Tomotherapy 的几幅效果图
上图是日本网站发布的用 Tomotherapy 做环状野的图示。左图：旋转投照 5 个 beam 后的剂量分布；右图：旋转投照 51 个 beam 后的剂量分布。
中图：也是同一日本网站公布的前列腺癌放疗的剂量分布比对。左图：基于常规加速器的 5 个野的 IMRT 剂量分布效果；右图：使用 Tomotherapy 后的剂量分布。注意图示中的 30% 等剂量线。
下图是北京 301 医院验收 Tomotherapy 时进行的一个体模胶片投照的测试。感谢黄岁平博士提供图片。
星期五 11 07月 2008 11:37 am
Medical Physics 35(5), May 2008,（仅供内部学术交流）
TomoTherapy螺旋断层放疗最终将取代以直线加速器
为基础的调强放疗而成为实现适形放疗的最佳手段
Tewfik Bichay, Ph.D
Saint Mary’s Health Care, Grand Rapids, Michigan 49503
(Tel:616-752-6367, E-Mail:bichayt@trinity-health.org)
Daliang Cao, Ph.D
Swedish Cancer Institute, Seattle, Washington 98104
(Tel:206-386-2378,E-mail:daliang.cao@swedish.org)
Colin G.Orton, Ph.D. Moderator (主持人)
(Received 5 January 2008; accepted for publication 7 January 2008; published 7 April 2008)
简介
恐怕很少有什么能象TomoTherapy这样，是由医学物理学家构思、发展、引入临床并带来如此兴奋和影响的事物。非常多的物理师和放疗医生都深信不疑螺旋断层放疗TomoTherapy是最具有调强特征和能力的放疗系统。然而传统直线加速器生产厂家并没有善罢甘休，他们当中大都在发展以各自加速器为平台的锥形束CT和旋转调强治疗技术，并声称将会提供带有多功能、可验证的旋转调强放疗能力，并可与TomoTherapy相比拟。 “TomoTherapy螺旋断层放疗终将证明是最好的实现调强治疗方法”的观点是本月论点交锋的主题。
争论议题的赞同方是Tewfik Bichay博士。Bichay博士在蒙特利尔（加拿大）McGill大学获得生理学学士学位，在Concordia大学获得放射生物学硕士学位，然后在加拿大的伦敦Western Ontario大学获得生物医学物理博士学位。他目前是在Grand Rapids, St. Mary’s Health Care 系统，Lacks 癌症中心医学物理部主管。他开始的职业是作为一位放射生物学家，然后转到Ottawa Regional Cancer Center从事医学物理。他是获得ABMP认证的物理师，目前的研究兴趣主要在断层放疗的临床应用和使用IGRT改善放射治疗的精确度。
争论议题的反对方是Cao Daliang博士，Cao博士于1997年从中国科技大学获得物理本科学位，2002年在加州大学Santa Cruz分校获得物理博士学位。在Los Alamos国家实验室做了两年博士后。Cao博士是在巴尔的摩的马里兰大学开始进入医学物理领域的。作为一名物理师，他目前在西雅图的Swedish癌症研究所工作，研究兴趣包括算法优化，旋转调强治疗，影像引导放疗，4D计划以及自适应放疗。
对“TomoTherapy螺旋断层放疗最终将取代以直线加速器为基础的调强放疗而成为实现适形放疗的最佳手段”议题，Bichay博士赞同的理由综述如下：
IMRT技术在临床的应用已经明显地提高了这样的能力，即对复杂靶区给予高度适形的剂量分布，而同时极大降低对周边正常组织的损坏。影像引导放疗IGRT 通过每天对靶区和体位的验证和校正又将这一能力进一步提升。
对于要达到高度精确的IMRT和IGRT，有四项基本要素：影像系统的稳定性，射线可投射角度的多少，在每个角度上射线强度可调的范围以及体位验证。系统越稳定，影像就越清晰，射线的实施就越精确。为了加强系统结构的稳定性，许多影像系统都采用了圆形滑环机架形式，比如 CT机，PET和MRI等。TomoTherapy采用了滑环机架结构以至于它的等中心的误差小于±0.1毫米，5到10倍好于传统C型臂式加速器的等中心精度。
