射波刀放射外科简介

射波刀放射外科简介

一、射波刀的发展史

年，美国斯坦福大学从事放射外科治疗与研究的神经外科医生JohnAdlerJr博士提出了影像引导无框架立体定向放射外科的概念（iamge-guidedframelessstereotacticradiosurgery）。随着计算机技术、神经导航技术和直线加速器放射外科的发展，年Adler及同事研制出最原始的无框架立体定向放射外科治疗设备，当时Adler将这种设备注册为Betasystem(射波刀的雏形)。年射波刀开始治疗脑转移瘤患者。在以后的临床试用阶段，射波刀得到了进一步改进和完善，年美国FDA正式批准射波刀治疗系统(Iamge-guidedCyberknifeRadiosurgery/RadiotherapySystem)可用于治疗头部疾病，年美国FDA批准射波刀用于治疗全身肿瘤。尽管射波刀技术成熟，但是仍有诸多不完美之处。-年间，射波刀控制系统、剂量计划系统、靶区追踪系统、脊柱追踪技术、呼吸追踪技术进一步升级完善，使射波刀的临床治疗日臻完善。射波刀无须使用金属头架或体架，它采用计算机立体定位导航和自动跟踪靶区技术，是新型的大型立体定向放射治疗设备。射波刀由直线加速器、机器人机械臂（RobotArm）、治疗床、治疗计划系统、靶区定位追踪系统（targetlocalizationsystem）、呼吸追踪系统、计算机网络集成与控制系统组成（如图1和图2）。年9月，射波刀的治疗床改进为机器人控制床，准直器的更换从人工改为电脑自动辨认与更换，地面上处于相互垂直位置的非晶硅影像板（X线数码摄像机）被改进到地面以下，使射波刀的照射节点有所增加，特别是Multiplan剂量计划系统的问世，使射波刀治疗进入一个崭新的时代。Accuray公司把新一代的射波刀称为第四代（G4）。第四代射波刀与目前使用的第三代（G3）射波刀在软件上无显著的技术差异，但是治疗流程更加合理。射波刀的问世使放射外科治疗的解剖范围从脑部扩展到全身，它不仅可以治疗颅内肿瘤，还可以治疗颅底肿瘤、头颈部肿瘤、脊髓肿瘤、脊柱肿瘤、肺部肿瘤、胰腺肿瘤、肝脏肿瘤、肾脏肿瘤、前列腺肿瘤、妇科肿瘤、骨科肿瘤。

图1：Cyberknife计算机网络集成与控制示意图，Cyberknife主控计算机（SGI）控制着呼吸追踪计算机、TLS、机器人机械臂、直线加速器（LINAC）、治疗床，与Multiplan计算机（治疗计划系统）互联。

图2：射波刀的外形

二、射波刀的组成：

1、直线加速器:射波刀使用一个紧凑型、能产生6MeVX射线和电子束的轻型直线加速器，直线加速器安装在由机器人控制的机械臂上。该直线加速器配有12个准直器，准直器直径从5mm到60mm。

2、机器人机械臂(Robotarm)：机器人机械臂头端上安装有直线加速器，它带动直线加速器围绕患者在前、后、左、右、上、下六度空间自由转动，按照计算机预设的路线，机械臂可将直线加速器调整到个位置（或节点），在每个节点处可以从12个角度投照射线，因此提供多达个方位发出射线。每到一预设治疗点，机械臂停止运动，直线加速器对准靶区投照相应的放射剂量。

3、治疗床：第三代射波刀的治疗床由计算机程序和电动控制，可以在五度空间自由移动，即X轴、Y轴、Z轴方向移动、头部倾斜和治疗床左右倾斜，但是治疗床的头部不能在水平位左右转动。第四代射波刀的治疗床由机器人控制，可以在六度空间自由移动。

4、靶区定位（影像）追踪系统(targetlocalizationsystem)：传统放射外科使用立体定向架固定患者头部，使脑组织与定向架之间产生相对应的三维坐标关系，在治疗中立体定向架确保了射线的精确投照。射波刀使用人体骨骼结构作为参考框架，颅内病灶与颅骨之间产生固定的对应关系。靶区定位（影像）追踪系统是利用天花板上安装的两组诊断X射线球管和安装于患者两侧地面上的非晶体硅摄像机（影像板）组成。两组X射线球管发出的低能X线相互垂直，交叉穿过头颅（或患者肿瘤的治疗部位），摄像机获得颅骨的数字图像，并将影像资料传输到数据处理系统（imageprocessingsystem,IPS），计算机与事先CT扫描获得的颅骨数字重建图像(DDR)相比较，首相确定颅骨的精确位置，然后得出治疗靶目标（病灶）的精确位置。靶区定位追踪系统使用4套计算机软件，治疗颅内病变时，使用6维颅骨追踪软件；治疗脊髓、脊柱及其周围肿瘤时，使用XsightSpine(脊柱追踪软件）；治疗部分周围型肺癌时，使用XsightLung(肺部追踪软件)；治疗随呼吸运动的肿瘤时或需要埋置金标时，使用金标追踪和呼吸追踪系统。

