一、 放疗技术发展变迁
放射治疗从1895年伦琴发现X射线和1898年居里夫人发现镭之后就已诞生。放射治疗和放射诊断是一对孪生兄弟，都是通过采用放射线开展医疗服务活动。哥哥主要从事诊断，所以叫放射诊断，弟弟主要从事治疗，所以叫放射治疗，简称放疗。
图1 伦琴及世界上第一张X光照片
图2 世界首例使用X线照射治疗的晚期乳腺癌患者
放疗是为治疗肿瘤而诞生，治疗原理主要是通过高能射线直接或间接破坏细胞DNA结构或细胞周围环境，使细胞死亡或不再繁殖生长，达到治疗肿瘤的目的。放疗不仅是治疗肿瘤的手段，更是一门复杂的高科技术，放疗和放射诊断相互依存、互相促进，共同发展，在100多年发展进程中，放疗技术经历了初级放疗、常规放疗、立体定向放疗、三维适形放疗、调强放疗、图像引导放疗等发展阶段，治疗肿瘤从表浅到深部，治疗效果从姑息减症到无创根治，以及近距离学科地位从跑龙套配角到明星主角的过程，下面分别简而介之。
图3 实验中的居里夫人
图4 放疗技术发展历程
(一) 常规放疗技术
常规放疗是上世纪50年代至90年代采用的放疗技术。主要的放疗设备有深部X线机、钴-60放疗机和单（双）光子直线加速器，放疗定位采用X射线透视机，射线聚焦采用二维平面对穿照射，放疗剂量计算根据深部剂量衰弱表测量手工计算。由于X线透视机定位所见肿瘤范围有限，多数部位肿瘤看不清，放疗设备能量穿透深度有限，加上放疗剂量靠手工测量操作等技术局限，决定了常规放疗时代肿瘤放疗的辅助作用和地位。
常规放疗主要围绕外科手术开展工作。①根治性放疗：主要用于外科无法手术的部位，如鼻咽癌放疗；②术前放疗：手术切除困难的肿瘤，如食管癌、肺癌、头颈癌等；③术后放疗：手术切除后切不净或易复发的肿瘤，如乳腺癌、宫颈癌、直肠癌、食管癌、肺癌、脑胶质瘤等；④术中放疗：手术当中肿瘤无法切除或切除不彻底对残存部分在术中放疗，如肾癌、胰腺癌等；⑤近距离放疗：对放照射剂量不足，提高剂量会造成正常组织损伤的部位肿瘤采用腔内施源或组织间插植放射源以及植入放射源等的治疗，如宫颈癌、食管癌、乳腺癌、前列腺癌等。常规放疗采用的剂量模式为每天1次，每次1.8-2.0Gy,每周5-6次，总剂量50-70Gy/5-7周完成。这个剂量模式叫常规剂量模式，从上世纪30年代开始沿用至今。常规放疗是落后技术使然，常规剂量模式对肿瘤的局控率有限，随着技术进展，现已发生根本性改变。
图5 钴-60放疗机技术
(二) 立体定向放疗技术（放射外科技术）
立体定向放疗源于瑞典神经外科专家Leksell教授1951年提出的立体定向放射外科概念，1968年以头部γ刀的形式应用于颅内肿瘤治疗，开启了立体定向放射治疗（立体定向放射外科）的新篇章。立体定向放疗技术采用的放疗设备仍然是Co-60放射机和直线加速器，不同于常规放疗技术的最大特征是将放射线立体空间聚焦，最早的头部γ刀是将201颗Co-60放射源安放在半球形的头盔不同位置，将能量向一点聚焦，使病变组织受到大剂量的摧毁性打击，而周围正常组织受量很小。立体定向放射外科或立体定向放射治疗范围从颅内延伸到颅外，技术从γ刀扩展到X刀，设备从放射外科专用机发展到放疗通用机带放射外科功能，从复杂多样化的名称叫法统一到放射外科技术或放射外科治疗学。放射外科技术标志着放疗进入高级阶段，可以根治早期实质器官肿瘤，放疗结果可与手术媲美，而且还有无创伤治疗的最大优势。（见放射外科专门介绍）
