《Journal of Medical Physics》 2023 年10-12月刊载[48(4):312-327.]加拿大和美国的Navid Khaledi , Rao Khan  , James L Gräfe等撰写的《立体定向放射外科的历史进展。Historical Progress of Stereotactic Radiation Surgery》（doi: 10.4103/jmp.jmp_62_23.）。

放射外科和立体定向放射治疗已成为放射肿瘤学治疗脑和颅外病变的精确领域。随着其他放射治疗方法的发展，这种类型的治疗在各种方式和技术方面取得了重大进展，以提高治疗的准确性和疗效。

本文全面概述了立体定向放射外科(SRS)几十年来的进展，包括对各种文章和研究论文的回顾，从立体定向放射治疗技术的出现开始。介绍了SRS的关键临床方面，如固定方法、放射生物学考虑、质量保证实践和治疗计划策略。此外，本综述强调了治疗方式的技术进步，包括从基于钴源的系统向基于直线加速器的方式的过渡。通过解决这些问题。

本研究旨在为塑造SRS治疗领域的进步提供见解，这些进步最终提高了治疗的准确性和有效性。

引言

立体定向是一种定位和接近大脑结构的方法，通过手术和相关的固定头架切除病变或记录脑电图。1908年，英国的霍斯利爵士和克拉克（Sir Horsley and Clarke）在猴子大脑上进行了第一次尝试。后来，这种方法成为人类脑部手术的一种常见方法。受这种技术及其固定设备的使用，以及用电离辐射替代手术器械的启发，一种被称为立体定向放射外科治疗(SRS)的替代方法被开发出来。

立体定向放射治疗作为放射治疗的一个子集，旨在在有限的治疗次数内为局部肿瘤提供高剂量的每个治疗部分。这种方法可用于治疗大脑或身体的其他部位。根据分割次数、治疗部位和肿瘤的大小，采用不同的方式和技术。术语“立体定向放射外科”(SRS)是指将18 - 25Gy剂量的单次(或两次)分割递送到脑病变处。另一方面，当分割次数增加到5次分割时，每次分割的剂量就会减少，这种技术被称为“立体定向放疗”(SRT)或分割SRT (FSRT)，通常用于较大的肿瘤。此外，在某些情况下，2-5次分割大分割SRS治疗也可用于维持肿瘤控制，同时减少正常组织并发症。对于头颅外的肿瘤，如肝、肺、骨和前列腺，治疗被称为立体定向体部放射治疗(SBRT)或立体定向消融放疗，其以1-12次分割的剂量提供30-60 Gy。

放射外科治疗相对于外科手术的主要优点是它的非侵袭性，它不需要脑干等关键区域的能力，以及它对多发性肿瘤的治疗。此外，部分脑肿瘤仅采用SRS治疗的局部复发概率低于单纯手术。所有这些加上较低的副作用提高了患者的生活质量。此外，与全脑放射治疗相比，患者的副作用更小。治疗时间也比传统的放射治疗短得多，通常需要2-3周。

近年来，在SRS和SBRT领域取得了重大进展。这些非侵袭性技术为各种颅脑和颅外病变的患者提供了精确和高度针对性的治疗选择。SRS和SBRT治疗的出现是由技术、成像方式、治疗递送系统的发展和对放射生物学的进一步了解推动的。这些进步改变了放射治疗的面貌，在保持甚至提高治疗效果的同时，为患者提供了更舒适、更有效的治疗体验。此外，美国医学物理学家协会(AAPM)等组织在制定SRS和SBRT的指南和协议方面发挥了至关重要的作用，178任务组提供了全面的建议，以确保安全有效地实施这些技术。

自SRS治疗出现以来，已经过去了半个多世纪。在此期间，已经开发了几种SRS和SRT技术和模式，如伽玛刀(GK)，射波刀，VERO， Zap-X，以及基于直线加速器(LINAC)的治疗。在这篇综述中，我们将主要关注立体定向技术治疗颅内病变，并讨论立体定向技术和立体定向技术的历史、背景、技术、工艺、临床基础和挑战。

立体定向放射外科和立体定向放疗的历史

放射外科通常与神经外科医生Lars Leksell联系在一起，他在1968年发明了第一代伽玛刀（GK）。他最初使用了在正电压能量范围内工作的X射线管。最终，他和他的物理学家同事Borje Larsson一起使用179个钴-60源，用这种装置治疗了第一批病人。179个钴源位于一个半球头盔上，所有钴源都指向半球的一个焦点。病人被安置在这样一种方式，肿瘤被放置在焦点点的辐照。不同方向伽玛射线的累积效应导致肿瘤内的高剂量和周围正常组织的辐射剂量降低。图1显示了1983年Scanitronix公司(瑞典Uppsala,Scanitronix AB,)销售的第一批伽玛刀（GK）装置之一。在那个时代，由于缺乏适当的成像方式，如计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)来精确定位肿瘤，治疗只针对动静脉畸形(AVMs)，根据血管造影图像，剂量率为30 Gy/min。

图1根据Elekta的许可，Scanitronix公司销售的两台伽玛刀中的第一台。它是由日内瓦的一家名为Nucletec的子公司制造的。1983年，它来到布宜诺斯艾利斯，遇到了很多问题，这意味着Elekta可以收回许可证，然后在1987年以自己的名义将第一台伽玛刀售给匹兹堡。第二艘核技术型在1984年售给了谢菲尔德(图片由ELEKTA提供)。