5、治疗计划系统：治疗计划系统由计算机工作站和治疗计划软件组成，早期的治疗计划软件为TPS(treatmentplanningsystem)，TPS安装在图形处理工作站上（SGI）。这套软件操作笨拙，设计的治疗计划欠完美，只能接受CT图像，不能将CT图像融合到MRI、PET-CT和DSA图像上。年诞生的Multiplan治疗计划软件，使医生可以设计出精美的治疗计划。虽然治疗计划系统只能在CT图像上进行，但是CT影像能够与MRI影像融合，用于获得精细的软组织图像。病人治疗前，先作CT和MRI定位，将定位影像传输到计算机内。医生先勾画出计划治疗的肿瘤和重要器官，然后设置中心点（aligncenter），最后选择准直器并给出肿瘤和重要器官的剂量要求，计算机能自动设计一个满足设定条件、适形满意、剂量分布均匀、照射范围与肿瘤形状几乎吻合的治疗计划。根据治疗的需要，医生可设计单次治疗，也可设计分次治疗（Hypofractoinatedcyberkniferadiosurgery）。射波刀治疗计划系统不仅具有常规的正向治疗计划，而且还有任意形状逆向治疗计划。正向治疗计划是医生根据病灶的大小和形状，选择相应的准直器和照射方式逐步设计出一个和病灶形状几乎一样的照射形状，然后给出周边剂量和中心剂量。逆向治疗计划是医生先勾画出计划照射的靶区以及给出靶区和重要器官的剂量要求，计算机自动设计一个满足设定条件的治疗计划。射波刀的正向治疗计划远不如伽玛刀的治疗计划系统。但是它可设计等中心照射、非等中心照射，它既可单次治疗，也可分次治疗，兼容放射外科和放射治疗两种功能。

图3：双侧听神经瘤患者，射波刀分3次治疗左侧听神经瘤，大图为CT和MRI融合图像，69%的等剂量曲线覆盖肿瘤，等剂量曲线从内向外依次为90%，80%，69%，60%，50%，40%，30%，20%，10%。小图为MRI的冠状位和矢状位

6、呼吸追踪系统：当治疗肺部肿瘤或受呼吸运动影响的肿瘤（肝癌、胰腺肿瘤等）时，肿瘤随着病人的呼吸而上下左右运动。治疗这些体部肿瘤之前，需要向肿瘤内或周围放置金标（由黄金制成的，长5mm，直径0.8mm的圆柱体称为金标），金标放置5-7天后才能实施射波刀治疗。呼吸追踪是让病人穿上胸前带有发红光二极管的背心，呼吸追踪摄像机通过捕捉二极管的运动获得肺部的呼吸运动节律，计算机建立呼吸模型。治疗时，通过追踪金标的位置获得肿瘤的精确位置，同时计算机根据呼吸节律，自动微调机器人机械臂，让射线始终精确瞄准病灶。

7、计算机网络集成与控制系统：射波刀拥有一个计算机工作站（SGI），SGI计算机通过网络控制机器人机械臂、控制直线加速器何时投照射线、治疗床的移动和治疗靶区位置的追踪。此外，治疗时获得的骨骼图像与定位图像的自动比对均在SGI计算机掌控下自动进行。

三、射波刀的治疗过程

1、制作面罩或体模：颅内肿瘤患者在作定位扫描之前，需要制作一个无创的网眼热缩面罩，用于固定头部，治疗时防止头部移动。体部肿瘤患者需要制作一个体模，用于固定体部。如果体部肿瘤需要金标定位，在治疗前5天将4-5粒金标（fiducial）植入患者肿瘤内或病灶附近，经过几天的休息，金标维持在相对固定的位置，治疗时利用这些金标获得肿瘤的精确定位。

2、射波刀的定位扫描：颅脑肿瘤或脑血管畸形患者使用颅骨结构作为参考框架，定位扫描时，用热缩面罩将头部固定在特制的CT床板上，CT扫描从头顶部开始（头顶外1厘米），一直扫描到下颌以下，扫描层厚为1-1.25mm。体部肿瘤使用脊柱骨骼结构或金标（fiducial）作为定位参考依据，CT扫描时患者平卧在体模内，扫描层厚1-1.5mm，扫描范围为包括肿瘤在内的整个器官。除了CT扫描外，患者还需要作相应部位的增强MRI扫描，用于图像的融合。脑部AVM患者需要做DSA造影和旋转三维DSA。某些体部肿瘤患者需要PET-CT扫描，用于确定肿瘤的精确位置。将定位片输入到Multiplan计算机（治疗计划计算机）内，然后在计算机上设计治疗计划（等中心照射或非等中心照射）。

