X-射線立體定向放射外科治療系統

1951年瑞典學者Iars Leksell博士提出立體定向放射外科學説開始 ^[3]  ；

1954年出現重荷電粒子放射外科系統；

1967年建立了供臨牀使用的Gamma刀系統；

1982年Colombo等依據Gamma刀原理設計出直線加速器放射外科系統，即X刀；

1986年出現了可供臨牀使用的X刀；

1992年在美國Bosotn建立第一個X刀治療中心 ^[4]  ；

隨着科學技術水平的不斷成熟，在美國已建成等中心醫用電子直線加速器治療中心150餘所，在法、意、荷等國家也相繼成立電子直線加速器治療中心；

我國於1993年安裝了第一台X刀立體定向放射外科治療系統 ^[5]  。放射外科在全球內逐步發展，成為可能替代神經外科手術的方法，將從根本意義上改變一些手術學的觀念。

1. 設備部分

1) 機器人手臂系統：機器手臂有6軸關節靈活轉動，重複定位精度為0.2mm，機械臂可將直線加速器調整到100-125個位置（或節點），每個節點處可以從12個角度投照射線，1500種可能的光束，多種治療途徑。如圖1所示。

2) 影像定位系統：包括治療牀左右側上方天花板上的2部kV級X光射線源及下方的入地式平板非晶硅探測器，加速器治療前和治療中，X線球管45°正交對靶區攝影，平板探測器接收影像，計算機對數字重建圖像與45°拍攝影像進行比較判斷並得出誤差，並按誤差數值修正治療牀位置，實時指導加速器準確治療。

3) Synchrony呼吸追蹤系統：在影像引導系統的基礎上配置了獨特的Synchrony系統（即裝在天花板上的3部攝像機，攝取與記錄患者胸前3個紅外發射器隨呼吸運動軌跡），治療時X線機拍攝腫瘤影像，生成腫瘤內運動曲線。靶區定位計算機整合內、外運動數據，建立相關性數學模式，機器手臂按模型運動，動態控制加速器射線治療受呼吸運動影響的胸腹部腫瘤。

4) 直線加速器：使用一個小型X波段6MV直線加速器，輸出劑量率為800MU/min，安裝在機械臂上，配有12個圓形準直器，直徑為5～60mm。

5) Xchange自動準直器更換系統。

6) AXUM自動病患擺位系統（標準治療牀）：治療牀能實現自動擺位功能，可以進行x、y、z3個方向各10mm（精度0.1mm）平移和（非Synchrony治療模式）左/右1°、抬頭/低頭1°、順/逆時針3°（精度0.1°）等3個旋轉角度（非金標追蹤模式）的5種運動模式自動調整。如圖2所示。

7) 機電配套系統：包含供電系統、冷卻系統、機器人控制、脈衝調製器及其控制箱、靶區定位控制子系統以及緊急斷電系統等。

2. 系統部分

1) MultiPlan治療計劃系統：可將CT影像與MRI、DSA、PET-CT影像融合，用於獲得精細的骨骼及軟組織圖像，並進行逆向治療計劃設計。

2) 影像追蹤系統：主要由金標追蹤系統、六維顱骨追蹤系統、X-sight肺部和脊柱追蹤系統、Synchrony呼吸同步追蹤系統5種追蹤模式構成。

3) 蒙特卡羅劑量計算。

4) 四維治療優化及計劃系統：考慮靶區運動的同時考慮周圍正常組織及危及器官的運動和變形。

5) 順序優化：可實現治療計劃“個體化”。結構圖如圖3所示。

採用多個非共面的射線投照弧聚焦於靶點，使低劑量的單束射線在靶點高能聚焦，從而破壞靶組織達到治療目的。利用CT、MR或DSA確定靶點，計算機重建圖像、模擬各照射平面及投照弧，劑量分佈情況，制定詳盡治療方案。

X-刀是通過在直線加速器上採用三級準直系統或特殊限束裝置或專用小型高能X-射線機，通過非共面或共面弧形照射或多野集束技術產生高度聚焦的劑量分佈區，以達到高劑量集中在靶區，靶區外劑量遞減陡峭，靶區周邊正常組織劑量小的效果。