在那个时代，SRS治疗并不局限于光子束;同时，其他地方也在进行聚焦重粒子辐照的工作。1929年，加州大学伯克利分校的教授欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）发明了回旋加速器。此外，哈佛大学的雷蒙德·凯尔伯格（Raymond Kjellberg）也在研究质子束。最初，在1954年，劳伦斯照射了第一位脑垂体癌患者，但后来在伯克利的利弗莫尔实验室继续使用同步加速器和氦离子进行研究。

在20世纪80年代，Winston和Lutz引入了一种基于Brown-Roberts-Wells (BRW)的系统，该系统通常用于立体定向活检，使用LINAC进行SRT。他们的质量保证(QA)程序，被称为“温斯顿-卢茨（Winston-Lutz）”测试，仍然是诊所中基于LINAC的SRS治疗的主要测试之一。1994年晚些时候，约翰·阿德勒(John Adler)，他在1985年与拉尔斯·勒克塞尔(Lars Leksell)合作，用射波刀治疗了第一批病人[图2]。(美国加州 Sunnyvale的Accuray,)射波刀是一种6 MV的机器人直线加速器，配备实时图像引导[图3]，以消除对侵袭性固定和颅骨框架的需要，可用于治疗身体不同部位的小肿瘤。

图2 1994年，约翰·阿德勒医生和第一位接受射波刀治疗的病人(图片由 John R. Adler提供)。

图3配备C臂成象器的早期射波刀图纸(图片由John R. Adler, MD提供)

除了增强上述设备的功能和精度外，一些机器，如Vero ( 德国Feldkirchen,BrainLAB AG)，是在2010年代初开发的。这些机器配备了执行图像引导SBRT的能力，具有非共面旋转的龙门机架，允许更大程度自由度的治疗和肿瘤的覆盖。近年来，ZAP - x (美国加州 San Carlos, ZAP Surgical Systems)已经被开发出来，它是一种独立的、自屏蔽的脑治疗放射装置，以及头颈部SRS。Zap-X通常不需要辐射掩体，因为它使用2.7兆伏特(MV)加速电位，并采用辐射屏蔽机械结构[图4]。Zap-X利用一个集成的平面千伏(kV)成像系统，该系统围绕患者头部旋转，提供三维(3D)患者登记。

图4 ZAP -X放射外科系统(图片由ZAP Surgical Systems提供)。

射波刀已经从一个锥形模型发展到2.5毫米宽的微多叶准直器(MLC)模型在射波刀M6版本(自2012年)和后来的射波刀S7(2020)，配备在线肿瘤跟踪。( 瑞典Stockholm,ElektaAB,)伽玛刀（GK） 也从最初的U, B和C型发展到在治疗过程中具有准直器变化能力的Perfexion, ICON和Espirit型。ICON型在治疗过程中配备了治疗前锥形束CT (CBCT)和光学运动管理，不再需要刚性的放射外科框架[图5]。另一方面，基于LINAC的系统，如较新的 (德国Frankfurt,Siemens Healthineers AG, )Varian产品，如TrueBeam和Edge，除了CBCT和光学跟踪外，在MLC的中央银行有2.5毫米宽的叶子，以更准确地塑造辐射野。

图5 ICON型，配备锥形束计算机断层扫描和门控的最新型号伽玛刀(图片由ELEKTA提供)。

目前，除了伽玛刀和射波刀等SRS和SBRT 专用系统外，大多数粒子治疗和光子治疗方式都具有立体定向治疗的能力。与此同时，准确的治疗计划、门控的使用和图像引导治疗减少了并发症，在某些情况下提高了患者的生存率。表1概述了近年来SRS和放疗领域的重大发展，突出了关键的里程碑和进展。

表1近年来立体定向放射外科和放射治疗领域的重大发展.

治疗计划

由于MRI和CT是1977年和1971年发明的最广泛用于治疗计划和定位的成像方式，GK的第一次治疗缺乏准确的治疗计划。当时，血管造影或多层断层成像分别用于治疗AVM和听神经瘤。

1968年，对某一特定区域的剂量分布进行了估算，方法是人工将来自不同照射方向和照射方向的剂量曲线加在治疗区域的放射图像上。其中，通过计算有效辐射深度，还考虑了空气或骨的非均匀性。然而，对于GK, 1989年首次尝试估计伽马射线剂量分布。1990年引入了多等中心方法，通过使用两个或多个辐射等中心而不是一个，有效地覆盖不规则形状的肿瘤。

放射治疗计划有正反两种方法。在正向治疗计划中，首先按照能量、重量、形状和方向排列辐射束，通过治疗计划系统(TPS)计算剂量，并查看剂量分布和剂量体积直方图(DVH)结果，由经验丰富的治疗计划人员进行更改。相反，逆向治疗计划现在被大多数医疗中心广泛采用，利用优化算法的计算机治疗计划。TPS算法通过确定每个危及器官(OAR)的剂量靶标/约束、临床肿瘤体积(CTV)和计划靶体积(PTV)，给出定量的治疗目标，从而通过迭代技术优化计划。根据供应商提供的TPS算法和处理技术，可以确定光束的排列和每根光束的重量，以尽可能满足治疗计划的预期目标。

如今，随着影像技术、图像处理技术的进步，以及强大的计算机的发展，逆向计划已经成为诊所规划的主导技术。SRS/SRT治疗计划中的图像处理包括处理和分析医学图像，使用算法和自动化，以提高图像质量，融合不同的成像模式，并自动分割靶标体积(TV)和关键结构，从而实现更有效和精确的治疗计划。这些进步简化了SRS/SRT的流程，提高了准确性，并有助于标准化和优化治疗结果。一些供应商提供基于LINAC、CyberKnife、GK、Zap-X或Tomotherapy的TPS，这些TPS具有自动融合和分割功能。这些产品包括Varian Hyperarc、Brainlab Elements、Raysearch Raystation、和Elekta Monaco支持体积调强治疗(VMAT)或模态特定剂量计算的TPS。