图6 Leksell教授及头部固定框架
图7 伽马刀及旋转聚焦结构图
图8 加速器X刀及其附件
(三) 三维适形放疗技术
80年代CT影像技术出现，将X线透视二维平面成像变成了三维重建成像，而且组织分辨率和影像诊断正确率提高。推动了放疗从二维向三维的转变，将常规放疗技术推向了三维适形放疗技术的现代放疗阶段。
图9 放疗从二维向三维的转变
三维适形放疗技术的主要进展是采用CT模拟定位获取图像，能够清晰了解肿瘤大小、位置以及与周围组织、器官的关系，获取的图像信息经过三维重建可以得出肿瘤在三维空间不同角度和位置的信息，从而可以从多方向和多角度给肿瘤形状相一致的射线（照射野），实现给肿瘤形状一致的照射剂量，从而减少肿瘤周围正常组织的受照射范围，以利达到提高肿瘤剂量的同时，降低周围正常组织剂量。三维适形放疗技术还包括计算机技术、适形铅野制作技术或多叶光栅以及病人体位固定装置的应用。
三维适形放疗技术的应用，改变了常规放疗剂量模式，使肿瘤定位精度提高，在一定程度上肿瘤周围正常组织的受照范围缩小，使肿瘤局控率和生存率提高，放疗毒副作用减轻。从而使放疗的适应范围扩大，放疗的作用和地位相应提高。
图10 CT模拟定位机
(四) 调强放疗技术
调强放疗技术是解决三维适形放疗对剂量调节能力不足而产生的。三维适形放疗从三维空间各个方向或角度对肿瘤实施照射，由于加速器和治疗床之间空间有限，病人在治疗床上能够从各个方向对肿瘤布置照射野是非常有限的，因此要想获得对肿瘤内部的剂量调节以及肿瘤周围正常组织剂量的精细调整是不可能的。
图11 三维适形放疗与调强放疗技术剂量对比
调强放疗技术主要进展是将三维适形放疗每个方向的每个大野变成若干小野（子野），这样就可以使肿瘤内部和肿瘤周围的剂量调节非常精细，从而实现肿瘤靶区内外根据需要进行剂量强度的调整，就是说想要什么部位剂量大、剂量小都可以调整。
调强放疗技术的关键是限制子野运动的多叶光栅（MLC）叶片宽度、移动速度、机架旋转方式以及剂量计算精度。调强放疗技术根据临床应用要求，经过20多年技术进展，从最初的静态调强放疗和动态调强放疗，已发展到了容积旋转调强放疗（VAMT）和螺旋断层调强放疗（TOMO）。调强放疗效果由子野数目多、子野移动速度快、剂量计算准、放疗时间短、多叶光栅耐用等关键技术决定。调强放疗技术已成为现代放疗技术的主体，适应范围广，剂量调制能力强，特别适合对解剖结构复杂、肿瘤形状外异，有重要器官需要保护的肿瘤的放疗。调强放疗技术的应用将放疗推向一个新阶段，治疗肿瘤局控率提高，生存率改善，病人放疗毒副作用明显降低，从而进一步提升了放疗的作用和地位。
图13 利用多叶光栅实行调强放疗技术
(五) 图像引导放疗技术
图像引导放疗技术主要是解决放疗在每次治疗病人时治疗精度问题。放疗从定位、计划到实施治疗要通过一系列复杂的过程，而且病人定位后要离开一段时间才回到治疗室实施治疗。保障病人CT定位时体位、肿瘤位置以及治疗计划剂量能准确无误地实施到每次治疗上，这就需要病人在治疗时采用图像引导技术。
