Chapter9.The modern Stereotactic radiotherapy

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1 Chapter9.The modern Stereotactic radiotherapy
现代立体定向放射治疗学

2 放射治疗的根本目的 最大限度地将放射线的剂量集中照射到病灶（靶区）内，杀灭肿瘤细胞，同时使周围的正常组织（normal tissue normal tissue）和关键器官关键器官（organ at risks,OARs）免受或尽可能少受不必要的照射。 常规放射治疗存在的缺陷 PTV与CTV不完全一致 关键器官剂量高

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1. Definition SRS 用多个非共面窄束，对小范围靶组织为焦点的单次大剂量照射，形成具有边缘剂量陡降的射线剂量体积，所对应的照射技术。 SRS适用于良性及恶性病变。 使用射线：伽马射线、X射线、其他重粒子

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之所以被称为“刀”，是因为它满足了两个条件： ⑴较大的“焦皮比”：所谓“焦皮比”，就是单位体积内病变组织与健康组织所受剂量之比。一般来说，焦皮比在100：1以上的放射治疗设备才能称之为“刀”。 ⑵准确的定位：利用X-CT、MRI、DSA等现代化的诊断手段，加之“立体定位”技术，使γ射线的焦点准确地与病灶点重合，而不损伤病灶点周围的健康组织。 目前，立体定向方法有三种：⑴静态式；⑵动态旋转扫描式；⑶弧形等中心式。相应地有静态γ（x）-刀、旋转式γ-刀和头部γ-刀三大系列射线手术刀产品。

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2. development 1951年瑞典神经外科专家Lars Leksell 提出立体定向放射手术的概念，当时用能量200kV的X射线。 1968年第一台、1975年第二台γ-刀装置在瑞典Karolinska研究所临床试用，形成现在的第三代用201个Co-60源集束照射的γ-刀装置。 1982法国Betti提出用直线加速器的6~15MeV X射线非共面多弧度等中心旋转实现多个小野三维集束照射病变，起到与γ-刀一样的作用，故称为X射线刀（X-knife）。

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2. development γ-刀（ γ-knife）、X-刀（X-knife）分别为瑞典Elekta公司和美国Radionics公司的商品注册名。 它们的学名称为X(γ)射线立体定向放射手术（stereotactic radiosurgery, SRS），其特征是小野三维集束单次大剂量照射。 随着SRS技术在肿瘤治疗中的推广应用，和适形放射治疗对定位、摆位精确度的要求，出现了它们的结合，称为立体定向放射治疗（stereotactic radiotherapy, SRT）。

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2. development 1996年，国产旋转伽马刀投入临床应用 1996年，国产X刀投入临床应用 2005年，国产全身陀螺旋转γ刀投入临床应用

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时间 作者 地点 实践 1951 Leksell Stockholm 阐述立体定向放射治疗基本概念 1958 Lawrence Uppsala 神经外科应用质子治疗 1967 第一代伽马刀 1970 Steiner 治疗动静脉畸形 1982 Betti Paris 加速器应用与放射外科 1984 Bunge Buenos 第三代伽马刀 1992 Loeffle Boston 北美X刀治疗中心 1996 宋世鹏 深圳 旋转伽马刀 北京大恒医疗 北京 X刀 2005 深圳奥沃 体部伽马刀

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对于脑部肿瘤和其他功能性病变，传统的治疗方法是实施外科开颅手术。开颅手术使病人遭受痛苦，而且还可能带来后遗症，甚至导致死亡。而γ-刀的问世，使脑神经外科手术揭开了新的一页，在治疗过程中，病人无出血、无感染、无痛苦，照射一次就达到了手术效果。这是人类医学史上一项伟大的革命性创举。

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关于暂缓装备伽玛刀、爱克斯刀的通知 :45:03 卫 生 部 财 政 部 文 件 劳 动 部 中国人民银行 省、自治区、直辖市、计划单列市卫生、财政、(劳动人事)厅(局)、中国人民银行分行： 伽玛刀立体定向系统(简称γ刀)是集神经外科、放射诊断、放射治疗与计算机技术为一体的新的治疗系统。但由于自身的技术限制，其治疗适用症仅限用于与脑干、下丘脑等重要结构有一定距离、体积小且与脑组织边界清楚的颅内深部肿瘤和某些功能性疾患，有相当大的局限性。根据流行病学调查，我国每年发生12万例脑肿瘤患者中仅有不足十分之一适合用γ刀治疗；而且，应用γ刀治疗之前需经严格的神经影像学定位和照射剂量计算，必须由一组经过专门训练的医生和技术人员操作使用，操作要求十分复杂，如使用不当不仅造成经济损失，还给病人造成不可逆的操作，甚至危及生命。γ刀不仅适应范围窄、操作复杂，而且价格十分昂贵，因此，γ刀自60年代问世以来全世界共生产60余台

