重点
•放射外科手术可以使用基于光子的系统(伽玛刀，射波刀，LINAC)或基于质子束的系统进行。
•可靠的临床数据报告了放射外科治疗多种神经肿瘤、血管和功能适应证的安全性和有效性。
•放射外科的成功依赖于基于团队的方法，至少包括神经外科医生、放射肿瘤科医生和放射物理学家的整合。
•分割立体定向放射外科领域的最新进展已将放射外科的适应证扩展到更大、更复杂的颅内肿瘤以及包括脊柱在内的其他疾病部位。
•需要进一步的研究和开发，以继续推进放射外科领域，允许更精确的辐射输送和复杂的神经成像和与新型生物制剂的整合。
放射外科历史
放射外科手术最早于1951年发明。Leksell最初使用正电压X射线管将辐射集中在神经节上治疗面部疼痛。随后，他研究了放射外科的辐射源:交叉发射的质子、早期LINAC的X射线和超声波。最后，Leksell和Larsson在20世纪60年代选择钴60 (60Co)作为理想的光子辐射源，因为光子束的成本，超声波的颅骨穿透性差，以及LINACs的不精确。
第一台伽玛刀于1968年在斯德哥尔摩的索菲亚皇后医院诞生，其中包含179个半球形安装的60Co源。在同一时期，加州大学伯克利分校的临床医生于1954年实施了回旋加速器，1957年在瑞典乌普萨拉为物理研究而建造的粒子加速器进行了其他立体定向放射外科(SRS)治疗。尽管带电粒子用于放射治疗和放射外科手术已有50多年的历史，但目前大多数放射外科手术都是使用伽玛刀(Elekta AB)和基于LINAC的系统进行的，因为回旋加速器和同步加速器等粒子加速器成本明显更高，需要更多的空间，而且非常复杂然而，与光子相比，质子放射外科在大目标体积内提供了理论上更好的剂量均匀性，并且减少了正常组织的剂量。
虽然质子束独特的物理特性在理论上对放射外科很有吸引力，但目前大多数质子束中心都将分割放射治疗用于颅外靶标(例如前列腺癌)。许多先驱者的努力促进了颅内放射外科的进步。Ladislau Steiner、Georg Noren、Christer Lindquist和Leksell的其他同事努力探索伽玛刀放射外科的具体适应证。意大利的Federico Colombo 和布宜诺斯艾利斯的Osvaldo Betti都使用了改进的直线加速器来模拟伽玛刀的原理。美国的Jacob Fabrikant和Raymond Kjellberg利用质子的Bragg峰(见后文)进行放射外科。所有这些人都帮助扩展了非侵袭性脑部手术的理念。
1987年，匹兹堡的L. Dade Lunsford决定收购美国第一个专用临床伽玛刀。1989年，弗吉尼亚大学安装了伽玛刀。在很短的时间内，几台放射外科机器安装在美国、南美和亚洲。截至2012年，全球有300多台伽玛刀机器在使用，超过70万患者接受了伽玛刀放射外科治疗:44%的恶性肿瘤，36%的良性肿瘤，12%的血管病变，7%的功能障碍。另外还有数千名患者接受了基于LINAC和带电粒子系统的治疗。在过去的50年里，我们见证了立体定向放射外科技术的巨大进步。放射外科在各种神经外科疾病中发挥着重要作用，其能力不断提高，更准确的放射传递，更方便的放射外科计划软件，以及选择多种的固定工具。
放射外科用放射源
电离辐射一词指的是具有足够高能量的辐射，它能使电子从原子中分离出来，或破坏原子和分子之间的键。放射外科治疗中使用两类辐射源:直线加速器(LINACs)产生的光子辐射(x射线)或放射性核素衰变产生的光子辐射(伽马射线)，以及粒子加速器(质子)产生的粒子辐射。
光子放射外科治疗
