1 伽玛刀是什么

伽玛刀（Gamma Knife）是立体定向放射外科的重要治疗方法，是依据立体几何定向原理，将颅内的病变组织选择性地确定为靶点，使用钴-60产生的伽玛射线进行一次性大剂量地聚焦照射，使病变组织产生局灶性的坏死或功能改变而达到治疗疾病的目的。由于放射线的精准度十分高，周围的正常组织几乎不受影响，目标区域的边缘如同刀割，故形象称之为“伽玛刀”。

伽玛刀的原理类似于凸透镜的聚焦过程。将凸透镜置于光线下，凸透镜下会产生一个耀眼的光斑，这就是焦点。焦点以外的地方很难接收到光源的热量，但焦点处的热量很高，足以达到某些物体的燃点。但是，如果想在人体内对焦，使用普通光源是不可行的。必须使用具有高穿透力的高能射线，如伽马射线。同时，伽马射线聚焦也不像凸透镜聚焦那么简单。相反，它需要核物理、计算机、生物辐射、机电等一系列现代技术。因此，伽玛刀是20世纪末现代高科技的产物。伽玛刀作为一种新型的无创治疗方法，在医学治疗史上具有里程碑式的突破。

因为射线束从各个方向穿透正常组织，所以对正常组织的辐射剂量是分散的。单位体积的正常组织只接受短期辐射，因此正常组织几乎不受损伤。靶外正常组织仅接受均匀、弱剂量的辐射。因此，只有专注于病变组织，才能像手术刀一样一次精确地摧毁病变组织，达到无创、无出血、无感染、无痛苦、快速、安全可靠的神奇效果。

2 伽玛射线的制造者 60Co

钴是具有光泽的白色金属，密度89g/cm-3，熔点1495℃，钴比较脆而硬，表现为铁磁性[1]。钴-60（60Co）是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年。它会通过β衰变放出能量高达315 keV的高速电子衰变成为镍-60，同时会放出两束伽玛射线。

钴-60是一种穿透力很强的核辐射元素。钴60是β-衰变核素，发射β-和γ射线，β-射线的最大能量为0.315兆电子伏，γ射线的能量有1.173210和1.332470兆电子伏两种。3.7×107贝可的60Co重8.85×10-4毫克。3.7×107贝可的钴60点源在1厘米远处的照射量率为13.2伦琴/时。钴-60属高毒性核素，对全身有影响，对人体的有效半减期为9.5天，在人体中的最大容许积存量为3.7×105贝可。钴-60γ射线同物质相互作用，能导致物质产生一系列的物理、化学和生物学变化。经过多年的开发研究，人们已经掌握了利用这些变化造福人类的手段和技术，它的应用可分为以下几个方面：农业方面、工业方面、辐射保鲜、医学治疗等[2]。

3 伽玛刀的发展阶段及每阶段的工作原理

3.1 发展简述

早在1951年瑞典科学家Leksell就提出了用立体定向法标定颅内病灶位置，再由高能 射线从不同方向集中照射，从而达到破坏病变组织的目的。1968年，第一台伽玛刀问世。可以说伽玛刀的起步比较早，但是，早期的发展虽然在技术原理上取得了重大突破，但没有做到将伽玛刀推广使用。一直到1987年，世界上仅有5台伽玛刀，仅有少数人接触到伽玛刀的治疗，完全满足不了需求。一直到1993年我国才引进了第一台伽玛刀，至今只有28年的历史。

但在二十世纪末、二十一世纪处，伽玛刀技术飞速发展，伽玛刀逐渐走向了世界，接受伽玛刀治疗的患者也逐渐增多，到目前为止，伽玛刀已经发展到了第六代。我国在伽玛刀领域也取得了巨大成就，1994年7月在中国深圳诞生了世界上第一台旋转式伽玛刀,被称为“中国模式”，将沿习了进30年的静态聚焦治疗改进为旋转聚焦治疗，这是伽玛刀发展史上的一次新突破。如今，伽玛刀已经发展到了第六代，下文简要介绍了第一代伽玛刀到第五代伽玛刀的基本结构（第六代伽玛刀本文暂不介绍），以及每一代伽玛刀的创新突破。

