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2019-08-23
來源：器械之家
來源：器械之家
2019-08-23
自上世紀(jì)70年代以來，中國的放療產(chǎn)品事業(yè)取得了很大的發(fā)展，在歷經(jīng)北京醫(yī)療器械研究所、廣東威達(dá)醫(yī)療器械集團(tuán)公司、山東新華醫(yī)療器械有限公司、揚(yáng)州海明醫(yī)療器械公司、沈陽東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，以及眾多后起之秀如上海聯(lián)影、廣東中能等為代表的國產(chǎn)放療設(shè)備供應(yīng)商的不懈努力之下，在清華大學(xué)等科研單位的大力支持下，目前國內(nèi)的放療產(chǎn)品技術(shù)研究水平取得了長足的進(jìn)步，在技術(shù)的先進(jìn)性、質(zhì)量的可靠性、產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性方面都得到了不同維度的飛躍性的進(jìn)步。
通過對(duì)醫(yī)用加速器、TPS（放射治療計(jì)劃系統(tǒng)）、CT-SIM（CT模擬）機(jī)、X線模擬機(jī)、后裝機(jī)、電動(dòng)多葉光柵、三維劑量場分析系統(tǒng)、X-刀、三維移動(dòng)激光燈、RTIS（放療信息系統(tǒng)）、OIS（腫瘤信息系統(tǒng)）、各種定位輔助固定裝置的不斷投入和研制，國產(chǎn)放療設(shè)備已經(jīng)形成了一個(gè)完整的產(chǎn)品供應(yīng)體系，具備了提供整套放療解決方案以服務(wù)于患者治療的能力。
更為可喜的是，這些年不斷在質(zhì)子重離子治療方面的投入，為患者腫瘤治療又提供了一大重要手段！
進(jìn)入21世紀(jì)后，從國際領(lǐng)域的范圍來看，醫(yī)用加速器發(fā)展得特別快，可以用眼花繚亂來形容近些年的加速器方面的發(fā)展。但是如果我們總結(jié)醫(yī)用加速器的發(fā)展歷程，我們依然可以梳理出來加速器的發(fā)展脈絡(luò)和發(fā)展維度。
即無論加速器怎么發(fā)展，實(shí)際上都是沿著以下三條主線：
精準(zhǔn)：即IGRT方向的差異化演進(jìn)，主要解決的是治療準(zhǔn)確性的問題，關(guān)注的是靶區(qū)的實(shí)際大小、實(shí)時(shí)邊界形狀和在人體中的實(shí)際時(shí)空位置，重點(diǎn)解決的是“所見即所治”。
精確：臨床技術(shù)與手段的差異化演進(jìn)，主要解決的是照射劑量場和腫瘤靶區(qū)組織立體適形和生物適形、靶區(qū)內(nèi)劑量分布均勻的問題，重點(diǎn)解決的是“所治即所見”。
關(guān)注用戶體驗(yàn)：在此基礎(chǔ)上，衍生出來我們?cè)谌绾螡M足用戶使用舒適度的方向上的差異化演進(jìn)，即關(guān)注用戶（廣義性質(zhì)的）使用體驗(yàn)。
下面對(duì)這幾個(gè)方面予以詳細(xì)介紹。
精 準(zhǔn)
所謂精準(zhǔn)，準(zhǔn)確地說是關(guān)于IGRT方面的發(fā)展，即放療結(jié)合影像，準(zhǔn)確告知腫瘤治療過程中它的位置、形狀、大小，以便調(diào)整加速器射線的輻照方向以及強(qiáng)度，使得射線準(zhǔn)確的包裹腫瘤而避免傷及無辜。
以前的傳統(tǒng)的加速器，基本上通過模擬機(jī)定位（X線模擬機(jī)或CT模擬機(jī)或模擬解決方案）以后，將腫瘤靶區(qū)的位置通過在人體外表上的標(biāo)記予以呈現(xiàn)，并借助之拉票機(jī)房內(nèi)的固定激光燈來定位靶區(qū)位置。
由于實(shí)際治療過程中靶區(qū)的實(shí)際位置與靶區(qū)標(biāo)記位置存在無法對(duì)應(yīng)的情況，因此實(shí)際上這種定位的方法還是被歸屬于盲打治療階段。樣式見下圖。其特點(diǎn)是：
一般采用懸臂結(jié)構(gòu)；
定位擺位方便。
▲ 模擬機(jī)定位
到了上世紀(jì)90年代，為了解決腫瘤靶區(qū)的定位問題，先后發(fā)展了EPID、動(dòng)態(tài)X線、CT等圖像引導(dǎo)設(shè)備，我們將這種圖像引導(dǎo)的加速器治療技術(shù)稱為IGRT。具體情況介紹如下。
1
EPID引導(dǎo)
EPID實(shí)際上是一種能夠承受MV級(jí)高能射線照射的二維X線平板探測器，其圖像引導(dǎo)的特點(diǎn)是：
MV射線錐形束成像，軟組織圖像模糊，只能利用骨骼影像和模擬機(jī)系統(tǒng)傳過來的圖像做配準(zhǔn)，主要用于擺位驗(yàn)證；
