Tomotherapy System

TomoTherapy? Hi-Art?螺旋断层放疗系统综述

Sam Jeswani1, Thomas Rockwell1,2, Hidefumi Aoyama3,

Peter Hoban1, Christopher Schuman1

1.Tomotherapy有限公司，麦迪森，美国威斯康星州；

2.威斯康星大学，麦迪森，美国威斯康星州；

3.Hokkaido大学，札幌，日本。

简介

TomoTherapy通过扇形束来进行调强（IMRT）治疗。在机头旋转照射的过程中，扇形束通过二元气动多叶光栅来调制强度，二元气动多叶光栅可以迅速开关来根据需要切割扇形束的出束分布【1】。每一个多叶光栅叶片从关闭状态到张开再回到关闭状态位置的过程定义为一个子束流。子束流最大出束强度为每一段弧形子野时光栅始终张开。相对应的，要输出一个小的束流强度，叶片可以在每一段弧形子野的中点前打开，过中点后关闭。TomoTherapy螺旋断层放疗系统象螺旋CT一样，在机架和床的联动过程中用螺旋断层方式进行放射治疗。【2－5】

TomoTherapy? Hi·Art?是目前临床上唯一基于螺旋断层方式的放疗系统。它每旋转一圈有51个弧形子野并且有64片二元气动多叶光栅（气动，无需马达）【6】。光栅叶片可以在20毫秒内关闭或打开扇形宽度方向上的射束。每一个治疗点都会被旋转的扇形束重叠照射2～5次，大概可以照射100～250个子束流，并且子束流可以分为0～100的不同强度水平。每一次治疗都会用到几万个子束流。这样的强度调制能力是无可比拟的，尤其在靶区附近的正常组织需要规避时仍能非常好的维持靶区剂量的均匀性。

扇形束在靶区轴心的投影宽度为40cm，治疗床的可移动范围是160cm。这就意味着TomoTherapy可以治疗任何直径40cm、长度160cm体积内的靶区。因此TomoTherapy的治疗范围非常大，可以在一次摆位下进行大范围的胸部、腹部和全中枢神经系统照射，以及远处多发病灶治疗和全骨髓照射（TMI）。【17】

图一（a）TomoTherapy的外观，（b）TomoTherapy的结构简图，6MV的直线加

速器可以用来治疗和做影像引导（成像时约3MV的能量），加速器对侧为扇形束CT探测器。

TomoTherapy的6MV直线加速器的剂量率接近850cGy/min，远大于传统的直线加速器输出率，这是主要因为取消了射野均整器。由于可以通过强度调制得到均匀的射野，所以就不再需要射野均整器了。由于放弃了射野均整器，射线的能谱更稳定，野内和野外的散射污染也更少了。【7】

TomoTherapy螺旋断层治疗系统安装在一个类似CT的滑环机架上，滑环机架为集成的CT影像系统提供了一个无重建伪影的稳定的平台。如同传统CT一样，TomoTherapy旋转机架的等中心精度达到了几十微米，而其它传统的C臂式加速器的最好精度也只有一个毫米。TomoTherapy高精度的治疗床同样提供相似定位精度（微米级）。X光成像射线源就是直线加速器在影像状态下的低能输出。这保证了成像源和治疗源完全相同，都采用的一样扇形射线束。TomoTherapy在5秒内就可以扫完一层图像，无论是肺、脂肪、肌肉和骨骼都非常的清楚【8】。只要大约1cGy的剂量就可以清晰的得到肾脏、晶体、前列腺和直肠影像。这个剂量比传统影像验证设备的辐射剂量更低，这保障了患者每天都可以用TomoTherapy的兆伏级CT做影像扫描。

TomoTherapy最初就是被设计用来进行IMRT治疗的，它比传统的直线加速器更注重射线防护。初级准直器采用厚达23cm的钨（95％），它的平均漏射只有0.01%，远低于0.1%的国际标准。多叶光栅的厚度也达到了10cm，可以在图2上看到多叶光栅的平均漏射率为0.3%，而传统多叶光栅的漏射率为1.5~3%【9】。主射野的终端是主射线屏蔽块，有了主射野屏蔽块就不需要特别加厚的主照射野墙了。

图2：多叶光栅漏射率一览。TomoTherapy的多叶光栅厚达10cm，这确保了更低的漏射率。

绝大多少的调强治疗都是采用6MV的共面治疗，TomoTherapy? Hi·Art?螺旋断层治疗系统可以用6MV的能量更高效的进行更复杂的调强放疗，它同时也胜任一般的简单治疗。

当前的工作流程

优化计划、执行剂量验证（DQA）、CT影像引导下的治疗、记录和验证、影像存档这些工作都由中央数据处理服务器负责。计划工作站、操作工作站、治疗系统和一个小的超级终端由7个基于Linux系统的Blade计算机（每台计算机都有4个Xeon CPU芯片）直接连接到数据库上。CT模拟影像序列和CT模拟或第三方的治疗计划系统所勾画的轮廓都自动发送到数据库中。因为TomoTherapy的治疗计划所需要考虑的因素太多了远比普通的IMRT计划复杂，但物理师只需要调节要害器官和靶区的约束参数，其它都由TomoTherapy的计划系统本身来完成。