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3. 伽马射线立体定向放射外科（ γ-刀）的实现方法 瑞典Elekta γ-刀装置使用201个Co-60源，每个Co-60源活度为1.11TBq (30Ci)，分布于头顶部北半球的不同纬度和经度上，201个源经准直后聚焦于一点，该点称为焦点。静态伽马刀 我国奥沃(OUR)公司创造了中国模式，用30个Co-60源螺旋排列成6组分别于14 ° ~ 43°之间的纬度上。在经度上每组源间隔60 ° ，在纬度上每个源间隔1°。源直径为2.6mm，30个Co-60源总活度为6000Ci。用旋转的方法实现多野集束照射。

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瑞典的Elekta公司是静态γ-刀的唯一生产厂家，于1968年推出第一代Leksell型静态γ-刀，目前已发展到第三代，Leksell型静态γ-刀适用于头部。 静态γ-刀由放射源释放组件、准直器头盔、液压系统、病人治疗床、控制台和治疗计划系统等部分组成。

13 Gamma Knife Over 30 years of clinical use and a great deal of publications Targeting Precision of within 2mm Multiple targets can be easily treated in one session

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15 Gamma Knife The head frame
Gamma Knife The head frame A key component in Gamma Knife® surgery is the stereotactic head frame. The frame allows the doctor to accurately pinpoint the target to be treated in your brain. This lightweight frame, which is attached to patient head with four screws, ensures that the radiation beams can be directed with precision to the target. The frame also prevents patient head from moving during imaging and treatment procedures. Local anaesthetic is applied where the screws are to be attached.

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17 Gamma Knife Imaging After the head frame is in place, it is time for imaging to be done; such as magnetic resonance imaging (MRI), computed tomography (CT) or angiography. Imaging is required to determine the exact size, shape and position of the target in the brain. During imaging, a coordinate box is placed on the head frame to provide reference points on the images for the treatment plan. After imaging, the coordinate box is removed.

18 Gamma Knife Treatment planning
Gamma Knife Treatment planning Once patient images have been taken, he can rest while the physician develops a very precise and accurate treatment plan. No two treatment plans are alike; every patient’s plan is individually designed to address the specific medical condition. The doctor, very often together with another specialist in the team, makes the plan in a specially designed computer and calculates how the treatment should be performed. This usually takes a couple of hours.

19 Gamma Knife The treatment
Gamma Knife The treatment Once your treatment plan is completed, the actual treatment can start. You will lay down on the treatment couch and the head frame will be attached to the helmet. You are awake during the procedure and will be able to communicate with your doctor or nurse through an audio and video connection. When the treatment begins, the couch will move into the dome section of the unit. The treatment is silent and totally painless. Often you will be able to listen to music during the treatment. The team will be monitoring the procedure at all times. The treatment will last a few minutes to more than an hour, depending on the size and shape of the target.

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21 Rotated Gamma Knife 旋转式γ-刀是由中国深圳OUR公司率先研制成功的，它在静态式γ-刀的基础上作了重大改进，设计更为合理。旋转式γ-刀也只适用于头部。 旋转式γ-刀采用旋转聚焦的工作原理，装在旋转式源体上的30个放射源绕病灶中心做锥面旋转聚焦运动，由于射线束不是以固定路径穿越健康组织，致使健康组织中受到瞬时及几乎无伤害的照射，从而在病灶中心形成焦皮比达1000:1的聚焦治疗效果。

22 Rotated Gamma Knife 旋转式γ-刀的旋转式源体由半球缺状球墨铸铁制成，上有30个钴源装载位置及准直器孔道，分成6组，每组5个，按螺旋线交错有序地布置在球面上。当源体旋转时，则形成30个锥面，30个钴源的几何轨迹无一重迭，因此对健康组织损伤最小；而且，由于采用旋转式布置，相邻两个源的准直通道夹角最大，故射线产生“交叉半影”最小，使整机的焦点品质大为提高。

