放射外科的发展

王晓光天津医科大学附属肿瘤医院脑系肿瘤科群综述王平①审校天津市肿瘤防治重点实验室射波刀中心（天津市300060）刘摘要放射外科自Leksell发明伽玛刀以来，应用于临床已有30余年，治疗了数百万患者，使之避免了直接手术的痛苦。早期的放射外科是以框架为基础的，主要用于颅内病变的治疗，获得了极好的临床效果，上世纪80年代出现了基于直线加速器的放射外科，放射外科进入了无框架的时代，减轻了患者治疗时的痛苦，并且使颅外放射外科成为可能，但因为缺乏框架，其精确性受到影响，限制了其临床应用。进入90年代，随着影像技术及电子技术的不断进步，涌现了影像引导、多叶光栅、动态准直器、图像融合、扫描射线技术、逆向治疗计划系统等新技术，设备不断更新，精度更高，适形性更好，治疗范围越来越广，效果也越来越好。1994年放射外科手术平台射波刀初次用于临床，紧凑轻量的直线加速器安装在一个由计算机控制的6关节机械臂上，可以从不同方位沿不同轨道围绕患者自由运动，始终对准靶区，并且在治疗中可以利用X光照相机和同步呼吸追踪系统连续监测病灶的活动，并相应的调整加速器的位置来确保治疗的精确性。2001年获得了FDA批准，现已广泛地在世界各地应用于临床，取得了极佳的治疗效果。本文对放射外科的发展历程作一综述，同时着重介绍射波刀的治疗原理和临床应用。关键词放射外科射波刀历史TheDevelopmentofRadiosurgery

WANGXiaoguang,LIUqun,WANGPing

Correspondingauthor:WANGPing,E-mail:wangping908@yahoo.com.cn

DepartmentofNeurosurgery,CancerInstituteandHospitalofTianjinMedicalUniversity,Tianjin300060,China

RadiosurgerycommencedwhentheGammaKnifewasinventedbyLarsLeksellin1951.Thirtyyearshavepassedsinceradiosurgerywasappliedclinically.Millionsofpatientshavebenefitedfromitandhaveavoidedtraditionalsurgery.Earlyradiosurgerywasframe-basedandwasmainlyusedforintracraniallesions,providingexcellentclinicalresults.Thelinearaccelerator-basedradiosurgicaltechniquewasestablishedinthe1980s,andradiosurgeryenteredanewepochofframelessness.However,accuracywasnotsatisfactoryandthislimitationrestricteditsclinicalapplication.Since1990,withthedevelopmentofimagingtechniquesandcomputerscience,moreandmorenewmethodssuchasimageguidance,multileafcollimators,dynamicfieldshaping,imagefusion,scanningbeamtechniques,andinversetreatmentplanningsystemshavebeenappliedinclinicalpractice.ThefirstrevolutionaryCyberkniferadiosurgerysystemwasusedintheclinicin1994.Acompact,lightweightlinearacceleratorisalwaysaimedtowardthetargetasitmovesalongdifferenttrajectoriesaroundthepatientviaacomputer-drivenroboticarmwithsixdegreesoffreedom.ItcontinuouslymonitorsandcorrectsforchangesinpatientpositionandmotionbycomparingpretreatmentCT-baseddigital-lyreconstructedradiographstodigitalradiographsacquiredthroughouttheradiosurgicaltreatment.TheCy-berknifereceivedFDAapprovaltobeusedthroughoutthebodyin2001,andnowitiswidelyusedallovertheworldwhereitprovidesfantasticclinicalresults.WehavesummarizedthegeneralhistoryofradiosurgeryandhaveintroducedtheworkingprincipleandclinicalapplicationoftheCyberknife.