TomoTherapy治疗计划的制定简单而快捷。7个Blade集群服务器在计算剂量时比普通的IMRT计划更快速。弧形子野角度是固定的，所有的51个弧形子野都将被使用，并且不需要设计通常情况下会花费大量时间的子野。计划被化分为三部分，子野剂量计算部分（采用卷积迭代算法）、交互式参数修正部分和最终剂量计算部分（同样采用卷积迭代算法）。对于典型的前列腺肿瘤计算，子野剂量计算大概要花15分钟，但是如果肿瘤体积比较大所用的时间也会相应增加。用户可以批处理多个计划，这样集群服务器可以在晚上计算花费时间较多的子野优化，提高了使用效率。

交互式的计划设计步骤和普通IMRT计划设计相似但是更加快捷。对于TomoTherapy的计划设计无需考虑照射野角度、照射野权重、MLC形状等。只需给予靶区和要害器官治疗目标参数就可以实时进行优化计算。在执行了子野优化后，每次迭代计算所花的时间根据复杂程度的不同大概只需要2～7秒，并且随时可以改变DVH的约束条件、惩罚和重要程度。

TomoTherapy Hi·Art?计划系统的一个独特的优点是正常组织屏蔽功能。一个或多个组织轮廓可以被设定为入射方向屏蔽或完全屏蔽。完全屏蔽可以防止任何主射线通过要害器官，所以完全屏蔽后的要害器官最多只受到散射线的辐射。入射方向屏蔽功能允许射线经过靶区然后从要害器官射出。这个屏蔽功解决了没有非共面入射角度和没有电子线的限制。例如：眼球位于治疗区域附近，我们把眼球设定为完全屏蔽，那眼球最多就只受到散射线的辐射（请见图9）。在治疗胸壁时，把肺全屏蔽后就能得到很好的剂量分布，超过了电子线的照射水平。

使用TomoTherapy治疗时没有传统加速器独立的多叶光栅序列计算步骤，所以您所看到的计划剂量分布就是实际治疗的分布。无需把计划传到治疗机器，因为一旦计划完成后就被存储在中央服务器内，治疗单元也是直接使用相同的数据库。

执行剂量验证（DQA）在计划工作站上进行。当计划完成后，在列表中选择一

个经过CT扫描的体膜，把计划转移到体膜上。实际测量过程中体膜中有胶片和电离室，并且按照实际治疗进行测量。因为TomoTherapy的兆伏级CT的扫描剂量非常低，所以可以象对患者摆位一样来放体膜（下一节详细描述）。胶片曝光后用16位的胶片扫描仪（由TomoTherapy提供）扫描。用户还可以使用Gafchromic胶片（免冲洗胶片）通过普通的扫描仪导入到系统中。将胶片中的数据导入到计划系统中，选择预先做好的胶片刻度曲线，将黑度转化为剂量。电离室的测量点可以在体膜上标定出来，计划系统可以自动计算一个或多个标定点的剂量，通过表格列出，可以将测量值输入表格中。如果胶片的曝光剂量在线性响应区域，还可以通过电离室的测量值进行归一（依赖于体膜的类型），这样就可以避免每天进行胶片刻度校准。胶片的测量值和计划系统的计算值可以通过等剂量线、剂量剖面线、gamma图或gamma柱状图来比较。

多个厂家开发了专门用于TomoTherapy? Hi·Art?治疗系统的二极管测量矩阵，可以用来进行每天、每周、每月和每年的QA。

操作控制台由一台计算机来负责CT扫描参数、通过比对做计划CT影像和摆位前扫描的MVCT影像来调整患者摆位误差，以及治疗患者的工作。在分级菜单中选择患者、疾病和治疗计划。当患者进入机房后，治疗师可以在机器的左右两侧的显示屏幕上看到患者的照片。在操作计算机会显示诊断CT的矢状面影像，在计算机上旋转扫描层厚和范围，扫描后可以获得CT重建影像。在操作计算机上在线配准新扫描的MVCT影像和计划CT影像。自动配准、融合影像有多个选择方案，可以在几秒内完成自动融合。可以在横断面、矢状面和冠状面上观察影像融合的结果。有多个工具来辅助检查融合的效果，可以通过棋盘格的显示方法同时显示计划CT影像和摆位前扫描的CT影像，可以在CT影像上显示感兴趣区域、等剂量线和等剂量云。可以通过三个层面上（横断面、冠状面和矢状面）手动微调来配准影像，还可以修正X/Y/Z三个方向上的偏转。一旦医生认可了摆位误差的修正数据，床可以自动完成Y和Z方向的误差修正。在X方向的偏转可以通过修改机架起始角度来自动完成。Y/Z方向的偏转如果需要可以通过手工完成修正。当修正好摆位误差（影像引导）就可以开始治疗了，由于治疗过程中，加速器进行连续螺旋照射，所以只需要初始化一次。如果治疗过程中发生中断，记录验证系统将自动生成一个补充计划来完成原先被中断的治疗。

Helical TomoTherapy SM的治疗时间即使包括了CT影像引导也比常规加速器不使用影像引导的IMRT治疗时间短【10】。例如，常规的影像引导的前列腺治疗只需要15分钟，头部和颈部的治疗需要20分钟，中枢神经或立体定向治疗只需要30分钟的治疗时间。由于采用连续照射方式，所以任何部位的照射通常都只花几分钟的时间，放射生物学效应和普通加速器不采用调强放疗时一样【11】。

Helical TomoTherapy SM减少了放射治疗的技术难度，医生可以有更多的时间考虑医学问题。因为TomoTherapy提供了更好的正常组织保护能力，所以更多的复杂计划变得可以采用放射治疗或考虑加速分割治疗方式。因为要害器官周围的剂量分布可以被很好的避开，所以即使靶区治疗体积很大而且要害器官被勾画在靶区内，仍然可以进行适形规避要害器官；出于预防目的，可以更好的避开敏感组织【3,12】。因为每天都使用CT进行影像引导，所以计划时的靶区体积扩放