图像引导技术在放疗技术的不同阶段都有应用，只是图像的质量和离线在线的差别，三维适形放疗、立体定向放疗、调强放疗都需要图像引导，图像引导技术从X光照片验证、CT离线验证、在线EPID、CBCT、FBCT、超声、MRI和PET等图像验证以及金标植入追踪技术等。图像引导放疗技术提高了治疗精度，保障了放疗全程的质量，使放疗效率更高（剂量率提高），智能化操作和信息化管理能力更强，使放疗进入精准治疗阶段。放疗发展到今天的全部技术，经过常规放疗时代，从现代化放疗跨入了精准放疗的时代。
图14 肺癌患者图像引导放疗示例
二、 精准放疗关键技术
放疗发展100多年，才跨入了精准治疗时代。放疗是一个治疗手段，更是一个复杂而紧密连接的过程，全过程的每一环节都要做到精才能最终达到精准治疗效果。
(一) 精确诊断
肿瘤病人的精确诊断常包括临床病史、肿瘤标记物、影像诊断、病理诊断以及分子基因分型及免疫检测等诊断。前面提到了放疗和放射诊断是孪生兄弟。精确放疗除了需要常用的精确诊断信息外，特别需要影像提供的精确诊断信息。影像精确诊断的局部信息包括肿瘤大小、位置、边缘、与周围组织器官距离及关系、肿瘤代谢高低以及分布状态等，是提供靶区勾画的重要依据，同时还需要有无区域淋巴结转移及转移的数目、大小，有无远处转移及转移的器官、数目及大小等，为治疗方案提供决策依据。精确诊断是精准放疗获得疗效的前提，精确放疗对影像精准诊断的依赖性很高，不仅要了解肿瘤的局部情况，还需要全面掌握肿瘤有无全身转移，甚至需要依靠影像诊断确定良恶性决定治疗方案。因此，精准放疗病人要求影像检查的项目多，提供的信息全，常常需要CT、MRI、PET/CT和PEI/MEI等多模态影像同时采用，取长补短为精准放疗获得最有用的信息。
图15 CT、PET/CT多模态影像精确诊断
(二) 精准定位
肿瘤病人获得精准诊断，决定采用放疗手段治疗时，医生会与病人及家属交流放疗流程，签订同意放疗知情书后，正式进入精准放疗的流程。
精准定位通常在专用的CT模拟定位室进行，也有在MRI模拟定位室的，包括病人机体功能状态准备、造影剂的应用、体位固定方式、扫描图像及技术、器官动度及呼吸运动控制技术应用等，通过精准定位，要达到病人器官治疗前和治疗时重复性好，如前列腺癌放疗定位时，和放疗时的膀胱和直肠的充盈度和体积大小差异不大，病人体位固定不能动、治疗肿瘤的范围精确清晰、以及肿瘤周围组织器官显示清楚，呼吸及器官移动可控或追踪，病人体位舒适并可持续30分钟以上。
图16 多种固定方式实现几何精准定位
(三) 精确计划
精确计划在物理计划室（相当于作战指挥部）进行。肿瘤病人在定位室完成定位及图像采集后，离开现场等待治疗。在定位室获得一切信息，通过网络传输到物理计划室的工作站，医生和物理师开始分工合作，医生负责在定位扫描的图像上勾画肿瘤范围（靶区）和给予肿瘤处方剂量及剂量分割模式，同时物理师利用智能化软件勾画正常组织器官，提高临床工作效率。同时物理师根据医生的要求，设计计划方案，精确计算肿瘤剂量和周围正常组织剂量分布对比分析优化最佳可行方案最终提供给医生选择和确认。精确计划是物理师的杰作，医生将一个病人奇形怪状的肿瘤勾画在电脑上，肿瘤周边有非常复杂的正常组织和器官围绕，要求物理师设计治疗方案提高剂量将肿瘤彻底摧毁，而不允许伤及周围正常组织，在此有众多不为人知的物理师，每天坐在电脑前像艺术家一样，精雕细刻放疗计划，实现每个精准放疗病人的“剂量雕刻”艺术精品。