Keywords

Radiosurgery;Cyberknife;History

放射外科最早是由LarsLeksell发明的伽玛刀

开始，后来发展到以直线加速器为基础的放射外科。随着其技术的完善，分割治疗和颅外放射外科的发展，放射外科的应用指征已有了很大的变化。1早期放射外科的发展

①放疗科通讯作者：王平

wangping908@yahoo.com.cn

放射外科最早被当作一种外科技术，它通过外

部射线源的放射线单次大剂量聚焦，有效地治疗边界清楚的脑部病变。锐利的射线束就像手术刀一样，但它又不同于真正的外科，因为它是无创的。放射外科的鼻祖瑞典神经外科医师LarsLeksell当

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初发明伽玛装置（伽马刀的前称）的初衷就是避免

繁杂的开颅术以及感染、颅内出血等危险因素。1981年他在HarveyCushing协会第50届年会上说道：外科是一门保守的艺术，环钻开颅早在石器时代就出现，而目前许多神经外科器械仍然和古代一样。随着新颖手术器械及设备的出现，现代脑部手术有了很大的变化。物理学和工程技术的进步将从根本上改变这门古老的外科技艺［1］。

放射外科在最初被引入临床时主要用于治疗脑动静脉畸形（AVM）和颅内肿瘤。后来延伸到功能神经外科领域来治疗疼痛、精神疾病和运动失调等疾病。这使最初的放射外科定义有了很大的变化。现在放射外科被定义为一种放射技术，聚焦的外部射线通过立体定位来治疗脑部病变，达到所需的放射生物学效果（血管闭塞、肿瘤控制）。它必须具备两个基本条件：1）病变的精确立体定位；2）病变边缘区吸收的剂量迅速降低。1.1正电压X线机

最早的放射外科设备是由Leksell发明的［2］，它由一个立体定向框架和一个沿固定圆弧轨道运动的280KVX线机组成。病变由立体定向框架准确地定位于圆弧轨道的中心，这一点就是射线的立体聚焦点。起初这种设备用来治疗三叉神经痛，但该设备的显著缺点是射线能量低、穿透力差等［3］。1.2质子装置

后来，在一系列的动物实验中，Gerszten等［4，5］

研究了185MeV质子对脑组织的影响。这种方法被用来损毁丘脑核内体积小的边界清楚的病变，治

疗运动失调及顽固性疼痛［6，7］

。与此同时其他研究人员研究了利用质子或氦原子束的末端范围：布拉格峰来治疗病变的可能性。在这一区域的射线束，电离效果较其他范围高4～5倍，可以获得更好的物理聚焦效果。通常需要4～12条射线交叉来使靶区获得足够的剂量，同时使靶区周围剂量也降至合适水平。

1959年，RaymondKjellberg首先利用Harvard186MeV质子回旋加速器的布拉格峰进行研究，垂体最初被选择作为理想的靶点。然而，无论临床证明这种方法如何有效，由于加速器复杂而庞大，技术和后勤保障上非常困难。例如一个瑞典患者如果需要这种治疗，需要在Stockholm做完立体定向检查后，必须带着立体定向框架被送到150公里外的Uppsala去治疗［8］。

1.3第一代伽马及第二代伽马刀

1967年，为了克服质子放射外科遇到的问题，Leksell和其同事研制出了第一台专门用于治疗颅内病变的立体定向放射装置［9］—第一代伽马刀。在这一装置中将60Co源在一个从70度到160度的半球上排列，能够同时产生170条各自分离的射线来进行精确聚焦的、可重复的物理治疗［10］。

第一代伽马刀最初用来治疗疼痛，知识通过伽玛射线丘脑毁损术获得，也提供了第一条评估单次大剂量照射的放射生物学效果的方法［11］。今天看来，放射外科作为治疗颅内肿瘤和血管畸形的基本适应证，第一代伽玛刀显然是不适合的。因此1975年，出现了第二代伽马刀。70年代，Leksell和他同事已经证明了第二代伽玛刀治疗实体颅咽管瘤、松果体瘤、垂体瘤和听神经瘤的疗效［12］。Stein-er等［13］也首次成功治愈了不能手术的AVM。

1979年7月在巴黎举行了一次脑立体定向放射治疗大会，瑞典以Leksell为首，美国以Kjellberg为代表展示了非常令人难忘的临床结果，这次大会为放射外科的进一步发展奠定了基础。