2D影像（拍片模式）；
理論上可任意選擇拍片角度操作簡單，成本低、容易實(shí)現(xiàn)，既可以離線校正驗(yàn)證射野的大小、形狀、位置和患者擺位，也可以直接測量射野內(nèi)劑量，是一種簡單實(shí)用的二維影像驗(yàn)證設(shè)備。
缺點(diǎn)是該模擬過程中常常無法直接或完整看到腫瘤侵犯范圍，通常需要借助骨、氣腔和體輪廓線等標(biāo)志等來間接確立放療臨床靶區(qū)。應(yīng)用該種技術(shù)進(jìn)行放療模擬定位時(shí)存在諸多的問題。主要表現(xiàn)在：
所獲得影像是二維的，前后位影像重疊失去了諸多前后位解剖學(xué)信息；
無法勾畫出腫瘤和正常組織和器官幾何體積；
基本無法進(jìn)行三維治療計(jì)劃設(shè)計(jì)和劑量分布的顯示；
無法與其它來源影像進(jìn)行融合來共同確定腫瘤的臨床靶區(qū)。
因此，該種影像用于惡性腫瘤放療特別是根治性放療的計(jì)劃設(shè)計(jì)存在很大限制。但由于獲得該影像經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，影像的整體感強(qiáng)，連續(xù)采集能獲得動(dòng)態(tài)信息，因此目前該種影像多用于姑息性治療靶區(qū)確定和用于治療計(jì)劃設(shè)計(jì)、實(shí)施等方面的驗(yàn)證。
但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于非晶硅平板探測器的EPID，可以直接測量射野內(nèi)劑量，是一種快速的二維劑量測量系統(tǒng)，用EPID系統(tǒng)進(jìn)行劑量學(xué)驗(yàn)證的研究開始不斷增多，逐漸興起并推向臨床。相信EPID會(huì)迎來DGRT的春天。
▲ EPID引導(dǎo)
2
CBCT圖像引導(dǎo)
CBCT系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)X線系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平板。CBCT獲取數(shù)據(jù)的投照原理和傳統(tǒng)扇形掃描CT不同，X線球管以較低的射線量圍繞患者做環(huán)形DR（數(shù)字式投照），獲得的圖像數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重建后進(jìn)而獲得三維圖像。
從成像結(jié)構(gòu)看，CBCT用錐形束X線掃描代替常規(guī)診斷CT的扇形束掃描；與此相對(duì)應(yīng)，CBCT采用一種平板探測器來代替常規(guī)診斷CT的線狀探測器。
因?yàn)閿?shù)據(jù)獲取的方式不一樣，常規(guī)診斷CT的投影數(shù)據(jù)是一維的，重建后的圖像數(shù)據(jù)是二維的，后處理工作站上的三維圖像是連續(xù)多個(gè)二維切片堆積而成的；CBCT的投影數(shù)據(jù)是二維的，重建后直接得到三維圖像。
顯然，CBCT采用錐形束X線掃描可以顯著提高X線的利用率，只需旋轉(zhuǎn)360度即可獲取重建所需的全部原始數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)是：
kV射線錐形束成像，通過軟件圖像重建，呈現(xiàn)3D影像和DRR圖像，即錐形束CT；
可360°旋轉(zhuǎn)，部分設(shè)備突破360°；
由于利用的是錐形束和KV平板，射線散射較大，圖像清晰度有限；
可以做組織彈性配準(zhǔn)，由于器官邊沿分辨度不高，精確度有限。但是對(duì)于部分組織例如頭部等器官，骨骼剛性配準(zhǔn)就比較精確；
適合三位配準(zhǔn)和二維配準(zhǔn)；
成像軟組織分辨率和空間分辨率均比較差，成像劑量要比常規(guī)診斷CT高一個(gè)數(shù)量級(jí)別。
▲ CBCT引導(dǎo)
3
CT引導(dǎo)
從某種程度上來說，CT引導(dǎo)是真正意義上的IGRT。
CT影像是組織影像，不僅包含組織器官的位置信息，也包含組織器官的密度信息，因此它不但能夠做圖像位置定位，還能夠利用CT影像對(duì)治療計(jì)劃進(jìn)行離線調(diào)整。其特點(diǎn)如下：
能提供3D和2D圖像組織配準(zhǔn)；
成像速度快，圖像質(zhì)量好；
CT不僅能提供靶區(qū)位置、體積、結(jié)構(gòu)信息，最主要的還能夠提供組織密度信息，提供放療計(jì)劃修正的便利，部分承擔(dān)CT模擬機(jī)的功能。該能力在分次放療中，可根據(jù)腫瘤退縮或周圍器官變化做適應(yīng)性計(jì)劃優(yōu)化甚至分次治療過程中的再計(jì)劃。這是CT-linac的最大的優(yōu)點(diǎn)。