1998年，逆向计划被用于射波刀治疗复杂肿瘤的治疗计划。射波刀计划使用奇异值分解(SVD)来获得允许构象剂量分布的最佳微束权重。SVD是一种应用于各个领域的数学技术，包括图像处理和放射治疗计划。在放射治疗计划的背景下，SVD用于优化和获得最佳的微束权重在TPS中，如射波刀。它是一种矩阵分解方法，将矩阵分解为U、Σ、v三个分量。给定一个m × n的矩阵a，其中m表示行数，n表示列数，则SVD分解可以表示为:

A = UΣVT 公式 1

其中，U是一个m × m的正交矩阵，Σ是一个m × n的按降序排列的奇异值对角矩阵，VT是一个n × n的正交矩阵的转置。Σ中的奇异值表示矩阵A中每个变化模式或组成部分的重要性。

在射波刀治疗计划的情况下，SVD被用于获得最佳的微束权重，从而精确地确定剂量分布。这些权重在实现用射波刀放射外科治疗的复杂肿瘤所需的剂量分布中起着至关重要的作用。

在SRS/SRT治疗计划的当前状态下，各种TPS提供的自动融合和分割方法的发展也取得了进展。这些方法旨在简化多种成像方式的组合过程，并准确描绘TV和关键结构。自动融合技术利用算法和图像配准方法自动对齐和融合不同的成像模式，如CT和MRI，以制定治疗计划。这些方法有助于克服人工融合的挑战，人工融合既耗时又容易出现人为错误。自动融合方法通过实现融合过程的自动化，提高了不同影像数据集间空间对准的效率和精度。

类似地，自动分割方法采用先进的算法、机器学习技术和基于地图集的方法，根据获取的成像数据自动勾画和分割TV和OAR。这些方法减少了对人工轮廓的依赖，这可能是主观的和耗时的，并提供一致和可重复的分割。通过加速分割过程，自动分割方法有助于提高治疗计划的效率和标准化。

重要的是要考虑到自动融合和自动分割方法的性能可能会因各种因素而变化。这些方法的准确性受到各种因素的影响，如所使用的特定算法、输入成像数据的质量、所处理病例的复杂性以及用于验证的准确地面真值数据的可用性。此外，这些方法的准确性应在个案基础上进行评估，并与经验丰富的放射肿瘤学家进行的手动分割进行验证。QA措施，包括目视检查和对地面真实数据的验证，对于确保自动融合和自动分割方法的准确性和可靠性至关重要。

在CT-MR图像配准中，实现可接受的容忍度对于准确描绘靶标和随后的辐射剂量传递至关重要。在SRS/SRT中，CT-MR配准的可接受公差通常以亚毫米精度为目标。然而，重要的是要争取尽可能高的准确性，以确保精确的靶标勾画和治疗计划。先进的图像配准技术和质量保证过程，包括靶视检查和定量验证，在实现准确的CT-MR配准中起着关键作用。具体的容差值可能会根据机构指南、设备能力和治疗团队的专业知识而有所不同。在整个治疗过程中，应实施定期质量控制措施，以验证和保持CT-MR登记的准确性。

现代CT扫描仪提供高分辨率成像能力，使解剖结构的详细可视化。这些技术的改进提高了空间分辨率，改善了图像质量，并更好地描绘了TV。随着CT图像分辨率的提高，靶标定位的准确性提高，关键结构的评估也得到改善，最终提高了治疗精度，改善了患者预后。

虽然在20世纪90年代开始应用MRI作为一种成像方式，与CT相比，它提供了更好的软组织对比来定位肿瘤，但它不可能作为治疗计划剂量计算的主要图像。这一限制是由于MRI图像与CT不同，它不是基于电子密度和霍斯菲尔德单位，而是基于氢的密度。由于康普顿散射是治疗能量的主要相互作用，并且依赖于电子密度，因此在光子治疗的剂量计算中需要电子密度来考虑异质性校正。然而，在应用畸变校正和数学变换后，可以生成伪CT图像。这可以消除对CT和MRI图像融合的需要，并且可以直接在MR图像上进行分割。

1.5特斯拉(T)和3特斯拉(T) MRI扫描仪在SRS/SRT治疗计划中起着至关重要的作用，每种扫描仪都有自己的优势和考虑因素。1.5 T MRI扫描仪在临床实践中广泛使用，与高场强相比更具成本效益。它们为许多SRS/SRT应用提供了足够的图像质量，并允许对TV和周围结构进行充分的可视化。然而，它们可能具有较低的信噪比，这可能会影响精细解剖细节的可见性，并限制小病变或具有挑战性的解剖区域的可视化。

另一方面，3T MRI扫描仪提供更高的信噪比，从而提高图像质量并增强精细解剖细节的可视化。它们在检测小病变和细微的组织变化方面表现出更高的敏感性。通过更好地描绘TV和关键结构，3T MRI扫描仪有助于提高治疗计划的准确性。然而，与1.5 T MRI相比，它们具有更高的成本和有限的可用性。此外，较长的扫描时间可能对固定耐受性有限的患者构成挑战。