3.2 第一代伽玛刀

1968 年，瑞典医科达公司研制出世界上第一台伽玛刀[3]。当时的伽玛刀有179个60Co放射源呈球状排列，伽玛射线在球心聚焦，使病变组织经一次性大剂量照射就产生坏死灶而极小甚至几乎不损害邻近的正常脑组织，放射性损毁灶边界清晰，犹如刀割一样。这种伽玛刀被称为“Leksell A”型伽玛刀，属于静态头部伽玛刀，其中，静态头部伽玛刀还包括后来Leksell制造的第二代伽玛刀（即“Leksell B”型伽玛刀、1984年产出的第三代伽玛刀以及1997年产出的第四代伽玛刀——C型伽玛刀。

而正如前文所说，中国在1994年制造的世界上第一台旋转式伽玛刀。旋转伽玛刀由深圳奥沃国际科技发展有限公司在核物理、核医学、高智能计算机、神经外科等国内专家的参与与合作下成功研制。这种伽玛刀有30个Co-60源可以围绕靶中心旋转和聚焦。由于射线束不按固定路径穿过周围组织，单位组织只会受到短时间的散射照射，对正常组织的损伤较小。在保证源、准直器精确旋转和高射线聚焦精度的基础上，提高了靶剂量与皮肤剂量的比值，降低了辐射半影，提高了伽玛刀的精度。此外，该装置还创新了治疗计划系统和立体定向准直器系统，使四个不同直径的准直器均匀地布置在一个源装置上，通过计算机操作自动改变准直器型号。治疗精度误差小于正负0.5mm，自动化程度更高，对正常组织的损伤更小，防护性能也大大提高。

3.3 第二代伽玛刀——体部伽玛刀

1975年，Leksell及其同事设计制造了第二台伽马刀（第二代），它是由201个钴-60放射源和3个不同直径准直器组成，产生一个近似球形的照射野。第二代伽玛刀的显著特征是安装钴放射源的治疗头可以做 360°的自转，但治疗机头不做任何运动。而真正广泛应用于临床的是1997年9月，深圳奥沃国际科技发展有限公司在旋转头部伽玛刀的基础上研制的体部伽玛刀，使伽玛刀治疗范围从头部扩展到全身。

体部伽玛刀是以钴-60为放射源的全身立体定位放射治疗系统，采用旋转聚焦的原理，通过三维运动床的移动，放射源的放射线均经准直器引导聚焦于中心位置，然后叠加能量，从而形成足剂量的焦点[5]。而射线束穿过路径上的正常组织只受瞬时扫描式照射，使靶区边缘形成较陡的剂量梯度，从而实现靶区的剂量升级，以提高肿瘤的局部控制率。

体部伽玛到要达到治疗躯体肿瘤的目的，伽玛射线汇聚的焦点必须在放射装置外部。因此其放射装置采用的式球冠壳体，而不是像头部伽玛刀那样为半球壳体。此外，体部伽玛刀如果想顺利实现放射治疗，放射源装置必须开口向下。

体部伽玛刀上装有30个钴-60放射源，初装时总活度约8500Ci，经准直的30束伽玛射线旋转聚焦于伽玛刀的辐射野中心（伽玛刀的治疗焦点），形成伽玛刀绕Y轴的旋转辐射场。初装源焦点剂量率大于3.0Gy/min，靶点位置总的精度误差小于2.5mm，能满足躯干部肿瘤分次大剂量精确放疗的需要[6]。

3.4 第三代伽玛刀——超级伽玛刀

由于计算机断层扫描、核磁共振、数字减影血管造影和立体定向伽玛射线全身治疗系统DICOM 图像传输等技术的发展，促进了伽玛刀的变革，第三代伽玛刀应运而生。1984年瑞典医科达（ELEKTA）公司设计制造出第三代伽马刀。