其缺點(diǎn)是CT掃描層面和加速器治療層面不同面，因此導(dǎo)致通過CT的擺位和定位位置校正確認(rèn)后，患者還需要挪動(dòng)位置，挪動(dòng)后的位置精度無法確認(rèn)和驗(yàn)證。
▲ 西門子的CT引導(dǎo)加速器（面對(duì)面方式）
▲ 上海聯(lián)影醫(yī)療的CT引導(dǎo)加速器（前后緊貼式）
4
雙X線系統(tǒng)正交影像引導(dǎo)
這種成像技術(shù)把兩套kV級(jí)X線以正交的角度安裝，同時(shí)對(duì)病人進(jìn)行照射。先在病人體內(nèi)植入金球或者以病人骨性標(biāo)記為配準(zhǔn)標(biāo)記。使用治療室內(nèi)兩個(gè)交角安裝kV級(jí)X線成像系統(tǒng)，等中心投照到患者治療部位，追蹤金屬標(biāo)志的位置變化，或者根據(jù)拍攝的低劑量骨骼圖像，與先前儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像進(jìn)行比對(duì)，以便決定腫瘤的正確位置, 并將數(shù)據(jù)輸送至控制加速器的計(jì)算機(jī)中用以控制加速器的工作。
與EPID MV級(jí)射線攝野片相比，骨和空氣對(duì)比度都較高,軟組織顯像也比較清晰。
目前主要是賽博刀(Cyber knife)系統(tǒng)在使用這種方式，當(dāng)然也有在以前的不具備IGRT功能的常規(guī)加速器系統(tǒng)中增加這樣一套定位系統(tǒng)的，例如江蘇瑞爾醫(yī)療科技公司就主要從事類似的雙X線圖像引導(dǎo)系統(tǒng)的研制和安裝使用，并取得了不錯(cuò)的反響。
▲ Accuray(安科銳)公司的雙X線正交圖像引導(dǎo)系統(tǒng)
5
MV級(jí)的扇形束CT影像引導(dǎo)
這種機(jī)型比較少，主要是TOMO在采用這種圖像引導(dǎo)方式，如下圖。
▲ Tomotherapy的MV級(jí)射線扇形束圖像引導(dǎo)系統(tǒng)
采用這種方式來做圖像引導(dǎo)其實(shí)也是一種無奈。這種機(jī)型最初的設(shè)計(jì)其實(shí)是含有CT影像系統(tǒng)的，且CT掃描層面和治療層面是共面的。可是考慮到CT成像和加速器治療兩者之間的系統(tǒng)要求差異較大，例如轉(zhuǎn)速。要解決這個(gè)問題，整體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)會(huì)極其復(fù)雜，于是無奈將CT系統(tǒng)減掉，變成了現(xiàn)在我們看到的這樣子。
也就是說，最初的設(shè)想，TOMO其實(shí)也是想用kV級(jí)射線來做圖像引導(dǎo)的。但是實(shí)際上由于實(shí)現(xiàn)起來難度很大，所以不得已才直接采用加速器的MV射線來做圖像引導(dǎo)。不過考慮到6MV射線對(duì)人體傷害過大，就將6MV射線能量降低到3.5MV，以降低圖像成像過程中對(duì)正常組織的傷害程度。這款機(jī)型在是在美國威斯康辛研制出來的，但是在美國本土銷售得并不好，在中國大陸反到比較受歡迎和鐘愛。個(gè)中原因耐人尋味。
6
MRI引導(dǎo)
在放療過程中，靶區(qū)組織的位置和結(jié)構(gòu)形狀會(huì)根據(jù)治療過程、人體應(yīng)激反應(yīng)、呼吸、情緒等因素隨時(shí)間而變動(dòng)，這就導(dǎo)致了靶區(qū)的3D信息是不夠的，還需要加入時(shí)間因子，然后實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)，實(shí)時(shí)放射治療。
無論是EPID還是CBCT或者普通CT引導(dǎo)，目前都做不到實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)放療?；蛘呤且?yàn)槌上駮r(shí)間較長，或者是因?yàn)槌上窈椭委熯^程不同步，或者是因?yàn)橛跋窠嵌扰c治療角度存在固有偏差。
這樣要實(shí)現(xiàn)呼吸門控治療，一般都是通過以下兩種實(shí)施：
紅外監(jiān)控呼吸幅度；
通過4DCT采集呼吸時(shí)相規(guī)律然后納入到治療計(jì)劃中。
前者屬于間接監(jiān)控腫瘤靶區(qū)隨呼吸的運(yùn)動(dòng)，誤差較大；后者則是將靶區(qū)隨呼吸運(yùn)動(dòng)的變化抽象化和簡單化，沒有考慮靶區(qū)隨呼吸運(yùn)動(dòng)的頻率及幅度在不同時(shí)間和條件下的會(huì)有不同呈現(xiàn)的復(fù)雜性。
