[摘要] 目的院研究螺旋断层放疗系统的结构及治疗工作原理袁初步探讨该设备在临床中的应用价值遥方法院对国内
第一台螺旋断层放疗设备系统展开研究袁初步探讨螺旋断层与传统放疗技术相比在临床应用中的技术优势遥结果院螺
旋断层放疗系统是目前一种具有全新治疗技术的设备袁其在CT的基础上融合直线加速器技术而得到了独一无二的
新型组合袁同时具备2 种机器的功能特性遥该系统已被证明了既能实现优异的调强放射治疗袁又能做出卓越的图像引
导放射治疗袁甚至剂量引导下的放射治疗技术袁开创了调强放射治疗渊IMRT冤计划尧治疗实施和验证为一体遥结论院图
像引导下放射治疗渊IGRT冤和调强放射治疗技术袁开辟了肿瘤放射治疗的新领域袁它们在更好地控制肿瘤的情况下改
善了患者的生存质量遥Tomotherapy 作为从一开始就被设计用来进行IGRT 和IMRT治疗的设备袁一直站在了技术发
展的最前沿袁而且将IGRT和IMRT 技术发展得更为简单而高效遥
[关键词] 螺旋断层放疗曰调强放疗曰图像引导下放射治疗曰自适应放射治疗
[中图分类号] TH774 [文献标志码] 悦[文章编号] 员园园猿原愿愿远愿渊圆园园8冤12-0100-03
Principle and Application of Helical Tomotherapy
XU Shou-ping, WANG Lian-yuan, DAI Xiang-kun, HUANG Hao, XIE Chuan-bin
(General Hospital of PLA, Beijing100853, China) Abstract To research the structure and principle of Helical Tomotherapy, and study the clinical application
value of the equipment system. As the first helical radiotherapy system in the mainland of China, its
constructions, structure and principle were analyzed and discussed. Helical Tomotherapy is a new kind of
radiotherapy equipment. The Hi-Art treatment system is a combination of a LINAC and a CT scanner capable of having
the function of both systems. It was approved to achieve the best intensity modulated radiation therapy (IMRT), used for
adjusting the setup position of the patient with MVCT and as the basis for dose reconstruction and other adaptive
radiotherapy processes. It is the first integrated planning, delivery and verification system for IMRT. Imageguided
radiation therapy (IGRT) and IMRT have introduced a new era in radiation oncology which will better fight cancer
and simultaneously improve the patients' quality of life. Having been designed from the ground up for IGRT and IMRT, the
tomotherapy system is in the forefront of technical advancements for efficacy and processes to make it efficiently.[100-102]
Key words tomotherapy; IMRT; IGRT; adaptive radiotherapy
断层放疗渊Tomotherapy冤字面解释为野类似CT扫描式放射
治疗冶遥断层放疗就是采用扇形束流来进行调强放射治疗[1-5]遥连
续断层治疗即指逐层来实施照射袁在每一层治疗时首先将治
疗床到位后机架实现旋转照射遥连续断层治疗是对患者实施
