伽马刀原理是什么?有何特点

来源:医生在线 时间:2011/05/04 09:16 阅读:461
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  伽玛刀原理

  伽玛刀全称伽玛射线立体定向放射治疗系统。它是一种融立体定向技术和放射外科技术于一体、以治疗颅脑疾病为主的立体定向放射外科治疗设备。其利用伽玛射线几何聚焦原理,在精确的立体定向下,将经过规划的大剂量伽玛射线细束集中照射于颅内的预选靶点,一次性致死性地捣毁靶点内的组织,以达到类似外科手术切除的治疗效果。由于靶点区域放射剂量场梯度极大,既使靶点周围组织不受放射线的损害,又达到靶点的总剂量是致死量,毁损灶边缘锐利如刀割整齐,故称为伽玛刀。

  1951 年,瑞典神经外科学家Leksell 教授首先提出了立体定向放射外科的概念,利用立体定向技术对颅内预选靶点进行精确定位,再用放射线毁损之,以达到不用开颅手术就可治疗需用传统外科手术治疗的疾病。但由于当时放射源、立体定向设备和技术、剂量计算、图像重建、复杂的三维定向计算等因素均受到科学技术发展水平的限制,理想未能实现。

  1968 年他研究的第一代伽玛刀问世,选用6OCo 作放射源。采用静态几何聚焦的方法将179 个60CO 放射源以不同角度排列在一个半球面上,通过准直器将60Co 发出的1 79 束了射线聚焦在预选靶点(球心)上,使靶点组织经一次照射就产生了局限性盘状坏死灶。

  这一技术具有两个鲜明的特点:

  ① 精确的立体定向手段;

  ② 多路径照射形成远远超过普通放射治疗的极大焦皮比(单位体积内靶点组织与表皮组织所受剂量比)。在临床放射剂量学方面,实现了对靶点组织准确而均匀的剂量分布,在保证给靶点组织以很大杀伤的同时,大大地减低了对周围组织的损伤,这就给放射治疗方法带来革命性的变化,为神经外科增添了新的治疗工具。
  较初主要用于治疗神经功能性疾病,通过毁损脑内某些解剖结构即神经核团或神经传导束,来治疗顽固性疼痛、帕金森病及精神病等。1974 年经改良的第二代伽玛刀采用201 个6OCo 放射源,在脑内形成近似球形放射性毁损灶,并配备四种型号的准直器头盔,治疗不同形状和大小的靶灶,其应用范围由神经功能性疾病扩大到颅内肿瘤和脑血管病。

  20 世纪80 年代后,随着放射影像技术和计算机技术的进步,又发展出了第三代伽玛刀。其靶点定位利用CT 、MRI 等无创技术,不仅免除了传统X 线定位给患者带来的痛苦,而且更安全、可靠和精确。同时还配备了电子计算机,使剂量计算和治疗方案制定等全部实现工作的程序化、自动化。临床应用范围进一步扩大。

  2 0世纪9 0年代,在静态式伽玛刀的基础上我国自行设计与研制出具有自主知识产权的旋转式伽玛刀,使设计更为合理。1996 年通过国家鉴定,1997 年在美国通过FDA 认证。伽玛刀之所以可以形成

  所谓“手术刀”的治疗效果,关键在于使用多束射线,并通过几何聚焦方式,靶点组织和周围组织所接受的辐射剂量反差大(静态式伽玛刀焦皮比100:1)。 显然,增加越多的射线源还能继续改善辐射治疗效果,可是,在头盔这个有限的半球形结构空间内,盔再增加射线源,不仅技术上非常难实现,也容易致头盔变形。

  旋转式伽玛刀则采用旋转聚焦的方式 ,装在旋转式源体上的30 个6 0 Co 射线源绕靶点中心做锥面旋转聚焦运动,由于射线束不是以固定路径穿越周围脑组织,故周围脑组织所受的照射剂量就更为分散,周围每个单位体积的组织内只受到瞬时、几乎无伤害的照射,而在靶灶中心形成焦皮比500:1 的聚焦效果。除此以外,由于旋转式伽玛刀大大地减少了射线源的数目,简化了结构,节约了装源时间和费用。旋转式伽玛刀在治疗计划系统和立体定位准直系统的设计上也采用了一些先进技术,功能更完善,自动化程度更高。 
  旋转式伽玛刀的结构( Structure of Rotating Gamma System )

  旋转式伽玛刀主要由放射外科系统、立体定位系统、电气控制系统和治疗计划系统四个子系统、放射外科系统

  放射外科系统由射线源装置、驱动装置和屏蔽装置组成。

  (一)射线源装置

  1 。放射线源旋转式伽玛刀仅装有30 个60Co放射源,每个放射源是将钻粒密封在双层不锈钢圆柱形包壳内。

  2 。准直器限制丫射线束方向及束径大小的装置。预准直器30 个;终准直器四组,每组30 个,各组内径不同,可产生不同大小的束径。治疗时,根据靶点的大小选择使用。

  3 。源体6OC o放射源和预准直器的载体。它是一个半球壳体,在经度0度 一360度、纬度14 度一43度之间按螺旋排列六组,每组5 个,共30 个60Co源,在经度上每组源间隔60度,在纬度上每个源的间隔1度。治疗时,源体旋转,30 束下射线经源体上的预准直器孔形成30 个射线束锥面,每个锥面互不重叠并聚焦在球心上,形成微小区域的强剂量场。