大家都知道增加射野的角度能够改善总体剂量适形度。以C型臂加速器为基础的IMRT，如何选择最有效的机架角度并不显而易见。这样可能导致在初始优化前就丢失了有用的角度。而TomoTherapy的 IMRT，优化系统始终会在360度内进行选择。
传统加速器上MLC的一个弱点就是叶片大都由马达驱动，比较容易导致马达损坏、驱动速度波动和叶片到位不准等。这些都可能产生明显的剂量错误2,3。而与此相对应，二进位（二元）的MLC，如北美科技（原NOMOS）的40叶的MIMiC系统和TomoTherapy的64叶MLC，本质上都更加可靠。因为位置传感器只需要知道叶片开或关状态即可4。除此之外，二元MLC叶片运动非常快，开或关都在20毫秒以内，而且在每个角度和位置的展宽时间dwell（一种由程序设置的可变持续时间的时间延迟）能够从1到400毫秒自动变化5 。结合数量众多的子野、机架方向和展宽时间，TomoTherapy的二元MLC能够在产生最优化的剂量通量上提供极大的灵活性。这样不仅在每个角度上，而且从那个角度，在靶区每个点上都允许几乎无限程度的调强。没有极大动态调强范围能力的IMRT技术将永远处在劣势。
直线加速器在没有接野的情况下，通常治疗的最大范围是 40X40cm2。治疗更大野则需要复杂的多野衔接或是扩展SSD技术。 然而使用Tomotherapy治疗长度可达160厘米而无需考虑接野问题。 事实上，已有不少中心在用Tomotherapy做全身骨髓照射6。
Tomotherapy的影像系统能够采集直径40厘米的图像。它的511个氙气电离室探测器有双重功能：采集并验证病人的解剖位置，获得定量的实际照射剂量并做分析和确认。实际照射的剂量分布可以在当天获得的病人3D图像上重建出来。
特别优异的影像和照射系统的硬件构造，二元气动式MLC结构和一体化的系统设计，毫无疑问Tomotherapy 的调强之路代表了未来IMRT的发展方向。
议题反对方：Cao Daliang博士的理由陈述如下：
螺旋断层放疗Tomotherapy7,8 技术是一种能同时实现IMRT和IGRT的卓越方式。然而它未必会完全取代以传统直线加速器为基础的调强放疗技术。运用锥形束CT扫描和旋转调强技术，传统直线加速器也能在IMRT和IGRT上和Tomotherapy相媲美。 除此以外，直线加速器还能提供比Tomotherapy更多的灵活性。
Tomotherapy螺旋断层放疗系统的一个关键特色，就是它能够实现高度适形的放射治疗。然而，对于很多治疗部位例如前列腺，通过增加比传统静态调强更多照射角度的方式，未必能够获得更进一步的临床效益。此外，作为一个选件，旋转调强技术不久也将会附加在传统加速器上。实际上至少有两家直线加速器厂家已经宣布了将提供旋转调强照射IMAT技术的计划。IMAT 是一种通过机架一边围绕病人旋转，传统MLC叶片一边运动并且机器剂量率也同时变化的调强照射技术9 。
新的逆向算法也在发展，使得充分利用IMAT照射技术的优势变为可能10。 最近发表的一篇报告做了10个病例的Tomotherapy和IMAT的比较研究11。结果显示了 IMAT通常可以提供和Tomotherapy相比拟的治疗计划。此外，IMAT还具有实施非共面拉弧照射的优势，而Tomotherapy却不具备这点。对于一些颅内的、头颈部肿瘤，使用非共面拉弧对于保护相邻的敏感组织和器官可以获得更多的剂量学优势11。非共面照射对于立体定向放射手术和放射治疗尤其重要。
IGRT的解决方案在Tomotherapy和传统直线加速器上都具备。 Tomotherapy 提供兆伏级的扇形束CT扫描，而传统加速器则提供KV级的锥形束CT扫描。Tomotherapy的扇形束扫描方式由于本身散射小而减少了影像噪声。但在普通加速器上使用的KV级影像则有射线能量低而能产生较高软组织对比度的优势。多项研究已经表明两种成像技术都能充分提供病人摆位验证所需要的影像12,13。
最后，Tomotherapy是专门设计的做IMRT和IGRT系统，比不上直线加速器的治疗多样化方式。对于一些病人而言，在普通加速器上做一个三维适形照射比在Tomotherapy上进行治疗显得更加有效。普通直线加速器还能够提供电子线的照射方法。对许多浅表肿瘤，运用电子线照射显然在执行的简单性、较高浅表剂量以及剂量在靶外快速下降等方面都是一种更好的选择。
总之，从简单的姑息性治疗到最复杂的IMRT计划，直线加速器将继续提供最有效和灵活的解决方案。
来自Tewfik Bichay博士的反驳的论点