调强放射治疗的一种形式[6]遥螺旋断层治疗就是指类似螺旋
CT扫描来实现机架的持续旋转和床的运动遥连续螺旋式断
层治疗采用二元式气动多叶光栅袁其通过叶片在开/关位置之
间的快速移动来实现遥
1 螺旋断层放疗系统结构组成
图1 为螺旋断层放疗系统主机外
观图遥图2 显示了在Hi-Art 环形机架
上的主要旋转系统部件分布袁正常条件
下这些隐藏在机器前盖后方遥图3 显示
了系统治疗头的简单示意图遥更多Hi-Art 设计尧剂量学及质
量保证方面请参考有关文献[1袁4袁6-12]遥
Hi-Art 断层放疗系
统由以下几部分组成
渊如图1尧2尧4所示冤院
旋转机架院直线加
速器部分尧CT 探测器子
系统尧温控系统安装在
旋转机架上遥
患者治疗床院带有
复合材料的平板床面袁
用于支撑患者和旋转孔
内移动患者遥
激光定位系统院有利于确定床上患者的初始位置袁在断
层图像匹配后也可实现修正患者位置遥
操作台工作站院控制室内袁操作人员可控制和监视断层
图像的采集尧患者定位和治疗情况遥
收稿日期院2007-11-09 修回日期院圆园园愿-园猿-猿员
作者简介院徐寿平渊员怨苑远-冤袁男袁江西临川人袁硕士袁
工程师尧物理师袁主要从事肿瘤放射物理方面的研究
仪器原理Instrument Theory
100
医疗卫生装备·2008 年12月第29 卷第12期
悦澡蚤灶藻泽藻酝藻凿蚤糟葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造窑灾燥造援圆9 晕燥援12 December 2008
6MV S 波段驻波
直线加速器
电子束
光子束
x 开/关式叶片Y方向铅门
z y
图3 Hi-Art 系统治疗头的简单示意图
计划系统操作台
系统主机
服务器
图4 螺旋断层放疗系统框架图
状态控制台院配有选择步骤类型的钥匙开关袁开始尧停止
出束尧紧急停止按钮及其状态指示灯遥
计划系统工作站院用于治疗CT图像采集和组织定义袁
评估及保存优化治疗计划遥
共享数据库服务器院包含整个系统所使用的患者和机器
数据遥
最优化引擎院采用剂量优化和剂量计算曰该设备采用专
用硬件来加速优化和剂量计算过程遥
2 主要性能及参数
表1 列出了该治疗机系统的主要物理性能及参数遥
3 工作原理
螺旋断层放疗系统6 MV 直线加速器安装在螺旋CT 滑
环机架上袁加速管沿机架的径向安装袁机架能够360毅旋转遥它
可产生6 MV 的扇形束X射线袁经射线出口处的二元开/关式
多叶准直器调制袁从而实现360毅螺旋断层调强放射治疗曰也
可形成3.5 MV的扇形束X射线袁经螺旋扫描而重建出兆伏
级的三维CT 图像渊即MVCT冤遥在治疗开始前进行MVCT 成
像扫描袁重建出患者的三维影像袁与计划CT 影像进行比较袁
从三维方向上修正摆位误差袁从而实现图像引导下的IMRT
治疗[13]遥其治疗扇形束特性是向前呈峰形的束流曲线袁直至通
过一排64 片二元开/关式钨多叶光栅实现调制为止袁其中每
一叶片投影到等中心的宽度为0.625 cm遥仅大于且接近于7毅
的旋转间隔渊即投影点冤定义为单独调制模式袁确切地说每机
架旋转周对应有51 个投影角度袁并可通过Hi-Art 计划系统
来实现优化计算遥治疗时直线加速器产生的X 射线首先经窄
条形的初级准直器形成窄扇形束袁在等中心处的射野大约为
40 cm伊渊1 cm尧2.5 cm尧5 cm冤遥每个叶片的物理外形像1个梯
形档块袁高10 cm袁准直器的叶片只有2 种位置状态野开冶和
野闭冶遥当叶片处于野闭合冶袁该单元不允许射线穿过曰叶片处于
野开放冶状态时袁该射野单元允许射线穿过遥依靠气动电动机
快速推动活塞袁使叶片进出扇形束袁得到二维调强剂量分布遥
光栅叶片可以在20 ms 内关闭或打开扇形射线遥应该指出的
是袁每个治疗点都会被旋转扇形束重叠照射2耀5 次袁大概可
照射100耀250 个子束流袁并且子束流可以分为0耀100 个不同
强度水平遥每次治疗都会用到几万个子束流遥因而这样的能
量调制能力是无可比拟的袁尤其在靶区附近的正常组织需要
躲避时仍能非常好地维持靶区剂量均匀性遥
1 2 3
45
6
7
10 9 8
14..控四制端计环算流机器曰52..磁电控子枪管控曰6.制脉板冲曰调3.直制线器加曰7速.数器据曰
采集系统曰8.探测器曰9.主束流挡板10.电压电源
图2 匀蚤原粤则贼螺旋断层放疗机环形机架上子系统分布
物理性能参数指标
源轴距850 mm
孔径850 mm渊半径425 mm冤
CT探测器通道764 个渊使用500 个左右冤
治疗床速度尧高度可调袁复合平板床面
额定能量6 MV
能量模式只有光子束渊带靶冤
加速器脉冲频率渊最大冤300 Hz
