头部X-刀和γ-刀的几项主要技术参数的比较
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37c医学网
作者：邓振生 梁军 许利阶
单位：第四军医大学西京医院放射治疗中心 西安 710032
关键词：
北京生物医学工程000312 1 剂量分布情况
γ-刀装置由均匀分布在球面上的201个放射性小钴源组成，每个钴源发出的γ射线经过放置该源并指向球心的小孔高度准直后，在球心处(与靶区中心重合)交叉，形成一辐射能量高度集中的焦点，头颅的其余部分接受的辐射剂量正比于通过它的射束数目以及来自能量被部分吸收的光子的散射，因而产生一分布陡峭的辐射剂量梯度。
X-刀是利用单辐射源(目前一般利用直线加速器)的辐照装置。直线加速器发出的指向其等中心的高能X线光子束经附着于高能光子输出路径上的准直器高度准直后，围绕中心与等中心重合的靶区(病变)做旋转运动。当直线加速器转过一段弧后，将靶区在其铅垂方向绕其中心线旋转一角度，然后再旋转X线束。这样一组非共面弧在靶区中心相交形成一焦点；或高度准直的X线束在围绕靶心做旋转运动的同时，靶心本身也绕铅垂线做连续旋转运动(称为动态旋转系统)。这样的运动在病人的颅外形成一连续长弧线，该长弧线上的每一点都指向靶心，在靶心处交叉，形成一焦点。
, 百拇医药
由于X-刀在做旋转运动期间，高能X线光子束始终指向靶区中心，而仅瞬时通过脑的其它部分，故大脑的任何区域所接受的辐照剂量正比于射束指向该区域的时间。换句话说，大脑某一点接受的辐照剂量反比于以等中心为圆心，等中心到该点的距离为半径，X线束以某一角速度旋转时，通过该点的线速度。
γ-刀和X-刀产生的高剂量辐照体积都是球形的。对于非球形靶区，为了适应不规则形状的高剂量分布，需将一定数量的球形剂量组合起来(或封闭一部分γ-刀的放射性钴源，或屏蔽掉部分弧段)。
有些学者提供资料证明，X-刀和γ-刀剂量分布下降的陡峭程度，对于实际应用来说并无差别[1]。
2 精 度
X-刀和γ-刀传递辐射到靶区的相对精度是一个颇有争议的问题。人们认为γ-刀有数量多达201个的放射性钴源，它比有运动部件的直线加速器更精确。但这并非简单的事实。而声称两种类型的“刀”的精度都达亚毫米级的说法也是没有根据的。因为这种说法忽略了与“刀”赖以实施的图像获取手段、靶区选择、剂量计算、辐照定位装置以及病人相对于辐照定位装置的位置的空间精度等相联系的潜在误差和不确定性因素。假设上述所有的误差都为零，只要我们粗略地估计一下与成像手段和病人靶区的确定有关的精度，即可看出一些问题。
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所有类型的成像方式都存在某种程度的潜在误差，例如数字血管造影和MRI出现的空间扭曲失真等。一般MRI图像的空间分辨率为1mm(尚未计及失真)。尽管X线CT失真问题不大，但X线CT的解像率极限也仅为0.1-0.3mm[2]。
放射外科在做治疗计划过程中的误差也是不可忽略的。据报道[3]，有几位医生独立地调查了几种比脑动静脉畸形(AVMs)更好确定边缘因此比较容易作治疗计划的肿瘤，他们发现在作计划的过程中，操作者之间和操作者本人的不同次操作存在着误差，在选择要治疗的肿瘤中心(靶区中心)时，操作者之间的误差大于1mm。有些参与实验者甚至选择的准直器的直径也各不相同。显然，确定精确放射治疗靶区时的误差也是不可忽略的。
此外，还应考虑到几何半影和介质内的次级电子所产生的散射半影的影响。它们使得靶区边缘出现毫米级的剂量梯度。另外，临床医疗过程中生物靶区边界很难精确地确定(尤其是恶性肿瘤)。
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X-刀和γ-刀的实施都是由一辅助辐射立体定位框架来完成的。该框架的功能有两种：限定病人头颅和要治疗的病变的三维坐标系统；确定头颅相对于辐射装置的位置。对于这两种类型的“刀”来说，辐射定位框架的固有误差都是公共的。
由此可见，我们不可过分强调用某一个指标来表征和评估一种放射外科装置的精度，因为它们具有的潜在误差，如做治疗计划时所依赖的图像类型、靶区选择、剂量计算、辐照定位框架和病人在该框架中的定位的空间精度等误差是不可忽略的，这些误差远远超出X-刀或γ-刀装置的固有误差。所以，过分强调γ-刀的精度比X-刀高，在实际临床工作中并无实质性的意义。
3 疗 效
光子就是光子。无论它们来自钴原子的原子核，还是来自加速器的靶原子或遥远的恒星，它们都可以产生相同的生物效应。只要对它们进行适当的标定，它们都可以在靶区产生等同的剂量分布。
