第一节 三维适形调强放疗技术
早在50年代末期就有人提出了适形放射治疗（Conformal Radiotherapy）的概念。适形，顾名思义就是照射野的形状适合被照射的病变（靶区）的形状。日本把此技术称之为“原体照射”。实际上适形放射治疗是在立体定向照射技术的基础上，采用某种技术，通过对照射野的控制，使其照射野的形状在三维方向上与被照病变的形状吻合，故又称之为三维适形放射治疗（3-dimensional Conformal Radiation Therapy，3DCRT）。如果既在照射方向上射野的形状与靶区的投影形状一致，又能调整射野内诸点的输出剂量率，使靶区内及表面的剂量按要求的方式进行调整，我们把这种满足形状适形和剂量适形两种要求的3DCRT称之为适形调强放射治疗（Intensity Modulation Conformal Radiation Therapy，IMRT）。
一、放射治疗设备
治疗机是实现精确治疗的关键设备。目前实现适形放射治疗的设备主要有高能重粒子适形放射治疗装置和医用电子直线加速器装置，另外，中国人民解放军第107医院肿瘤无创诊疗中心与中国核动力设计院，在Co60治疗机的基础上研发的g线适形调强放疗系统，均达到了临床3DCRT治疗的目的。
（一）高能重粒子装置
高能重粒子指质子、快中子、π负介子及氘离子等，属高LET射线。高LET射线除中子外，在深度剂量曲线上均有一个较高的剂量吸收峰，叫布拉格（Bragg）峰，峰的前后剂量锐减，即射线大部分损失在峰区，峰区前后的组织剂量很低。峰区位置和密度可按治疗的病变位置和大小进行调节。因此，用高能重粒子进行适形放射治疗比用其他射线更具优势。日本科学技术厅放射线综合研究所在80年代末建造了世界上第1台放疗专用重粒子同步加速器（Heavy Ion Medical Accelerator Chiba，HIMAC）。在辐射头内装有11对独立控制叶片的多叶准直器装置，为精确定位和制订三维治疗计划，治疗床旁附设有X-CT定位机和治疗计划系统。治疗床可由计算机控制实现三方向平移和三轴回转，但由于电离吸收峰的位置调节一般要通过加吸收物的方法来实现，而不能通过调节入射粒子束，失去了其优越性。此外，回旋加速器笨重、价格昂贵，到目前为止全世界仅有少数医疗中心能开展高LET的适形治疗。
（二）医用电子加速器
医用电子加速器主要包括电子回旋加速器和电子直线加速器两种，它们既可产生治疗深部肿瘤的MV级X射线，亦可产生治疗表浅肿瘤的MeV级电子束。以MM50为代表的医用电子回旋加速器，已成为X射线、电子束三维适形放射治疗的新一代治疗机。医用电子直线加速器近年来在功能和技术上均有很大的进展，在剂量分布上采用复合靶、复合均整块及电子扫描系统，大大改善了射线分布的特性。采用独立准直器，实现非共面相邻野的剂量衔接和产生动态虚拟楔板。适形放射治疗的电子直线加速器除具备上述先进功能外，还必须具备多叶准直器及控制多叶准直器运动的计算机系统。多叶准直器的运动包括在照射方向上射野大小和形状的自动调节以及在照射过程中叶片能按预定要求调节射野内的输出剂量率。为配合动态治疗和非共面动态旋转，要求治疗机的机架、准直器和治疗床在照射过程中实现计算机控制的联合运动。此外，治疗机要具备治疗验证记录系统。
（三）g线适形调强放疗系统
传统的TPS优化的过程是医师或计划设计者（物理师）按治疗方案的要求根据自己的经验选择射线种类、射线能量、射野方向、射野剂量权重、外加射野挡块或楔形板，计算在体内的剂量分布，利用临床剂量学原则，对计划进行评估，最后确定治疗方案，这是一个正向计划设计的过程，治疗计划的好坏很大程度上决定于医师和计划设计者的经验。解放军第107医院全军肿瘤诊疗中心将传统的正向设计过程颠倒过来，采用逆向治疗计划设计，即根据预期的治疗结果去确定一个治疗方案，并称这种TPS为逆向TPS，预期的治疗结果是用靶区及其周围的3D剂量分布表述的，而3D剂量分布是由物理目标函数或生物目标来限制的。通过预期要求的3D剂量分布，求得射野入射方向和每个射野的形状及射野内的射线强度分布。由于每个射野内的射线强度分布一般是均匀的，必须将射野划小，变成单元野或笔形束野，然后利用多叶光栅及物理补偿器等手段，对每个单元野或笔形束的强度进行调节，使得计划得以实施。
二、影像设备
适形放射治疗，首先要确切掌握肿瘤病灶的三维形状及肿瘤与体表的关系。这就对影像设备提出了更高的要求。CT早期用于放疗计划设计的主要目的是：提供准确的肿瘤与重要器官位置；组织均匀性校正；进行放射剂量计算。但由于这一过程未能与放射治疗的执行过程相结合，对于放射治疗的具体实施帮助甚少，而现在发展起来的CT模拟定位系统、治疗计划以及模拟实施三个步骤结合在同一系统上，并通过多层（30～60层）扫描图像建立靶组织与重要器官的立体关系，经过CT值与组织密度转换进行组织非均匀性校正的剂量计算，获得三维立体治疗计划，再将治疗照射野定位在病人体表，减少了摆位及各步骤执行的误差，保证了治疗的准确进行。这一步在高精确适形放疗、立体定向放射手术以及逆向治疗计划设计中的作用尤其重要。现代化的螺旋CT和三维重建技术及配有立体定位框架的螺旋CT是做三维适形放射治疗的一种最佳工具，因为它能提供直接的、准确的病变（靶区）及器官的三维信息，MRI可作为CT定位的一种辅助工具。为此需要发展CT与MRI图像融合技术。