从第三代伽玛射刀开始, 可以同时治疗头部肿瘤和体部肿瘤。其代表机型为2002年深圳市海博科技有限公司研制的“超级伽玛刀”, 它也是全球第一台可以兼治头部肿瘤和体部肿瘤的伽玛刀。该系统由60Co放射源、射源装置、屏蔽罐、三维治疗床、定位装置、电气控制系统和治疗计划系统等组成。采用扇形聚焦回转照射原理，将18个60Co放射源呈扇形分布，通过准直器形成18个细小射束并聚焦于焦点上。治疗时，射线围绕过焦点的等中心轴进行回转拉弧照射。初装源活度为1.998×1014Bq， 有用射线平均能量为1.25MeV。共有4组准直器，直径分别为15mm、25mm、40mm和55mm，依次称为1~4号[7]。

3.5 第四代伽玛刀

1998年底医科达公司对B型伽马刀进行改进，将人工调整靶点坐标工作完全由智能化计算机完成，1999年推出了智能化C型伽马刀（第四代伽马刀）。

医科达Leksell-C型伽玛刀利用201 颗放射性同位素60C0在衰变过程中发射 γ 射线破坏机体, 达到损毁病灶治疗的目的[8]。

第四代伽玛刀通过CT和磁共振等现代影像技术精确靶点, 定位极准确, 误差常< ±0.3 mm ;每条伽玛射线剂量梯度极大, 对正常组织几乎没有损伤。γ 射线的主要剂量分布在病灶的边缘曲线内, 而周围的正常组织仅有极小剂量的γ 射线照射, 201 条射线从不同位置聚集在一起可致死性地摧毁靶点组织。其工作过程是由一套先进的计算机控制系统 (APS Computer) 根据计划设计系统的患者肿瘤的治疗数据对APS的x、y、z轴的运动进行自动移动控制。

在治疗时将患者头部及定位框架固定在APS上。每个患者根据肿瘤的大小不同, 可能有N个靶点, APS Computer根据治疗计划系统自动优化靶点的序列, 自动完成每个靶点的摆位, 然后屏蔽门打开, 治疗床载人到达目的位置, 内外准直器吻合后, 进行伽玛射线治疗。替代每个治疗靶点都要进行一次人工摆位的过程, 减少了摆位误差, 大大缩短了治疗的时间, 同时提高了治疗的摆位精度, 保证了治疗的重复性[9]。

3.6 第五代伽玛刀

第五代伽玛刀是目前世界上最先进的精确放射治疗设备之一，采用了类似航天陀螺仪的旋转原理，将60Co 放射源安装在两个垂直方向同步旋转陀螺结构上，因此又称“陀螺刀”。

陀螺刀集成了医用直线加速器和伽玛刀的优势于一身。同时，又将最先进的医学影像自动跟踪技术、热增敏技术、弹珠调强技术巧妙的结合起来。陀螺刀以其更高的放疗增益比和完善的功能，将精确放疗技术推向了一个新的高度。 第五代伽玛刀的自转和治疗头公转结合在一起，进一步减少了钴源数量，提高治疗精度及可靠性[10]。陀螺刀是集伽玛刀高、精、尖技术，而又较伽玛刀对脑肿瘤的放射疗效更具有优越性的治疗方法，是对伽玛刀技术的升级换代[11]。

4 临床应用

4.1 伽玛刀临床治疗程序

现在使用的伽玛种类很多，但使用中基本按照以下基本步骤进行：

①患者的头部由立体定向台固定（用于脑治疗）。

②成像扫描。采用立体定位系统来定位病变。立体定位系统是一种特殊的坐标系统。立体定向定位系统相对固定后，患者可以通过立体定向伽马射线全身治疗系统的CT、MRI、数字减影血管造影和DICOM图像传输技术扫描病变，显示病变的相对位置和坐标系的基准点。定位后，治疗计划系统自动处理通过CT、核磁共振、数字负血管造影和立体定向γ射线全身治疗系统DICOM图像传输技术扫描的图像，重建头盖骨（或其他部位）的三维形状、病变及周边组织。

