调强型多
作者：叶光栅 王 琦 周凌宏 陈超敏 于晓宝
单位：王 琦 周凌宏 陈超敏 于晓宝 第一军医大学生物医学工程系(广州 510515)
关键词：
北京生物医学工程990114 简 介
随着放射治疗技术的飞速发展，对病灶靶区实施精确的剂量照射已成为现代放疗技术发展的主要方向。在此要求的基础上，人们提出了适形放射治疗的理论：即由医用电子直线加速器照射病人后在患者体内产生的剂量分布与患者肿瘤的形状尽可能地接近，同时尽量降低肿瘤周围正常组织及要害部位的辐射剂量，以达到治疗病人的目的。
适形放疗又叫立体放射治疗，起源于本世纪60年代初期。1965年适形放疗界的先驱之一日本Nagoya的Shiji Takahashi发表了专题文章[1]，阐明了有关于适形放疗的一些重要概念，采用的主要方法是通过电机驱动的光栅来调制射线束的形状，使得射线束的形状与病灶靶区在该照射平面的投影形状近拟，通过加速器的等中心旋转照射，在病灶靶区内形成高剂量区，同时尽量降低病灶周围正常组织的受照剂量。
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早期的适形放疗技术只能对射线束的形状进行调制，而不能对靶区内剂量的强度分布进行调制，导致病灶靶区内受照剂量的分布不能与实际要求完全吻合，降低了对肿瘤的控制率，特别是当肿瘤较大、形状不规则、而且方向扭曲时，单纯的遮挡调束型多叶光栅不能完全满足临床的治疗要求，特别是对一些凹面体形的肿瘤，在其凹陷处可能有正常组织的存在，这时多叶光栅难以一次完全形成肿瘤在某一照射平面的投影形状，使得相当多的正常组织暴露在照射野内，受到不应有的照射。如图1所示。
图1 肿瘤与正常组织示意图
为了对肿瘤进行照射，如果采用遮挡调束型的多叶光栅，即光栅的作用只是在照射肿瘤时形成肿瘤在照射平面上的投影轮廓，则此时无论如何对病人摆位，正常组织都不能得到应有的保护，受到不应有的照射。如图2、图3所示。
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图2 多叶光栅从水平方向成形
图3 多叶光栅从垂直方向成形
无论多叶光栅从水平方向还是从垂直方向形成病灶的投影轮廓，正常组织都会受到不应有的照射，只不过从水平方向形成病灶的投影轮廓时，相对于垂直方向要更加准确一些，比垂直方向的防护效果要好一些。解决这一问题的办法就是采取多次成形照射，多叶光栅对病灶的成形分为多次，每次形成病灶的一部分。照射时先对一部分肿瘤进行照射，然后再对另一部分肿瘤进行照射，这样存在的问题就是两次成形时在射野相接处会造成超剂量或欠剂量的情况影响病灶靶区内剂量强度的分布，减弱了对肿瘤的控制率，降低了病人的生存质量。
1 剂量强度调制型多叶光栅
为了有效地提高对肿瘤的控制率，需要对照病灶靶区内的剂量强度分布进行控制，以使在治疗的肿瘤区域内，剂量分布均匀，剂量的变化梯度上下不超过5%，同时避免上文提到的在照射不规则形状的肿瘤时，正常组织得不到应有的保护，受到不应有的照射。为了解决这一问题可以应用快门技术的原理，设计一种多叶光栅，以达到上述的诸多要求。
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人们很早就开始研究照射野内剂量强度分布的控制技术。早期人们为了解决一些偏体位一侧肿瘤在使用两野交叉照射时剂量不均匀性的问题，采用了楔形板技术。通过选用合适角度的楔形板，以得到较理想的适合靶区的剂量分布。同时利用适当角度的楔形板，还可以对人体曲面和缺损组织进行组织补偿，以适应治疗胰腺、肾等靶体积较大、部位较深的肿瘤[2]。随着放射治疗技术的发展，对剂量强度分布的控制精度要求越来越高，以求在病灶靶区内形成所需要的剂量分布。如果仍采用类似楔形板类的剂量强度调制工具，已经不能满足放射治疗发展的要求。现在人们普遍开始采用多叶光栅来对射线束的强度分布进行调制[3]。1987年，Brahme、Leavitt和Stewart发明了快门技术(camera shutter technique)，通过多叶光栅的叶片分别独立同向运动，一个叶片以预定的方式做变速运动，另一个同轴的叶片以一定的滞后时间作同向的变速运动，从理论上较好地解决了照射野内剂量强度的分布问题。如图4所示：
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(a) (b)
图4 采用快门技术进行适形放疗示意图
