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放射治療技術發展新趨勢

 

放射治療技術發展新趨勢

醫放系 李宗其助理教授

  自從崙琴在1895年發現 x 光以後,放射線很快的就被用在癌症治療上。放射治療的主要原理,是以放射線在人體作用所釋放的能量,直接或間接殺死癌細胞,來達到腫瘤控制的目的。雖然在這過程中,正常組織也無可 避免地會接受到輻射劑量;但因正常細胞對輻射傷害的忍受度較癌細胞高,再經由照射技術的巧妙設計,因此能將劑量大量集中在腫瘤上,而避免正常組織受到過高劑量的傷害。

  近年來由於放射物理、輻射生物及電腦科技的快速發展,放射治療技術更是一日千里。這種進步主要圍繞在兩個方向:一、更新的放射治療技術發展,二、更準確的腫瘤定位。前者的發展主要在追求更先進的照射方法 ( 如使用物理特性更佳的輻射源,或發展更複雜的照射技術等 ) 以達到劑量集中的目的;後者則在減少照射過程中治療的不確定性 ( 即照射腫瘤靶極位置的正確定位 )。

一、更新的放射治療技術發展

  光子與電子一直是傳統上被用來做為放射治療的輻射選擇,主要是因為其較容易產生。產生光子或電子射束的方式,從最初的天然放射性同位素 ( 如鐳針 )、低能量 x 光機、電子加速器、中高能 x 光機、人工鈷六十射源,到今日最普遍的直線加速器,其所產生的射束能量越來越高,在人體的穿透力亦越來越強。而更重要的是,高能 x 光射束不會在體表造成過高劑量 ( 稱作皮膚免除效應 ),以妨害深部腫瘤劑量的提高,故今日放射治療所能達成的腫瘤控制率,實非二十年前所能想像。

  然而從輻射生物及放射物理特性來看,光子與電子並非最佳的放射治療射源選擇。快中子射束、硼捉中子治療技術 ( boron neutron capture therapy, BNCT )、質子射束及重粒子射束,皆曾被建議用來取代現有的光子及電子射束。世界上許多先進的研究單位,仍致力於這方面的發展。在國內,目前僅有清華大學在其研究用的反應爐,進行硼捉中子治療技術的研究,其他方面仍付之闕如。而其中,質子射束被認為是最有潛力應用到臨床的射源。國內亦有長庚、台大及台北榮總等醫院,對其引進表達高度興趣。圖一顯示各種不同的臨床射束在人體組織的穿透特性,可以很明顯的看出在質子射束所造成的所謂布拉格峰 ( Bragg Peak ),後面幾乎沒有輻射劑量,在臨床上可利用這樣的特性去閃避重要器官,使得腫瘤得到更高劑量而將正常組織的劑量減到最少。現今世界上已有少數醫院專屬的臨床質子治療設施在運作,而其最大的缺點,即是高昂的初始設備投資費用 ( 約數千萬美金 )。若不須考慮經費問題,則質子射束應可完全取代光子或電子射束的使用。

  在質子射源無法普遍應用在臨床前,許多發展都著重在如何利用更複雜的照射技術,使得現存光子射束能形成更好的劑量分佈。這方面技術的進展,從最早的平行對照技術 ( parallel opposing pairs )、三度空間順形放射治療技術 ( three-dimensional conformal radiation therapy, 3DCRT ) 到目前應用最廣的射束調強放射治療技術 ( intensity modulated radiation therapy, IMRT ),其進展分別代表不同世代的發展概念。在電腦斷層影像應用到臨床之前,早期平行對照技術,使用二維的治療概念做大面積的照射,自然難以達到最佳的治療效果。而電腦斷層影像所提供的三維解剖資訊大量應用到臨床後,照射射束的設計概念,改為以三度空間的方式思考,正常組織的劑量得以大量降低。射束調強放射治療技術,則更進一步的利用數學上對射束照野內光子強度的最佳化運算 ( inverse planning ),藉改變照野內不同位置的射束強度,以避開緊臨腫瘤的重要器官,達到提升腫瘤劑量或降低重要器官劑量的目的。現今臨床上最現代化的治療機器,有許多使用這樣的概念,發展出針對不同病兆的特殊治療技術,如 cyberknife, tomotherapy, mMLC based radiotherapy…等。

二、更準確的腫瘤定位

  腫瘤定位問題又可分兩個方向發展:( i ) 治療靶極範圍的精確定義,( ii ) 治療位置的不確定性。

  就前者來說,即是治療範圍到底應該有多大?其問題不僅包涵從 CT 或 MRI 等影像工具所能看到的腫瘤生長範圍,亦應考量輻射生物學上的缺氧效應 ( hypoxia )、腫瘤生長速度 ( tumor growth ) 及腫瘤負擔 ( tumor burden ) 等現象所建構的生物靶極 ( biological target volume ) 大小。很不幸的,目前科技在這方面的進展,遠不如放射物理快速,因此留下很大的研究發展空間。而PET/CT 引介到臨床,對此問題的解決,提供了一個相當有利的研究工具。希望在不久的將來,藉由更多放射標誌藥物的發明,能夠在這方面有大的進展。

  在治療的不確定性方面,主要的誤差來源,有治療位置設定誤差及治療過程中的腫瘤位移。治療位置設定誤差,可由更精確及複雜的固定器具,減少至 某種程度;但欲進一步減少,則有賴新近發展之影像導引放射治療 ( image-guided radiotherapy, IGRT ) 概念的應用。這個概念簡單的說,即是病患在治療床上設定完成後,利用影像工具在治療前對腫瘤做最後的定位。其影像工具,可以是利用交叉擺設的兩台 x 光機影像,對骨頭做三度空間的幾何定位;或是將 CT 與直線加速器整合在一起的 tomotherapy 概念等。

  對治療過程中的腫瘤位移,臨床上的處置方法,目前僅有所謂的呼吸同步放射治療概念,其方式是利用偵測置放在體表,或植入體內之標誌物 ( marker ) 的移動,來即時的操控射束的開關。當腫瘤移動至預先設定的治療範圍時,即啟動射束,反之,則將射束停止。這個技術最大的困難,在於如何對器官位移大小做即時而準確的偵測,並做出及時的反應。對置放在體表的標誌物來說,其優點是偵測容易,但不一定能代表真正的腫瘤位移大小;對植入體內的標誌物而言,雖能真正代表腫瘤位移大小,但卻需施行侵犯性的程序,因此很難對其優劣做最後的評斷。現今有許多的研究,試圖利用非侵犯性的影像工具,來做腫瘤位移的追蹤,然其困難仍在如何即時處理大量的影像資訊,以做腫瘤的精確定位。

 

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