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利用放射外科治疗AVMs成功的可能性直接随实施的辐射剂量变化，而与AVMs的直径成反比[4]。有些学者[3]将用X-刀治疗的患者的靶区边界辐照剂量(Gy)除以AVMs的直径(Cm)，推导出一预报治疗成功概率的公式，然后将从英国Sheffield肿瘤中心获取数据(该中心有2000多AVMs患者接受过γ-刀治疗)进行同样的处理，对该中心治疗过的随访时间足够长的394例病人进行了AVMs的闭合或显著未闭的估计。他们证实了这样一个事实：相同的辐射，相同的作用。
4 成 本
目前，一部γ-刀的价格约300万美元，每年花费的质量控制成本约为11000美元。以10年折旧计，一部γ-刀每年的主要成本约为33.1万美元(尚未计及维护费用和两个半衰期后废旧放射性源的处理费用)，且仅用于做放射外科。
一部崭新的6MW电子直线加速器成本视配置而定，但目前Elekta、Siemens和Varian等公司的产品，典型配置约为50万美元。若买保修，全服务合同(包含质量控制)最高为设备价值的10%。若自己有水平比较高的工程师，则年维护费用远远小于10%(一般约为3.5%)。按10%的维修服务，年维护费用5万美元，故年成本约为10万美元。但若将该加速器同时用于常规放射治疗，那么，用于放射外科的年成本可以用设备用于放射外科的时间的比例，加上特殊质量保证测量的额外消耗来估计。这样算下来的成本不会超过购买和运行一部γ-刀装置的年成本的10%。
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5 两种系统的技术方面的优点和缺点
在实施放射外科时，γ-刀毋须产生运动(国产旋转γ-刀例外)，它只需要简单地开放和封闭放射性钴源以在靶区产生适当的剂量即可。与此相反地，利用直线加速器产生的高能光子束则依赖于复杂的电子学技术和要求细心地维护的运动部件。
若从靶区内组织接受的辐射剂量均匀性方面考虑，利用比较大的准直器可能更容易达到目的。直线加速器的准直器直径可达3.5cm，而γ-刀的准直器直径则仅为1.8cm。
此外，加速器产生的高能X线束的能量比放射性钴源的原子核蜕变产生的γ线的能量高，故前者的百分深度剂量大，皮肤剂量小。
6 结 论
利用多钴源的辐照装置(γ-刀)和利用直线加速器加辅助定位装置的辐照装置(X-刀)都可以用于放射外科。γ-刀用于放射外科的历史较长，但与X-刀相比较，只能是各有千秋，但它们之间还是具有可比性的。首先，从辐射剂量的分布情况来看，两者并无差别；其次，从精度方面分析，两者的实际精度都达不到所声称的亚毫米级。因为影响精度的因素比较多，其中，确定靶区中心时误差即有可能已经大于1mm。按国家标准规定，医用电子直线加速器的等中心精度为±1mm，而γ-刀的精度会好于此。但无论哪种“刀”，所有的误差累积起来将肯定大于1毫米；再者，两者所能辐照的靶区大小是有差别的，但从疗效来看，两者并无差别；再其次，从医院投入的成本来比较，因为X-刀是由通用电子直线加速器加一套辅助装置构成的，将这些辅助装置移去后，加速器仍然可以做常规放疗。而γ-刀则为专用设备，如果适应做“刀”的病例不足，则它只能闲置。相比较而言，前者成本要低得多；最后，任何技术的应用都取决于操作人员的素质。人员素质不高，再好的设备也很难发挥其应有的作用。
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作者简介：邓振生(1952—)，男，工学博士，高级工程师。
7 参考文献
[1] Podgorsak EB, Olivier A, Marina P, et al. Radiosurgery with high energy photon beams:a comparison among techniques. Int J Radiat Oncol Biol Phys,1989,16:857-65
[2] Ramani R, Ketko MG, O'brien PF, et al. The QA phantom for dynamic stereotactic radiosurgery:quantitative measurements. Med Phys, 1995,22(8):1343-6
[3] Schwartz ML. Stereotactic radiosurgery:comparing different technolgies. CMAJ, 1998,158(5):625-628
[4] Schwartz ML, Sixel K, Young C, et al. Prediction of obliteration of arterivenous malformation after radiosurgery:the obliteration prediction index(OPI). Can J Neurol Sci,1997,24(2):106-9