就目前而言，只有MRI有機(jī)會(huì)提供了這一種實(shí)時(shí)成像的可能。
同時(shí)，由于MR是一容積性影像采集裝置，能獲得高空間分辨率和高對(duì)比度任意層面和方向的解剖影像，尤其是對(duì)于確定頭頸、中樞神經(jīng)、脊髓和軟組織等部位腫瘤臨床靶區(qū)有極大幫助。
由于MR成像取決于物質(zhì)的質(zhì)子密度，T1加權(quán)、T2加權(quán)和血管流空效應(yīng)，因而MR較CT影像含有豐富的信息，而且磁共振檢測序列的選擇和優(yōu)化可有效地提高腫瘤與周邊正常組織的區(qū)分能力，因而MR是顯示組織密度對(duì)比差異小的區(qū)域，如頭頸、中樞神經(jīng)、脊髓、軟組織、宮頸、前列腺以及骨轉(zhuǎn)移處腫瘤臨床靶區(qū)的一種重要手段。
和CT等不同，MRI可以通過梯度場的變化提供任意方向的2D圖像，且圖像的成像速度快，1幀不超過10ms，這就相當(dāng)于實(shí)時(shí)影像了，目前這種2D圖像主要用于門控系統(tǒng)，實(shí)際上放療呼吸門控或跟蹤要求時(shí)間尺度是300ms（~0.1個(gè)呼吸周期），這包括圖像采集、重建靶區(qū)、勾畫（判斷）、開關(guān)射線，這樣圖像重復(fù)率至少需要4ftps，圖像延遲不超過100ms，MRI完全滿足這種需要。
MRI-Linac機(jī)器主要有四家在做：
醫(yī)科達(dá)(Elekta)的 Unity (1.5 T)
ViewRay的MRIdian (0.35 T)
The Australian MRI-Linac program (1.0 T)
MagentTx Aurora-RT (0.5 T)
▲ 醫(yī)科達(dá)(Elekta)的 Unity
▲ ViewRay的MRIdian
MRI引導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)：
無附加劑量、軟組織對(duì)比度高、可以進(jìn)行治療中引導(dǎo)。
實(shí)時(shí) MRI引導(dǎo)軟組織擺位和在線劑量預(yù)測 ：病人每日治療的擺位可直接利用 MRI 影像針對(duì)靶區(qū)位置做定位，讓對(duì)位更精準(zhǔn)，并且病人在治療床上，能利用門卡預(yù)測當(dāng)前放療將要投遞的劑量。
術(shù)中適應(yīng)性放射治療(on-table Adaptive RT)：在分次放療中，根據(jù)腫瘤退縮或周圍器官變化做在線適應(yīng)性計(jì)劃優(yōu)化； 直接使用MR圖像進(jìn)行物理劑量計(jì)算存在困難：MR上的像素量與物質(zhì)內(nèi)質(zhì)子有關(guān)而與核外的電子密度不相關(guān)，因而無法直接利用磁場信號(hào)進(jìn)行物理劑量的計(jì)算。解決此問題辦法有兩個(gè)，一是將MR影像融合疊加到CT影像上，用MR和CT影像進(jìn)行靶區(qū)的勾畫，用CT影像中CT值進(jìn)行物理劑量計(jì)算；二是通過數(shù)學(xué)模型將磁共振信號(hào)轉(zhuǎn)變成電子密度用于劑量的計(jì)算。
治療中實(shí)時(shí)追蹤腫瘤(Real-Time Tracking)：治療全程連續(xù)造影，系統(tǒng)透過軟組織追蹤和自動(dòng)化的射線控制，當(dāng)腫瘤組織移動(dòng)超過醫(yī)師定義的追蹤界限，射線會(huì)自動(dòng)暫停照射，當(dāng)靶區(qū)移回界線內(nèi)的范圍，治療會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。
7
PET引導(dǎo)
目前在海外，已經(jīng)有研究單位在研究PET引導(dǎo)放療的技術(shù)。
PET是一種新型發(fā)展迅速的能檢測腫瘤和正常組織代謝差異的功能性影像學(xué)技術(shù)，其基本原理是將利用能發(fā)射正電子的放射性核素（如18F、11C、15O和12N）標(biāo)記到某種物質(zhì)上，將這些物質(zhì)注射到人體內(nèi)，通過體外裝置進(jìn)行檢測并進(jìn)行顯像，可以靈敏準(zhǔn)確地定量分析腫瘤能量代謝、蛋白質(zhì)合成、DNA復(fù)制增殖和受體分布等。目前，較為常用的為18F和11C標(biāo)記的顯像劑。
由于PET 可以用于測定腫瘤細(xì)胞代謝狀況，并可以定量和三維顯示腫瘤內(nèi)諸如乏氧、增殖、新生血管狀態(tài)、凋亡和性激素受體狀態(tài)等生物學(xué)信息的一種新的功能性影像技術(shù)。
從理論上推測它可用于捕捉活體內(nèi)腫瘤生物學(xué)信息并將其用于指導(dǎo)放療計(jì)劃的設(shè)計(jì)。