三、体部定位装置
普通放疗发展到高精度的三维适形放疗，需要采用立体高精度的定位系统，附加限束装置，使靶区边缘剂量陡降。实施的方法有创伤性和非创伤性人体体位固定装置。通常采用非创伤性体位定位装置。
体部定位装置一般由基座、定位仪、标志杆、真空褥垫及辅助固紧装置。标志杆既可在CT影像上显示，又可转换成MRI标志。真空褥垫用来固定患者的位置。框架上的标尺及CT/MRI标志用于治疗时等中心点的设定。框架上附加的升降系统，可调节框架的水平位置。用膈肌运动控制器，对腹部加压以限制呼吸所致的膈肌运动，减少膈肌运动对病灶定位的影响。研究证实，正常呼吸时膈肌运动的幅度在10mm以内，即离正常膈肌位置±5mm。用真空枕垫和两个标志控制患者在框架中的重复定位。即胸部标志和胫骨标志。把此标志设置在预选的坐标上，坐标值与患者胸骨及胫骨上的标志点相一致，可以确保在头至足方向上重复定位的高度可靠。
美国Nomos公司的孔雀系统（Peacock System）采用治疗床固定和转位装置，该装置有一个巨大的竖直柱，支持两个臂，每个臂都装配有一个电子数字尺度表。系统竖放在治疗床旁边，固定于两臂上的夹紧装置将整台装置锁定在床边的支持横杆上。放开床上的锁紧装置，通过调整臂或同时调整两臂的位置可以精确地控制床的移动。
四、治疗计划系统
治疗计划的设计是适形放射治疗过程中极为重要的一个环节，因此三维治疗计划系统必须具有真正的三维功能，应具有接受CT、MRI等病人影像输出图像、病变（靶区）、重要器官和组织轮廓的勾画及重建，制定一个优化的治疗方案，输出治疗方案的细节，以及为实施该治疗方案所需要的治疗工具（如挡块、组织补偿等）制作的细节。具有较为精确的正向计算法和逆向自动设计系统（Inverse Planning），可自行产生理想的治疗参数，并自动优化。逆向设计是先给出靶区等中心最大剂量值、靶区边缘剂量值，以及重要组织或器官保护剂量值，再由计算机自动设计得出各照射参数，如照射野大小、床角、机架旋转起止角度及权重设计等。必须具有三维数字图像重建功能。
五、实现调强适形放疗技术
（一）固定野物理方式调强
采用固定式楔形板，动态式楔形板（二维调强）、三维补偿器及IMRT调制器等方式。这种方式是在不规则照射野下附加二维或三维物理补偿板实现对射野内剂量率的调整。对每个射野都必须有一个相应的补偿块。该方式经济实用，但补偿器的制作及治疗摆位较麻烦。
（二）螺旋CT式调强或治疗床步进式调强
这种方式是循迹式扫描技术（Tracking Technique）的发展，沿患者纵轴方向将病变分成等厚度（2cm或4cm）的薄片，利用治疗床的步进和治疗机架的旋转，对患者实施切片或动态治疗整个靶区。美国Nomos公司开发的孔雀系统（Peacock System），一套电子机械装置即多叶调强补偿器，功能是把加速器射出的射线分成两个相邻的狭窄条形野，每个窄野又用多叶光栅分割成20个小野，总计40个野。当机架沿治疗床轴线旋转时，每隔5°～10°，多叶准直器上的钨合金叶片受程序控制，使射野屏蔽或敞开。开闭的时间随机架的位置不同而异，这样在空间上形成对射野形状及强度调制的效果。
（三）多叶准直器（MLC）叶片运动式调强
这种方法通过对多叶准直器开度的控制，使射线在旋转照射过程中按肿瘤的三维形状和大小集中，肿瘤区可得到高剂量，而减少对周围正常组织的照射，使空间剂量分布更加合理。由于计算机控制多叶准直器系统的开发，螺旋CT扫描机的应用，使适形照射更加精确，剂量计算更加准确。g线适形调强放疗系统多叶光栅为电动式，由28对分成两排的钨叶组成，计算机通过控制阀控制的气体活塞来控制这些钨叶的进出，从而可产生不同形状的射线束。更重要一点，该设备能通过调节叶片的位置，在计算机控制下实现射束的强度调节，最终实现了Co60g线适形调强照射。
（四）束流调制方式
通过控制电子束击靶前的击靶方向和束流强度，产生所需要笔形束（Pencil Beam）的X射线强度，所谓笔形束，就是射束通过无限小面积。这种方法是在Scanditronix MM50电子回旋加速器上控制扫描磁铁电流，进而控制电子束击靶方向，产生方向不同，强度各异的X射线笔形束，或采用电子束扫描方式产生强度各异的电子线笔形束。由于X射线、电子束的能量调制（Energy Modulation），可同时做X射线和电子束的三维适形治疗。因此，从功能上讲，MM50电子回旋加速器代表了新一代的三维适形放射治疗机。