③制定治疗方案，确定处方的量。根据医生提供的处方，计算目标数、目标坐标、照射时间、各目标的准直。

④治疗的实施。电气控制系统在接收到治疗计划系统的相关参数后，依次将各目标点作为焦点，打开对应的计量器进行定量照射。

⑤拆下立体声框。整个过程大约需要2～4个小时。

使用伽玛刀进行治疗是医学治疗历史上的一次巨大突破，使用伽玛刀进行的手术具有常规手术无法比拟的优点，具体来说，伽玛刀的优点有以下几个方面：

①治疗简便：对于相似的病症，相比于常规手术，伽玛刀手术治疗时间较段，手术难度较低。②方便安全：患者不脱发，无严重不良反应，手术后不用输血、用药，不受饮食和活动限制，一般不用住院。

③ 精确：治疗全过程均由计算机控制，可靠，疗效确切、精确、安全，正常组织无损伤。

④无明显手术禁忌症 ：高血压病、身体状况及心脏病、治疗过程不受年龄、糖尿病和肺炎等并存病的影响，无手术禁忌症，尤其适合于不能耐受手术或麻醉者，对多发转移灶可一次性治疗。

⑤不需麻醉：不需要特殊手术前准备、用药、无创伤、不出血，手术在清醒、无痛情况下进行。

保证伽马刀能够准确、有效治疗肿瘤的前提是伽马刀焦点的精度、焦点剂量率和焦点的绝对剂量以及参考点的相对剂量，这些参数是保证治疗病人的基本前提。对其各种机械、核物理、剂量、计划系统等参数进行了反复测量验证，并结合实际患者进行了治疗参数的测定和验证后，才应用于临床[12]。

4.2 伽玛刀在神经外科中的应用

正如前文所说，伽玛刀在手术过程中没有缺口、出血，也没有感染等手术常见的并发症。正是由于这些特点，伽玛刀使神经外科传统手术的“禁区”病变有了较理想的治疗方法，实现了脑内手术不开颅的梦想，避免了神经外科手术麻醉、出血、感染等并发症的发生。

在临床治疗中，伽玛刀对于颅内动静脉畸形（AVM）、脑肿瘤、听神经瘤、颅咽管瘤 、松果体区肿瘤、脑膜瘤、转移性脑肿瘤等多种疾病有良好的治疗效果。下面以听神经瘤为例，具体说明伽玛刀的在神经外科中的巨大优势。

听神经瘤是临床中比较常见的颅内肿瘤疾病，好发于患者脑神经的内耳道段， 也可能发生于患者内耳道口的神经鞘膜处，该疾病对患者听力将产生严重影响， 部分患者可能伴随眩晕，同时随着病情进展，患者肿瘤体积将不断增大，容易对其三叉神经和面神经形成压迫，诱发面部肌肉抽搐和泪腺分泌减少等[13]。在以往治疗中，通常采取显微外科手术是对其肿瘤病 灶进行完全切除来达到治愈目的，然而手术后患者可能存在残留以及复发等不良情况。而使用伽玛刀治疗的效果良好。在一组研究中发现，使用伽玛刀治疗后肿瘤生长的完全控制率明显高于传统手术组，并且手术后使用伽玛刀治疗组的听力障碍分级以及面部表情分级等评估结果均好于传统手术组。进一步提示，通过采取伽玛刀的立体定向放射治疗方案，能够提升中小型听神经瘤患者的临床疗效，该治疗方案具有较高的应用价值[14]。