光子辐射的两种来源，x射线和伽马射线，不同之处在于它们的产生方式，而不是它们与环境相互作用时的后续行为。x射线或是高速电子和原子核相互作用的结果(轫致辐射x射线)，或是电离原子外层的电子从高能级降至低能级以填补被射出的电子所产生的空位(特征x射线)。例如，直线加速器(LINACs)通过加速电子并引导它们撞击高原子序数的靶标来产生x射线。电子与靶标原子核相互作用，主要产生轫致辐射，其次产生特征x射线。相反，伽马射线是原子核放射出的光子，是放射性衰变过程的一部分。一个例子是60Co，它是伽玛刀中使用的伽马射线的来源，60Co最初是在反应堆中通过中子轰击和59Co的激活产生的。Co的衰变过程称为β -衰变。Co有大量中子( neutron heavy)，所以为了重新获得稳定的结构，原子核会自发地将一个中子转化为一个质子，在此过程中释放一个电子(β -粒子)和一个反中微子，从而转化为镍60 (60Ni)。60Ni在激活状态下创建。当它下降到基态时，它释放能量为1.17和1.33兆电子伏的伽马光子。这些光子最终被用于治疗。
x射线和伽马射线都是间接电离的。当光子与组织相互作用时，会导致带电粒子(电子)的释放。然后这些带电粒子通过大量的库仑相互作用失去能量，每次相互作用都将粒子动能的一小部分传递给周围的组织。这反过来又引起组织中原子的电离，并最终产生生物效应。高能光子在进入组织时表现出一种称为积聚区域的特性。这是因为当电子被入射光子释放时，电子倾向于被赋予向前的初始速度。因此，靠近皮肤表面的电子主要是向前方向散射，并将它们的能量沉积在组织的深处。这给高能量光子提供了一种被称为皮肤保护效应的优势(图1)。
图1。光子束(x射线和伽马射线)、电子束和质子束剂量沉积的比较。请注意，光子束有一个“积聚区域”，它提供了在病人被照射部位表面的皮肤保护措施。电子束表现出较少的皮肤保护和更大的剂量衰减。质子束将大部分剂量沉积在其作用范围的末端，这种现象被称为布拉格峰。光子在组织中也有最大剂量范围。
粒子辐射
粒子辐射与光子辐射的不同之处在于，它不是首先将能量传递给带电粒子，然后让带电粒子在周围组织中沉积能量的两步过程，而是辐射的能量以粒子本身的动能传播。因此，像质子这样的高能带电粒子是直接电离形式的辐射，当它们沿着轨迹穿过组织时，会电离组织中的原子。与高能光子不同，高能光子倾向于与物质稀疏地相互作用，在被吸收之前可以传播很长一段距离，高能粒子倾向于在组织中有可预测的穿透范围。此外，大多数带电粒子传递给组织的能量发生在其路径的远端，因为能量传递率随着粒子速度的降低而增加。因此，带电粒子在理论上具有将剂量限制在特定深度范围内的能力，稍后将加以描述。
在放射外科中最常用的带电粒子治疗是质子放射外科。质子粒子是在粒子加速器如回旋加速器中产生的。因为质子比电子重得多，所以在特定的速度下，质子的动能要大得多，而且不容易散射。因此，质子可能会对周围组织造成更小的伤害。此外，质子的大部分能量吸收发生在轨道的远端。质子通过后轨道末端精确定义的强电离区域称为布拉格峰(见图1)。在布拉格峰的远端，很少有能量转移到周围的组织，因为质子在组织中有一个明确的范围，并且几乎没有出口剂量。可以改变射线束以使布拉格峰扩散，以符合待治疗体积的厚度和深度。利用布拉格峰效应以及多个质子束的交叉发射，可以产生一个定位良好的高辐射输送体积，这已经在放射外科环境中得到了应用。
放射外科设备
伽玛刀
伽玛刀(图2)的工作原理是精确对准来自60Co源阵列的伽马射线发射，使它们在一个称为焦点的点相交。每个射线束单独具有相当低的剂量率。然而，射线束在焦点处的总和产生了一个非常集中的剂量。将治疗的能量分散到不同的射线束中(目前的模型使用201根或192根射束)，可以在靶标体积内实现高辐射剂量，同时在很大程度上保留正常的大脑，因为随着与焦点(或等中心)的距离增加，剂量会迅速下降到一个低水平。
图2。伽玛刀放射外科设备。