图4(a)表示采用快门技术进行适形治疗时，各多叶光栅的起始位置。下面以C1、C2这对叶片为例，具体说明采用快门技术时多叶光栅如何对射野内的剂量强度进行调制以及保护正常组织。由
C1、C2这对叶片分割病灶组织时，所形成的条形射野如图4(b)所示，假定加速器的剂量率为恒定值。治疗开始时，随着加速器开始出束，C2向右侧移动，S1区所受剂量为剂量率与照射时间的乘积，由于认为加速器的剂量率为一定值，S1区所受剂量主要由照射时间决定。当C2运动一段时间后，C1也开始向右侧运动，C1进入S1区后，将部分遮挡S1区所受的照射剂量，也即控制了S1区的受照时间，这样通过事先确定好的S1区应受照射剂量来确定C1、C2两叶片的各自运动速度，使S1区的受照计量达到要求时，C1、C2恰好同时运动到S2处，并且此时两叶片保持同一速度向右运动，遮挡S2区免受不必要的照射；当到达S3区时，C2运动速度加快或者C1运动速度减慢，目的与S1区一样，通过控制S3区的照射时间达到S3区所要求的照射剂量，其它叶片的控制方式与C1、C2的控制方式一样，最终完成剂量强度调制型的适形治疗，使病灶靶区所受剂量与医生要求的剂量尽可能一致。
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2 调强型多叶光栅结构的一种实现方法
多叶光栅通常是在普通准直器的某一对挡块上装以多叶光栅来代替两整片对称拉块，每片多叶光栅可以独立调节。光栅的大小、片数和位置，决定照射野的大小和形状近似的精确度。由于金属钨对放射线有较强的防护性能，现代多叶光栅叶片的材料多数都由金属钨制成[4]。机械结构大致如下：整个多叶光栅包括两组叶片，两组叶片相向排列安装于托架上，叶片可以在托架上移动，移动的方向与射线束轴线方向垂直，每个叶片都由步进电机独立驱动，由于在叶片之间为减少运动时的相互摩擦而留有适当的间隙，为减少放射线通过此间隙的泄漏，还在两组叶片的下面各安装有一个可移动的挡板，通过挡板的适当移动来遮挡泄漏的放射线。为了防止相对应的两片钨叶在闭合时发生碰撞，闭合时相对两片钨叶之间也留有微小的间隙，同理为了降低在此间隙泄漏的放射线，也可以在与两组钨叶相垂直的方向再安装一组防漏挡板。
强度调制型的多叶光栅的主要技术要求就是同轴的两对叶片能够做同向的变速运动，且每片光栅要有较大的过中行程，过中的行程越大，在临床的应用中适应范围越广。为达到此要求，通过采用螺旋驱动方式可以制成强度调制型的多叶光栅。大致工作原理如图5所示：
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(a) (b)
图5 调强型多叶光栅机械结构示意图
光栅叶片A、B在其侧面各钻两个孔，如图5(b)所示：一个为螺纹孔，一个为光孔。A、B的两孔位置相反，互相交错。驱动螺杆A与叶片B构成螺旋传动方式，通过叶片A的光孔固定在托架两端，光孔的直径稍大于螺纹孔；同理驱动螺杆B与叶片A构成螺旋驱动方式，通过叶片B的光孔与托架两端固定。两驱动螺杆分别由各自的步进电机驱动，这样通过控制步进电机的转速就可以控制叶片A、B的前进速度，通过控制步进电机的正反转，来控制叶片的前进后退。通过这种机械结构再加上计算机软件的控制，基本上可以实现强度调制型的适形治疗。
作者简介：王琦 男，24岁，助教。
3 参考文献
[1]Takahashi S.Conformation radiotherapy:rotation techniques as applied to radiography and radiotherapy of cancer. Acta Radio Suppl, 1965,242:1
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[2]谷铣之，等主编.肿瘤放射治疗学.第二版.北京医科大学.中国协和医科大学联合出版社，1993，99
[3]Hounsell RA, et al. Computer-assisted generation of multi-leaf collimator settings for conformation therapy. The British Journal of Radiology, 1992,65(772)∶321
[4]Jordan T J and Williams P C. The design and performance characteristics of a multileaf collimator. Phys Med Biol, 1994, 39∶231