在早期，放射外科仅在几个拥有伽玛刀、回旋加速器等放射外科设备的医学中心开展，经验在不断积累，放射外科治疗志愿者的数量也在稳定增加。尽管很多神经外科医师掌握了技术经验和理论知识足可以开展放射外科，但他们中只有很少的一部分能够克服这些装置的购置、安装和运转方面所需的资金、后勤保障及人力的挑战。1.460Co远程治疗机

Barcia－Salorio等［14］最早尝试通过标准的60Co远程治疗机用立体定向方法治疗听神经瘤和颈内动脉海绵窦瘘来克服上述困难。1.5直线加速器

在1971年的一篇专著中，Koong等［9］认为直线加速器是可以用于立体定向放射治疗的，但总结时却说“最终选择伽玛射线而不是直线加速器的高能射线，是依据技术背景、实践的需要和可靠的临床结果”。尽管有这种权威评论，但以直线加速器为基础的放射外科很快就出现了。1983年Bettio等［15］首先发表了以直线加速器为基础的放射外科技术—X－刀。早期的X－刀治疗技术，是通过围绕头部横向轴转动，获得不同的等中心非共面照射野。

1985年，神经外科医师Colombo等［16］发表了以多弧照射为基础的放射外科技术。Hartmann等［17］也报道了相类似的技术。这种方法，尤其是以直线加速器为基础的放射技术，靶区的照射剂量通过多个非共面弧形照射获得。靶区的立体定位使直线加速器的等中心及单次弧形照射完美地重叠。后续的弧形照射将产生与等中心相关的不同角度变化，变成两个平面角。

·772·近来以直线加速器为基础的放射外科，通过神经外科医师、其他专业的外科医师、放疗学家、物理学家的积极推动，已经成为一种新的治疗技术。从最初的旋转照射理念到其他许多设想，被提出并在临床得以验证。目前，世界各地超过1000家中心应用以直线加速器为基础的立体定向放射外科。2现代放射外科2.1适应证

放射外科伴随着第一代伽玛刀的诞生被定义为利用无创治疗手段得到对神经组织病变与手术一样精确的治疗效果。早期放射外科仅选择用来治疗脑深部结构的病变［11］，后来功能放射外科的兴起，使放射外科的应用范围越来越广。今天，放射外科的基本适应证是治疗器质性病变。具体应用还要依据患者体质和病理资料。由于剂量的陡减，理论上有明确边界的每个病灶，都可以选择合适的剂量来治疗。因此，良性肿瘤被认为比浸润生长的恶性肿瘤效果好。神经组织的单次最大耐受照射剂量很大程度上取决于靶区的体积［18］。

当初Leksell研制放射外科的意图是避免开颅风险。从一开始立体放射外科被普遍接受用于因开颅危险大及手术难以解决的部位。相对而言，现在放射外科的适应证仍被显微外科手术严重影响。不同的立体放射技术适应证的范围并不完全一致，例如，伽马刀由于其机械装置的精确性，更适合于治疗与重要结构邻近的病变，如垂体瘤等。相反由于框架的限制，当那些较大肿瘤需要多次分割治疗时，伽马刀很难胜任。直线加速器放射外科能够治疗较大体积的肿瘤，也可行多次分割治疗，因而被认为对胶质瘤和恶性肿瘤更好，但这些观点随着设备技术的提高而改变。2.2靶区的几何形状

标准配置的直线加速器放射外科使用固定的圆形准直器，它能够更好地适于圆球形病变的治疗。在实际工作中，规则的球形靶区并不常见，病变的形状往往在三维上是不规则的。采用球形等剂量治疗球形靶区意味着所选的照射野要么太大要么太小。