可以尽可能减少，这样在保证了肿瘤剂量的同时尽可能的降低正常组织受量。

目前全球大约有200台TomoTherapy Hi·Art?在大的学术型医院或社区医院运行。其中一些放疗中心有严格的临床研究方案， TomoTherpay的功效和效率被仔细的记录下来。其它的放疗中心进行了大量的各种部位肿瘤的影像引导的调强放疗（每天治疗超过30人）。这些肿瘤中心的报告显示TomoTherapy可以显著减少放疗的副作用，例如在前列腺治疗时直肠几乎没有红肿【17】，在头颈部治疗中极大减少了黏膜溃疡。

采用影像引导时TomoTherapy Hi·Art?的治疗时间：＊

部位在机房内的时间治疗时间（照光）影像引导时间

食道 17分钟4分35秒2分17秒

胸部 21分钟6分29秒1分41秒

头颈部 13分钟4分13秒1分0秒

直肠 15分钟4分32秒1分43秒

肝脏 17分钟7分26秒1分47秒

膀胱 15分钟4分18秒1分47秒

＊Courtesy of Southeast Regional Cancer Center, Tallahassee, FL

工作流的改进

2006年研发的自适应治疗计划是紧密结合了CT和治疗系统并有一系列工作步骤来保证放射治疗的精度和质量。用每天的MVCT摆位影像来计算实际的照射剂量【13】。考虑了患者靶位误差并比较实际照射剂量分布和计划剂量分布的分别。如果实际照射中靶区剂量过低，可以重新优化计划那么在剩下的分次照射中可以补足。典型的自适应计划流程可以每周评估实际剂量，然后根据需要修整计划。每周都进行实际剂量的评估和修正，可以尽可能的保证治疗计划的准确实施。

在TomoTherapy上，最体现其功能多样性的可能就是StatRT功能。它可以有效处理病情紧急的患者或简单治疗（例如，镇痛治疗），相比于传统的AP/PA野它的剂量分布更接近于3维适形。患者躺在TomoTherapy的床上就可以做CT扫描，方便的工具便于快速的在3维空间上勾画轮廓。采用MVCT影像就可以计算剂量，算法采用精确的卷积/超迭代算法。由于无需预先计算子野，计算速度较快。计划系统马上就可以出计划进行治疗。整个过程可以在30分钟内完成。对于简单的病例，随后的分次治疗可以或不必每次做摆位CT扫描。当治疗病情紧急的患者时，StatRT软件远快于常规的治疗过程。StatRT软件包帮助TomoTherapy 更加适合临床的需求。

图3：StatRT TM治疗：分5次照射20Gy。出光照射时间为7.74分钟。肠和肾脏受到非常好的保护。

Image courtesy of Ottawa Regional Cancer Centre, Ottawa, Canada

TomoPortal TM

运用TomoPortal工具，医生可以在TomoTherpay上浏览世界各地的影像引导的摆位信息或治疗计划，只需要使用满足美国HIPAA要求的互联网应用程序。

高精度的治疗床

高精度的治疗床的可靠精度达到了亚毫米级，在平移时的精度也不变。Z轴的耐压升降螺杆和X、Y轴马达配合，在交互式的软件控制下保证了实施3维位置监控。满足了CT引导的IMRT、SBRT、SRT和SRS高精度治疗的要求。

运动控制

TomoTherapy当前工作平台可以在通过体外限制靶区运动范围的情况下非常好的掌握靶区运动。采用市场上的胸腹部负压垫定位组件来进行限制靶区的运动范围。TomoTherapy在螺旋照射中同一靶区层面会有多次重叠，所以对于运动器官的剂量分布不同于传统C臂加速器。弗吉尼亚大学的研究人员对TomoTherapy 治疗运动靶区进行了研究，并得出结论“TomoTherapy对于运功靶区的治疗以及大剂量分割治疗是安全的” [20]。 TomoTherapy治疗运功器官的另一个优势在于在治疗时间上，因为TomoTherapy一直连续照射，无需停顿。

目前TomoTherapy有一个正在研发的项目（WIP）可以被称为四维断层放疗技术4D TomoTherapy SM。它需要4D的CT扫描影像序列，在4维CT影像扫描后即可得到患者的呼吸运动模式。医生只需要在一个时相上勾画相应轮廓，其它时相的轮廓可通过变形配准功能进行自动勾画。计划优化时需要得到每一个时相上的

变形配准的剂量分布，所以每一个时相的分段剂量分布可以进行最后累计叠加。另外，对于运功靶区治疗的目标是在治疗过程中保证100％射线都在使用。

精确的计划和实施

因为解剖结构的复杂性，有时对于射线敏感的正常器官会非常接近被治疗的靶区，比如头颈部肿瘤可以说是最复杂部位的肿瘤之一，要求给予靶区以精确的治疗剂量同时避开要害器官。在2001年肿瘤放射治疗合作组织（RTOG）颁布了第一个IMRT放疗规范协议，H-0022，就是针对I/II期口咽部肿瘤的。此协议要求多个靶区的治疗剂量均匀分布，并且避开要害器官，比如脊髓、腮腺、脑干和其它未明确定义的组织。图4是一个根据此协议做的一个案例。