为了划定治疗目标，与其他放疗技术类似，根据国际放射单位委员会(ICRU)协议，对总肿瘤体积(GTV)、CTV、肿瘤内部体积和PTV进行分割。然而，在颅脑放射外科患者中，GTV到CTV和CTV到PTV的边缘通常分别小至0 - 1mm和0 - 2mm。对于靶标移动概率较高的其他身体部位，根据技术和治疗机的不同，CTV到PTV的边缘外扩可以稍大一些。例如，脊柱放射外科手术的这个间隙通常高达3mm。此外，处方的剂量与肿瘤的大小成反比。因此，对于小于1cm的脑肿瘤放射外科，处方剂量可能高达22 - 25Gy，但对于较大的肿瘤(2.5 - 3cm)，处方剂量低于18Gy。根据治疗部位，OARs也根据放射治疗肿瘤组(RTOG)的建议和指南进行轮廓。这些程序和其他放射治疗程序一样常见。

PTV的等剂量覆盖范围取决于肿瘤的大小、肿瘤部位和治疗技术。对于GK脑转移放射外科，覆盖PTV的50%等剂量的处方剂量在12-24 Gy之间，即PTV内的最大剂量为24-48 Gy。然而，对于射波刀和基于LINAC的技术，如VMAT，处方剂量按60%-80%等剂量线。由于SRS对小尺寸肿瘤的高剂量一致性要求，在避免高剂量外溢的同时，可在PTV周围构建环形剂量优化结构，或靠近靶点，或稍偏离靶点边缘，如图6所示。在计划优化阶段，根据环的大小、数量及其间隔，确定环的特定剂量约束值。这有助于将高剂量限制在PTV之外。还可以添加同心圆环，以进一步确定靶标周围的剂量梯度。在SRS治疗计划中的小的颅内靶标的情况下，在距靶边缘约5mm的距离内，通常会看到剂量降至50%的处方剂量。为了优化这种剂量一致性和剂量梯度，可以在距离靶标边缘5mm处增加一个环形结构，其限制剂量为处方剂量的50%。然而，在常规放疗中，剂量分布是这样的，95%-107%的处方剂量应覆盖PTV。图6中的环1和环2宽度为5mm，剂量限制设置为DPTV-2%和DPTV/2，其中DPTV为PTV的处方剂量。对于颅骨外较大的靶标，预定的环可以更大，距离PTV边缘可达2厘米。保存图片、插图等的外部文件。

图6在SRS(和IMRT)中使用的方法之一是减少靶外的剂量。PTV和环优化结构用于SRS治疗计划，以控制剂量在靶标外衰落。

与传统放射治疗相比，SRS使用更小、更聚焦的光束，导致剂量梯度陡峭，与传统方法相比，剂量均匀性可能更差。这对周围健康组织造成辐射诱发损伤的风险更高，特别是当肿瘤位于关键结构附近时。然而，SRS的高度聚焦特性允许在保留周围健康组织的情况下向肿瘤提供更高剂量，这在某些情况下可能是有益的。

1993年，RTOG引入了一个称为适形性指数(CI)的概念，以提供对PTV剂量覆盖的估计。适形性指数是处方剂量覆盖的体积与TV的比值[图7]。也称为处方等剂量体积比（the ratio of prescription isodose volume to TV）。然而，在后来的几年里，新的概念被加入，以同时反映PTV和正常组织受照的剂量。van 't Riet 等和Paddick考虑了TV、参考等剂量线所覆盖的靶体积(TVRI)和参考等剂量线体积(VRI)，以定义更可靠的适形性指标:公式2

图7适形性指数(CI)的一个例子。圆圈表示处方剂量。由于处方的等剂量线的体积约为肿瘤体积的两倍，因此本例的CI约为2。

此外，还定义了一个新的适形性指数(NCI)，以获得更准确的PTV覆盖率估计。因为CI提供了PTV覆盖范围的非常一般的估计，所以它对不规则的形状不是特别有效。NCI的定义如下:公式3

式中PV为处方体积，TVPV为TV在处方等剂量线面内的部分。

梯度指数（The Gradient Index）是另一种定量测量，用于评估TV边缘剂量梯度的陡峭度或锐度。它提供了剂量从高剂量区域到周围健康组织的下降速度的评估。更陡的剂量梯度是可取的，因为它表明更好的剂量一致性，最大限度地减少对健康组织的辐射。

这些指标与其他指标如同质性指数、Paddick适形性指数和覆盖指数一起，为评估SRS/SRT治疗计划的质量和有效性提供了定量指标。这些指标帮助放射肿瘤学家和物理学家评估剂量分布、靶覆盖、剂量适形性和剂量均匀性，最终指导治疗计划的优化和改进，以达到预期的治疗效果。

ICRU报告91在SRS和SRT的背景下至关重要，因为它为处方、记录和报告这些治疗提供了全面的指导。这些指南在确保SRS/SRT程序的标准化和安全方面发挥着关键作用。它们促进了包括肿瘤学家、物理学家和剂量测定师在内的医疗保健专业人员之间的合作，他们使用先进的计划系统共同优化治疗计划。ICRU报告91中的建议有助于根据个体患者的需要定制SRS/SRT治疗，考虑到肿瘤特征、放射敏感性和正常组织耐受性，最终最大化治疗效果，同时最小化相关风险。

近年来，一些研究表明，人工智能(AI)可能能够通过分析大量患者数据，如CT扫描、MRI扫描和其他成像数据，协助优化SRS和SBRT的治疗方案，帮助放射肿瘤学家确定最佳治疗方案。人工智能算法可以快速处理和分析这些数据，生成优化的治疗方案，考虑到肿瘤的位置、大小、形状、与关键器官的接近程度，以及患者的个体特征，从而提供精确和个性化的放射治疗。人工智能可以帮助精确计算SRS和SBRT治疗的剂量。通过利用机器学习算法，人工智能可以帮助预测肿瘤内部和周围健康组织的辐射剂量分布，使放射肿瘤学家能够优化治疗计划，以达到预期的治疗效果，同时最大限度地降低副作用的风险。一些研究和供应商正在尝试将人工智能应用于TPS的轮廓和剂量计算。