2.3等剂量线的适形

起初人们对非球形病变，希望通过多等中心给量，以使病变区的剂量分布与病变外形一致。这种技术虽然减少了正常组织的照射，但导致大病灶内部的剂量分布不均匀，增加了神经生理功能并发症的危险。最早解决这一问题的方法是通过入路的角度和各个弧形照射的权重来改变等剂量边缘的形状。一些商用3D计算机计划系统可以通过修改预定的治疗参数来选择模拟不同照射，然后在预定方向上形成等剂量曲线形状，以便更适合肿瘤的形状。等剂量曲线处理使较低（50％）等剂量曲线更易获得，因而被广泛用于增加邻近重要结构的剂量下降陡度，如视神经和脑干。2.4多叶准直器

在调整剂量形状分布时，通常增加一个方向的剂量陡度而伴着另一方向的陡度降低。利用多个固定野代替弧形使得照射野更适合病变的形状，而不增加并发症的危险。病变的形状利用计划系统根据影像资料直接推测出，运用多叶准直器系统可以获得与病变外形相似的照射野和剂量分布。2.5动态适形野

目前最新的技术是动态适形野。在弧形照射中，射线形状不断改变与预先设计的形状吻合。解决这一问题需要计算机驱动的准直器，旋转时依据不规则靶区体积的横截面变化来调节射线的轮廓。也就是说需要复杂的机械连续地修饰每一个弧形野，使射线的形状与靶区的外形更完美一致。据报道这种方法可使25％的正常组织免受照射。2.6扫描射线技术

几种技术已被用来改善基本聚焦野或是弧形聚焦照射。然而一定的等剂量形状变化更易通过非弧形照射获得。真正实现3D不规则靶点的治疗必须放弃等中心治疗和扫描射线技术。这种技术通过：1）安装在现有直线加速器的特殊装置或，2）完全不同的机器人系统。第一种技术通过窄束的直线传导，逐层扫描照射整个靶区，在每一层照射中，照射源都围绕靶区旋转照射，在每一照射角度中所需剂量根据靶区深度和厚度决定。通过两种方法达到目的：1）调整旋转的速度，2）加入由计算机控制的可变吸收器。这种实验装置的优点是它能够用于目前现有的每一台加速器。它由一个按预定速度和预定方向运动的可被监控的治疗床组成。治疗床的运动可被一个多边吸收器简化，来代替床的多边传输速率，据此来调节剂量。扫描照射的第二种选择是利用非等中心无机械框架控制、智能的和小型的加速器—智能射波刀系统。3智能射波刀

射波刀是在综合先前放射外科基础上，集中目前先进手段于一体的设备，是世界上最先进的放射外科手术平台。在射波刀系统的治疗中，一个由计算机控制的6关节机械臂，可以从不同方位沿不同轨道围绕患者自由运动，紧凑轻量的直线加速器始终对准靶区［19］。标准的等中心或非等中心照射技

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术能够在射波刀的3D治疗计划中被精确地模拟出

来，通过评估选择出一种合适的方案，准确地用于治疗，且无需立体头架。两个正交的X线装置对颅骨解剖成像与CT资料的数字重建图像（DDRs）对比，来确定患者头的位置。一旦患者的头颅位置被确定，靶区位置立即根据CT数据记录重建出来，射线在智能控制下对准靶点。同样的影像引导技术目前也用于传统的直线加速器为基础的放射外科系统中［20］。然而，那些系统需要克服治疗中患者活动而造成的治疗位置不准确。而射波刀在整个治疗过程中，通过对比以CT为基础的数字重建图像参数，实时追踪和纠正患者的运动和位置变化。3.1图像融合

先进的影像对放射外科准确性至关重要，也使放射外科成为可能。最初的立体装置是以X线为指导定位靶区，后来靠CT定位。强调需要CT资料指导放射外科的两个原因：1）剂量计算法则依据CT资料信息，也就是与介质的电子密度有关；2）CT是体层摄影，能够提供最好的空间准确性，避免了与MR相比的图像失真。利用数字重建（DRR）方法，射波刀系统结合X线和CT的影像资料用于靶区定位［21］。

然而有些影像在诊断方面可能比CT更重要，这就需要综合新的资料到放射外科的治疗计划中。这种综合需要影像储存技术，也就是常说的影像融合。MR与CT是最常用的图像融合方式。即使最初应用固定系统来限制运动，新的计算法则对影像融合也产生不同的失真，至少原则上应考虑到失真。近来一些新的影像形式也偶尔用于放射外科：PET、CTA或功能MR［12］。3.2优化和逆向治疗

