放射治疗设备与放射治疗技术学(供医学影像学医学影像技术生物医学工程等专业使用案例版高等院校医学系列教材)

**章 绪论　　【学习目标】 　　1. 记忆放射肿瘤学的分支；人类对射线的初步认识及应用；放射治疗设备的发展历史；放射肿瘤学的学科组成和发展历程。　　2. 理解放射治疗技术学及放射治疗师在放射治疗中的作用和地位；放射治疗团队的建设与管理；放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位。　　**节 放射肿瘤学的发展历史　　放射肿瘤学（ radiation oncology）是专门研究人类肿瘤的病因、预防，特别是如何利用电离辐射治疗肿瘤的学科。目前，放射肿瘤学已发展成为一个完整的学科，其主要分支包括临床放射肿瘤学、肿瘤放射物理学、肿瘤放射生物学、肿瘤放射治疗技术学等。　　一、人类对射线的初步认识及应用 　　1895年，R.ntgen发现了 X射线；1896年，Becquerel发现了放射性； 1898年 Curie夫妇发现了镭，这些新发现被迅速应用到医学治疗领域，即放射治疗。到 1899年，**个癌症 ——基底细胞癌，被治愈了。早期的放射治疗主要用于皮肤和其他表浅肿瘤，并取得了史无前例的疗效，以至于人们产生了一种不切实际的认识，即发现了治疗癌症的神奇疗法。然而，当肿瘤复发，正常组织损伤开始出现时，这种天真的看法很快破灭。　　前 25年的放射治疗被比作放射肿瘤学的“黑暗时代”。在此期间，这门新学科没有培训课程，几乎所有的早期从业人员都是从外科和皮肤科等其他领域挑选出来的。他们不了解他们所使用的新型神秘物质的物理性质，也不了解它们的生物学效应。他们缺乏可靠的剂量测量方法，也没有通用的剂量单位。他们的设备是原始的、临时拼凑的，并且产生的能量很低。从事外科的背景使得早期的放射治疗大多采用单次、大分割照射，目的是在单次治疗中根除肿瘤。那些在放射治疗后存活下来的患者，尽管他们的肿瘤有了令人印象深刻的早期消退，但通常会出现严重的并发症，并且肿瘤的复发率很高。因此，那时的许多临床研究都是针对组织损伤的描述和分析。　　在 1905年，Dessauer提出均刀剂量可以改善放射治疗临床结果，从而促使多野或多源照射概念的形成。与此同时， Claudius Regaud正在开展他的睾丸照射实验，并观察到有丝分裂的细胞对辐射更敏感，而分化程度越高的细胞就越不敏感。这项工作得出了贝-特二氏定律（ Bergonie-Tribondeau law），即再生性越强，有丝分裂象越长，分化越低，细胞的辐射效应就越强，这一发现形成了分次放射治疗的生物学基础。 1932年，Henri Coutard在美国 X射线大会上发表了他具有里程碑意义的研究成果，证明了多分次放射治疗在治愈深部肿瘤的同时，具有明显更低的毒性。此后，世界各地的放射肿瘤学家大多放弃了大分割放射治疗。不过 Coutard还认为，这两种分割方式的选择应该取决于靶区体积，小靶区允许大分割放射治疗，而大靶区应该采用多分次放射治疗。　　二、放射治疗设备的发展历史　　在 1870年前后，英国物理学家 William Crookes等发明的一种叫作克鲁克斯管（ Crookes tube）的设备，观察到阴极射线（电子流）。1895年 11月 8日，德国物理学家 R.ntgen在进行克鲁克斯管实验时发现了 X射线，因此，克鲁克斯管就成为**个 X射线管（ X-ray tube），即一种将电能转换成 X射线的真空管。 1896年，人们就用 X射线治疗了**例晚期乳腺癌。 1913年，美国物理学家 William Coolidge通过改进克鲁克斯管，制成了热阴极射线管，也叫 Coolidge管。它的真空能够达到约 10.4Pa或 10.6 Torr，是应用昀广泛的一种 X射线管。1920年，在 X射线管的基础上，生产了**台深部 X射线机，而这也是此后几十年，肿瘤放射治疗的主要设备。　　然而，由于能量较低，普通的 X射线管难以治疗人体深处的肿瘤。