3、设计治疗计划：在Multiplan计算机上接收CT和MRI定位影像资料，脑血管畸形患者，还需要接受DSA图像资料。首先融合CT和MRI图像，第二在MRI图像上勾画出肿瘤和重要器官，第三选择肿瘤的追踪方式（头颅追踪、脊柱追踪、肺部追踪联合呼吸追踪、金标追踪联合呼吸追踪），第四设置中心点（aligncenter），最后按照病灶的性质、部位和病灶周围是否有重要结构，选择准直器的大小、射线强度、靶区范围、剂量分布、治疗剂量和其它参数，计算机能自动设计一个满足设定条件、适形满意、剂量分布均匀、照射范围与肿瘤形状几乎吻合的治疗计划。治疗计划设计完毕，将治疗计划保存并传输到射波刀SGI计算机上（射波刀主控计算机）。

4、实施治疗：

头部肿瘤的治疗：患者平卧在治疗床上，平卧的姿势与CT扫描时保持一致，并用面罩将头部固定在治疗床上。天花板上的X线球管发射X射线，位于患者两侧的非晶硅摄影机获得一对头颅影像，计算机自动将这对图像与事先CT扫描获得的颅骨数字重建图像(DDR)进行比对，找到前后左右上下等方位上的误差，技术员通过电脑操作，移动治疗床，使拍摄的头颅图像与数字颅骨图像完全拟合，然后重新拍摄头颅影像，计算机自动比并确认拍摄的头颅图像与颅骨重建图像在6维方向完全拟合在一起（如图4）。此时计算机获得了患者头颅和病灶的初步方位，机械臂将直线加速器旋转到初始坐标位，然后按照程序将加速器围绕着患者旋转到预定节点。直线加速器每到一个节点，机械臂停止运动，此时靶区定位追踪系统立刻获得新的头颅影像，计算机确认目前的头颅影像与治疗开始时影像完全一致。如果头颅有轻微的移动，靶区定位追踪系统立刻计算出移动造成的偏差，并将此偏差传输到机器人机械臂，机械臂微调加速器的方位或射线的入射角度，最后加速器将所需的剂量精确投射到病灶内。如果患者的移动超过计算机自动调整的范围，治疗会紧急暂停（E-stop）。加速器每到一个预定节点，将重复上述影像实时验证步骤。在治疗过程中，X射线球管每10秒钟发射一次，靶区影像追踪系统获取一次影像信息。从摄像到调整数据只需要几秒钟，射波刀基本上做到了在治疗过程中实时跟踪治疗靶区。根据病情需要射波刀可将单次治疗变成多次分割治疗。治疗结束，多数患者无不适，治疗后1周内，少数患者感到疲乏无力，纳差。

图4：六维颅骨追踪的计算机界面，SyntheticimageA和B为CT重建颅骨图像，CameraimageA和B为头颅X线数字平片；Overlayofimages为两组图像重叠在一起时的结果。

体部肿瘤的治疗：体部肿瘤会随着呼吸节律上下移动，为了使射波刀能够随着患者呼吸节奏给予体部病灶精确照射，需要使用同步呼吸追踪系统，追踪患者的呼吸节律。首先让患者穿上胸部或腹部粘贴发红光二极管的背心平卧在体模内，然后用红光追踪仪（同步呼吸追踪系统，Synchrony）获得呼吸节奏，按照呼吸节律计算机自动建立呼吸模型。治疗体部肿瘤时，射波刀通过拍摄X线片和金标追踪获得体部肿瘤的位置，然后计算机再从呼吸追踪计算机上获取患者的呼吸模型。实施治疗时，机械臂将直线加速器旋转到治疗节点，然后按照呼吸节律微调加速器，使投照的射线始终对准病灶。呼吸追踪技术是一种弹道追踪技术，即在A时间点，肿瘤按照呼吸节律运动到B点，在A时间点，直线加速器将射线精确地投射到B点的位置。按照治疗计划，射波刀重复上述步骤，直到完成所有节点上的照射。