病人摆位

在治疗过程中，特别是在高剂量治疗中，患者固定的重要性从SRS的一开始就被考虑到，因为即使是很小的位移和低不确定性也会导致高剂量的正常组织。由于这些原因，临床医生从一开始就希望达到亚毫米的精度。目前，基于Linac的SRS机器的机械不确定度应该远小于传统放疗(大多数情况下小于1 mm)。因此，最初用于固定头部的框架被直接固定在颅骨上，以消除由皮肤位移和压迫引起的微小运动。图8显示了1949年Lars Leksell开发的Leksell立体定向坐标系的第一个模型。他还开发了其他适合放射外科手术的框架，如G型，如图9所示。该框架得益于三维直角系统，可用于神经外科和GK放射外科手术。

图8。1949年Lars Leksell发明的Leksell立体定向放射外科坐标系(图片由ELEKTA提供)

图9Leksell坐标框架G，用于立体定向神经外科和伽玛刀放射外科(图片由ELEKTA提供)

1974年，伦敦的电气和音乐工业公司推出了第一台商用磁共振成像。随后，为了从MRI图像的对比中获益，Leksell博士开发了一种与MRI兼容的固定框架，用于GK机器，如图10所示。

图10 1975年的塑料头盔和为配合瑞典电子和音乐工业（ Electric and Musical Industries）的第一台磁共振成像扫描仪而进行的修改(图片由ELEKTA提供)

1979年的BRW等固定系统提高了基于ct的SRS的准确性。该系统最初是为神经外科开发的，具有从各个方向访问的自由度。BRW框架由一个基础环和附加的定位杆组成。建立该框架的平均时间约为60分钟。通过在成像前和治疗前标记患者头部皮肤的三个点，并将这些点进行匹配，可以提高基于linac的SRS的患者设置准确性。此外，金属框架的杆在图像中作为基准标记物，以提供更准确的肿瘤定位。

在GK中，一个框架通过四个针固定在颅骨上。在固定框架并进行成像(还需要其他配件)后，患者准备接受治疗。这个设置允许放置3D笛卡尔坐标。这个系统的中心实际上是几十个钴-60源的焦点。如果需要治疗大脑中的两个靶标，则对每个靶标分别进行上述过程。最后，框架通过两个引脚连接到钴准直器的头盔上。目前，焦点定位和调整是基于计算机系统以及CT和MR成像进行的。

1991年，一种针对患者的框架，Gill-Thomas固定系统被引入，与之前的有创系统相比，该系统对患者更方便[图11]。在第一代基于Linac SRS,框架由一个基座,直接在地上而不是安装在治疗床上,减少头架位移不确定性,但头架被放在治疗床上,连到固定的头部咬块装置,有略高于2毫米的精度。因此,它不能用于单次分割SRS,但FSRT是足够精确的。

图11基于直线加速器(Linac)的立体定向放射外科的GT固定系统。(A)直线加速器机头，(B)附着在头架上的咬块装置，(C)固定在治疗床上的头架

几年后，随着射波刀及其无框固定的引入，由于图像引导系统，立体定向放射治疗的固定进入了一个新的阶段。在后来的几年里，随着图像引导机器人放射外科手术的发展，他们能够在脊柱和胰腺的SBRT上分别达到±0.3和±1.0 mm的精度。这种图像引导是基于所获得的x射线图像中骨标记的跟踪。然而，1998年，日本的研究人员引入了一种非电离辐射监测装置，通过光学位置测量进行运动跟踪。他们在病人的头上安装了红外发光二极管标记，通过数码摄像机跟踪他们的运动。其中，报告了0.1 mm的优良精度。

在21世纪初，与Linacs一起安装的另一个系统是Novalis ExacTrac。随着时间的推移，它经历了演变。最初，它只配备了两个按需的横断面x光片，可以实时检测患者的身体位置。然而，在较新的版本中，通过对皮肤的光学跟踪，它也可以包括呼吸门控。

在SBRT中使用的一种技术是对光束进行门控，以减少治疗期间正常组织受到辐射照射的风险。它包括使放射束的传送与病人的呼吸周期同步，使放射束只在肿瘤处于靶标区域时才开启，并避免在呼吸周期中辐射暴露于正常组织。通过使用专门的成像技术，如CT或MRI，可以监测患者的呼吸运动，并向放射治疗机提供实时反馈，从而实现对光束的控制。这使得辐射束可以进行调整，并以高精度交付，最大限度地减少辐射暴露于正常组织的风险。

呼吸门控的概念可以追溯到1989年。该系统是基于病人对着一个袋子呼吸，这改变了袋子里的气压。光束根据病人的吸气和呼气停止和启动。随着时间的推移，整个放疗过程中的门控，特别是SBRT，已经转向非接触式方法，包括基于红外的系统。射束门控系统与腹部压缩设备和真空袋的使用极大地帮助减少了SBRT治疗的不确定性。

除了Brainlab (德国HeimstettenBrainlab)、Catalyst (瑞典C-RAD AB，)和Vision RT (英国伦敦Vision RT，)等专业公司外，直线加速器制造商还提供门控设备，作为加速器的附件，包括Elekta公司的Clarity Autoscan系统或Varian公司的RPM。