23 Rotated Gamma Knife 全身γ-刀的工作原理与动态旋转式头部γ-刀相同，只是总体结构布局、放射源钴60的分布、屏蔽与防护、以及人体的全身立体定位更为复杂。全身γ-刀主要适用于躯干部位的肿瘤。

24 Rotated Gamma Knife 全身γ-刀由辐射单元、屏蔽支架结构、治疗床、立体定位系统、电气传动与控制系统及治疗计划系统组成。辐射单元由可作相对旋转运动的源体和准直体组成。源体是一个球冠体，按其经纬度有序地分布了30个钴60放射源。在源体的内腔装有与源体为同心球冠的准直体，在准直体上与放射源的布局相对应，排列了若干组不同孔径的准直孔和一组屏蔽体。由于源体和准直体可实现相对旋转运动，放射源可通过准直体自动形成不同束径的γ射线聚焦于球心点或实现关断屏蔽。由于治疗全身肿瘤的需要，全身γ-刀的旋转聚焦球心点位于辐射单元外部的结构空间中，源体和准直体的特殊结构设计满足了结构屏蔽的需要。

25 Rotated Gamma Knife 全身γ-刀具有一个特殊的治疗床和立体定位系统。由一个三维平台和活动床组成，活动床上建有三维标尺，并与X-CT、MRI等图像诊断设备相接口。人体固定在活动床上，考虑到人体呼吸和内脏器官的蠕动，用一套三维随动系统跟踪病灶，实现实时定位。全身γ-刀定位精度不劣于0.5mm，焦皮比与头部γ-刀相近似。

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4. X线立体定向放射外科（ X-刀）的实现方法 X-刀是继γ-刀之后于80年代发展起来的一种新型立体定向放射外科设备。由于它利用电子直线加速器（LINAC）产生的X射线作为放射源，所以又称为LINAC的立体定向放射外科装置，简称X-刀。 采用专用的准直器和立体定向装置，把X射线聚集在病灶实施一次大剂量照射。通过三维空间把线束投射到靶区形成高剂量，而周围正常组织受量低。因等剂量曲线在靶区外急剧陡降，病灶与正常组织剂量界限分明，达到控制、杀灭病变保护正常组织的目的，尤如外科手术刀切除病灶一样。

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因医用电子直线加速器具有非常好的精确度和可靠性，所以X-刀适用于比γ-刀更大的颅内病灶（γ-刀适用病灶<18mm，X-刀适用病灶<50mm）。X-刀利用直线加速器作为照射源，不象γ-刀那样需要定期更换放射物质。X-刀的价格仅为γ-刀的1/5～1/6，具有更高的性能价格比，从而减少了治疗费用。因此X-刀得到了世界各国医院的广泛采用，到1993年底，全世界共210台，仅美国就有83台。1994年中国开始引进X-刀。由于X-刀设备简单、造价低、不使用钴源，因此它的发展甚为迅速，已有逐步取代γ-刀的趋势。

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X-刀的系统结构是由医用电子直线加速器、立体定向装置及计算机治疗计划系统三大部分组成。

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由于加速器单平面旋转形成的空间剂量分布较差，目前SRT通常采用4~12个非共面小野绕等中心旋转，达到γ-刀集束照射的同样的剂量分布。缺点是每次旋转治疗结束后，必须进入治疗室，变换治疗床的位置，摆位时间和治疗时间加长。 每个旋转代表治疗床的一个位置，即治疗床固定于不同位置，加速器绕其旋转一定角度。病变中心一般位于旋转中心（等中心）位置。 图d的方法称为动态旋转治疗，可大大缩短摆位时间和治疗时间，靠机架和治疗床在照射过程中的联合运动，实现非共面的连续照射。

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X(γ)射线SRT (SRS)治疗一般要经过病变定位、计划设计和治疗三个过程 利用立体定向装置（stereotaxy）、CT、MRI和X射线数字减影等先进影像设备及三维重建技术，确定病变和邻近重要器官的准确位置和范围，这个过程叫作三维空间定位，也叫立体定向。 然后利用三维治疗计划系统，确定X(γ)射线SRT (SRS)的线束方向，精确地计算出一个优化分割病变和邻近重要器官间的剂量分布计划，使射线对病变实施“手术” 式照射。