治疗计划系统能够推算出最佳治疗方案。随着技术的日臻完善，我们需要开发出更先进的软件。选择射线数量与位置，需要操作者通过许多放射外科技术来完成。操作者只要对处方剂量和要害器官作出要求，那么逆向计划技术就能够找出最佳治疗方案。射波刀拥有最佳治疗系统、智能机械臂以及影像引导，他对临床两个方面产生很大影响：分割治疗和颅外放射外科。3.3剂量分割

最初放射外科的目的是将小的病灶杀死，对这种病灶分割照射无太大意义。分割照射被用来既更好地控制肿瘤又减少放射性坏死，早期的放射外科是单次大剂量照射，对于有正常组织演变的AVM和良性肿瘤也未觉察出分割照射治疗的益

处。然而，在常规放射治疗中，分割治疗的效果非常明显。文献报道对于体积较大的肿瘤，立体定向分割照射是必要的。在颅内放射外科中，也主张用3～5次高剂量分割治疗较大肿瘤（40～50ml），而不主张单次大剂量治疗，这对保护重要结构的功能是至关重要的。例如分割治疗使听神经瘤听力保留率提高，还可使颅底脑膜瘤视力保存度提高［2］。3.4颅外放射外科

3.4.1金标无框架放射外科技术，如射波刀，可用于治疗全身肿瘤。对于颅内病变，通过数字重建图像（DRR）和颅骨剖面的X线影像，就能准确地定位出病灶的等中心位置。也就是通过CT为基础的数字重建（DRR）的颅骨表面标志，与两个正交的数字X线成像比较获得。患者被自动摆位，直至完全确定病变位置。对于颅外的病变需要一个CT和普通X线都能够识别的中间参考系统。签于此，在CT扫描前通常于肿瘤内或附近植入3～6个金属标记物，这些标记物在不同的两组影像资料中被识别出，它们被应用建立准确的空间参考坐标，使其与CT资料相匹配。最近，射波刀又增添一项新技术X－SightTTM系统，它能够在无标记物的情况下，依据脊柱骨性标志特征，通过最大平均信息量统计和影像变形技术来追踪病变。

3.4.2呼吸运动尽管肿瘤植入的标记物固定后被用来引导射线瞄准肿瘤，但肺部肿瘤和上腹部肿瘤随呼吸运动而运动。射波刀通过准确地追踪安置在胸壁上的可视源（LED）来监视呼吸的周期运动，并与X线成像联系起来。智能机械臂将可视探测器追踪的外表标记物与预测的肿瘤运动进行比较，来指导加速器在运动中照射。这个系统会定期地把内部标志与外部标志的相互关系加以验证（也

就是验证肿瘤是否在预定位置）［22］

。4结论

影像引导是放射外科的一个重要革新。在颅内的治疗中其结果与以框架为基础的放射外科相同。其主要优点是摆脱了颅骨框架的限制，因为上头架对一些不合作的患者难以接受。更值得兴奋的是这一设备能够用于脊髓神经外科，无论是良性肿瘤（脊膜瘤、神经鞘瘤、AVM）还是恶性肿瘤（原发和继发的恶性肿瘤）。

目前更多的关注是放射外科用于颅外病变的适应证。无论放射外科装置发出的射线如何准确地聚焦，但必须考虑到肿瘤生物学特性的差异。基本原则是神经外科边界清楚的肿瘤，颅外用于肺、

（同样的软件可用于调强放射治疗）·774·胰腺、肝、肾和前列腺等部位体积较大的恶性肿瘤。

射波刀技术的应用及推广仅短短5年的时间，全球已治疗3万多患者，取得了非常好的效果。使放射外科技术应用从颅内延伸到全身，相信随着科学技术的进步，放射外科技术越来越完善，治疗的范围越来越广。

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（2008－01－09收稿）

（王展宏校对）