最近，也对一些新的组合方式的SRS和SBRT能力进行了有限的研究，如MR-Linac，，它将MRI与Linac技术相结合。这些尖端的系统在放射输送过程中提供软组织和肿瘤运动的实时可视化，允许改进靶标勾画和更精确的辐射剂量输送。这些研究的早期发现显示出有希望的结果，表明MR-Linac在提高SRS和SBRT治疗的有效性和安全性方面具有潜力。随着该领域研究的不断发展，对MR-Linac在SRS和SBRT中的临床应用和长期疗效的进一步探索可能会发现更多令人兴奋的癌症治疗可能性。

在现代直线装置中，热塑性面罩和真空垫/袋通常用作固定装置。热塑性面罩是根据患者的面部、头部或身体定制的，并固定在治疗台上，而真空垫则符合患者的体型。这些设备在治疗过程中提供精确的定位和固定，表面引导放射治疗(SGRT)在SRS/SRT设置中起着至关重要的作用，利用相机系统在治疗过程中连续监测患者的皮肤表面。SGRT确保精确设置，检测运动，允许实时重新定位，并促进自适应性放疗，最终提高SRS/SRT治疗的精度和有效性。

人工智能还可用于增强图像引导放射治疗(IGRT)，即在治疗过程中使用实时成像来确保肿瘤的准确靶向。一些研究表明，AI算法可以实时分析成像数据，跟踪肿瘤的位置，并根据肿瘤位置或患者解剖结构的变化对辐射递送进行必要的调整，确保在不影响正常组织的情况下精确靶向肿瘤。

质量保证

由于每次分割的高剂量和治疗分割的次数有限，任何可能的错误或位移都可能对患者造成无法弥补的损害，并降低治疗成功的可能性。

1988年，在引入基于LINAC的SRS的同时，Winston和Lutz引入了一种测量等中心位移的测试。这个著名的测试仍然是今天使用的基于Linac的SRS的机械QC测试之一。他们将一个4.8毫米的钢球固定在病人治疗床上的等中心。附着在龙门机架上的一张胶片以不同的龙门机架角度照射，使钢球的反向投影图像出现在胶片上。通过测量球像在不同角度上在胶片上的偏差，确定了龙门误差(机械和辐射等中心重合)。他们还用一个装有九颗钢弹的假头作为靶标模拟器来模拟肿瘤照射。

在20世纪90年代初，Bob Drzymala等发表了他们的QA项目的结果。通过引入一个不规则的磁共振兼容体模，他们比较了治疗计划的数字重建x线照片与治疗位置胶片之间的一致性（ the coincidence between the digitally reconstructed radiograph of the treatment planning and the treatment portal film）。此外，使用弧线，他们提出了他们的日常质量保证程序，以维持每一个角度的机架旋转的剂量。1995年，AAPM发表了TG42关于放射外科和QA的报告。在本报告中，通过表达提供SRS治疗所需的设备和设施，并说明测试的频率，说明了SRS程序的不同部分(包括CT成像和框架放置)可以实现的平均不确定性。他们还引用先前的文献，描述了基于Linac的、机器人的、基于质子的和基于GRS的患者床的治疗过程的QA。这些测试主要是机械的，用于靶标位置控制、激光精度、病人治疗床和稳定框架。大多数测试是基于Winston-Lutz和BRW。

2009年，AAPM TG 142报告(实际上是TG40的更新版本)讨论了Linacs的成像、龙门机架、治疗床和辐射野等各种程序的容差。它还列出了基于Linac的SRS和SBRT的可接受值。在该报告中，在大多数情况下，配备SRS或SBRT的设备的值比没有这些技术的类似机器更严格。大多数机械和MV或kV成像公差在1毫米至2毫米之间。而在TG40中，没有针对SRS(或SBRT)耐受性的具体标准。

2010年，针对SBRT的AAPM TG 101发布。报告提到TG 40和TG 142用于基于Linac的SBRT精度测试。结果表明，宽度为5mm的多叶准直器(MLC)适用于大多数情况。剂量计算网格尺寸建议小于等于2mm。此外，由于SBRT的每次分割高剂量和剂量异质性，建议使用基于生物效应的治疗计划，如等效均匀剂量EUD概念，以考虑辐射对OAR和肿瘤的放射生物学效应。呼吸管理、门控、IGRT和光学跟踪技术也得到推荐。

2017年，AAPM和放射外科学会(RSS)发布了涵盖整个治疗过程、调试和质量保证的联合指南。该AAPM指南属于医学物理实践指南(MPPG)组的范畴，适用于端到端测试过程以及C臂和机器人直线机和螺旋断层治疗的机械和剂量学耐受性。除此之外，2010年AAPM还在TG148中检查了螺旋断层治疗的QA。

AAPM后来的报告TG 218在2018年没有提到SRS或SBRT，但一些文章也讨论了将该报告用于SRS/SBRT QA目的的可能性。TG218报告考虑了γ指数为3%/ 2mm时IMRT和VMAT的剂量耐受作用。然而，指南建议，根据QA设备的不同，SRS和SBRT可使用3%/ 2mm至3%/ 1mm。对于多发肿瘤，推荐严格值为2%/ 1mm。

新的建议为GK治疗的质量保证提供了最新和全面的指南。它们涵盖了广泛的方面，包括治疗计划、剂量学、图像引导和针对患者的QA，专门针对GK系统的独特特征量身定制。将这些建议纳入临床实践，确保GK放射外科继续提供精确有效的治疗，同时最大限度地减少错误的风险。除了AAPM TG 178之外，其他已建立的QA协议，如AAPM TG 142和AAPM TG 101概述的协议，继续在不同模式的SRS和SRT的QA过程中发挥关键作用。这些协议涉及治疗交付、成像和患者安全的各个方面，为质量保证提供了一个全面的框架。