33 LINAC-Based Systems -Less accurate -In use in more hospitals
-Less efficient (longer treatment times)

34 X knife 在直线加速器的头部安装有准直器，其作用是将X射线形成窄射束准确地聚焦于靶区（病灶），而使周围正常组织受到最小的损伤。一般采用圆形射束，直径4～50mm，按照一定间隔配备10～15个不同直径的准直器。

35 X knife 立体定向装置 X-刀与γ-刀一样，需要将靶心精确定位，定位精度要求<0.5mm。
立体定向装置是头部立体定向框架（又称头架、头环、脑立体定向仪），其作用是精确地固定人头部的位置。有的头架上将四个颅骨螺旋钉固定于病人头部，固定效果好，但是一种侵入式的方式，适用于单次照射治疗；另一种头架通过病人的牙齿咬合枕骨固定垫和头带固定于头部，是非侵入式的，适用于需要重复照射的病人。

36 X knife 安装于头架上的CT定位架，在周围设有定标或在侧面装有定标线，接受CT扫描时用其确定每张CT片和CT片上每个点的精确位置。对于颅内血管疾病的病人，需要使用安装在头架上的血管造影架，用以确定血管病灶的空间位置。

37 Frame Techniques With tomographic imaging modalities (CT and MRI), use the N-frame as a basis for 3-D visualization: N-Frame MRI CT

38 X-刀治疗计划体系 与γ-刀一样，计算机治疗计划体系也是X-刀不可缺少的重要组成部分。治疗计划系统由计算机、图像输入装置、显示器及打印机组成，其任务是根据病人的CT、MRI和DSA（或Angiography）图像，确定病灶的大小和位置，标定靶区、计算靶心，最终制定出治疗计划和进行剂量分布计算。

39 X knife 治疗计划的制定方法如下：首先是定位，一般在局部麻醉下进行，将脑立体定向仪固定在病人头部，肿瘤病人采用CT定位，每2～4mm层厚连续扫描并通过图像三维重建，计算肿瘤的体积，脑血管畸形则采用数字减影脑血管造影（DSA）定位。在有些情况下，病灶成像于MRI图像，在CT上却看不清楚，这时需利用MRI图像进行定位。一种方法是在病人做MRI时，带上类似于CT定标架那样的装置来确定病灶的位置。另一种方法是采用“计算机信息融合（Fassion）技术”，将MRI图像的数据与CT数据融合，利用CT定标系统和MRI数据来确定病灶的位置。

40 X knife 所测得的资料借助磁盘或光盘输入计算机，以便确定治疗方案。计算机处理后可绘制出病灶各层面的正、侧及轴位的剂量曲线，操作者可根据临床需要使之与靶点边缘准确重叠。较大或形状不规则病灶可选用多中心靶点。计算机根据选入的参数制定治疗方案，包括单次或多次照射、每次照射时间、靶点的坐标位置、准直器选择形式等，以使射线准确集中于病灶上，避免损害其周围正常组织。

41 X knife

42 X knife

43 X knife 治疗时，定位系统首先按照治疗计划中给出的靶心位置，将靶心放置到加速器的等中心上，在治疗过程中加速器按照治疗计划中给定的照射弧旋转，其射束始终对准靶心，达到大剂量集中照射的目的。为保证治疗过程中的靶心始终位于中心上，还有专门的等中心校验装置（一种固定于头架上的等中心校验标记图及治疗室内的激光定位校验系统）对靶心位置进行精确地校验。

44 CyberKnife -Can treat most regions of body
-w/ Stereotactic frame, can approach accuracy of LINAC or GammaKnife -Real-time frameless stereotaxy can be used

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项目 离子刀 X-刀 γ-刀 全脑受量 +++ + 购置费用 － 射野边缘剂量梯度 安装费用 ++ 靶区正常组织的相对生物效应 医技人员费用 设计灵活性 操作费用 设计复杂性 操作难度 小体积靶剂量控制 大体积靶剂量控制 +/－ 注：“－”劣势，“+”无劣势，“++”优势，“+++”最有优势

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5.Applications Mostly used for brain surgery It’s where other more invasive procedures are deemed too risky Machines are designed mostly for brain surgeries Frame stereotaxy only allows for brain surgery But new machines and stereotaxy techniques are allowing for application in other parts of the body Mostly used for tumors and vascular malformations But new therapeutic applications have been developed for other tissue diseases and functional disorders