根据此协议，脊髓外扩5mm边界，其剂量必须低于45Gy。而此协议对于腮腺有非常严格的指导要求。

1.对任意一侧腮腺的平均均剂量要小于26Gy；或者

2.至少50％任意一侧的腮腺体积受到剂量小于30Gy；或者

3.双侧腮腺至少要有20cc的累积体积的剂量小于20Gy；

图4：（a）是CT影像，根据RTOG H0022协议所做患者计划的轮廓和剂量云分布。（b）是这个患者的DVH。上图CT横断面中组织轮廓线的颜色和下图中曲线颜色相同表示为同一器官。TOMO计划显示协议中所有的要求都被满足或被超越。

TomoTherapy可以在临床常规运用中非常容易地满足RTOG H-0022协议的苛刻要求。可以在影像上看到剂量递减的非常快，尤其在靶区和腮腺的连接区域。采用CT影像引导的摆位后可以保证每次治疗的准确性。采用一体化的QA工具可以用来验证治疗剂量的准确性和精确性（见图5）。

图5：左图是在操作工作站上可以看到的计划CT影像和MVCT影像进行影像融合的图片。右上的影像是通过DQA工具得到的辉度调整过的剂量分布。右下的图像是右上图像中水平红线的实测剂量剖面线和该位置计划计算剂量的剖面线比较。

多样性和简化性

对全脑全脊髓的病人治疗通常采用俯卧位进行。而对于小儿患者，通常由于需要进行全身麻醉和通气而变得非常麻烦和困难。传统放疗中采用非共面的对穿野进行脑部照射，然后用多个野接野治疗脊髓，同时还要移动衔接线来避免热点和冷点。如果采用TomoTherapy就完全不用考虑衔接野的问题，TomoTherapy独有160cm长的调强治疗能力可以轻松应对这种病例。患者可以采用舒适的仰卧位进行治疗，医生可以一次摆位就完成全脑、全脊髓的照射，无需多次进入机房摆位，而且在保证了眼睛、耳蜗、甲状腺、肺、心脏、肝脏、肾脏和肠道的低剂量的同时，靶区可以得到非常均匀的剂量分布。图6是采用TomoTherapy治疗全脑、全脊髓的病例：

图6：TomoTherapy治疗全脑、全脊髓的案例。请注意甲状腺、心脏、肺、肝脏、肾脏和海马区域，可以看到这些组织被很好的避开了。

Image courtesy of City of Hope Cancer Center, Duarte, California

影像引导下的剂量引导放疗

前列腺肿瘤不仅对高剂量而且对分次大剂量（大分割）都有很好的响应。TomoTherapy? Hi·Art?的影像引导系统为大分割技术提供了方便而又精确的平台，医生每天都可以根据得到的治疗前CT影像来瞄准前列腺靶区，因为由于直肠和膀胱的充盈程度每天都会不同。

图7是计划CT影像的直肠充盈程度和每天的影像引导MVCT影像做的比较。

图8是在TomoTherapy的每天CT影像上显示剂量分布的情况。

图7：显示同一患者在连续三天影像引导的图像下直肠充盈程度的不同。箭头指出的位置是前列腺和直肠的相邻区域，此区域被用来做靶区体积对准的边界。可以发现如果前列腺的位置对准了，体表位置却偏差了，所以对于前列腺患者来说还是以体内前列腺解剖位置为准，不能对体表标记。

图8：每天治疗前在影像引导图像和计划CT图像融合的影像上显示计划剂量分布。

浅表部位的治疗

通常对于浅表部位治疗的误解是只能用电子线或非常低的X线。事实上这并不正确，使用TomoTherapy可以通过调整子野的入射角度来得到建成区，真正治疗浅表部位的肿瘤。这解决了电子线需要接野的麻烦，并使得TomoTherapy可以在临床上很好治疗浅表肿瘤（请见下面的案例）。

图9：左图是威斯康星肿瘤中心的案例，右图是德国海德堡大学肿瘤中心的案例。立体定向放射治疗

TomoTherapy具有的影像引导功能和螺旋照射方式十分适合做立体定向放射外科（SRS）和治疗。使用MVCT引导的患者摆位是立体定向放射治疗需要使用参考座标系统为治疗提供患者信息的良好范例。相对于传统的SRS计划中使用头环和其它立体定向硬件来定位参考系统座标，并将靶区放在加速器的等中心位置，TomoTherapy系统使用MVCT影像作为参考信息。实际上，使用患者真实的解剖位置影像要远远优于使用头环为基础的立体定向放疗系统，还是更直接的对准靶区的方法。图10举例说明如何使用MVCT帮助立体定向手术中的摆位。需要注意的是治疗的摆位位置相关于TomoTherapy的系统等中心，就像计划是摆位位置相关于CT扫描的等中心一样。同样要强调的是在图10中可以看到对于TomoTherapy来说多靶点的治疗也只需要一个等中心。这是因为优化时考虑了射野的适形并由二元气动多叶光栅来实现，旋转中可以根据需求打开相应的叶片。

