[发明专利]用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器及其控制方法。

背景技术

体外射线放射治疗的根本目的在于，在肿瘤靶区形成有效剂量，同时减少邻近的正常组织剂量。最初采用少量的圆形、方形等基本形状调制射束，但是对于绝大多数肿瘤靶区这种方法极有可能导致正常组织辐照过量。后来出现了适形放疗技术（Conformal Radiotherapy），其根本目的在于实现剂量分布与肿瘤形状相适应。其中三维适形放疗技术（3-Dimensional Conformal Radiotherapy，3DCRT），采用多个射野方向，并且保证各个射野方向靶区与射束形状相适应。三维适形放疗技术的应用，提高了肿瘤的控制率。临床数据显示，在治疗计划划定靶区中，30%以上的肿瘤具有凹面，对此3DCRT技术无能为力。

后来出现了调强放疗技术（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），其主要原理可概括如下：调制入射射束的强度，从不同投射角度投照实现X射线的剂量积累，提高射束与肿瘤靶区的空间适形度，同时避开关键组织器官。

实现调强放射治疗技术的一个关键功能部件是多叶准直器（Multi-leafCollimator,MLC，又称多叶光栅、多叶光阑）。是由一组或多组成套重金属合金（如钨合金）叶片构成，其主要作用是通过叶片的机械运动变化组合形成医疗计划所需要的X射线视野。多叶准直器作为实现调强放疗的关键执行部件，以其通用性和独特的凹形剂量投照分布能力，现已广泛应用于现代直线加速器，并取得了广泛的临床应用。以叶片的运动形式划分，多叶准直器可划分为两大类：连续多叶准直器和二元（或开关式）多叶准直器。

采用多叶准直器实现调强放疗的技术中，最常见是固定射野调强放疗法，临床上固定射野放疗方法能在几个固定射野，通过叶片移动阻挡射束形成射野，完成投照。典型的多叶准直器叶片成对相向排列，由计算机控制叶片移动，形成不规则射野，从而达到肿瘤适形，避开正常组织器官的目的。固定射野放疗法主要包括是静态调强放疗（Segmental IMRT）和动态调强放疗（Dynamic IMRT）方式。

静态调强放射治疗是由逆向治疗计划系统根据临床要求计算得到各个射野角度所需的强度分布，通过多叶准直器将每个照射野分成若干个子野，每个子野内的强度是均匀的。动态调强的技术特点是滑移窗（Sliding Window），即一对相对叶片向同一方向运动，并在运动过程中不断相对叶片各自的速度，当跟随叶片速度小于前进叶片时，滑移窗窗口宽度逐渐边宽，反之则减小，通过叶片位置和速度控制形成变化的子野形状的扫过靶区，实现射野强度调制。

弧形调强放疗（Intensity Modulated Arc Therapy，IMAT）最早由Cedric Yu在1995年首次提出，最初的设想是采用多弧叠加的方式实现计划剂量分布，其特征在于在治疗过程中，多叶准直器随机架旋转改变射野形状实施投照。但是由于当时缺乏可用的计划软件与之配套，因而早期发展较缓。而单弧调强治疗方式（Single-Arc IMRT）的概念在于，机架旋转一周即可完成治疗，因而速度更快，典型的技术应用包括Varian公司的RapidArc和Elekta公司的VMAT。单弧治疗方式治疗速度快，但治疗计划和剂量优化算法复杂限制了其适用范围。从硬件上讲，传统的固定射野动态调强放疗和单弧调强放疗方式没有本质的区别，两项技术的不同点在于投照过程中，机架是连续旋转还是仅仅停留在离散的几个角度值。因此，采用固定射野调强放疗方式和单弧调强方式，在多叶准直器上没有区别。以下行文中，用于动态调强的多叶准直器指代用于动态调强放射治疗和弧形调强放射治疗中采用的多叶准直器。

T.R.Mackie于1993年提出了另一种调强放疗实现方式--断层放疗系统，它采用类似于CT扫描的扇形束射线，叶片随机架旋转往复运动实现调强投照，其特征在于二元气动准直器的应用，改变了原有的治疗模式，面向断层逐层实施放射治疗。最早的商用断层放疗系统是NOMOS公司的Peacock步进式放疗系统（Segmental Tomotherapy），采用了MIMiC二元气动多叶准直器，后来发展到TomoTherapy公司的螺旋断层放疗系统（Helical Tomotherapy）。相比弧形调强放疗而言，断层放疗系统的优势在于，能提供更加灵活和准确的射线剂量分布。

在上述多叶准直器应用中，单个多叶准直器仅能实现二元开关运动状态或连续运动状态之一，因此多叶准直器适用面窄，无法根据治疗计划改变放射治疗方式，增加了医院投入，从而间接加重了患者负担。