伽玛射线立体定向放疗机的发展

刘峰，马颖颖，韩俊庆

山东大学附属省立医院 a.医疗设备科；b.肿瘤研究治疗中心，山东 济南250021

0 前言

伽玛射线立体定向放疗机自1968年被应用于临床以来，截止2007年共治疗病例总数超过55万人[1,11]。1993年我国首次引进伽玛射线立体定向放疗机（简称伽玛刀）并应用于临床。伽玛刀因其创伤小，并发症发生率低和治愈率高等优势，使得对许多疾病的治疗发生了根本性变化。同时，伽玛刀治疗适应症的严格；定向、定位的精确及剂量的精度控制等特点，决定了对伽玛刀的购置和使用需慎重评估。

1 第一代伽玛刀

1968年，瑞典医科达公司研制出世界上第一台伽玛刀[2,3]。当时的伽玛刀有179个钴源呈球状排列，使病变组织经过一次性大剂量照射就可以产生坏死灶，并且极小甚至几乎不损害邻近的正常组织。1974年医科达公司改进的伽玛刀[4]是采用201个钴放射源，钴源在半球型的壳体经度上的分布为0~360°，纬度上分布为6~36°。第一代伽玛刀技术的基本特征是静态聚焦（图1），二维平面布源方式，壳体和钴源均不运动，钴源剂量小，射线束之间在形成焦点之前的路径是有间隙的，未能做到最大程度的在健康组织中分散射线。

图1 静态伽玛射线立体定向放疗机结构示意图

2 第二代伽玛刀

第二代伽玛刀的显著特征是安装钴放射源的治疗头可以做360°的自转，但治疗机头不做任何运动。放射源在转动过程中，放射线束可以形成多个角度的锥形聚焦，从而使得整个放射治疗过程可以实现部分地或完全地自动化。旋转聚焦显著地提高了其“焦皮比”和放射治疗的增益。第二代伽玛刀可以更换不同型号的准直器头盔，治疗范围也随之扩大。其基本特征是三维立体布源方式，确立病灶轴向断面层数，对断面层进行人工布源或自动布源，实现三维剂量计划计算。

第二代伽玛刀的显著代表为深圳奥沃国际科技发展有限公司生产的旋转聚焦式头部伽玛刀[10]。深圳奥沃的旋转伽玛刀由30个钴放射源按照螺旋方式排列6组。放射源的放射线均经准直器引导聚焦于中心位置，然后叠加能量，从而形成足剂量的焦点，如图2所示。马西普医学科技发展有限公司1999年也指出一种头部伽玛刀，其结构、原理等与奥沃公司的旋转聚焦式头部伽玛刀基本相同。随后，生产研制头部伽玛刀的有武汉康桥、深圳圣爱、海博公司，其原理及结构无显著改进。

图2 旋转聚焦结构图

3 第三代伽玛射刀

1980年以后，由于CT、MRI、DSA和立体定向伽玛射线全身治疗系统DICOM图像传输等技术的发展，促进了伽玛刀的变革，第三代伽玛刀应运而生。

第三代伽玛刀[5,9]的特征是采用扇形聚焦回转弧照射方式，照射角度和区域不受重要器官限制，使得肿瘤治疗无盲区。其安置在治疗头上的钴放射源呈扇形排列，治疗头不能自转，但可围绕人体纵轴做360°转动；除了扇形静态聚焦外，还在治疗头做360°转动时，形成二次回转聚焦，并且高放射剂量区（照射野）形态与肿瘤（靶区）形态一致；另外在进行精确聚焦放射治疗功能的基础上，采用序列轨迹、靶点规划实现三维靶点适形放射治疗功能。总之，跟第二代伽玛刀相比较，第三代伽玛刀明显优化了健康组织剂量分布状态，可选择射线入射角度，在适形、调强、焦点剂量场形状等方面有了显著改进。除此之外，第三代伽玛刀的主要特征还有剂量量化及计划验证量化。第三代伽玛刀的靶点定位引入了CT、MRI等无创伤诊断技术，同时配备电子计算机和图像分析仪等，使得剂量计算、方案制定及治疗等全部工作程序化、自动化及简单化。

图3 超级伽玛刀外形图

从第三代伽玛射刀开始，可以同时治疗头部肿瘤和体部肿瘤。其代表机型为2002年深圳市海博科技有限公司研制的“超级伽玛刀”，它也是全球第一台可以兼治头部肿瘤和体部肿瘤的伽玛刀。如图3所示。