图10：患者摆位过程中使用MVCT做为立体定向座标系统。使用每天治疗前CT 影像作为连接计划影像座标系统和治疗机座标系统的桥梁。

立体定向手术的剂量分布通常是由大量的汇聚型的射线束流造成的，即可以是由大量的辐射源构成（例如：伽玛刀），也可以是通过多个射线束流弧组成（传统加速器）。在任何一种方法中，束流都重叠在一个区域导致剂量高度聚焦。这种剂量分布的特点是在靶区外围的剂量衰减很快，一般公认这种方法满足放射外科治疗的要求。TomoTherapy是基于弧形照射的治疗方法，并且在所有照射角度上都有额外的强度调制能力。大量束流照射角度加上在每个角度上的强度调制能力的综合效用，在保证了靶区外剂量快速递减的前提下增加了靶区剂量的适形度和均匀度。下图显示的高剂量紧缩的分布是通过非常多的束流角度和强度调制来完成的。图11(a)显示了“马蹄”形靶区适形剂量，紧缩的高剂量均匀的分布在靶区（红色区域）。图11(b)显示了多靶区外的剂量快速下降的能力。这显示了综合束流聚焦和束流强度调制的优势。

图11：(a)“马蹄”状的剂量分布显示了TomoTherapy螺旋调强照射在剂量梯度快速下降和靶区剂量高度适形的优势。(b)在多靶区治疗时，靶区外的剂量快速下降，而且这三个靶区可以在一次治疗中完成。只需一次摆位，一个治疗中心。

Radionics公司开发了一个针对TomoTherapy专用的头架适配器以配合其立体定向头架。这使得立体定向外科手术业内的有创和无创的标准的头架可适用于TomoTherapy的治疗系统。但对于立体定向手术，影像引导的确定患者靶位方式和传统立体定向手术确定靶位的最重要的区别是头架座标系统不再是定位系统的基础，现在用影像引导的图像来配准患者靶区。这意味着头架在治疗中的角色仅仅起到一个固定作用，不再用做立体定位坐标系统（现在通过影像引导完成）。图12显示了Radionics头架适放在TomoTherapy治疗床上。这个InterFix TM头架适配器附件通过治疗床上的定位孔稳定地固定在治疗床上。请注意BRW标记也安装在头架上了，这可以帮助在计划CT上和MVCT影像引导上对准靶区。

图12：Radionics头架通过InterFix TM头架适配器稳定地安装在TomoTherapy治疗床上。适配器通过治疗床上的定位孔固定在治疗床上。

积分剂量 (Integral Dose) 的考虑

积分剂量可以被定义为所关注区域体积的剂量体积求和或简单定义为一个区域体积的平均剂量乘以该体积。对于传统的光子照射治疗，不论采用何种技术（3D 或IMRT），对固定在中心的靶区来说积分剂量是基本不变的。D’Souza和Rosen 等人研究表面调强治疗（IMRT）方式趋向于给较大体积予较低剂量，然而对于适形放射治疗来说其积分剂量是不变的【14】。调强治疗和适形治疗对于正常组织的积分剂量都远远优于过去传统的2维照射技术。图13显示Aoyama博士等人的关于5个前列腺肿瘤患者直肠壁和非肿瘤组织（总轮廓体积减去CTV）不同计划受到的积分剂量[15]。所有计划的处方剂量按照95％体积的前列腺PTV 受到70Gy的剂量。剂量计算采用卷积/超迭代算法，忽略主准直器和叶片漏射产生的影响。用TomoTherapy治疗时直肠壁的受量略低于其它技术。所有采用6MV 能量照射技术（三维适形、调强和TomoThrapy治疗）对于直肠壁和非肿瘤组织都产生相似的积分剂量，并且这个积分剂量略高于20MV能量治疗结果。但如果考虑到叶片漏射的影响（见图2）和由高能射线激发的污染中子线，基本上可以忽略高能射线治疗模型中低积分剂量的优势，高能（20MV）技术可能比低能（6MV）方式产生实际较高的积分剂量。

积分剂量的放射生物学的效应和影响目前是一个没有定论的问题。对于相同的积分剂量来说，低剂量的受照体积大是好还是坏？还是高剂量集中于比较小的体积好？【16】根据线性无阈值假说，这都没有关系。如果增加了阈值，可能允许更多的亚致死损伤修复，因而可能发生致癌作用。然而，对于具有高致癌风险的正常组织是比较容易确定的（如乳腺和肺），而TomoTherapy和IMRT总体说来更容易使这些组织受到较好保护。这些因素需要特别的考虑，尤其是对于较年轻的病人而言。

图13：5个前列腺患者的积分剂量比较。上图是非肿瘤组织的积分剂量，下图是直肠壁的积分剂量。圆圈代表5个患者的平均剂量，竖线段表明范围。

TomoTherapy系统的临床要求

TomoTherapy是一套完整的系统，它只需要电、空调、MLC用的压缩空气和比一般IMRT设备更小的房间面积以及更少的辐射防护要求(因为机架内已包含主射线阻挡块)；TomoTherapy不同于传统加速器，治疗床不需要在水泥地板上预先埋设基座，可以直接快速安装在地板上。

TomoTherapy机器在工厂就会先组装好、并经过一系列测试和治疗计划模型验证，然后再运往医院。当机器运达医院时，它几乎已经是装配好了，可以通过滑轮直接推进机房。通常只需要花几天时间装配剩余的部件，完成布线和管道，安装操作控制台就可以接通电源了。TomoTherapy公司的临床科学家会在机房里进一步完成系统的机械结构和照射性能的检测。在安装完成前会完成影像引导、射线模型和调强计划照射剂量参数的验证。专门的治疗师、剂量师和物理师团队会负责培训医院的相关人员，并协助完成前几次的病人QA和治疗。从在医院安装开始到开始治疗病人，这些步骤通常只需花费6周时间。