伽玛刀放射外科的剂量学与常规的分割放射治疗有很大不同，后者侧重于靶体积内剂量的均匀性;伽玛刀所获得的陡峭的剂量梯度和等中心平面意味着靶内的剂量是不均匀的伽玛刀装置本身有几个主要组成部分:一个大的球形屏蔽(该装置的主体)，包含一系列钴源，保护患者和操作人员免受伽马辐射的伤害;一个中心体，它实际容纳源阵列，并包含主准直系统，将伽马射线引导到焦点;一个治疗台，可以将患者的头部移进移出机器单位(在后来的机型中，可以精确地定位头部，使靶标在焦点上)；用于机组操作控制的控制套件;治疗计划系统允许神经外科医生，与放射肿瘤学家和医学物理学家一起，创建适当的剂量分布。
旧的伽玛刀机型单位(U, B, C，和4C型)使用一个外部的，头盔为基础的系统，最终射束准直。每个头盔都有许多可拆卸的准直器，加工成特定的野尺寸(4mm，8mm，14mm和18mm)。单个准直器可以用固体“插头”代替，以达到特定的射束整形效果，主要用于保护靠近靶标体积的关键结构。如果剂量计划使用的是一个以上的剂量野大小，或者是使用塞孔的剂量计划，则要求操作人员在操作过程中更换头盔或塞挡。
在后来的(Perfexion和Icon)型伽玛刀中，外部准直系统已被单个内部准直结构取代，内部准直结构具有精密加工的单个准直器(4mm, 8mm和16mm)。60Co源阵列被分成8个扇区，每个扇区有24个源，源架可以在单元后部由电机驱动的线性轴承上滑动，以使扇区与任何可用的准直器尺寸或“阻挡”位置对齐。因此，八个扇区中的每一个扇区都可以独立于其他扇区进行配置，从而导致由多个野大小组成的“复合”等中心的可能性(图3)。在Perfexion和Icon型中，阻挡屏蔽(一个高度手动的过程)也同样被设置一个或多个扇区到阻塞位置的全自动过程所取代。
如前所述，放射外科治疗依赖于立体定向和三维成像的综合。传统上，伽玛刀通过使用基于Leksell框架的立体定向定位系统和相关的成像和治疗计划基准系统来实现这种综合。立体定向框架具有已知的尺寸，并且一旦放置在患者身上就隐含地定义了参考立体定向坐标系。神经外科医生通过确定一个或多个等中心(通常称为“靶点”)来计划治疗，这些脑内的位置将在确定的时间内置于伽玛刀单元的焦点上。通过小心地操作等中心的位置和每个位置的停留时间，神经外科医生可以创建一个高度适形的治疗计划，保护正常的邻近大脑结构。
临床对大分割放射外科的兴趣的增加导致了伽玛刀多次疗程技术的发展。在Perfexion型上，(Extend)系统是可用的，它利用基于牙模的可重新定位框架系统代替固定的立体定向框架系统。
Icon型伽玛刀引入了机载锥形束CT (CBCT)成像系统和分割内运动跟踪系统，使用热塑性面罩固定的伽玛刀放射治疗成为可能。CBCT扫描仪安装在伽玛刀辐射单元的前部。CBCT的等中心与伽玛刀单元本身的辐射等中心具有已知的校准关系，因此扫描仪获得的图像隐含在立体定向坐标空间中。红外(IR)运动跟踪系统(称为Intra-Fraction motion - management system，或IFMM)用于在整个治疗过程中监测患者的位置，并确保即使在面罩固定的情况下也能实现准确的治疗，这种固定被认为比立体定向框架系统刚性更小。
3。定制伽玛刀放射外科计划。根据准直器的尺寸不同，射孔直径也不同(A)。复合准直器可以产生不同的剂量云，可以“塑造”处方等剂量线，以提高平面适形性(B)。在空间中不同位置组合射孔，并以不同的权重组合，也可以影响剂量云(C)。总之，这些技术可以用来塑造到肿瘤的处方辐射等剂量线，保护正常脑实质。
基于直线加速器的放射外科
1974年，Larsson等首次提出LINAC作为放射外科的放射源，最早的基于LINAC的临床放射外科报道由Betti和derechinsky于1983年发表，由Colombo和Hartmann及其同事于1985年发表。从历史上看，用于放射外科的直线加速器通常是用于常规癌症治疗的机器的改进版本，可以实现更小的射束尺寸和更精确的定位规格。最近，专门为放射外科应用而设计的LINACs可从几家制造商获得，包括Edge (Varian Medical Systems)， Versa HD (Elekta AB)， Tomotherapy Hi-Art (Tomotherapy)， CyberKnife (Accuray)和Novalis Radiosurgery (BrainLab)。