4 第四代伽玛刀

第四代伽玛刀[6,14]治疗头仍不能自转，但是可以围绕人体进行转动，在治疗床三个轴向运动配合下，进行任意入射角度的放射治疗。其基本特征是基于PACS技术，不仅可以完成前三代伽玛刀射线立体定向放疗机的功能，而且还具有实时的临床动态、静态图像采集和实时计划操作；拥有实时的导航或控制能力；解决图像无损的输入和输出；进行科学的量化的诊断和治疗；并能实现网络数据共享等。

早期的伽玛刀采用手工计算剂量的KULA系统，先逐点设定等中心点，然后将各中心点剂量整合好后，形成剂量计划图。再将该图与影像学胶片重叠，估计其高剂量区的适形性。1990年，医科达公司推出了GAMMA PLAN治疗计划系统，这是现代伽玛刀质量计划系统的雏形。现在的伽玛刀，从第一代到第三代，都应用类似的治疗计划系统。从第四代伽玛刀开始，在TPS（计算机三维放疗计划系统）中，引入了逆向算法，这样不仅实现了真正意义上的全自动治疗计划，而且其等剂量线包裹肿瘤的适形度更高，并能达到IMRT（Intensity Modulated Radiotherapy，调强放射治疗）的调强标准。此外，是否能够执行立体扩野及大野放疗技术，也是需要考虑的因素之一。

5 第五代伽玛刀

第五代伽玛刀是目前世界上最先进的精确放射治疗设备之一，采用了类似航天陀螺仪的旋转原理，将60Co放射源安装在两个垂直方向同步旋转陀螺结构上，因此又称“陀螺刀”。它可在实体肿瘤治疗领域取代大部分治疗设备和大部分外科手术，一次性毁损病灶组织，治疗效果大大提高。陀螺刀集成了医用直线加速器和伽玛刀的优势于一身。同时，又将最先进的医学影像自动跟踪技术、热增敏技术、弹珠调强技术巧妙的结合起来。陀螺刀以其更高的放疗增益比和完善的功能，将精确放疗技术推向了一个新的高度。

第五代伽玛刀的自转和治疗头公转结合在一起，进一步减少了钴源数量，提高治疗精度及可靠性[7,13]。

伽玛刀的发展和使用还存在着诸多问题，比如机型多、软硬件开发和资源整合不足等，每一种机型都未能尽善尽美，特别是在剂量评估和剂量验证方面有待进一步完善。在临床应用方面也存在规范化使用及临床应用研究不足等缺陷，使这一技术的全面健康发展受到影响。但伽玛刀有着显著的、无可替代的治疗优势，我们相信随着技术以及认识的提高，伽玛刀将会有宽广的发展空间。

[1]梁军潮.伽玛刀治疗现状和存在的问题[J].中国微侵袭神经外科杂志,2008,13(1):3-5.

[2]Goodman ML.Gamma knife radiosurgery:current status and review[J].South Med J,1990,83(5):551-554.

[3]Leksell DG. Stereotactic radiosurgery: present status and future trends[J].Neurol Res,1987,9(2):60-65.

[4]王忠诚.伽玛刀的发展、现状及使用的行为规范[J].中国肿瘤,1995,1(6):13-15.

[5]王恩敏,潘力.第十二届国际Leksell伽玛刀年会综述[J].中国微侵袭神经外科杂志,2005(1):49-52.

[6]刘宗惠.颅脑伽玛刀治疗学[M].北京:人民卫生出版社,2006.

[7]宋世鹏,张晓峰.伽玛刀的历史沿革与选购要点[J].中国肿瘤,2005,14(3):178-185.

[8]王贵勤.伽玛刀、X刀和粒子刀三种放射治疗技术的比较[J].中国医疗设备,2008(9):127-128.

[9]吕军,陈洁,陈英耀,等.伽玛刀的医学技术评估[J].中华医院管理杂志,1999,15(2):103-105.

[10]柯新华,唐红,孙薇,等.头颅伽玛刀治疗应用探讨[J].西南国防医药,2006(6):33-35.

[11]单永治.伽玛刀的临床应用现状及进展[J].首都医科大学学报,2004(4):139-141.

[12]张晓峰,乔宝龙.有关伽玛刀的技术问题探讨[J].中国肿瘤,2007(7):92-94.

[13]毛杜鹃.健康教育在陀螺刀治疗脑肿瘤中的应用[J].长江大学学报（自然科学版）医学卷,2010(1):208-209.

[14]刘雁.伽玛射线立体定向全身治疗设备研制[D].成都:四川大学,2006.