除了提供最佳的治疗效果，TomoTherapy系统还非常的简单易用。在目前普遍存在的缺乏丰富临床经验的物理师和操作人员的情况下，简单易用非常重要。

考虑到系统的所有成本，对于TomoTherapy的总投资成本其实是低于传统IMRT/IGRT加速器的。事实上TomoTherapy系统的总成本并不高，这是因为：

1.TomoTherapy所需要的机房面积很小；

2.TomoTherapy带主射线屏蔽功能，机房的防护要求也低；

3.预先完成的治疗计划建模和校验工作，现场所需的物理检验时间更少；

4.简便、交互式的计划系统减少了计划时间；

5.一体化的质量控制系统，减少了QA的时间；

6.相比于其它的IMRT治疗系统，所需的资源和人力更少。

作为一个高度集成的影像引导下的IMRT系统，TomoTherapy的治疗在美国完全适用于CMS下APC/CPT保险支付条款，包括的代码项目有IMRT、影像引导、颅内和颅外的立体定向放射外科和治疗以及全身放疗TBI等。

总结

TomoTherapy螺旋断层放射治疗系统是高度集成了CT扫描系统和直线加速器功能的综合体，在使用同一个集成的中央数据库的情况下能够进行高精度的影像引导下的调强治疗。病人在连续移动的同时，在滑环机架上连续旋转的、强度可调的扇形束对患者进行治疗。TomoTherapy可以产生高度适形并且均匀的剂量分布，无论是治疗小的区域如立体定向放射治疗，还是治疗非常大的区域如全骨髓照射，都可以很好保护无关器官。

集成的CT可以高效率的提供每天的影像引导，获得的引导图像可以自动融合，在三维空间上校准靶区的摆位误差。该扇形束MVCT影像还可以被用来做姑息放疗和紧急治疗病人的放疗计划（采用StartRT TM软件）。

用作影像引导的图像除了可以帮助精确摆位患者，其高度准确一致的Hounsfield 值（象任何诊断CT机一样）还可以用来做治疗计划【19】和自适应放疗计划。这可以让医生验证在调整患者位置后（摆位）实际的剂量分布，还可以应对任何的诸如体重减轻或器官变形造成的解剖位置改变。

TomoTherapy在全球临床应用超过200台，在美国、加拿大、拉丁美洲、欧洲、亚洲每年进行近2百万次的CT影像引导下的调强治疗。

IGRT和IMRT开辟了肿瘤放射治疗的新领域，它们在更好的控制肿瘤的情况下改善了患者的生存质量。TomoTherapy作为一个从一开始就被设计用来进行IGRT和IMRT治疗的设备一直站在了技术发展的最前沿，而且把IGRT和IMRT 技术发展的更为简单高效。

参考文献：

1. Swerdloff S, Mackie TR, and Holmes TW, Method and apparatus for radiation therapy, US Pat. 5,317,616, 1994.

2. Mackie TR, Holmes T, Swerdloff S, Reckwerdt P, Deasy JO, Yang J, Paliwal B, and Kinsella T, Tomotherapy: a new concept for the delivery of dynamic

conformal radiotherapy, Med. Phys., 20:1709-1719, 1993.

3. Mackie TR, Holmes TW, Reckwerdt PJ, and Yang J, Tomotherapy: optimized planning and delivery or radiation therapy, Int. J. Imaging. Sys. and Tech. 6:43-55, 1995.

4. Olivera GH, Shepard DM, Ruchala KJ, Aldridge JS, Kapatoes JM, Fitchard EE, Reckwerdt PJ, Fang G, Balog J, Zachman J, Mackie TR Tomotherapy. In Modern Technology of Radiation Oncology edited by Van Dyk J (Medical Physics Publishing, Madison) 521-587, 1999.

5. Mackie TR, Kapatoes J, Ruchala K, Lu W, Wu C, Olivera G, Forrest L, Tome W, Welsh J, Jeraj R, Harari P, Reckwerdt P, Paliwal B, Ritter M, Keller H, Fowler J,

and Mehta M, Image guidance for precise conformal radiotherapy, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 56(1):89-105, 2003.

6. Mackie TR, Olivera GH, Kapatoes JM, Ruchala KJ, Balog JP, Tome WA, Hui S, Kissick M, Wu C, Jeraj R, Reckwerdt PJ, Harari P, Ritter M, Forrest L, Welsh J, Mehta MP. Helical tomotherapy. In Intensity-Modulated Radiation Therapy: The State of the Art, eds Jatinder Palta and T. Rockwell Mackie (American

Association of Physicists in Medicine, College Park MD) pp 247-284, 2003.

7. Jeraj R, Mackie TR, Balog J, Olivera G, Pearson D, Kapatoes J, Ruchala K, and Reckwerdt P, Radiation characteristics of helical tomotherapy, Med. Phys.,

31(2):396-404, 2004.

8. Ruchala KJ, Olivera GH, Schloesser EA, Hinderer R, Mackie TR. Calibration of a tomotherapeutic MVCT system. Phys. Med. Biol. 45 27-36, 2000.

9. Followill D, Geis P, and Boyer A, Estimates of whole-body dose equivalent produced by beam intensity modulated conformal therapy, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 1;38(3):667-72, 1997; Erratum in: Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.,

1;39(3):783, 1997.

10. Mackie TR, Hughes J, Olivera G, Kapatoes J, Ruchala K, Ramsey C, Kissick, M, Jeraj R, The Delivery Time for Helical Tomotherapy, The XIVth International Conference on the Use of Computers in Radiation Therapy, pp750-752, 2004

11. Fowler JF, Tome WA, Fenwick JD, and Mehta MP, A challenge to traditional radiation oncology, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 60(4):1241-56, 2004.