已经开发了各种方法来使用LINAC作为放射外科工具。然而，大多数方法都遵循相同的基本技术。治疗台旋转、龙门旋转和准直器旋转的组合用于将光子束从许多不同的非共面方向引导到颅内目标(而不是常规放射治疗中使用的1到5条射束，通常使用超过5条射束)。利用两个相交的旋转轴，并将目标的中心放在这个交点上，可以访问整个颅骨上半球的光束进入点。多叶准直器(MLCs)用于在每个位置形成治疗野，并且可以调制以实现特定的剂量分布。代替MLC，专门的三级准直器(通常称为放射外科锥)也可以用来在等中心产生近球形的辐射点。如果x射线不是固定的光束，而是在龙门架旋转时直接射入头部，那么射线束的中轴线就可以被引导出称为弧的路径。电弧和调制MLC的组合可以帮助实现适形剂量分布。该技术的最先进版本被称为体积调制电弧治疗(VMAT)，其中在射束传递过程中同时改变LINAC的剂量率，龙门，准直器和MLC，以创建优化的剂量分布。这些先进的技术需要专门的调试和质量保证，以及使用算法优化技术找到合适的处理交付参数的逆向处理计划技术。最近，单等中心、多病变技术(单等中心、多病变VMAT)使用位于中心的等中心和MLC孔径模式，远离中心射线束轴，同时治疗多个目标这样做的优点是，无论治疗的病变数量如何，都能保持相当恒定的射线束时间，同时也要权衡可能增加的对正常大脑的低剂量泄漏。
质子放射外科治疗
带电粒子(如质子)的主要理论优势在于，它们通过前面描述的布拉格现象将大部分剂量沉积在可预测的深度。由于根据质子束的能量不同，其运动深度也不同，因此为了使Bragg峰效应与靶组织达到最佳匹配，必须在治疗过程中调整射束的能量和Bragg峰的扩散。这可以通过添加变厚度吸收剂来实现。如果使用来自不同方向的四束射线束来治疗一个靶标，那么从每个射束的角度来看，靶标的形状很可能是不同的。放置在患者表面附近的射线束整形孔径提供了靶的横截面构象。因此，用带电粒子治疗病人需要从每束光束的角度获得。关于靶标的非常详细的信息。每个射束需要一个定制的范围修改吸收器，一个变厚度旋转吸收器和一个射束整形孔径。
带电粒子放射手术可以产生良好的剂量分布，但治疗过程比伽玛刀或直线加速器更耗时、更昂贵、更困难。靶位置或质子束能量的不确定性会导致发射剂量与预测剂量分布的巨大变化。此外，与基于光子的系统相比，质子放射外科的临床结果报告较少，需要进一步研究以了解其相对有效性。
总结
表1总结了临床经常使用的主要放射外科设施。医生和患者可以选择合理的工具来治疗不同部位的特定肿瘤。这些工具适用于不同的固定工具，以及单次或多次分割。使用这些工具的外科手术都被称为放射外科治疗，因为它们都使用高剂量的聚焦电离射线束穿过完整的头骨。
表1几种辐照或放射外科设备的比较。
伽玛刀放射外科
以下是使用伽玛刀进行放射外科治疗的步骤:
1.放射外科设备的日常质量保证。
2.安装立体定向框架(或创建自定义面罩和使用CBCT建立参考立体定向坐标)。
3.检查头＋适配器和头架帽的适配情况(如果使用)。
4.使用MRI、CT、血管造影，或这些方式的任何组合进行立体定向脑部成像。
5.神经图像的协同配准，以及向放射外科软件输入。
6.放射外科小组的适形放射外科剂量计划。
7.剂量和分割的选择。
8.关键结构的剂量约束:屏蔽和堵塞技术。
9. 将治疗前CBCT和治疗计划调整到当前患者位置(如果使用定制面罩或治疗前头架安装的质量保证)
10.通过将患者头部定位在准直器系统内，对靶标体积进行立体定向照射(基于面罩，锥形束CT和红外监测用于患者登记和跟踪)。