一些放射性同位素在兆伏范围内产生 γ射线，但在第二次世界大战之前，几乎只有天然的镭可用于放射治疗。因为它在矿石中很少出现，所以其价格极为昂贵。第二次世界大战期间，曼哈顿计划中的核反应堆的发明，使得人造放射性同位素成为可能。钴 -60是一种高活性的 γ射线源，它发出 1.17MeV和 1.33MeV的 γ射线，平均能量 1.25MeV；半衰期为 5.27年，很适合放射治疗。它在放射治疗中广泛应用的主要原因是它的半衰期比许多其他 γ放射性核素长，每 5年才需要更换一次钴源。 1949年，萨斯喀彻温大学的 Johns博士向加拿大国家研究委员会（ National Research Council，NRC）发出请求，要求生产钴-60同位素。两个钴 -60装置随后被建造，一个在萨斯喀彻温大学，另一个在伦敦安大略省，而这也是钴治疗单元的原型。 Johns博士收集了萨斯喀彻温大学的深度剂量数据，这些数据后来成为世界标准。 1951年，在安大略省维多利亚医院，人们用钴 -60治疗了**例肿瘤患者。基于钴 -60， 1967年，瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院的 Lars Leksell、神经外科医生 Ladislau Steiner和瑞典乌普萨拉大学的放射生物学家 Borje Larsson发明了 γ刀，并用于立体定向放射外科（ stereotactic radiosurgery，SRS）。　　放射治疗中昀重要的治疗设备——直线加速器的原理早在 1924年就被提出，但早期并未应用于放射治疗。 1953年，Vickers制造了全球首台专用的医用直线加速器（ linear accelerator）能够产生 8MV光子束，并在伦敦汉默史密斯（ Hammersmith）医院治疗了**例患者。 1955年，另一台 6 MV医用直线加速器在美国投入使用。医用直线加速器的问世开创了高能Ｘ射线治疗深部肿瘤的新时代。 　　20世纪 70年代，随着计算机断层扫描（ computed tomography，CT）、磁共振成像（ magnetic resonance imaging，MRI）的发明，对于任意解剖区域，具有高空间分辨率的三维影像变得唾手可得。同时，随着计算机技术的引入和三维治疗计划系统的发明，直接使用三维影像数据计算三维辐射能量沉积成为可能，放射治疗从二维过渡到了三维时代。 20世纪七八十年代，基于常规模拟定位机设计放射治疗计划的方式在临床上广泛开展。 20世纪 80年代，利用多叶准直器（ multileaf collimator，MLC）产生各种射野孔径，通过计算机优化射野形状、强度等，开创了调强放射治疗时代。近年来，随着射波刀、螺旋断层放射治疗系统、旋转强调治疗直线加速器、精细 MLC、电子射野验证设备、锥形束 CT、MRI直线加速器等的出现，以及影像引导放射治疗等技术的引入，放射治疗进入了精确治疗时代，立体定向放射治疗也日益兴起。　　三、放射肿瘤学的学科组成和发展历程　　目前，放射肿瘤学已发展成为一个独立而完整的学科，其主要分支包括临床放射肿瘤学、肿瘤放射物理学、肿瘤放射生物学、肿瘤放射治疗技术学等。在发现 X射线、镭等放射现象后的很长一段时间里，人们对射线的认识非常肤浅，包括射线与物质的相互作用方式，人体对射线反应的生物学机制等，因此，早期的临床治疗是比较粗糙的。学校教育方面，没有临床放射肿瘤学这门学科，早期的临床放射治疗医生主要来自外科、皮肤科等相关科室，因此缺乏临床肿瘤放射治疗知识；物理学方面，人们并不能准确地计算照射到肿瘤靶区的剂量，也不清楚靶区内的剂量分布；放射生物学方面，人们不清楚某种剂量会导致怎样的肿瘤反应和组织损伤。由此带来的典型负面例子就是早期大分割放射治疗带来的严重副作用。　　