12. Aldridge JS: Tomographic patient registration and conformal avoidance tomotherapy. Dept. of Medical Physics; 1999, Madison: University of Wisconsin. 13. Kapatoes JM, Olivera GH, Balog JP, Keller H, Reckwerdt PJ, and Mackie TR, On the accuracy and effectiveness of dose reconstruction for tomotherapy, Phys.

Med. Biol. 46:943-966, 2001.

14. D’Souza WD, Rosen II. Nontumor integral dose variation in conventional radiotherapy treatment planning. Med Phys 30: 2065-2071, 2003.

15. Aoyama H, Westerly DC, Mackie TR, Patel RP, Jaradat H, Olivera GH, Tomé WA, Ritter M, and Mehta MP, Integral radiation dose to normal tumor structures with conformal external beam radiation. Submitted to Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2005

16. Hall EJ, Wuu CS. Radiation-induced second cancers: the impact of 3D-CRT and IMRT. Int J Radiat Oncol Biol Phys 56: 83-88, 2003.

17. Wong J, Lu A, Schultheiss T, Targeted Total Marrow Irradiation Using Three- Dimensional Image Guided Tomographic Intensity-Modulated Radiation Therapy: An Alternative to Standard Total Body Irradiation 2006 American

Society for Blood and Marrow Transplantation 1083-8791/06/1203-0008

18. Cozzarin C, Fiorino C, Significant reduction of acute toxicity following pelvic irradiation with Helical Tomotherapy in patients with localized prostate cancer. Radiotherapy and Oncology 84:164–170, 2007

19. Langen K, Meeks S, The use of megavoltage CT (MVCT) images for dose recomputations, Phys. Med. Biol. 50 (2005) 4259–4276

20. Kanagaki B, Read P, Molloy J, A motion phantom study on helical tomotherapy: the dosimetric impacts of delivery technique and motion, Phys. Med. Biol. 52 (2007) 243–255

第5章 Arena概述与仿真建模基本操作16

第5章Arena建模基本操作 5.1 Arena建模概述 5.1.1Arena功能与特点 Arena是一种支持用于离散事件仿真可视化交互式仿真软件(VIS)。应用Arena，用户可以交互地建立模型，创建系统的动画，运行仿真器，收集仿真输出的数据，创建查看需要的统计报告。Arena还包括输入分析器，它是一个输入数据分析的工具。 用流程图将系统表示成实体相关活动的逻辑网络。 Arena通过完整层次化结构(hierarchical)保持了建模的灵活性。Arena支持分层建模，即一些模型元素可以代表一个下层模型；下层模型可以包含更深一层的模型。分层建模可以将复杂的模型分解成更小更容易理解的模型单元。

5.1 Arena建模概述 5.1.1Arena功能与特点 提供了13个(Arena10.0)建模模板(Template)，每个模板中提供了许多用于图形仿真建模与分析的模块(Module)，将这些模块组合起来就能构建出各种不同的仿真模型(Model)。 为了便于组织和显示，各模块按类型组合在一个面板(Panel)中构成模板。通过面板间的切换，可以很方便地找到所有的仿真建模构件集。不同模板的面板中的模块可以在同一个模型中混合使用。 Arena是与微软Office兼容的产品，它的工具栏和菜单栏与Office是类似的。同时Arena使用网络化多媒体动画技术（OLE 动画）和VBA视窗技术与桌面应用程序的整合。嵌入在流程导航工具Visio里的接口使得用Visio画的流程图可以自动导入Arena中。 5.1 Arena建模概述 5.1.1Arena功能与特点 Arena应用领域 ?物流领域，Arena的应用涉及从供应商到客户的整个供应链，包括供应 商管理、库存管理、制造过程、分销物流、配送中心选址规划/商务过 程以及客户服务等。 ?制造过程仿真： ①生产过程中的工艺过程计划、设备布置等； ②生产管理中的生产计划、库存管理； ③制造过程的经济性、风险性分析，辅助企业投资决策； ④各种先进制造模式如虚拟组织及敏捷供应链管理的可视化仿真等。?服务系统应用，Arena常用来进行医疗系统的医院临床设备、医生、护 士的配备方案选择和医疗改善等；交通运输中的高速公路的交通控制， 出租车的管理和路线控制，港口运输计划模型，车辆调度；公共服务的 紧急救援系统等。

Arena软件仿真案例两则

1.某企业平均每隔0.5小时收到一个客户订单，客户订购的数量有10%的可能 性是1件，30%的可能性是2件，40%的可能性是3件，20%的可能性是4件。企业在收到顾客订单后，首先检查现有库存是否能满足顾客订单的需求。 如果库存数量大于或等于顾客订单订货数量，则直接向顾客交付货物。如果库存数量小于顾客订单订购数量，有25%的顾客愿意选择继续等待，而其他顾客则会选择其他企业另行购买。这些选择继续等待的顾客中，最短的在等待1小时后向企业查询是否到货，最长的在等待48小时后向企业查询是否到货，而大多数顾客会在等待24小时后向企业查询是否到货。如再次查询仍未到货，这些顾客有75%的可能选择其他企业另行购买。 该企业对该产品的库存控制设有最大和最小值。该企业的仓库管理员每隔1小时检查一次该商品的库存情况，如果该商品库存低于最低的安全库存，则向供应商发出采购订单，订购数量是当前库存水平到该商品最大库存之差。 采购订单发出后，会在96小时后收到供应商送货。该企业现有该商品库存500件，该商品向供应商采购单价为380元/件，该商品的天库存持有成本为采购单件的0.05%，每件商品的缺货成本是10元，每次订货成本是3000元。 问：对于表1所示的几种库存控制的方案，以30天为限，哪种从成本上是最优的？ 表1 不同的库存控制方案 方案 1 2 3 4 5 最大值2000 1200 1000 1800 1500 最小值300 320 280 250 500