(1998-04-27收稿), 百拇医药
单位：王 琦 周凌宏 陈超敏 于晓宝 第一军医大学生物医学工程系(广州 510515)
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北京生物医学工程990114 简 介
随着放射治疗技术的飞速发展，对病灶靶区实施精确的剂量照射已成为现代放疗技术发展的主要方向。在此要求的基础上，人们提出了适形放射治疗的理论：即由医用电子直线加速器照射病人后在患者体内产生的剂量分布与患者肿瘤的形状尽可能地接近，同时尽量降低肿瘤周围正常组织及要害部位的辐射剂量，以达到治疗病人的目的。
适形放疗又叫立体放射治疗，起源于本世纪60年代初期。1965年适形放疗界的先驱之一日本Nagoya的Shiji Takahashi发表了专题文章[1]，阐明了有关于适形放疗的一些重要概念，采用的主要方法是通过电机驱动的光栅来调制射线束的形状，使得射线束的形状与病灶靶区在该照射平面的投影形状近拟，通过加速器的等中心旋转照射，在病灶靶区内形成高剂量区，同时尽量降低病灶周围正常组织的受照剂量。
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早期的适形放疗技术只能对射线束的形状进行调制，而不能对靶区内剂量的强度分布进行调制，导致病灶靶区内受照剂量的分布不能与实际要求完全吻合，降低了对肿瘤的控制率，特别是当肿瘤较大、形状不规则、而且方向扭曲时，单纯的遮挡调束型多叶光栅不能完全满足临床的治疗要求，特别是对一些凹面体形的肿瘤，在其凹陷处可能有正常组织的存在，这时多叶光栅难以一次完全形成肿瘤在某一照射平面的投影形状，使得相当多的正常组织暴露在照射野内，受到不应有的照射。如图1所示。
图1 肿瘤与正常组织示意图
为了对肿瘤进行照射，如果采用遮挡调束型的多叶光栅，即光栅的作用只是在照射肿瘤时形成肿瘤在照射平面上的投影轮廓，则此时无论如何对病人摆位，正常组织都不能得到应有的保护，受到不应有的照射。如图2、图3所示。
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图2 多叶光栅从水平方向成形
图3 多叶光栅从垂直方向成形
无论多叶光栅从水平方向还是从垂直方向形成病灶的投影轮廓，正常组织都会受到不应有的照射，只不过从水平方向形成病灶的投影轮廓时，相对于垂直方向要更加准确一些，比垂直方向的防护效果要好一些。解决这一问题的办法就是采取多次成形照射，多叶光栅对病灶的成形分为多次，每次形成病灶的一部分。照射时先对一部分肿瘤进行照射，然后再对另一部分肿瘤进行照射，这样存在的问题就是两次成形时在射野相接处会造成超剂量或欠剂量的情况影响病灶靶区内剂量强度的分布，减弱了对肿瘤的控制率，降低了病人的生存质量。
1 剂量强度调制型多叶光栅
为了有效地提高对肿瘤的控制率，需要对照病灶靶区内的剂量强度分布进行控制，以使在治疗的肿瘤区域内，剂量分布均匀，剂量的变化梯度上下不超过5%，同时避免上文提到的在照射不规则形状的肿瘤时，正常组织得不到应有的保护，受到不应有的照射。为了解决这一问题可以应用快门技术的原理，设计一种多叶光栅，以达到上述的诸多要求。
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人们很早就开始研究照射野内剂量强度分布的控制技术。早期人们为了解决一些偏体位一侧肿瘤在使用两野交叉照射时剂量不均匀性的问题，采用了楔形板技术。通过选用合适角度的楔形板，以得到较理想的适合靶区的剂量分布。同时利用适当角度的楔形板，还可以对人体曲面和缺损组织进行组织补偿，以适应治疗胰腺、肾等靶体积较大、部位较深的肿瘤[2]。随着放射治疗技术的发展，对剂量强度分布的控制精度要求越来越高，以求在病灶靶区内形成所需要的剂量分布。如果仍采用类似楔形板类的剂量强度调制工具，已经不能满足放射治疗发展的要求。现在人们普遍开始采用多叶光栅来对射线束的强度分布进行调制[3]。1987年，Brahme、Leavitt和Stewart发明了快门技术(camera shutter technique)，通过多叶光栅的叶片分别独立同向运动，一个叶片以预定的方式做变速运动，另一个同轴的叶片以一定的滞后时间作同向的变速运动，从理论上较好地解决了照射野内剂量强度的分布问题。如图4所示：
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(a) (b)