图17 剂量雕刻精确计划
(四) 精准施照
精确计划方案完成，得到医生的优选和评估确认后，将这个计划方案落实到病人的肿瘤治疗上。这是精准放疗操作过程的最后一环，也是至关重要的一环。精准施照前物理师或剂量师要将放疗计划方案在体模上进行剂量验证，保证计划剂量达到要求，病人到放疗床上进行治疗时，训练有素的技术员首先要进行体位固定摆位验证，然后采用放疗设备配置的图像引导装置采集放疗区域或部位的图像，与之前定位采集图像配准，进行体位、靶区及动度调节验证，最大限度减小误差和杜绝错误，保障每次治疗时的精度。
图18 保证放疗计划方案精准施照
(五) 精密监控
精密监控包括两部分内容。首先精准放疗是一个复杂的过程，因此，要对过程的每一个细节都要有质量控制保障和操作流程规范，改变以往只对机器设备质量控制和参数检测的监控观念。同时，精准放疗针对的是每一个肿瘤病人，因此，要对放疗的每一个病人都要严密观察治疗期间或治疗中的反应和变化，以及治疗结束以后的长期结果随访，以便持续改进，总结经验，不断提高。
图19 患者治疗过程中由放疗技师精密监控
三、 放疗剂量模式演变
放疗是一种治疗手段，放疗手段的核心是设备技术，采用放疗技术治疗肿瘤取得效果的关键是放疗剂量，称之为放疗的剂量分次模式。放疗经历100多年技术发展，不同放疗技术产生了与之相适应的剂量分次模式，取得与之相当的临床结果，对放疗剂量模式进化的了解，对选择放疗获得疗效，增强信任、信心有帮助。
(一) 常规放疗技术的剂量分次模式
常规放疗技术落后、定位不准、肿瘤范围显示不清、放疗设备能量聚焦功能有限，当时的放疗技术要想针对肿瘤给足够高的剂量是不可能的。因此，只能采用肿瘤周围正常组织可以耐受的放疗总剂量，每天小剂量逐步叠加的剂量分次模式，同时根据肿瘤细胞与正常组织细胞对放射线敏感产生差异，取得相应的疗效。为此，临床放疗产生了几种常用剂量模式。
1、常规剂量模式 是上世纪30年代法国2位临床放疗医生，采用深部X线机治疗皮肤癌，经过反复临床观察建立起来的。1.8-2Gy/次，每天1次，每周5-6次，50-70Gy/5-7周。采用这个剂量模式治疗皮肤癌，可以获得肿瘤缩小或者消退的效果，而皮肤损伤Ⅱ-Ⅲ级可接受。从此，这一剂量模式广泛应用于全身各种肿瘤，一直至今。根据肿瘤病理类型、放射敏感性、肿瘤体积及周围正常组织的范围适度调整总剂量和次数，分次剂量不变。常规剂量模式是以正常组织耐受量为前提，以肿瘤放射敏感性为治疗有效依据，它是时代和技术局限性的产物，因此，对大多数肿瘤很难达到根治效果。
2、超分割剂量模式 1.15-1.2Gy/次，每天2次（间隔6小时），每周5次，69-72Gy/6周完成。常规剂量模式治疗肿瘤效果不尽人意，70年代人们想利用肿瘤细胞和正常组织细胞对放射敏感性差异和放射损伤修复时间的差异，采用这种剂量模式开展了大量临床研究，其结果是近期肿瘤反应率提高，毒副反应增加，总的生存率改善有限，加上1天2次的放疗，治疗成本增加，临床应用价值不大。
图 21 超分割剂量模式
3、加速分割剂量模式：2.3-4.5Gy/次，每天1次，每周5次，45-72Gy/3-6周完成。这一剂量模式提高了单次剂量，缩短了治疗的总时间，有提高肿瘤局控率的效果，但会增加放疗的急性及慢性毒副反应。因此，需要放疗技术改进作为保障，加速分割剂量模式是常规放疗技术向三维适形放疗技术过渡的新生物，是三维适形放疗常用的剂量模式，提高了肿瘤局控率，不增加放疗副作用，还能降低治疗成本，提高临床应用效率。