11.移除立体定向导向装置(或面罩)
立体定向头架安装
传统上，立体定向框架放置是整个放射外科过程中的关键步骤。在大多数医疗中心，当在患者身上安装立体定向框架时，会进行局部麻醉和静脉镇静。在放置框架之前，先用酒精处理头皮，然后用长效局部麻醉剂渗透固定钉放置的区域。
神经外科医生和技术人员应该预览SRS治疗前的MR图像，以了解病变的位置和性质，并选择最佳的头架安装策略。最重要的原则是保持病灶尽可能在框架的中心，以避免碰撞和优化剂量测定。在治疗过程中，通常在基础环、立柱/固定钉组件或患者头部与准直器头盔之间发生碰撞。团队成员应避免在一些先前接受过开颅手术的患者的柔性或部分柔性骨瓣上放置固定钉。
为了靶向更尾向的病变（a more caudal lesion），神经外科医生通过将耳轴放置在Leksell框架上耳件的顶部孔中，将头架放装得尽量低。对于较高的病变，将耳轴放置在耳件的底部孔中，使头架的位置较高。
对于前部病变，神经外科医生通过将耳件置于头架基础环的后方，将头架向前移动。耳件的后边缘在头部框架的y尺寸上保持75至90毫米(而不是90 - 100毫米)，这取决于使病变最接近框架中心所需的移位。在那些不使用耳件的中心，可以使用其他方法来适当地移动框架。
对于鞍区病变，使用视觉器官的角度作为头架的轴线通常是有帮助的。这个角度近似于连接外眦和耳廓顶部的一条线，通过在单层MRI薄层上显示整个视神经器官，可以更容易地识别视神经、视交叉和视束。
对于前部靶区，首选短后柱，以避免后立柱/固定钉组件与准直器头盔碰撞。为了靶向后部病变，神经外科医生通过将耳件向前放置，将头架向后移动。
耳件后缘保持在110 - 125毫米，而不是95 - 100毫米。前立柱放置在眶上区域尽可能低的位置，以避免前立柱/固定钉组件与准直器头盔碰撞。
对于放射外科计划，如果在默认角度(90度)检测到有碰撞，则使用不同的伽马角。为了达到外侧目标，神经外科医生将框架向病变侧位移。在这种横向移动过程中，重要的是要确保对侧有足够的空间，以便在框架的基础环上定位基准盒。
在患者被送到MRI单元之前，应该在头架上尝试MRI或CT基准框。如果基准框不适配头架，因为过度移动，将不得不重新头架定位。
由于头架定义了立体定向坐标系，因此头架系统的完整性对放射外科治疗的整体准确性和精度至关重要。制造商建议外科医生在安装头架后通过对基础环施加力来评估框架的稳定性。然而，Icon型伽玛刀的CBCT系统可用于获得患者在立体定向坐标空间中的头部位置的独立估计，并验证固定钉在治疗前没有立即移动。
创建自定义面罩和参考锥束计算机断层扫描
对于多个疗程伽玛刀治疗(或当不需要固定框架时)，框架安装步骤被创建患者特定的热塑性面罩和头垫所取代。患者在伽玛刀患者定位系统(PPS)上被引导到一个舒适的位置。在病人的头后面放置，并在头部的后侧形成一个柔软的枕头。枕头暴露在空气中会变硬，形成一个可复制的头枕。然后将热塑性面罩(加热到约165°F)置于患者面部，并形成与骨面部结构密切相关的轮廓。这种面罩冷却后会变硬，从而产生一种可复制的面罩，可以固定病人的头部。最后，在患者的鼻子上放置红外线反射鼻子标志物。正如后面所描述的，这个鼻子标志物在面罩固定装置内作为患者头部运动的替代品，并在治疗期间对其进行跟踪，以确保准确交付。
然后获得CBCT扫描，作为治疗计划的立体定向参考。所有其他治疗计划成像与此参考CBCT共同登记。在每次治疗开始前，患者被重新安置在伽玛刀头垫和面罩上。获取新的CBCT图像(治疗前CBCT)，并与参考CBCT进行协调配准。治疗计划系统计算患者位置的平移和旋转差异，并在内部校正计划的等中心坐标(在机器坐标中)以匹配患者当前位置。