然而，PET影像用于腫瘤臨床幾何靶區(qū)確定時(shí)尚存在一些問題：
相比于CT和MR影像，現(xiàn)有PET影像分辨率仍較低（僅2mm～7mm），解剖結(jié)構(gòu)顯示較差；
影像分辨率仍較低；
影像掃描方式需要改進(jìn)，目前無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)步進(jìn)式掃描，這樣會(huì)丟失部分組織信息；
目前尚無定量客觀反映實(shí)體瘤大小。
總之，時(shí)至今日——
放射治療是建立在影像基礎(chǔ)上的系統(tǒng)工程。
現(xiàn)有影像引導(dǎo)設(shè)施為放療計(jì)劃精確實(shí)施提供了一定的保證。
不同來源的影像為腫瘤放療靶區(qū)確定提供了不同信息，多種影像共同參與將有助于提高靶區(qū)設(shè)計(jì)的精確性。
功能性影像具有臨床應(yīng)用巨大的潛力，也是腫瘤放療個(gè)體化設(shè)計(jì)依據(jù)的重要來源。
需要注意的是，放療設(shè)備的本質(zhì)還是放療，不是診斷。兩者之間的重要性權(quán)重應(yīng)該處于合適的位置。片面追求影像的先進(jìn)而忽視了放療技術(shù)的發(fā)展，一定會(huì)對(duì)放療設(shè)備發(fā)展本身帶來其他問題。另外一個(gè)問題是考慮到影像系統(tǒng)主要還是為治療系統(tǒng)進(jìn)行定擺位，因此單純就這一點(diǎn)而言，影像成像層面和加速器治療層面共面時(shí)其系統(tǒng)性誤差能大大縮小。反之其由于部件運(yùn)動(dòng)（例如CT-linac定位和擺位過程中治療床的轉(zhuǎn)動(dòng)或前后移動(dòng)）帶來的固有誤差難以通過軟件算法以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來予以保證。對(duì)于這一點(diǎn)希望大家有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。
總體而言，核磁已經(jīng)接近實(shí)時(shí)軟組織成像，這種邊看邊打的方式極大地提高了放療的準(zhǔn)確性，既然已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)看到并定位腫瘤，影像引導(dǎo)技術(shù)是不是可以說已經(jīng)摸到了天花板呢？這個(gè)方向的下一階段發(fā)展路線理論上恐怕很難再有創(chuàng)新性空間。或者說，如果還希望在這個(gè)方向繼續(xù)發(fā)展下去，成本與代價(jià)也會(huì)推高到市場難以承受的地步。
精 確
精確的概念推廣，主要來源于用多葉準(zhǔn)直器（多葉光柵，即MLC）來從事適形治療后興起的概念，主要陳述的是CRT（適形放療）、3D-CRT（3D適形放療）、SRT、S-IMRT（靜態(tài)調(diào)強(qiáng)）、D-IMRT（動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)）、VMAT（容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)）等放療技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。至于是否可以將筆形束治療技術(shù)應(yīng)用如SRS治療技術(shù)概念也納入這個(gè)概念里，目前沒有定論，但是也沒有人反對(duì)。我的意見是它們都是精確放療的技術(shù)手段。
不管怎么樣，我們的精確放療的前提條件都是基于將腫瘤組織假定為剛性的、固定位置的、密度均勻的靶區(qū)組織。只有在這一個(gè)前提下，我們對(duì)腫瘤靶區(qū)的定義（位置、體積、形狀）和放療計(jì)劃的制定才變得可知、可信也可控。
整體而言，對(duì)于治療而言，目前存在三種治療射線形態(tài)，即錐形束、扇形束和筆形束，其中以錐形束治療最為主流。三種不同的射線成野方式，決定了相對(duì)應(yīng)的臨床技術(shù)在不同的道路上發(fā)展。
先來看錐形束的放療技術(shù)的發(fā)展。我們知道，從加速管出來的射線之所以能形成不同的射線形狀，其實(shí)主要是由準(zhǔn)直器形狀決定的。
形成錐形束的是如下圖所示的二維多葉光柵，葉片的運(yùn)動(dòng)主要由螺旋電機(jī)來驅(qū)動(dòng)：
等中心平面內(nèi)，錐形束的射野現(xiàn)在一般是40cm*40cm，個(gè)別的是28cm*28cm（例如Halcyon）。以前的常規(guī)傳統(tǒng)加速器，35cm*35cm比較常見。