  4 。准直体终准直器和屏蔽棒的载体。它也是一个半球壳体,外表面与源体的内表面相吻合,治疗时,准直体与源体同步旋转。准直体上有五组(每组30 个)与源体上预准直通孔一一对应的指向球心的通孔,其中有四组通孔分别装有直径4mm 、8mm 、14mm 和18mm 四种不同内径的准直器,使用时,选择其中一组准直器与源体上的预准直器对应,可获得四种不同大小的焦点。另一组通孔装有屏蔽棒,相当于直径0mm ,在非治疗时间与源体上预准直通孔对应,屏蔽了射线。

  (二)驱动装置源体和准直体上分别装有直流伺服驱动装置。当源体旋转时,准直体可随其作同步跟踪旋转,钻源发出的了射线经过准直体精确地汇集在球心形成焦点;准直体也可相对于源体单独转动,作换位选择,以产生不同大小的焦点或实现非治疗时间的屏蔽。
  (三)屏蔽装置为确保辐射防护安全,并能在接近伽玛刀的环境里长期工作,射源装置配备了足够安全的屏蔽装置:屏蔽门、屏蔽地基、屏蔽棒和屏蔽半球等,皆由防辐射材料制成。

  屏蔽半球:装在源体外部的半球壳体,对源体后方的射线起到屏蔽作用。

  屏蔽门:由屏蔽门框和门扇组成。门扇为水平转轴的半圆柱体,分上下两扇,以阶梯缝相互啮合。治疗时,两扇门绕轴线90 度,开启,使患者头部随着手术床进人治疗位置;非治疗时,两扇门紧密闭合, 屏蔽半球示意图

  对源体前方的射线起到屏蔽作用。治疗过程中,若伽玛刀出现故障,需中断治疗又不能实现自动操作时,或机房失电、UPS 也出现故障时,可人工旋转手轮,关闭屏蔽门。由于屏蔽门和准直体上的屏蔽棒在关闭状态都具有防护功能,形成了双重屏蔽。另外,在定位支架上装有三维可调屏蔽块,以保护晶状体及视神经,操作简单。

  二、立体定向系统

  脑立体定向:将颅腔比拟为一个有限的空间,脑内任一结构的位置,存在着该结构与颅腔中的某点和空间的关系。该点在颅腔内的位置:

  ① 水平面(X ) ,即脑水平切面;

  ② 冠状平面(Y ) ,即与水平面(X )垂直的脑冠状切面;

  ③ 矢状面(Z ) ,即与上述X 、Y 两平面相垂直的脑部矢状切面。X 、Y 、标值。有了这三个值,目标点在颅内空间的位置就确定了。

  三平面相互垂直形成立体座标系,这三个平面的交点为座标的O 点,相交之线段成为线轴,以它们为基准,测出脑内某一目标点在X 、Y 、Z 平面与线轴上位置的数据。得到的三个数值即为该点的三维座标。
  坐置座标、大小和形状;在治疗时,将靶点定位在射线的焦点上。其基本结构是一个与头形相适应的方形框架和四个垂直固定螺钉(两额、两枕)。方框架上有定位刻度和安装Y,Z 向调定器等附件的燕尾槽固定螺钉,可将方框架固定在患者的颅骨上

  MRI / CT 头框和适配器MRI / CT 图框和适配器是确定靶点位置座标的附件。在MRI / CT 扫描时,将它们装在立体定位架上。MRI / CT 图框是一种指示器,由特殊材料制成三维刻线,扫描时在图像上产生X 、Y 轴座标和z轴座标标记,以确定靶点的位置、形状和大小架。

  (三)定位支架定位支架是带有X 向调定器、眼位测量器和三维可调屏蔽块的支撑装置。治疗时可实现支撑立体定位框架并具有X 向定位作用。 

  (四)治疗床治疗床由固定床身和移动床组成。定位支架联接在移动床上。治疗时,将患者送人射源装置内,使预选靶点与射线焦点重合,治疗完毕后退出患者。移动床的传动机构中设有手轮,治疗过程中,若伽玛刀出现故障需中断治疗又不能实现自动操作时,或机房失电,UPS 也出现故障时,可人工旋转手轮将移动床退出屏蔽门。

  三、治疗计划系统治疗计划系统是一套计算机图像处理、剂量规划装置。硬件配置包括:MRI / CT 图像输人装置、三维图像处理工作站和治疗文件的输出装置。

  治疗计划系统的主要功能:

  
1 。图像采集直接通过MRI / CT 等影像诊断设备的视频输出口采集图像或通过扫描仪输入胶片图像;

  2 。图像处理可以交互、预选靶点、敏感组织和自动地对患者的体表等结构进行检测和定义。
  3 。剂量规划快速、准确地对治疗参数和治疗剂量进行计算和给定。通过定量计算和剂量分布直观模拟
和演示对治疗方案进行评估和修改,从而得到优等治疗方案;4 。治疗方案输出可以形成特定格式文件直接传输到伽玛刀的控制系统,也可以打印输出。

  四、控制系统   控制系统由智能控制系统、声像监视系统、配电系统组成。

  智能控制系统用以读取治疗数据,协调各机械结构间的动作,报告各部分工作状态,并监视患者的手术状态。其中,控制台是对患者发布治疗命令的总控制台,设置有出错报警、紧急处理等功能。它能实现医生对患者的监视与对讲交流,发现紧急情况可随时进行处理。

  声像控制系统包括闭路电视监视系统和内部对讲通讯系统,用于监视患者并使医生与患者能进行交流,了解患者的感受,缓解患者的紧张感,使患者能配合完成治疗,有紧急情况可随时处理。

  电源由市电和不间断电源组成。当市电发生故障时,不间断电源可保证完成治疗,或启动自动闭锁功能。当所有电源失效时,均能通过手动完成操作。
健康科普内容仅供参考,如有不适请及时线下就医

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