2.一个小型的配送中转系统有3个运入站和4个运出站，卡车以时间间隔UNIF （35,55）到达3个运入站中的一个，每辆卡车包含的托盘数为UNIF（15,30），假设卸载时间为0。每个托盘以相同的概率被送至其中一个运出站，站前的运输由3个叉车来完成，叉车的运送速度为每分钟60英尺。假设任意一对运入站和运出站之间的距离均为50英尺，同时假设相邻的运入站之间或相邻的运出站之间的距离为15英尺。 （1）建立以上问题的仿真模型。如果没有新的运送请求，假设叉车停留在最后卸载的地方。 （2）修改模型，使空叉车都返回到中间的运入站（运入站2）等待下一次装运。 （3）修改模型，为每个运入站分配一辆叉车，当没有运送请求时，叉车都返回到所分配的运入站区。 将托盘的系统逗留时间作为主要性能指标，比较以上三种系统的结果。要使用恰当的统计分析来支持你的结论。

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第一章：基础知识 本节介绍安装到硬盘上以后如何创建Arena的工作环境。 的安装和调试 的安装同一般的软件类似，打开disk1文件夹，双击应用文件运行安装程序，设置好安装路径后开始安装，安装结束后点击Finish完成安装。 如果是在Windows98操作系统下安装需要在安装前预装Visual Basic ，否则，不能运行。 的面板、菜单和工具栏 1.2.1 A的启动 在Arena安装完成后，Arena会在桌面上自动生成快捷方式的图标，双击图标即可进入Arena界面；同时，也可以在硬盘上的Arena\目录下双击文件进入。 在进入Arena后点击工具栏上的新建图标,打开的操作桌面（Desktop），如图1-1：

图1-1 1.2.2 Desktop操作桌面简介 1．操作桌面的结构 Arena提供了十分方便的操作桌面以保证用户能够快速、简洁的建立仿真模型。 Arena的操作桌面主要由工具栏（Toolbars）、菜单栏、状态栏（Status bar）、建模界面组成。下文对这几部分的主要功能将一一介绍。 2、工具栏：工具栏集中了我们建立仿真模型所要用到的主要工具，它由Standard（标 准工具栏）、（视图工具栏）等组成，下面将注意介绍： Standard：这个工具栏提供了新建、保存和打印等功能，如图1-2： 图 1-2 View：提供了视图功能，用户对建模区进行视图操作如图1-3： 图 1-3 其中经常用到的功能有： Zoom in：放大 Zoom out：缩小 View All：建模区全部视图，即，以建立模型的全部视图。 View Previous：当前视图的前一视图。 View Region：选择视图区域。 Arrange：为了用户能够创建生动、形象的动画，提供了功能齐全的绘图工具，Arrange工具栏（图1-4）就是为Arena的绘图提供支持的。 图1-4 它主要的功能有：

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离散时间系统仿真 第一章：Arena3.0基础知识 本节介绍Arena3.0安装到硬盘上以后如何创建Arena的工作环境。 1.1 Arena3.0的安装和调试 Arena3.0的安装同一般的软件类似，打开disk1文件夹，双击应用文件Setup.exe运行安装程序，设置好安装路径后开始安装，安装结束后点击Finish完成安装。 如果是在Windows98操作系统下安装Arena3.0需要在安装前预装Visual Basic 6.0，否则，Arena3.0不能运行。 1.2 Arena3.0的面板、菜单和工具栏 1.2.1 Arena3.0的启动 在Arena安装完成后，Arena会在桌面上自动生成快捷方式的图标，双击图标即可进入Arena界面；同时，也可以在硬盘上的Arena\目录下双击Arena.exe文件进入。 在进入Arena后点击工具栏上的新建图标,打开Arena3.0的操作桌面（Desktop），如图1-1： 图1-1

1.2.2 Desktop操作桌面简介 1．操作桌面的结构 Arena提供了十分方便的操作桌面以保证用户能够快速、简洁的建立仿真模型。 Arena的操作桌面主要由工具栏（Toolbars）、菜单栏、状态栏（Status bar）、建模界面组成。下文对这几部分的主要功能将一一介绍。 2、工具栏：工具栏集中了我们建立仿真模型所要用到的主要工具，它由Standard（标 准工具栏）、（视图工具栏）等组成，下面将注意介绍： z Standard：这个工具栏提供了新建、保存和打印等功能，如图1-2： 图 1-2 z View：提供了视图功能，用户对建模区进行视图操作如图1-3： 图 1-3 其中经常用到的功能有： Zoom in：放大 Zoom out：缩小 View All：建模区全部视图，即，以建立模型的全部视图。 View Previous：当前视图的前一视图。 View Region：选择视图区域。 z Arrange：Arena3.0为了用户能够创建生动、形象的动画，提供了功能齐全的 绘图工具，Arrange工具栏（图1-4）就是为Arena的绘图提供支持的。 图1-4 它主要的功能有： Bring to front：移到最上 Send to back：移到最下 Group：合并 Ungroup：取消合并 Vertical Flip：垂直对齐 Horizontal Flip：水平对齐