下表主要是關(guān)于錐形束加速器臨床技術(shù)的發(fā)展演變情況。
（點(diǎn)擊圖片可放大觀看）
如果從劑量場的分布角度來看，這些技術(shù)之間的臨床表現(xiàn)差異也是很大的，我們先來整體了解三維適形和三維調(diào)強(qiáng)的劑量場分布差異：
很明顯，從上圖看出，5野的IMRT和傳統(tǒng)的6野三維適形相比較，前者提高了對(duì)腫瘤形狀的適應(yīng)性。紅色區(qū)為95%的等劑量線包括范圍。
那么，VMAT和IMRT相比有什么不同？旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)技術(shù)是近十年來最具有臨床價(jià)值的放療技術(shù)之一。它將弧形治療和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)治療技術(shù)合二為一，發(fā)展和創(chuàng)造出來一種新型的臨床技術(shù)。
這方面的技術(shù)應(yīng)用，典型機(jī)型可能是Varian的TureBeam和Elekta的Axesse機(jī)型。
▲ Varian的TureBeam
▲ Elekta的Axesse
除了錐形束的旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)之外，還有利用筆形束從事立體定向放射治療的射波刀（Cybro-knife），以及利用扇形束做IMRT治療的Tomotherapy系統(tǒng)，這些都是在臨床技術(shù)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)的比較成功的案例。
錐形束主要由二維MLC形成，扇形束則是由一維二元光柵形成了，二元光柵葉片的運(yùn)動(dòng)主要由氣動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)，只有開合兩種位置狀態(tài)：
第一個(gè)廣泛使用的商售扇形束IMRT系統(tǒng)是由NOMOS公司生產(chǎn)的Peacock。此技術(shù)是把一個(gè)狹長的準(zhǔn)直器裝到傳統(tǒng)的機(jī)器上面，得到大約20cm寬、1-4cm長的扇形束。隨著機(jī)架的旋轉(zhuǎn)，扇形束能夠在患者的橫截面上形成一個(gè)條狀的照射野。在機(jī)架旋轉(zhuǎn)過程中，準(zhǔn)直器的葉片在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)出，來調(diào)節(jié)每個(gè)扇形部開或關(guān)的時(shí)間，達(dá)到調(diào)強(qiáng)的目的。如果要治療整個(gè)靶區(qū)，就需要順序照射若干個(gè)窄條野。為避免窄條野間連接處出現(xiàn)較大的劑量錯(cuò)誤，就要保證治療床運(yùn)動(dòng)精確性，這要由廠家提供的叫做“Crane”的治療床步進(jìn)完成。
另外一個(gè)采用扇形束治療的就是Tomotherapy專用加速器了。Tomo加速器的二元光柵，葉片位置有三個(gè)，1cm/2.5cm/5cm，因此扇形束在等中心平面內(nèi)形成的最大射野面積是40cm*5cm。最小射野面積只有0.3cm*1cm。實(shí)際治療的時(shí)候，其有效治療范圍達(dá)40cm ×160cm。
因?yàn)樯刃问{(diào)強(qiáng)的原理和傳統(tǒng)加速器不一樣，所以應(yīng)用于錐形束的TPS系統(tǒng)不能直接應(yīng)用于扇形束治療計(jì)劃。該TPS只能使用Accuray公司提供的專用TPS，在做治療計(jì)劃時(shí)需要考慮如下因素：
重要靶區(qū)的處方劑量
射野寬度（Field)
螺距（Pitch)
調(diào)制因子（MF）
各劑量限定的優(yōu)先權(quán)重
TOMO相對(duì)于傳統(tǒng)療法，最大的優(yōu)點(diǎn)是腫瘤適形度更高。腫瘤劑量強(qiáng)度調(diào)整更為精準(zhǔn)，腫瘤周圍正常組織劑量調(diào)節(jié)比較精細(xì)。該系統(tǒng)集成治療計(jì)劃、劑量計(jì)算、兆伏級(jí)CT掃描、定位、驗(yàn)證和螺旋放射功能于一身。治療擺位和驗(yàn)證自動(dòng)化程度較高。
早期在常規(guī)加速器上要形成筆形束，主要用限光筒，也就是在加速器配置限光筒和立體定位頭架，這就是曾經(jīng)風(fēng)行一時(shí)的X刀。