脊柱及其周围肿瘤的治疗：脊柱追踪软件（XsightSpine）的问世，在治疗脊柱及其周围肿瘤时免除了在脊柱上埋置金标（或金属螺钉）的过程。XsightSpine可以直接获得脊柱及其周围病灶的精确位置。它是利用计算机软件技术，选取矩形框，框上有81个节点，并形成64个小方格(block)。矩形框覆盖在由CT重建的脊柱骨骼图像上（DDR），由此可获取64个小方格骨表面特征（如图5），并获得81个节点位置。治疗时通过拍摄脊柱X线数字平片，找到相应的锥体，计算机自动比对脊柱X线数字平片上与DDR图像上的64个小方格骨骼表面特征，找到相应的81个节点，然后将获得的两维数据转化为三维数据，获取锥体精确位置，间接获得肿瘤的准确位置，系统误差约0.61mm。脊柱及其周围肿瘤的治疗过程同头颅肿瘤相似，病人平卧在治疗床上的体模内，通过脊柱追踪软件获得肿瘤的准确位置，然后实施治疗。

图5：脊柱追踪的计算机界面，Syntheticimage为CT重建图像，上面有81个节点组成的64个小方格；Cameraimage为脊柱X线数字平片；Overlayofimages为两组图像重叠在一起时，64个小方格的比对结果。

射波刀治疗适应证

一、颅内病变

1、颅内血管畸形：射波刀主要用于治疗脑动静脉畸形（AVM）和海绵状血管瘤。

2、.听神经瘤：中小型听神经瘤（直径75px）可首选射波刀治疗，手术后残留或术后复发听神经瘤也是射波刀治疗的良好适应证。部分大型听神经瘤（直径30mm）患者，如果高龄或有手术禁忌证时仍可考虑射波刀治疗。

3、脑膜瘤：小型脑膜瘤、手术后残留或复发脑膜瘤以及海绵窦、颅底等部位的中小型脑膜瘤均是射波刀治疗的良好适应证。部分术后残留的大型脑膜瘤仍可射波刀治疗。

4、垂体瘤：小型垂体瘤离开视神经、视交叉、视束的距离大于3mm均可射波刀治疗。手术后残留垂体瘤，特别是肿瘤位于海绵窦或紧贴视神经也是射波刀的良好适应证。

5、三叉神经鞘瘤：中小型三叉神经鞘瘤和部分大型三叉神经鞘瘤。

6、脊索瘤：中小型、部分大型脊索瘤及术后残留复发脊索瘤均可射波刀治疗。

7、血管母细胞瘤：小型血管母细胞瘤及术后残留和复发者。

8、颅内转移瘤：颅内单发（肿瘤直径87.5px）或数个中小型多发转移灶（一般情况下病灶数5个，少数情况下可多于5个），颅内压增高症状不严重时，均可行射波刀治疗。

9、胶质瘤：(1)恶性胶质瘤手术后放疗，联合射波刀加量治疗；〔2〕复发胶质瘤的射波刀治疗；（3）低度恶性胶质瘤或偏良性胶质瘤的射波刀治疗，小的低度恶性胶质瘤如星形细胞瘤I级、室管膜下室管膜瘤或偏良性胶质瘤如毛细胞型星形细胞瘤、室管膜下巨细胞型星形细胞瘤、中央神经细胞瘤以及脑干内边界清楚小的胶质瘤均可尝试首选射波刀治疗。

10、颅咽管瘤：术后残留或复发的颅咽管瘤

11、松果体区肿瘤

12、颈静脉孔区肿瘤(颈静脉球瘤和神经鞘瘤)

13、三叉神经痛

14、及鼻咽癌颅底转移等

15、颅内其他小型肿瘤

二、头部肿瘤：鼻咽癌、眼眶肿瘤、头颈部恶性肿瘤及复发肿瘤

三、脊髓脊柱病变

1、脊髓血管畸形

2、脊髓胶质瘤

3、椎管内小的神经鞘瘤

4、椎管外神经鞘瘤

5、脊柱转移瘤

四、体部肿瘤

1、肺癌、肺部转移瘤、纵膈肿瘤及纵膈转移瘤。

2、肝癌、胆囊癌、胆管癌、肝脏转移瘤。

3、肾脏肿瘤及肾上腺转移瘤

4、前列腺癌

5、胰腺癌

6、骨肿瘤

7、腹腔内淋巴结转移。

8、盆腔内肿瘤局部复发或盆腔内淋巴结转移

浙江杭州解放军医院射波刀研究中心是目前浙江省内唯一拥有世界最新型全身立体定向放射治疗系统的医疗机构，它将直线加速器、计算机技术、肿瘤实时追踪技术完美地结合在一起，具有无创伤、无痛苦、无流血、无麻醉、恢复周期短等优势。若有任何有关肿瘤的问题可以随时与我院中心联系，电话-87803，网址：







































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