(1999-07-05收稿，1999-11-09修回), 百拇医药
单位：第四军医大学西京医院放射治疗中心 西安 710032
关键词：
北京生物医学工程000312 1 剂量分布情况
γ-刀装置由均匀分布在球面上的201个放射性小钴源组成，每个钴源发出的γ射线经过放置该源并指向球心的小孔高度准直后，在球心处(与靶区中心重合)交叉，形成一辐射能量高度集中的焦点，头颅的其余部分接受的辐射剂量正比于通过它的射束数目以及来自能量被部分吸收的光子的散射，因而产生一分布陡峭的辐射剂量梯度。
X-刀是利用单辐射源(目前一般利用直线加速器)的辐照装置。直线加速器发出的指向其等中心的高能X线光子束经附着于高能光子输出路径上的准直器高度准直后，围绕中心与等中心重合的靶区(病变)做旋转运动。当直线加速器转过一段弧后，将靶区在其铅垂方向绕其中心线旋转一角度，然后再旋转X线束。这样一组非共面弧在靶区中心相交形成一焦点；或高度准直的X线束在围绕靶心做旋转运动的同时，靶心本身也绕铅垂线做连续旋转运动(称为动态旋转系统)。这样的运动在病人的颅外形成一连续长弧线，该长弧线上的每一点都指向靶心，在靶心处交叉，形成一焦点。
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由于X-刀在做旋转运动期间，高能X线光子束始终指向靶区中心，而仅瞬时通过脑的其它部分，故大脑的任何区域所接受的辐照剂量正比于射束指向该区域的时间。换句话说，大脑某一点接受的辐照剂量反比于以等中心为圆心，等中心到该点的距离为半径，X线束以某一角速度旋转时，通过该点的线速度。
γ-刀和X-刀产生的高剂量辐照体积都是球形的。对于非球形靶区，为了适应不规则形状的高剂量分布，需将一定数量的球形剂量组合起来(或封闭一部分γ-刀的放射性钴源，或屏蔽掉部分弧段)。
有些学者提供资料证明，X-刀和γ-刀剂量分布下降的陡峭程度，对于实际应用来说并无差别[1]。
2 精 度
X-刀和γ-刀传递辐射到靶区的相对精度是一个颇有争议的问题。人们认为γ-刀有数量多达201个的放射性钴源，它比有运动部件的直线加速器更精确。但这并非简单的事实。而声称两种类型的“刀”的精度都达亚毫米级的说法也是没有根据的。因为这种说法忽略了与“刀”赖以实施的图像获取手段、靶区选择、剂量计算、辐照定位装置以及病人相对于辐照定位装置的位置的空间精度等相联系的潜在误差和不确定性因素。假设上述所有的误差都为零，只要我们粗略地估计一下与成像手段和病人靶区的确定有关的精度，即可看出一些问题。
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所有类型的成像方式都存在某种程度的潜在误差，例如数字血管造影和MRI出现的空间扭曲失真等。一般MRI图像的空间分辨率为1mm(尚未计及失真)。尽管X线CT失真问题不大，但X线CT的解像率极限也仅为0.1-0.3mm[2]。
放射外科在做治疗计划过程中的误差也是不可忽略的。据报道[3]，有几位医生独立地调查了几种比脑动静脉畸形(AVMs)更好确定边缘因此比较容易作治疗计划的肿瘤，他们发现在作计划的过程中，操作者之间和操作者本人的不同次操作存在着误差，在选择要治疗的肿瘤中心(靶区中心)时，操作者之间的误差大于1mm。有些参与实验者甚至选择的准直器的直径也各不相同。显然，确定精确放射治疗靶区时的误差也是不可忽略的。
此外，还应考虑到几何半影和介质内的次级电子所产生的散射半影的影响。它们使得靶区边缘出现毫米级的剂量梯度。另外，临床医疗过程中生物靶区边界很难精确地确定(尤其是恶性肿瘤)。
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X-刀和γ-刀的实施都是由一辅助辐射立体定位框架来完成的。该框架的功能有两种：限定病人头颅和要治疗的病变的三维坐标系统；确定头颅相对于辐射装置的位置。对于这两种类型的“刀”来说，辐射定位框架的固有误差都是公共的。
由此可见，我们不可过分强调用某一个指标来表征和评估一种放射外科装置的精度，因为它们具有的潜在误差，如做治疗计划时所依赖的图像类型、靶区选择、剂量计算、辐照定位框架和病人在该框架中的定位的空间精度等误差是不可忽略的，这些误差远远超出X-刀或γ-刀装置的固有误差。所以，过分强调γ-刀的精度比X-刀高，在实际临床工作中并无实质性的意义。
3 疗 效
光子就是光子。无论它们来自钴原子的原子核，还是来自加速器的靶原子或遥远的恒星，它们都可以产生相同的生物效应。只要对它们进行适当的标定，它们都可以在靶区产生等同的剂量分布。