但是X刀由于精度的難以保證，更主要的是加速器和X刀在醫(yī)院屬于不同的科室，X刀屬于立體定向放射外科設(shè)備，屬于神經(jīng)外科，加速器屬于放療科，兩者從屬于不同的科室，結(jié)合后沒有在市場上形成化學(xué)反應(yīng)，最著名的筆形束設(shè)備其實(shí)就是專用于立體定向放射外科的伽馬刀了。因?yàn)椴粚儆诩铀倨?，我這里就不展開論述。
和TOMO同時(shí)發(fā)展起來的CyberKnife其實(shí)也是一種X刀系統(tǒng)，不過它是一種專用于立體定向放射外科的放療設(shè)備。
和伽馬刀類似，筆形束治療，采用的都是等中心點(diǎn)聚焦模式。筆形束治療腫瘤的直徑不大于6cm，且主要用于腦部治療。這樣，筆形束對(duì)小腫瘤的治療已經(jīng)被證明其有效性是得到行業(yè)認(rèn)可的。但是近些年隨著IGRT的發(fā)展和應(yīng)用，有將筆形束用于體部大腫瘤治療的拓展其臨床領(lǐng)域的趨勢。但是隨之而來的問題是，如果用筆形束治療體部大腫瘤，至少在治療效率方面將自身處于極為市場中的不利的地位。
筆形束治療一般采用大分割臨床技術(shù)，也就是說大分割放療在筆形束治療中取得了大量的臨床數(shù)據(jù)，有助于我們對(duì)大分割進(jìn)行進(jìn)一步的研究、利用和推廣到扇形束和錐形束放療中。
需要提出的是，筆形束和扇形束基本上利用的都是FFF的射線，沒有FF射線模式。因?yàn)镕FF模式能夠顯著提升射線劑量率，因此目前錐形束也在逐步采用FFF模式進(jìn)行臨床應(yīng)用。
不過在這里需要提及的是，不要把臨床方案和臨床技術(shù)能力進(jìn)行混淆。例如上面提到的比較受人重視的大分割技術(shù)，本質(zhì)上是一種臨床或者說是治療方案。它的實(shí)現(xiàn)本身不是一種需要在加速器進(jìn)行特別設(shè)計(jì)的臨床功能和技術(shù)。但是支持這種大分割放療后帶來的用戶體驗(yàn)方面的技術(shù)改進(jìn)，例如錐形束設(shè)備的FFF，那就是另外一種關(guān)注點(diǎn)了。
上面提及的所有的臨床治療技術(shù)，都是基于腫瘤組織是剛性和固定位置的前提下進(jìn)行的技術(shù)的演進(jìn)。但是由于實(shí)際上腫瘤組織存在很大的柔性且具備一定的（自我或被動(dòng)）運(yùn)動(dòng)性，且隨著治療的進(jìn)行，腫瘤的體積和形狀也在發(fā)生改變，因此，我們必須對(duì)腫瘤靶區(qū)的定義進(jìn)行修正，引進(jìn)靶區(qū)勾畫PTV概念、追求實(shí)時(shí)追蹤放療、4D時(shí)相/呼吸門控放療、自適應(yīng)治療等技術(shù)手段，都是對(duì)腫瘤基于剛性概念等條件下的計(jì)劃和治療過程進(jìn)行的修正、補(bǔ)充和優(yōu)化。采用的手段有超聲實(shí)時(shí)引導(dǎo)、紅外門控、MRI實(shí)時(shí)引導(dǎo)、視頻影像實(shí)時(shí)引導(dǎo)、X線實(shí)時(shí)引導(dǎo)等等。
作為放射放療領(lǐng)域的三大先鋒（瓦里安、醫(yī)科達(dá)、安科銳）之一，瓦里安在開發(fā)Halcyon?之前，調(diào)研了超過100家腫瘤醫(yī)院，來考察他們關(guān)于在5到10年時(shí)間內(nèi)運(yùn)營一家放療機(jī)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)在什么地方。除了技術(shù)層面的問題，調(diào)研者們總結(jié)了三個(gè)尚未解決的困難：
如何擴(kuò)大獲得高質(zhì)量治療的需求？
如何簡化操作流，減輕醫(yī)生的工作？
如何改善治療環(huán)境，增加病人的舒適度？
然后，瓦里安在Vienna舉辦的第36屆ESTRO大會(huì)上發(fā)布了最新的治療系統(tǒng)——Halcyon?。作為一個(gè)全新的設(shè)備，Halcyon?給行業(yè)帶去了耳目一新的感覺。該設(shè)備作為關(guān)注用戶體驗(yàn)的典型設(shè)備，其新產(chǎn)品開發(fā)的立腳點(diǎn)和初衷，值得我們學(xué)習(xí)和感悟。
其實(shí)，關(guān)注用戶體驗(yàn)，不是最近出現(xiàn)的新概念。盡管以前我們可能沒有對(duì)這個(gè)理念進(jìn)行明確，但是無意間我們也設(shè)計(jì)了很多給用戶帶去很好的感受的技術(shù)和概念，例如FFF技術(shù)。
伴隨著大分割放療技術(shù)的應(yīng)用，加速器劑量率不足而使得接受大分割放療的患者由于一次治療時(shí)間過長而出現(xiàn)各種不適，FFF的出現(xiàn)，很好的兼顧了大分割技術(shù)的采用帶來其他問題，因此我們說，我們?cè)谠O(shè)計(jì)加速器的過程中，關(guān)注用戶體驗(yàn)一直在進(jìn)行中。