4.3 伽玛刀治疗原发性肝癌

原发性肝癌是一种消化系统常见恶性肿瘤， 临床发病率较高，根据其组织学分型可以主要分为肝细胞癌、肝内胆管癌以及混合癌，其中以肝细胞肝癌最为常见［15］。随着现代医疗水平的不断进步，伽马刀的应用为原发性肝癌治疗提供了新的途径，体部伽玛刀主要由三维治疗计划、电气控制、立体定向等系统组成，能够应用于部分手术禁忌症和无法手术的患者，且给患者造成的创伤小，安全性高，能够在一定程度上提升患者生活质量，延长患者生存时间［16］。有研究报道，体部伽马刀属于高精准放射治疗技术，能够显著提升患者的局部肿瘤反射治疗控制效果，减轻放射治疗对周围正常组织的影响［17］。有研究报道，在原发性肝癌及肝转移患者中，应用伽马刀治疗，患者的疾病控制率可到80%以上，1年生存率可达94%，且不良反应较少，提示伽马刀在原发性肝癌患者中能够获得较高的有效率，安全性高［18］。

4.4 伽玛刀在眼科疾病中的应用

在黑色素瘤方面，Marchini报告了他们10年内治疗102例的经验：使用38~70Gy的放射剂量，伽玛刀治疗后81%的肿瘤缩小,11%的肿瘤保持不变。8%的肿瘤增大。在青光眼方面Vladyka报 告了102例重度青光眼的伽玛刀治疗效果：89%继发性青光眼的眼部疼痛症状缓解，一半开角性青光眼病人的疼痛症状消失，继发性青光眼的眼内压明显下降；治疗后的副反应轻，61%的病人伽玛刀治疗后出现短暂的流泪，2例出现白内障，2例出现无菌性角膜炎。伽玛刀可以精确照射脉络膜内的新生血管，阻止新生血管的发展或闭塞这些新生血管，保存视力伽玛刀治疗后1年内新生血管病灶缩小或未增大，视力保存在伽玛刀治疗前的状态，由于治疗的病例少，其长期疗效有待进一步随访[19]。

5 总结

物理技术可以应用于我们生活的方方面面，农业、工业、医学等等领域的发展都离不开物理学的发展。其中对于医学来说，物理技术不仅在医学诊断方面有广泛的应用，在临床治疗中也发挥着不可或缺的作用。其中，伽玛刀就是其中的典型代表。

自1968年世界上第一台伽玛刀问世以来，医学技术发生了质的飞跃，特别是对于神经外科来说。但是，早期的伽玛刀正如早期的计算机一样，数量很少，功能虽然强大但没有做到广泛应用。在20世纪下半叶，在瑞典科学家Leksell及其团队的努力下，伽玛刀迅速发展到第四代，但是因为数量稀少，伽玛刀只有少数人才可以接触到。中国在1993年引进了第一台伽玛刀，自此以后，中国的伽玛刀技术进入了发展的黄金期，在对瑞典制造的伽马刀做出了重大改进。在今30年的时间里，伴随着其他技术的进步，伽马刀飞速发展，数量也逐年增多，接触到伽玛刀治疗的患者也越来越多。

伽玛刀治疗具有传统手术治疗无法比拟的优点，伽马刀的精准、无痛、无创伤、不出血等特点决定了它在外科手术中的独特地位。上文简要介绍了伽马刀在神经外科、原发性肝癌、眼科疾病中的临床应用，但是，伽马刀的应用远不止于此，目前的研究不仅聚焦在伽玛刀本身，还聚焦伽马刀对不同疾病的应用上。

当下，伽马刀发展迅速，但是也存在着不少问题。目前生产伽马刀的厂家很多，伽马刀的各项参数以及应用到个体患者的参数均有差别，伽马刀在放射治疗时应当充分考虑患者年龄问题，高龄患者如不存在严重症状影响其生活质量或药物对症能解决痛苦可考虑保守治疗[20]。

伽马刀的技术在不断进步，伽马刀在不同疾病中的应用也是研究的热门。相信在未来，伽马刀技术将变得更加成熟，相信随着物理学的进步，会对医学产生各种像伽马刀这样的突破性进展。