与此同时，IFMM相机使用治疗前CBCT扫描期间标志物相对于患者头枕上的一组四个固定参考标记物的时间平均位置，为患者的红外反射鼻标志物创建基线参考。在控制台设置患者鼻子标志物的运动阈值(默认为1.5 mm)。如果患者鼻子标志物(相对于参考标志物)偏离超过这个阈值，伽玛刀将被指示将射线束切换到阻塞位置。如果病人迅速(在几秒钟内)返回到鼻志物低于运动阈值的位置，射线束将重新打开。然而，如果患者在同一靶点照射中多次偏离阈值或超过几秒钟，则治疗将暂停，并可以通过获得新的CBCT扫描以创建新的治疗位置基线。至少有一项研究表明，对于最可能的患者运动模式，鼻子标志物能作为颅内靶运动的合适替代品。
头架适配器和头架帽适配检查
确认头架适配器适合病人的头架是一个重要的步骤。如果头架移得太向前，基础环的后部太靠近颈部，适配器可能不合适，因此无法进行治疗。特别是在长时间治疗期间，适配器紧密适合可能会导致颈部不适。头架帽检查提供关于所有立体定向框架部件的几何信息，包括立柱和固定钉，以及关于与治疗计划系统相关的患者头部几何信息。这些信息用于预测潜在的碰撞或与伽玛刀准直器系统的密切接触。如果头架帽不适合，精确的立柱和固定钉几何测量必须输入到治疗计划系统中，以避免潜在碰撞的可能性。
使用磁共振成像，计算机断层扫描，血管造影，或任何这些模式的组合进行立体定向脑部成像
固定后，所有患者接受某种形式的专门成像研究，如使用或不使用静脉对比造影剂的薄层立体定向MRI。成像研究也通过以下MRI序列进行:平扫序列包括冠状位和矢状位T1加权(1毫米薄层)，快速自旋回波(FSE)轴位和冠状位T2加权(1毫米薄层)图像。对比增强序列包括冠状位T1加权(1mm薄层)、矢状位FSE T1加权(1mm薄层)和冠状位扰相梯度回波(SPGR) T1加权图像。自2010年以来，动态MRI序列已被用于垂体腺瘤检测，作为放射外科计划测序的一部分。
对于不能耐受MRI的患者，CT可能是另一种选择。然而，对于某些病变，尤其是先前手术切除的患者，CT对靶区的描绘可能比MRI要少。
为计划动静脉畸形(avm)的放射外科外科，立体定向血管造影通常是必要的。它应与MRI或CT结合使用，以提供第三种成像方式。放射外科立体定向血管造影的目的不仅是定位AVM病灶，而且是指导放射输送。正交血管造影图像通常比传统的倾斜或旋转血管造影图像更好。对于在正交血管造影图像中不清楚显示的AVM畸形血管超，在二维或侧面旋转10度是可以接受的。在取出血管造影导管之前，应再次检查图像，以确认图像上看到所有的基准点。虽然我们认识到潜在的径向畸变误差，数字减影血管造影可以提供令人满意的空间精度。
图像的协同配准
定期进行MRI单元的质量控制检查，以保持图像的准确性。MRI提供高分辨率图像和精确的靶标定位。使用一个特殊的头架支架，以避免在成像时的头部运动。通过将已知头架测量值与图像测量值进行比较，以及从后基准到中基准的距离，检查每个图像序列的图像精度。图像通过计算机网络传输从成像套件导出。基于图像上的基准标记，使用SRS计划软件将图像配准到立体定向空间。再次检查测量值，并与已知头架测量值以及到中间基准的距离进行比较，以确认图像传输过程中没有发生畸变。
治疗计划
无论采用何种放射外科方式，SRS都需要清晰准确的靶标成像。在过去的20年里，放射成像的进步提高了放射外科治疗颅内病变的有效性和安全性。目前颅内病变的治疗计划通常是通过基于计算机的软件包进行的。靶标体和周围的结构被轮廓勾画。可以绘制剂量计划以向靶标提供理想剂量并向邻近关键结构提供安全剂量。如果勾画出来，就可以得到各种参数，如靶体积和关键结构的剂量-体积直方图。对适形性、剂量均匀性和梯度指数进行评估和调整，以优化剂量计划。