随着放射物理学家的大量研究，国际辐射单位和测量委员会（ International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU），国际原子能机构（ International Atomic Energy Agency， IAEA）等成立和推出了相关的辐射剂量监测指南，射线与物质相互作用、放射治疗剂量测量等才逐渐变得清晰和准确，放射物理学也因此逐渐发展成熟，成为放射肿瘤学中重要的分支学科。另一方面，人们逐渐了解了辐射导致的人体生物学效应，包括 DNA损伤，基因突变，染色体畸变，细胞杀伤，正常组织早反应、晚反应等，从而形成了另一个放射肿瘤学分支——放射生物学。在追求杀灭肿瘤并昀大限度保护正常组织的道路上，在大量的临床实践和放射相关研究的基础上，放射治疗医生不断地探索和总结经验。在这个过程中，临床放射肿瘤学也逐渐发展起来，成为放射肿瘤学的重要组成部分。当今，随着肿瘤放射治疗的分工越来越细，放射治疗技术学也逐渐分离出来，成为了放射肿瘤学的重要分支。总之，临床放射肿瘤学、肿瘤放射物理学、肿瘤放射生物学、肿瘤放射技术学等共同组成了放射肿瘤学这门学科，并且其不断被完善，推动了肿瘤放射治疗的进步，能够更好地为肿瘤患者服务。　　四、放射治疗技术学及放射治疗师在放射治疗中的作用和地位　　肿瘤放射治疗技术学是放射肿瘤学的重要组成部分，主要研究放射治疗师（也称放射治疗技师）怎样运用放射治疗设备及放射治疗辅助设施，将放射治疗医生和放射治疗物理师设计好的放射治疗计划方案实施到患者的过程，包括如何将计划好的放射治疗剂量足够精确地传递到靶区，同时尽可能保护周围正常组织，从而实现肿瘤治疗、缓解症状、提高患者生存质量等目的。　　肿瘤放射治疗涉及多个环节，包括肿瘤诊断、确定治疗方针、模拟定位、计划设计、计划验证、治疗实施、随访等。在整个肿瘤放射治疗过程中，需要放射治疗医生、放射治疗物理师、放射治疗师等共同参与来完成。其中，放射治疗师主要负责的环节包括模拟定位中的体位固定、模拟影像获取，治疗实施中的患者摆位、位置验证、剂量传递，以及治疗前检查计划、患者教育，治疗中、后了解患者对放射治疗的反应，并及时与放射治疗医生、物理师沟通等。　　放射治疗师在整个肿瘤放射治疗中非常重要，放射治疗医生、放射治疗物理师所设计的放射治疗计划方案昀终都由放射治疗师实施到患者身上，体位固定、治疗摆位等的精度直接决定了放射治疗剂量传递的精度，而后者关系到放射治疗的成败。因此，肿瘤放射治疗师必须经过系统的专业培训，在一定程度上掌握多方面的专业知识才能取得执业资质，包括放射治疗技术学知识、临床肿瘤学知识、放射物理学知识、放射生物学知识、影像学知识、肿瘤心理学知识，以及放射治疗设备相关知识等。　　五、放射治疗团队的建设与管理　　肿瘤放射治疗团队是由放射治疗医生、放射治疗物理师、放射治疗剂量师、放射治疗技师、设备维修工程师、护理人员等共同组成的。在肿瘤放射治疗早期，团队分工并不像现在这么细，整个放射治疗流程往往由医生完成，后来才分出了放射治疗医生和放射治疗师。同样，早期也没有专业的放射治疗物理师，计划设计往往由放射治疗医生或放射治疗师完成；后来逐渐分离出放射治疗物理师，负责放射治疗质量保证和计划设计等；目前，在很多国家和地区，放射治疗物理师又分成物理师和剂量师，前者主要负责放射治疗质量保证等工作，而后者主要负责治疗计划设计。相信未来，肿瘤放射治疗团队分工会越来越细，将会有更多工种出现，以推动肿瘤放射治疗朝着更加精准的方向前进。　　肿瘤放射治疗团队的组成人员众多，各成员需要协调配合，形成合力，方能更好地完成肿瘤患者的放射治疗过程。一方面，放射治疗医生要在团队中起主导作用，放射治疗物理师、治疗师等积极配合放射治疗医生；另一方面，各成员需要协调发展，共同进步，因为任何成员的短板将决定整个团队放射治疗水平的高低。因此，肿瘤放射治疗团队需要统一建设和管理，形成一个有机的整体，以便更好地为肿瘤患者服务。　　（肖江洪）　　第二节 放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位　　放射治疗是利用电离辐射对疾病进行治疗的临床手段，它不仅仅用于治疗恶