多叶准直器叶片64 片交叉排列
最大治疗体积40 cm直径袁130 cm长圆柱体大小
MLC 宽度额定为6.25 mm
MLC 叶片厚度(屏蔽) 100 mm
MLC 漏射照射野外院0.2豫曰野内院0.5豫
MLC 叶片材料钨合金渊大于90豫钨材料冤
最大MLC 叶片穿透时间50 ms
高对比分辨率FOV:40 cm, 512伊512 图像为
1.6 mm渊最大接收剂量3cGy冤
典型断层图像患者所受剂量
渊标配冤0.5耀1.5 cGy
电子密度与CT值关系
线性渊含高原子序数物质
如骨组织冤
操作台工作站Microsoft Windows操作系统袁
Java用户接口
计划系统工作站Microsoft Windows操作系统袁
Java用户接口
数据库框架DB2袁CORBA通讯层
数据库硬件带RAID 系统的专用服务器
剂量优化引擎专用并行处理器
电源3 相480 VAC袁单相60 A
渊推荐袁其他也支持冤
治疗室冷却
平均院30 000 BTU/hr
高峰院40 000 BTU/hr
计算机室冷却18 000 BTU/hr
防护达到屏蔽6 MV 要求
治疗室最小高度3.0 m
防护门最小高度2.03 m
防护门最小宽度1.22 m渊临近迷路2.44 m宽冤
表1 螺旋断层放疗系统物理特性
Instrument Theory 仪器原理
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螺旋断层放疗系统6 MV 直线加速器剂量率约为850
cGy/min袁远大于传统的直线加速器输出袁这是因为其机头内
不存在物理束流均整器遥由于该系统可通过束流强度调制来
得到均匀的射野强度分布袁所以就没有再需要射野均整器的
必要遥由于不存在束流均整器袁射线能谱变得更稳定袁野内和
野外的散射也更少了遥叶片漏射率非常低袁叶片间漏射率低
于0.5%袁叶片中漏射率低于0.3%[14]曰而且叶片开尧闭时间很
短袁不会因叶片运动而产生散射遥
4 临床应用
Tomotherapy的独特性在于将现代螺旋CT 和医用直线加
速器进行了有机结合袁同时具有影像扫描及调强放疗功能遥它
采用6 MV 射线将患者部位螺旋分割成薄薄的断层袁沿患者
360毅逆向运用CT原理对层内任何肿瘤进行高精度照射遥其剂
量分布既具有优异的适形性袁又具备高度的均匀性袁远胜过一
般的调强计划遥其应用范围和适应症包括小的良性或恶性肿
瘤到全身的骨髓或全身任意多处肿瘤区域渊直径范围从40~
160 cm冤袁几乎覆盖所有适合放射治疗的适应症遥
Tomotherapy 技术与传统放疗相比袁传统放疗缺点在于院
病变渊靶区冤的剂量适形度不够好袁而且靶区定位精度较差遥
Tomotherapy整个设计思路和传统放疗系统型完全不同遥To鄄
motherapy 技术针对这些缺点发展了高精度的适形放疗袁涵盖
了三维适形放疗渊3D-CRT冤和调强放射治疗渊IMRT冤两部分遥
前者利用精确的定位技术袁在照射方向上使照射野的形状与
病变渊靶区冤的形状一致曰后者指在适形的前提下利用逆向计
划系统计算袁根据需要调节靶区内不同区域的照射剂量袁使
其在形态和剂量分布上双重适形遥传统思路都是考虑在加速
器上增加功能袁而Tomotherapy 是在CT 的基础上融合加速器
得到的独一无二的新型组合袁组合后的Tomotherapy 作为影
像设备其辐射很低袁因此医生可以通过每天应用这样的成像
功能来追踪患者病灶的变化袁而传统加速器只能每周应用一
次治疗验证袁实时跟踪性显然不强遥Tomotherapy 与传统机型
相比袁另外一个的优点是可以选择360毅中任意一个角度去治
疗患者遥传统加速器应用时通常角度有限袁角度的限制使得
它不能产生很好的放射剂量的分布袁而Tomotherapy 360毅方
位无死角的治疗能够避免伤害到附近重要器官袁更好地将剂
量集中到不规则的肿瘤靶区袁更好保护旁邻重要的正常组织
和器官遥Tomotherapy 系统的CT 影像部分是全数字化的袁可
以方便的计算出患者当天的放射剂量袁这也是传统机型所无
法匹敌的优点之一遥其剂量自适应放疗也要归功于To鄄
motherapy 对于放射剂量的精准计算袁是目前放疗设备中真正
意义上的剂量引导放疗渊DGRT冤技术遥
5 结论
螺旋断层放射治疗技术是一个全新的概念袁突破了传统
放疗的诸多局限袁将图像引导的调强放疗技术推到了一个前
所未有的境界遥螺旋断层放射治疗系统是高度集成了CT 扫
描系统和直线加速器功能的综合体袁在使用同一个集成的中
央数据库的情况下能够进行高精度的影像引导下的调强治
疗遥患者在连续移动的同时袁通过在滑环机架上连续旋转的尧
强度可调的扇形束来实现对患者的治疗遥Tomotherapy 可以产