以用SRS软件手动勾画靶标体积轮廓可，一些软件包也提供自动轮廓勾画。然而，仔细检查病变边界通常会发现，它并不总是一条明显的、清晰的线（ a distinct, sharp line），而是在增强和非增强之间过渡的模糊线。一些视觉错觉（optical illusions），如康斯威特效应（the Cornsweet effect），误导神经外科医生对不适当的病变轮廓处方以高剂量的辐射。有时人们注意到等剂量线似乎总是“神奇地”与肿瘤完美吻合(完美幻觉)。视觉系统可能会误导外科医生，使其认为许多不同的等剂量线完全适合同一肿瘤。。因此，一些经验丰富的神经外科医生在制定适形剂量计划时没有列出目标。没有标记的病变边界允许神经外科医生评估每个图像切片上的边界混乱程度，避免了认为特定边界是唯一正确边界的陷阱，并减少了显示过多线条所固有的混乱。当然，在放射外科治疗计划完成后，仍然可以回顾性地获得剂量-体积直方图、适形性指数、梯度指数等参数。
剂量处方与分割选择
一般来说，对于脑膜瘤、神经鞘瘤和其他良性颅内肿瘤，单次放射外科边缘剂量为10至 15 Gy，对于功能性腺瘤，单次放射外科边缘剂量为15至 30 Gy，对于动静脉畸形，单次放射外科边缘剂量为 18 至 30 Gy，对于脑转移瘤和其他颅内恶性肿瘤，单次放射外科边缘剂量为16 至 24 Gy。对于三叉神经痛，使用的最大剂量为70至90Gy。应注意避免高剂量或如颅神经、脑干和颈动脉等关键神经血管结构的“热点”，。放射外科治疗可以在2到5次疗程中进行大分割，以根据特定病例的限制提供更优化的剂量计划。对于患有复杂中枢神经系统病理的患者，单次分割放射外科或标准分割不一定是唯一的选择。
关键结构的剂量约束:屏蔽和封堵技术的价值
SRS治疗后的视力恶化是罕见的，如果对视觉器官的剂量约束为单次剂量≦8Gy，则可以避免，尽管一些小组描述了使用10至12 Gy而无副作用。传统上，理想的是肿瘤边缘与视觉器官之间的距离≧3mm。如果不能构建可接受的梯度，则应考虑替代处理。现代放射外科设备可以允许小至1至2毫米的距离。分次放射外科将允许5次分割25Gy的点剂量照射到视觉器官。最终，允许的可耐受绝对剂量可能因患者而异，并可能受到以下因素的影响:先前因肿瘤压迫对视神经器官的损害、缺血性改变、先前干预措施的类型和时间(例如，分次放射治疗和手术)、患者的年龄以及是否存在合并症(例如，糖尿病或高血压)。
大多数颅神经似乎比视神经更能抵抗辐射效应，但关于特别是在重复放射外科治理后，颅神经病变的报道，有很好的文献记载。虽然尚不清楚对颅神经的可耐受限度，但报告详细说明了该区域的有效放射外科剂量在19至30Gy之间，副作用的风险很低。
SRS治疗后颈动脉等颅内大血管损伤较少见，仅有1例孤立报道。在肿瘤似乎扩展到一个重要区域的情况下，可以使用屏蔽和堵塞技术来降低对关键结构的辐射剂量。
对于鞍区病变，放射外科治疗后对肿瘤体积的影响与内分泌缓解率之间确实存在直接相关性。幸运的是，由于大多数鞍区病变足够小，适合SRS治理，剂量-体积考虑通常不是限制因素。由于功能性垂体腺瘤对全身的影响可能是毁灭性的，因此照射合理的高剂量(≧20Gy)以使激素迅速正常化并控制肿瘤生长似乎是很直观的。为了提高功能腺瘤的激素正常化率，甚至可以选择25或30 Gy的边缘剂量。然而，目前尚不清楚在多大程度上较高的边缘剂量(例如，30 Gy与20 Gy)会导致迟发垂体功能减退。对于在海绵窦中具有放射影像学可识别目标的功能性腺瘤，可以设计更高范围治疗剂量的放射外科计划，同时屏蔽大部分正常的垂体柄、垂体腺和视觉器官(见图.2)。
对于脑干病变，如脑干AVM、转移瘤或肿瘤，剂量-体积效应可显著影响剂量选择。当SRS治疗后发生脑水肿时，患者可发展为脑干功能障碍。根据我们的经验，对肿瘤边缘的14至20Gy的高剂量，脑干实质也能耐受，通常是安全的。尽管20Gy的剂量对脑干转移患者没有造成损害，但我们已经降低了脑干附近或脑干内的所有放射外科剂量。
准直器系统内立体定向照射靶体积