图4 采用快门技术进行适形放疗示意图
图4(a)表示采用快门技术进行适形治疗时，各多叶光栅的起始位置。下面以C1、C2这对叶片为例，具体说明采用快门技术时多叶光栅如何对射野内的剂量强度进行调制以及保护正常组织。由
C1、C2这对叶片分割病灶组织时，所形成的条形射野如图4(b)所示，假定加速器的剂量率为恒定值。治疗开始时，随着加速器开始出束，C2向右侧移动，S1区所受剂量为剂量率与照射时间的乘积，由于认为加速器的剂量率为一定值，S1区所受剂量主要由照射时间决定。当C2运动一段时间后，C1也开始向右侧运动，C1进入S1区后，将部分遮挡S1区所受的照射剂量，也即控制了S1区的受照时间，这样通过事先确定好的S1区应受照射剂量来确定C1、C2两叶片的各自运动速度，使S1区的受照计量达到要求时，C1、C2恰好同时运动到S2处，并且此时两叶片保持同一速度向右运动，遮挡S2区免受不必要的照射；当到达S3区时，C2运动速度加快或者C1运动速度减慢，目的与S1区一样，通过控制S3区的照射时间达到S3区所要求的照射剂量，其它叶片的控制方式与C1、C2的控制方式一样，最终完成剂量强度调制型的适形治疗，使病灶靶区所受剂量与医生要求的剂量尽可能一致。
, http://www.100md.com
2 调强型多叶光栅结构的一种实现方法
多叶光栅通常是在普通准直器的某一对挡块上装以多叶光栅来代替两整片对称拉块，每片多叶光栅可以独立调节。光栅的大小、片数和位置，决定照射野的大小和形状近似的精确度。由于金属钨对放射线有较强的防护性能，现代多叶光栅叶片的材料多数都由金属钨制成[4]。机械结构大致如下：整个多叶光栅包括两组叶片，两组叶片相向排列安装于托架上，叶片可以在托架上移动，移动的方向与射线束轴线方向垂直，每个叶片都由步进电机独立驱动，由于在叶片之间为减少运动时的相互摩擦而留有适当的间隙，为减少放射线通过此间隙的泄漏，还在两组叶片的下面各安装有一个可移动的挡板，通过挡板的适当移动来遮挡泄漏的放射线。为了防止相对应的两片钨叶在闭合时发生碰撞，闭合时相对两片钨叶之间也留有微小的间隙，同理为了降低在此间隙泄漏的放射线，也可以在与两组钨叶相垂直的方向再安装一组防漏挡板。
强度调制型的多叶光栅的主要技术要求就是同轴的两对叶片能够做同向的变速运动，且每片光栅要有较大的过中行程，过中的行程越大，在临床的应用中适应范围越广。为达到此要求，通过采用螺旋驱动方式可以制成强度调制型的多叶光栅。大致工作原理如图5所示：
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(a) (b)
图5 调强型多叶光栅机械结构示意图
光栅叶片A、B在其侧面各钻两个孔，如图5(b)所示：一个为螺纹孔，一个为光孔。A、B的两孔位置相反，互相交错。驱动螺杆A与叶片B构成螺旋传动方式，通过叶片A的光孔固定在托架两端，光孔的直径稍大于螺纹孔；同理驱动螺杆B与叶片A构成螺旋驱动方式，通过叶片B的光孔与托架两端固定。两驱动螺杆分别由各自的步进电机驱动，这样通过控制步进电机的转速就可以控制叶片A、B的前进速度，通过控制步进电机的正反转，来控制叶片的前进后退。通过这种机械结构再加上计算机软件的控制，基本上可以实现强度调制型的适形治疗。
作者简介：王琦 男，24岁，助教。
3 参考文献
[1]Takahashi S.Conformation radiotherapy:rotation techniques as applied to radiography and radiotherapy of cancer. Acta Radio Suppl, 1965,242:1
, 百拇医药
[2]谷铣之，等主编.肿瘤放射治疗学.第二版.北京医科大学.中国协和医科大学联合出版社，1993，99
[3]Hounsell RA, et al. Computer-assisted generation of multi-leaf collimator settings for conformation therapy. The British Journal of Radiology, 1992,65(772)∶321
[4]Jordan T J and Williams P C. The design and performance characteristics of a multileaf collimator. Phys Med Biol, 1994, 39∶231
(1998-04-27收稿), 百拇医药