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利用放射外科治疗AVMs成功的可能性直接随实施的辐射剂量变化，而与AVMs的直径成反比[4]。有些学者[3]将用X-刀治疗的患者的靶区边界辐照剂量(Gy)除以AVMs的直径(Cm)，推导出一预报治疗成功概率的公式，然后将从英国Sheffield肿瘤中心获取数据(该中心有2000多AVMs患者接受过γ-刀治疗)进行同样的处理，对该中心治疗过的随访时间足够长的394例病人进行了AVMs的闭合或显著未闭的估计。他们证实了这样一个事实：相同的辐射，相同的作用。
4 成 本
目前，一部γ-刀的价格约300万美元，每年花费的质量控制成本约为11000美元。以10年折旧计，一部γ-刀每年的主要成本约为33.1万美元(尚未计及维护费用和两个半衰期后废旧放射性源的处理费用)，且仅用于做放射外科。
一部崭新的6MW电子直线加速器成本视配置而定，但目前Elekta、Siemens和Varian等公司的产品，典型配置约为50万美元。若买保修，全服务合同(包含质量控制)最高为设备价值的10%。若自己有水平比较高的工程师，则年维护费用远远小于10%(一般约为3.5%)。按10%的维修服务，年维护费用5万美元，故年成本约为10万美元。但若将该加速器同时用于常规放射治疗，那么，用于放射外科的年成本可以用设备用于放射外科的时间的比例，加上特殊质量保证测量的额外消耗来估计。这样算下来的成本不会超过购买和运行一部γ-刀装置的年成本的10%。
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5 两种系统的技术方面的优点和缺点
在实施放射外科时，γ-刀毋须产生运动(国产旋转γ-刀例外)，它只需要简单地开放和封闭放射性钴源以在靶区产生适当的剂量即可。与此相反地，利用直线加速器产生的高能光子束则依赖于复杂的电子学技术和要求细心地维护的运动部件。
若从靶区内组织接受的辐射剂量均匀性方面考虑，利用比较大的准直器可能更容易达到目的。直线加速器的准直器直径可达3.5cm，而γ-刀的准直器直径则仅为1.8cm。
此外，加速器产生的高能X线束的能量比放射性钴源的原子核蜕变产生的γ线的能量高，故前者的百分深度剂量大，皮肤剂量小。
6 结 论
利用多钴源的辐照装置(γ-刀)和利用直线加速器加辅助定位装置的辐照装置(X-刀)都可以用于放射外科。γ-刀用于放射外科的历史较长，但与X-刀相比较，只能是各有千秋，但它们之间还是具有可比性的。首先，从辐射剂量的分布情况来看，两者并无差别；其次，从精度方面分析，两者的实际精度都达不到所声称的亚毫米级。因为影响精度的因素比较多，其中，确定靶区中心时误差即有可能已经大于1mm。按国家标准规定，医用电子直线加速器的等中心精度为±1mm，而γ-刀的精度会好于此。但无论哪种“刀”，所有的误差累积起来将肯定大于1毫米；再者，两者所能辐照的靶区大小是有差别的，但从疗效来看，两者并无差别；再其次，从医院投入的成本来比较，因为X-刀是由通用电子直线加速器加一套辅助装置构成的，将这些辅助装置移去后，加速器仍然可以做常规放疗。而γ-刀则为专用设备，如果适应做“刀”的病例不足，则它只能闲置。相比较而言，前者成本要低得多；最后，任何技术的应用都取决于操作人员的素质。人员素质不高，再好的设备也很难发挥其应有的作用。
, http://www.100md.com
作者简介：邓振生(1952—)，男，工学博士，高级工程师。
7 参考文献
[1] Podgorsak EB, Olivier A, Marina P, et al. Radiosurgery with high energy photon beams:a comparison among techniques. Int J Radiat Oncol Biol Phys,1989,16:857-65
[2] Ramani R, Ketko MG, O'brien PF, et al. The QA phantom for dynamic stereotactic radiosurgery:quantitative measurements. Med Phys, 1995,22(8):1343-6
[3] Schwartz ML. Stereotactic radiosurgery:comparing different technolgies. CMAJ, 1998,158(5):625-628
[4] Schwartz ML, Sixel K, Young C, et al. Prediction of obliteration of arterivenous malformation after radiosurgery:the obliteration prediction index(OPI). Can J Neurol Sci,1997,24(2):106-9
(1999-07-05收稿，1999-11-09修回), 百拇医药