许多研究已经表明了增加照射角度会极大改善IMRT的剂量分布1 。实际上，正如Cao博士所指出的那样，传统加速器厂家正通过发展IMAT技术来增加照射角度的数量。然而，IMAT技术受制于总体所用的MU数量，通常在500–700 MU, 导致非常糟糕的调强能力10。只需用简单算数方法就可以论证用马达驱动的叶片在执行IMAT照射时的局限性。 在典型IMAT 7° 弧段上的1.17 秒内，叶片能够移动的距离不超过2.3厘米；最好情况下的调制因子为2，相比之下约为Tomotherapy调制能力的50分之一。 因此这也让人质疑Cao博士最近所发表的宣称IMAT剂量分布近似于Tomotherapy的结果11。
关于Cao博士所称Tomotherapy不能做非共面弧形照射的描述是正确的。但是，Tomotherapy可产生成千上万的子野的能力极大克服了这点局限性，甚至在非常复杂的靶区紧邻敏感器官的情况下也并不逊色于非共面照射14。 Tomotherapy的治疗方式还具有相当的潜在放射生物学优势，因为在Tomotherapy照射过程中，每个癌细胞都是在小于1分钟的时间里完全接受到它的的处方剂量。而在传统加速器上的治疗，单个癌细胞接受的光子从第一个到最后一个可能持续20分钟以上，可能导致明显的癌细胞修复。
Cao博士宣称传统加速器更加通用，可以治疗不太复杂的部位，比如通常用电子线治疗的浅表肿瘤。实际上，Tomotherapy早已开展了浅表皮肤肿瘤的治疗并取得了优异的结果，在某些复杂浅表病例上甚至远优于加速器电子线照射15。 在任何情况下，关于有效治疗简单病例能力的讨论不应当转移这次争论的主题，即“IMRT在Tomotherapy系统上得到最佳实现”。其他公司继续前行在模仿Tomotherapy的治疗模式上，证明了它们不得不默认这样的事实：螺旋断层放疗Tomotherapy是实现IMRT的更好方式。
来自Daliang Cao博士的反驳的观点
如Bichay博士所指出，一个稳定的成像系统对于精确执行IMRT来说至关重要。使用Tomotherapy，稳定性是由滑环机架设计来取得和保障的。 在CBCT系统上，影像等中心的偏移量和机架角度对每一台特定的加速器都有确定的函数关系，因而可以在影像重建过程中给予相应的校正。这些KV成像系统等中心的偏移具有高度的可重复性13。所以优异的成像系统稳定性在CBCT上也能取得。 实际上，CBCT成像系统提供了强大的工具可以进行病人摆位验证。此外，近来有研究表明以KV级CBCT为基础的剂量计算在不考虑器官运动造成的伪影情况下，也可以用做每天的剂量验证16。
Bichay博士所说的“传统马达驱动的多叶光栅MLC容易损坏”以及“叶片到位不准和速度波动可能导致明显的剂量错误”，实际上传统加速器MLC有很好的可靠性记录，通常开机率都要超过98% 。此外，传统的MLC已被证明了在执行IMRT上的准确性和可靠性。
Bichay博士所说“没有极大动态调强范围能力的IMRT技术将永远处在劣势” ，首先对于传统MLC而言，并没有先天的实施较大范围调强的限制。其次，当旋转照射方式用于实施IMRT，如Tomotherapy方法或IMAT， 由于大量角度或子野的存在，对强度高度调制的要求已经降低了。如同在最近的IMAT研究中所表明的，在大多数病例中，用有限几个拉弧的计划可产生和Tomotherapy相类似的高度适形的剂量分布11。 进一步说，近来加速器厂家发展的旋转调强技术，使得完全 360°弧形照射不再只是Tomotherapy所独有。
Tomotherapy的设计的确使它在治疗大体积（范围）肿瘤时不必考虑接野问题。然而，治疗需要超过40X40 cm2的病人毕竟只占很小一部分。
总之，当Tomotherapy作为一个优异的工具服务于临床时，传统加速器由于拥有了CBCT和IMAT，从而确保了它在实现最佳适形放射治疗时不会被Tomotherapy所取代。
星期五 11 07月 2008 12:48 pm
能够提供一些矢状和/冠状面上的剂量分布图？主要是想看一下SLICE之间的剂量衔接的分布。
星期三 16 07月 2008 8:35 pm
不管技术怎么样，要挑战传统的加速器，是要有个时间过程的，因为加速器已经深入人心.
星期五 5 12月 2008 10:56 am
TomoTherapy照射采用螺旋步进照射方式，和螺旋CT概念一样，层于层之间不会有剂量GAP，而且通常设置每一层都会重复照射三次，通过累积到达实际要求得剂量。Tomo和Nomas的孔雀刀不同，不会有剂量层与层的GAP问题。