对于基于钴源的放射外科手术(GK)，由于使用放射源和比基于Linac的机器更少的移动部件，QA协议也更受限制。如前所述，第一个协议是RTOG协议。然而，AAPM TG 42表明每日、每月和每年检测GK。这些测试包括安全、物理和剂量学部分，提到了最大推荐公差。

在患者QA方面，各种供应商通过提供各种测试设备(如检测器阵列)以及可以容纳小型检测器(如二极管)的头颅体模来提高治疗质量。人们一直在努力使阵列剂量计的分辨率更接近胶片，这样除了可以从剂量分布的快速分析中受益外，还可以提高精度。

Elekta的RTsafe，CIRS的STEEV， Standard Imaging的Lucy 3D QA， PTW的Ruby头颅体模，以及PTW的OCTAVIUS探测器1600 SRS， Sun Nuclear的SRS MapCHECK，和IBA剂量测定的myQA SRS等高分辨率阵列探测器都是该领域的先进设备。其中一些检测器阵列还具有高达2%/ 2mm的评估伽马指数分辨率。

失效模式和影响分析(FMEA)和TG 100都是可用于识别SRS质量保证链中潜在薄弱环节的主动方法。FMEA可用于识别SRS过程中可能影响治疗质量的潜在失效模式。这可能包括SRS计划或交付过程中的错误，例如不正确的患者体位，不准确的剂量计算或机器故障。通过识别这些潜在的故障模式，可以采取措施减轻它们的影响或完全防止它们发生。另一方面，TG 100为SRS过程的各个方面提供了一套全面的指南和建议，从患者模拟和成像到治疗计划和交付。表2总结了SRS和SRT的协议发展。

表2任务组(美国医学物理学家协会任务组)报告和国际放射单位委员会关于放射外科实践指南和质量保证的报告摘要。

随着时间的推移，小野剂量学在质量保证领域经历了重大的发展。探测器技术的进步，如二极管探测器和微电离室，提高了小野测量的准确性和可靠性。小野剂量测定的校正因子已经得到了改进和标准化，考虑了诸如体积平均和横向电子不平衡等影响。蒙特卡罗模拟在验证SRS/SRT的测量技术和优化治疗计划算法方面发挥了至关重要的作用。已经建立了专门为小区域量身定制的参考剂量测定方案，以确保剂量传递的可追溯性和一致性。

各种探测器和测量技术在放射外科的质量保证过程中起着至关重要的作用:

电离和固态室

电离室通常用于放射外科QA，以准确测量辐射束所传递的剂量。这些腔室提供精确和可靠的辐射剂量测量，有助于确保规定剂量与输送剂量相匹配。它们通常用于参考剂量测定，以校准直线加速器或其他放射外科设备。

二极管和固态探测器也常用于辐射测量。二极管和固态探测器具有响应时间快、体积小等优点，适用于实时剂量验证。这些检测器是前面提到的基于腔室的QA方法的组成部分。

由于在这些治疗中使用的辐射光束的精确和聚焦性质，小野探测器在放射外科QA中起着至关重要的作用。这些探测器的典型特点是它们的活性体积小，这是非常适合测量辐射剂量在有限的治疗领域的放射外科手术。常见的小野探测器包括:

二极管（Diodes）

二极管探测器是放射外科QA中应用最广泛的小野探测器之一。它们非常紧凑，活动体积很小，通常在直径几毫米的范围内。二极管提供了极好的空间分辨率，使它们适合测量窄光束中的剂量分布。

微金刚石（Microdiamond）探测器

微金刚石探测器是另一种有效体积在微米量级的小野探测器。它们的微小尺寸允许剂量测量的高空间分辨率，使它们在放射外科QA中特别有用，特别是在验证小光束剖面和陡剂量梯度时。

小腔室探测器（Small chamber detectors）

小腔室探测器是专门设计的电离室，用于测量密闭和小型治疗野的辐射剂量。与传统电离室相比，它们具有更小的敏感体积，使其非常适合于小野剂量测定。

这些探测器在小范围测量中面临着独特的挑战，包括体积平均效应、部分体积效应和探测器本身引起的扰动。通常需要专门的校正因子和仔细的校准程序来考虑这些挑战，并确保在小而高度集中的辐射野中进行准确的剂量测量。

凝胶剂量计（Gel dosimeters）

凝胶剂量计是三维辐射剂量计，对治疗体积内的剂量分布提供有价值的深入了解。它们对于验证复杂的治疗计划和评估剂量一致性特别有用。凝胶剂量计提供了剂量分布的直观表示，使物理学家和临床医生能够评估治疗的准确性。

Gafchromic胶片

Gafchromic胶片是放射变色胶片（ radiochromic films），在辐射照射下变色。这些胶片由于其高空间分辨率和易于使用而有利于放射外科QA。放射外科团队可以使用Gafchromic胶片来验证剂量分布，评估光束剖面，并验证治疗计划。

探测器阵列（Detector arrays）

探测器阵列，如上面提到的太阳核SRS MapCHECK和PTW OCTAVIUS探测器1600 SRS，由多个以网格模式排列的小探测器组成。这些阵列提供实时剂量验证，对于确保动态治疗技术的准确性特别有价值，包括调强放射外科。

头颅体模

头颅体模是拟人化的头部形状的物体，配有探测器。这些体模复制了人体解剖结构，并允许对整个放射外科过程进行全面测试，从患者设置到剂量输送。它们对于处理系统的端到端测试尤其有用。

人工智能也可能在未来的SRS QA中使用，以提高治疗的准确性和安全性。人工智能在SRS QA中的一个可能应用是分析患者数据，包括治疗反应和结果，以识别模式并预测治疗结果。通过监测患者在SRS和SBRT治疗期间和之后的图像扫描、FBH和肿瘤学家报告等数据，AI可以帮助早期发现治疗相关并发症，评估治疗效果，并根据需要向放射肿瘤学家提供反馈以修改治疗。