图22 加速分割剂量模式
(二) 放射外科技术的剂量分次模式
1、单次大剂量模式 12Gy-80Gy，1次完成。头部立体定向放射外科技术通过将剂量高度聚焦于病灶，病灶外剂量下降非常陡峭，而且治疗病灶直径小于3cm，头部γ刀治疗时需要有创头架固定，因此只能采用单次大剂量模式。12Gy-80Gy，1次完成，主要用于治疗颅内良性肿瘤、动静畸形、三叉神经痛和脑转移瘤等，由于单次剂量较大，肿瘤局控率高，治疗毒副作用小，又是无创治疗，是颅内肿瘤治疗的常用方法。
图23 单次大剂量模式
2、大分割剂量模式 7（5-6）-20Gy/次，每天1次或隔天一次，45-70Gy/3-10次（11-15次），1-2（3）周完成。主要用于颅内大体积肿瘤和颅外实质器官的肿瘤，如肺癌、肝癌、胰腺癌、肾癌、前列腺癌和相应部位的转移癌，采用大分割剂量模式治疗肿瘤局控率高、病人生存期长，治疗无创伤，副作用小，是实质器官肿瘤和转移瘤的首选放疗剂量模式。
图24 大分割剂量模式
(三） 调强放疗技术的剂量分次模式
调强放疗技术研发的本意就是对肿瘤区域内外的剂量根据需要进行剂量强度调整，故称之为调强放疗。临床医生和物理师在临床应用调强放疗技术治疗肿瘤时，必须考虑原创技术的初心，在剂量分次模式使用方面必须用心改变。
1、靶中靶剂量递增放疗模式（调强放疗模式） 主要是根据肿瘤大小，内部细胞成分，肿瘤周围正常组织状态等因素考虑划分不同剂量区域，设计放疗剂量方案时给予不同处方剂量。调强放疗剂量分次模式要整体布局、区别对待、对敌要狠、对友要善。而且，调强剂量模式不求统一剂量规定，要根据每一个病例实际情况量身定制。如鼻咽癌调强放疗：GTV/CTV1、/CTV2的剂量模式为69-72Gy/60-70Gy/56-60Gy/30-33Gy次，又如局部晚期非小细胞肺癌调强放疗：GTV/CTV/PTV的剂量模式可以有多种方案，根据肿瘤大小、位置和肺功能状态：70Gy/60-66Gy/56-60Gy/15-30次，调强放疗总剂量一样，治疗次数不一样，治疗次数越少，肿瘤局控率越高，转化为生存期延长可能性越大，但是，毒副反应和后遗症发生概率高，风险越大。因此，掌握调强放疗的剂量模式火候和平衡是提高疗效的关键。
图25 靶中靶剂量递增放疗模式
1、加速分割剂量模式 前面提到了加速分割剂量模式2.3-4.5Gy/次，每天1次，每周5次，45-72Gy/3-6周完成，是常规放疗技术向三维适形放疗技术过渡的新生物，由于三维适形放疗技术对肿瘤周围正常组织的保护能力有限，在加快速度提高肿瘤剂量获得局控率提高的同时，病人毒副反应相应增加很难接受。在三维适形放疗技术条件下，这一剂量模式应用并不普遍。调强放疗技术对正常组织保护能力增强，在提高肿瘤剂量和加快速度完成放疗时可以有效降低正常组织受照体积和受照剂量，因此，采用这一剂量模式不仅有提高疗效，还有降低医疗成本，提高临床治疗效率和效果的作用。
图26 加速分割剂量模式
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