生高度适形且均匀的剂量分布袁无论是治疗小的肿瘤靶区
渊如院立体定向放射治疗冤袁还是治疗非常大的区域渊如院全骨
髓照射冤袁都可以很好保护正常组织器官遥临床实践证明袁螺
旋断层放疗不仅能很好实现图像引导下的放射治疗袁而且超
越了图像引导放疗并可实现剂量自适应放疗遥但应该看到的
是袁该系统设备进入市场不过4 a 多时间袁其状态稳定性还有
待时间的考验袁更多的质量保证工作需要我们医院物理尧工
程技术人员来实现遥
IGRT 和IMRT开辟了肿瘤放射治疗的新纪元袁它们在更
好地控制肿瘤的情况下改善了患者的生存质量遥Tomotherapy
作为一个从一开始就被设计用来进行IGRT 和IMRT治疗的
设备一直站在了技术发展的最前沿袁而且把IGRT 和IMRT
技术发展得更为简单而高效遥
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At this time, the HiArt system manufactured by TomoTherapy, Inc. is the primary tomotherapy device in use although there are still a number of Corvus systems being used. Other radiation therapy equipment vendors have recently responded to the challenge of short treatment times coupled with a full 360 degree treatment arc by developing methods of delivering IMRT using arcs. The major difference is that these methods are implemented on standard medical linear accelerators, thereby providing for complete volumetric irradiation.
Patient undergoing tomotherapy, face and body covered.
TomoTherapy "beam on" times are comparable to normal radiation therapy treatment times (about 3–5 minutes beam on time for a common prostate treatment) but do add an additional 2–3 minutes for a daily CT. The daily CT is used to precisely place the radiation beam and allows the operator to modify the treatment should the patients anatomy change due to weight loss or tumor shrinkage (adaptive radiotherapy). Lung cancer, head and neck tumors, breast cancer, prostate cancer, stereotactic radiosurgery and stereotactic body radiotherapy are some examples of treatments commonly performed using TomoTherapy. While the first clinical use of TomoTherapy was in 2002, at the University of Wisconsin, under the leadership of Dr. Minesh Mehta, M.D., there are now more than 300 sites across Canada, the United States, Europe and Asia
在这个时候，HiArt系统TomoTherapy，公司生产使用的主要是tomotherapy设备虽然仍有所用乌鸦座系统。其他放射治疗设备厂商最近回应了短期治疗时代的挑战与360度弧形治疗再加以开发利用提供IMRT弧方法。主要的区别是，这些方法是实施标准医用直线加速器，从而提供完整的照射体积。
患者接受tomotherapy，脸部和身体覆盖。