一些研究提供证据支持AI在放射治疗的SRS QA中的潜在益处。例如，一项研究证明了人工智能算法在SRS治疗计划中准确分割靶标和危及器官的有效性。这种基于人工智能的自动分割方法减少了勾画时间，提高了靶标描绘的一致性和准确性，从而提高了治疗精度。此外，一项综述研究强调了几项研究，这些研究证明了人工智能在预测治疗结果、优化治疗计划和改善靶标勾画描绘方面的应用。这些发现表明，人工智能有可能提高放射治疗的准确性、安全性和患者的总体预后。然而，为了充分评估人工智能在SRS治疗质量保证中的益处，确保其安全有效地融入临床实践，还需要进一步的研究和验证。

放射生物学

在早些年，SRS主要关注具有功能障碍但非恶性解剖的结构，然后是正常解剖的改变，如三叉神经痛和AVM，最后是腺瘤，如垂体腺瘤和脑膜瘤，最后是癌症。因此，一开始，放射生物学的概念并不重要，也不是很适用。随着时间的推移，放射生物学和分割的概念变得重要起来。另一个因素是当时Linacs的剂量率很低。由于Linacs的低剂量率和SRS的高剂量，如果患者在一次分割中使用加速器治疗，他们将不得不接受长达几个小时的照射，因此提出了分割作为缩短治疗时间的解决方案，并使其在技术上成为可能。此外，一些类型的恶性肿瘤，包括当时的前庭神经鞘瘤，基本上是用GK治疗，剂量为5天,25 Gy 。

估计辐射对细胞存活概率最常用的放射生物学模型是20世纪40年代Lea提出的线性二次型(linear-quadratic, LQ)模型，如下:公式4

其中α和β是指特定细胞类型的放射敏感性，D是规定剂量。尽管该模型在体内实验中受到过非常低和非常高剂量的质疑，它仍然是最可信的模型。

在常规的放射治疗中，分割是为了减少正常组织的并发症。虽然高达20 Gy的每次分割剂量与LQ模型充分兼容，观察表明，肿瘤控制结果比LQ等模型预测的结果更好。SRS和SBRT的优异结果在肿瘤血管损伤的基础上是合理的。否则，仅考虑辐射对肿瘤的控制作用，肿瘤的治疗剂量应为80 - 90 Gy /次，而SRS的最大剂量为18-25 Gy，即可达到相同的肿瘤控制效果。此外，为了减少SRS中正常组织的并发症，通常会随着肿瘤大小的增加而减少处方剂量。另一方面，由于再氧化效应，较大的肿瘤对相同剂量的小肿瘤反应较差。因此，SRS对较大肿瘤的控制效果较差。这就是SRT和大分割治疗被考虑的原因之一，因为肿瘤中心部位的细胞有更多的时间从缺氧变为缺氧，因此对放射更敏感。

为了证明在较大肿瘤的SRT中减少正常组织并发症的合理性，可以使用LQ模型获得生物效应剂量(BED)，该模型根据组织的放射敏感性和每分数的剂量确定有效剂量:公式5

其中D是处方剂量，D是每次分割的剂量。例如，假设α/β=10 Gy的肿瘤被α/β=3 Gy的正常组织包围。如果该肿瘤以单次分割15 Gy的剂量照射，则肿瘤和正常组织的BED分别为37.5 Gy和90 Gy。然而，在5次分割方案中，为了将肿瘤BED维持在37.5 Gy，正常组织BED降低到66.6 Gy。这表明，与单次分割计划相比，正常组织的并发症可以在分割方案中减少。随着治疗时间的延长(通常超过3-4周)和肿瘤类型的不同，一种被称为肿瘤细胞再生长的因素会减少BED。然而，考虑到SRT或大分割SRS的次数从未超过3周，再群体化（repopulation）对SRT或SBRT的负面影响并不显著。

结论

立体定向领域已经发展到包括SRS和SRT，为治疗脑肿瘤和病变提供了非侵袭性的替代方法。各种模式和技术，包括GK, CyberKnife, VERO, Zap-X和Linacs，已经开发用于执行SRS和SRT。这些技术随着时间的推移而进步，在CT和MRI的帮助下，肿瘤定位得到了改善。SRS和SRT的好处包括减少侵袭性，进入关键区域，治疗多发性肿瘤，副作用更少，治疗时间更短，最终改善患者的生活质量。然而，在这些技术的技术和临床方面存在持续的挑战。

此外，人工智能在SRS和SRT中的作用具有提高治疗准确性、效率和患者预后的潜力。人工智能可以帮助放射肿瘤学家进行个体化治疗计划、剂量计算、实时监测、结果预测和决策支持。尽管取得了这些进步，但值得注意的是，本文缺乏适当的证据来支持人工智能在该领域的作用。

重要的是要承认，虽然通过FFF（无均整器）射束等技术已经实现了快速治疗，但尚未观察到治疗结果的显着改善。这就对基于Linac的系统中高剂量率的有效性提出了疑问。

总之，SRS和SRT已经彻底改变了立体定向领域，为颅脑病变提供了有价值的治疗选择。人工智能在改善治疗结果方面的潜力是有希望的，但需要进一步的研究。随着该领域的不断发展，基于Linac系统的进步，如更高的剂量率和更精细的多叶准直器，可能会提高靶标覆盖精度。此外，综合治疗诊断模式，如MR-Linac，具有提供准确和无创治疗的潜力，同时确保患者安全。