期的伽瑪刀采用手工計算劑量的KULA系統，先逐點設定等中心點，然后將各中心點劑量整合好后，形成劑量計劃圖。再將該圖與影像學膠片重疊，估計其高劑量區的適形性。1990年，醫科達公司推出了GAMMA PLAN治療計劃系統，這是現代伽瑪刀質量計劃系統的雛形。現在的伽瑪刀，從第一代到第三代，都應用類似的治療計劃系統。從第四代伽瑪刀開始，在TPS（計算機三維放療計劃系統）中，引入了逆向算法，這樣不僅實現了真正意義上的全自動治療計劃，而且其等劑量線包裹腫瘤的適形度更高，并能達到IMRT（Intensity Modulated Radiotherapy，調強放射治療）的調強標準。此外，是否能夠執行立體擴野及大野放療技術，也是需要考慮的因素之一。

5 第五代伽瑪刀

第五代伽瑪刀是目前世界上最先進的精確放射治療設備之一，采用了類似航天陀螺儀的旋轉原理，將60Co放射源安裝在兩個垂直方向同步旋轉陀螺結構上，因此又稱“陀螺刀”。它可在實體腫瘤治療領域取代大部分治療設備和大部分外科手術，一次性毀損病灶組織，治療效果大大提高。陀螺刀集成了醫用直線加速器和伽瑪刀的優勢于一身。同時，又將最先進的醫學影像自動跟蹤技術、熱增敏技術、彈珠調強技術巧妙的結合起來。陀螺刀以其更高的放療增益比和完善的功能，將精確放療技術推向了一個新的高度。

第五代伽瑪刀的自轉和治療頭公轉結合在一起，進一步減少了鈷源數量，提高治療精度及可靠性[7,13]。

伽瑪刀的發展和使用還存在著諸多問題，比如機型多、軟硬件開發和資源整合不足等，每一種機型都未能盡善盡美，特別是在劑量評估和劑量驗證方面有待進一步完善。在臨床應用方面也存在規范化使用及臨床應用研究不足等缺陷，使這一技術的全面健康發展受到影響。但伽瑪刀有著顯著的、無可替代的治療優勢，我們相信隨著技術以及認識的提高，伽瑪刀將會有寬廣的發展空間。

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