目前的放射外科治疗程序在整个治疗的各个方面都是一个完全自动化的过程，包括立体定向坐标的设置，确定准直器大小或阻挡射束的不同扇形位置，以及曝光时间。所有放射外科数据导出到操作控制台，用于控制和监测患者的治疗。对于伽玛刀外科，唯一的手动部分是将患者的头部以选定的角度放置在对接装置中，并调整治疗床的高度，以获得最佳的患者舒适度。然而，对于与准直系统密切接触的靶点，如多发性颅内转移瘤患者，需要进行清除率检查，并应检查操作控制台控制计算机上不同等焦点的坐标，暴露时间和区域设置。在间隙检查中，一个特殊的测试工具模拟内部准直器的形状和尺寸，并在患者头部周围旋转以获得测试位置。在放射外科治疗过程中，患者也可以通过音频和视频通信进行监测。还可以进行生命体征监测。如果临床情况需要，也可以中断治疗。
移除立体定向导向装置
(如果使用框架)治疗的最后一步是从病人头上取下固定钉和框架。固定钉的伤口可能会有渗出，通常可以通过简单的按压来止血，尽管有时需要缝合。固定钉部位感染可通过给予新霉素、杆菌肽或其他局部外用抗生素（neomycin, bacitracin, or other local external antibiotics.）来避免。放射外科治理后，对患者进行几个小时的监测，如果神经系统状况稳定，则出院。然而，如果发生一些意外事件，如癫痫发作、恶心、剧烈疼痛、麻醉并发症或新发神经功能障碍，则可能需要住院治疗。
直线加速器放射外科（略）
质子束放射外科
进行质子放射手术有两种方法。最初的方法是proton cross-firing（质子交叉照射），第二种方法是利用布拉格峰的效应。交叉照射的概念分别是1958年劳伦斯和1958年拉尔森提出的;他们用质子作为辐射源。劳伦斯和伯克利的同事们从头部两侧用多个质子交叉照射弧来治疗靶标，射线束定向以避免在正常组织中剂量重叠，但在靶标中心相交。Larsson和他的同事使用了同样的原理，用185兆电子伏的质子束，通过立体定向固定瞄准病灶。随后，使用高能回旋加速器改进了这种方法。
第二种方法，利用布拉格峰的效应，是由哈佛回旋加速器实验室的研究小组在1961年开发的。该设施仅限于160兆电子伏的质子束，其范围不足以进行交叉照射；然而，布拉格峰可以在这种情况下应用。与交叉照射方法不同，从头部顶点射向脚的质子束可以在没有下游剂量的情况下使用，因为质子的范围是有限的，计算出质子会在靶标内停止。尽管技术上的挑战仍然是能否精确地将质子停在所需的位置，但已经建立了一些改进措施，例如层压计划（lamination planning）和称为扩展布拉格峰( the spread-out Bragg peak，SOBP)的组合峰。
目前，质子束辐照是通过固定的水平束流室或旋转束流室进行的。STAR(放射外科立体定向对准)系统，立体定向颅内束线设备，位于麻省总医院。使用STAR系统，患者可以通过在治疗床或特定椅子上的位置进行治疗，质子放射外科的程序与前面提到的基于光子的SRS类似(图4)。
图4。质子放射外科装置。
STAR系统采用布朗-罗伯茨-威尔斯(BRW)坐标系。使用BRW框架和局部麻醉，患者用STAR系统内的支撑固定，以便他们可以在需要时侧翻身进行倾斜野治疗。在以医院为基础的质子治疗设施中，放射外科治疗同时使用龙门装置和STAR系统进行。龙门形装置使用非等中心性四轴机器人病人定位和非晶硅面板进行数字成像，而不是胶片。最终的质子束整形是通过定制的黄铜孔来实现的，每个治疗射束和Lucite补偿器来创建射束的远端形状。
结论
放射外科技术共享基本的基本原理，但根据所使用的能量来源和设备的不同而存在一些差异。可以通过各种设备包括伽玛刀，直线加速器，和质子束单位，向靶标病变递送聚焦光子或带电粒子的射线束。SRS治理的适应证已经超出了Lars Leksell最初提出的适应证。随着技术的改进，对放射生物学的更好理解，以及治疗算法的优化，患者正在以更高的疗效、安全性和质量接受放射外科。