X刀除可治療顱內腫瘤、動靜脈畸形等，尚可用於顱底、頜面及上頸段病灶的治療，其單次照射靶區可小至直徑4mm，大至直徑50mm以上。主要適用於以下病症：

1) 顱內、顱底部腫瘤。

2) 腦轉移瘤。

3) 顱內動靜脈畸形。

4) 術後輔助治療。

5) 姑息性治療。

6) 功能神經外科疾病。

7) 全身各部位腫瘤治療。

大量胸水、腹水、惡液質、併發嚴重感染，預計治療不會給患者帶來明顯好處的；胃癌、賁門癌、結直腸癌(直腸癌術後復發除外)、食管癌、腹腔內腫瘤與腸管有粘連等，這些腫瘤若採用高分次劑量的立體定向放射治療，容易造成正常腔道器官的放射損傷，如潰瘍、出血、狹窄、穿孔等。

X刀的發展很迅速，有逐步取代γ刀的趨勢，其優點如下：

1. 設備簡單，只要將一般醫用電子直線加速器加上等中心照射的配件即可，並使一般直線加速器達到一機多用。

2. 機器設備造價較低。

3. γ刀使用鈷源，由於安裝後能量逐步衰減，使單次照射時間逐漸延長，容易造成環境污染，而X刀無此問題。

4. X刀比γ刀的靶區更大，對不規則形狀的病灶，X刀在安排多個等中心照射時，有更大的靈活性；易於實現分塊和動態照射，通過多葉光柵等技術，有利於達到精確度和治療效果更為理想的適形照射。

5. X刀除用於頭部，還可用於軀體其他部位，如胸腹臟器、脊柱、盆腔、四肢等惡性腫瘤施實類似的治療(國內已有臨牀應用)，故將其推崇為“21世紀的外科”。

6. X刀無創傷性頭架的出現，裝卸方便，重複安裝不影響精度，故可進行分次照射，避免了諸如γ刀這種立體定向放射外科單次照射引起的併發症，擴大了使用範圍。

1. 臨牀使用時間短，病例資料較少，臨牀經驗有待充實。

2. X刀的控制系統複雜。

3. 機架與治療牀均需不斷轉動，機器的重力變形所致偏差可使等中心偏差增大，故須經常校對。

4. 光束照射較散，焦點投照體積較大，易影響周圍正常組織，不如γ刀精確(誤差：X刀為±0.5mm，γ刀為±0.1mm)。

1. 操作規範

要提高X-刀的精度必須貫穿三精原則(Precise localization，Precise planing，Precise treatment,3P)於治療全過程。

1) 精確定位：採用有效的體位固定，高清晰CT或CTM/RI圖像融合或PET/CT定位，圖像必須通過網絡直接傳送到計劃系統。

2) 精確計劃：準確確定大體腫瘤區(Gross Tumor Volume，GTV)、臨牀靶區(Clinical Target Volume，CTV)和危及器官(Organs At Risk)，在確定計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）時還要充分考慮臟器移動、擺位和機器誤差因素。在X-刀治療時，照射野設計要多采用非共面立體照射方案，利用不同視窗審視2D和3D劑量分佈，利用劑量-體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）評價計劃優劣和可行性。X-刀治療計劃的原則是以GTV為主，同時考慮內靶區範圍，以完全覆蓋靶區的劑量線為處方劑量。X-刀多以80%左右劑量線為處方劑量線。

3) 精確治療：實施治療是落實高精度放療的最後關鍵環節。為了保證治療精度，首次治療時醫師和物理師必須參與擺位，及時解決治療計劃中出現的問題和指導技術員準確操作。要注意觀察升牀高度避免患者與機頭的碰撞，在照射過程中嚴密觀察患者有無體位變化和不適反應等。

2. 觀察和隨訪

X-刀通常採用的分次劑量相對較高，治療療程相對較短。因此，在治療期間要嚴密觀察患者的各種反應和體位的重複精度。當出現較重的放療反應時要及時調整分次劑量或治療時間，並進行對症處理。當治療中患者出現消瘦使體位變化較大時必須重新定位。對所治療患者應嚴格登記、認真作記錄和進行數據庫管理，治療結束後要定期隨訪，瞭解治療效果和放療反應，以便總結經驗，擬定安全、有效的治療方案 ^[6]  。

[1] 胡孝林, 林光財, 王所亭. 立體定向放射外科系統及其應用[J]. 中國醫學影像學雜誌, 1996(01): 50-51.

[2] Media M. The CyberKnife® Robotic Radiosurgery System in 2010[J]. Technol Cancer Res Treat.Volume 9, Number 5, October 2010.