我這里把關(guān)注用戶體驗(yàn)?zāi)贸鰜恚阉x為設(shè)備正在發(fā)展的一個(gè)維度和方向，等于是把它從技術(shù)的領(lǐng)域提高到產(chǎn)品戰(zhàn)略的領(lǐng)域，其實(shí)也是有道理的。個(gè)人認(rèn)為，除了瓦里安總結(jié)出來的改善病人舒適度這個(gè)需求，我們至少還可以從以下四個(gè)環(huán)節(jié)入手來考慮用戶體驗(yàn)的問題。
我們先來看看以往我們的加速器差異化設(shè)計(jì)，在哪些方面遵循了這些理念。
隨著放療在腫瘤治療應(yīng)用的普及，而在中國裝機(jī)量又嚴(yán)重不足的，使得我們相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)不得不面臨著大量的患者需要放射治療的問題，這不可避免將導(dǎo)致部分醫(yī)務(wù)工作者簡化治療流程且常常工作到深夜，治療質(zhì)量得不到保證，工作者也苦不堪言。因此為了緩解這個(gè)突出的矛盾，我們不得不關(guān)注以下事項(xiàng)和需求：
加速器的大劑量率；
加大FFF的臨床研究和普及應(yīng)用；
大分割技術(shù)的推廣與應(yīng)用；
最大限度地提高放療射線的利用率；
在保證治療精確性的基礎(chǔ)上，臨床上多應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，包括VMAT等，有助于縮短治療時(shí)間的先進(jìn)技術(shù)；
治療過程的流程化；
加速器的一鍵操作；
質(zhì)控的標(biāo)準(zhǔn)化。
需要說明的是，有些技術(shù)本身并不是為了加快治療速度而發(fā)展起來的，例如，大分割放療技術(shù)，其發(fā)展的本質(zhì)是基于其生物效應(yīng)優(yōu)勢。但是我們不能否認(rèn)，該技術(shù)的發(fā)展確實(shí)減少了定擺位的累計(jì)次數(shù)和時(shí)間，等于是減少了整個(gè)的治療時(shí)間，有利于在同樣多的時(shí)間里可以治療更多的患者。同樣，多采用VMAT技術(shù)，和普通IMRT相比，也能減少工作時(shí)間。如下圖所示：
所以說，盡管有些技術(shù)發(fā)展出來的初衷不是在顧及用戶的使用體驗(yàn)，但是不可否認(rèn)這些先進(jìn)的放療手段和技術(shù)，確實(shí)照顧到了用戶的關(guān)注。
未來，基于用戶體驗(yàn)的要求，我們加速器的研發(fā)除了上面提到的幾點(diǎn)差異化設(shè)計(jì)需求，還需要在以下方面進(jìn)一步發(fā)展：
發(fā)明與創(chuàng)造能夠提高工作效率的新的臨床治療模式（包括閃療）；
治療過程的自動(dòng)化和模式固化；
自動(dòng)定位、自動(dòng)QA/QC；
互聯(lián)網(wǎng)+；
AI的應(yīng)用。
這里要插一句的是，相對(duì)于扇形束和筆形束，站在用戶體驗(yàn)的角度來看，錐形束對(duì)射線的利用效率要比扇形束的高很多。這也許能夠用來解釋為什么TOMO一直未能在市場上占據(jù)主流市場的原因。同樣，本來在立體放射外科上很有優(yōu)勢的用于小腫瘤治療的筆形束，如果把它用于體部大腫瘤的治療，先不說其他，至少其對(duì)射線的利用率是三者之間最低的。
總之，隨著放療的臨床要求不斷提升，所需的放療技術(shù)也隨之提升，從常規(guī)放療（Conventional RT）→調(diào)強(qiáng)放療（Intensity Modulated RT）→影像引導(dǎo)放療（Image Guided RT）→自適應(yīng)放療（Adaptive RT），隨之而來的是要求治療的精度更高、正常組織的損傷更小、病人的治療過程更舒適、使用更方便，維護(hù)更簡單有效等。因此對(duì)設(shè)備的要求也更加全面，目前放療設(shè)備已經(jīng)從一個(gè)以加速器為主的相對(duì)單一體系發(fā)展成以加速器+高精度MLC+高精度定位系統(tǒng)+影像系統(tǒng)+計(jì)劃軟件&信息管理軟件+各種輔助設(shè)備的綜合性治療平臺(tái)。放療產(chǎn)品的差異化發(fā)展維度，已經(jīng)不再只是集中在加速器系統(tǒng)本身，更不應(yīng)該只是集中在影像系統(tǒng)方面。關(guān)注用戶體驗(yàn)，堅(jiān)持夠用就好的原則，相信這必將成為我們下一輪差異化發(fā)展的領(lǐng)域。
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