在1981年，在获得地区和领导层的支持后，作出了发展立体定向放射外科中心的决定，并在匹兹堡安装了第一台201个钴-60源的伽玛刀。这是7年探索的一部分，需要克服对不熟悉美国法规机构和保险公司的新技术的障碍。第一位病人于1987年8月接受治疗。从那时起，我们的中心安装了每个后续研发出的伽玛刀设备。在最初的30年里，我们为14750多例患者进行了放射外科治疗。除了病人医疗，我们中心的目标是制定主要的教学和临床研究计划，最终培训了2500多名医生以及医学物理师，发表的600多篇经过同行评议的临床结果研究，和4本书。本报告总结了购买的理由（the rationale for acquisition）、遇到的挑战以及早年和其后我们安装了在美国的第一台 201个钴源的伽玛刀的发展历程。

第一次看到

在(1975-1980)匹兹堡大学高级作者培训期间，需要更少的侵袭性策略以开展诊断和治疗，否则会造成明显的脑部损伤。与匹兹堡第一台计算机断层扫描(CT)扫描仪同一天到达-带有水袋的最开始的Mark 1 EMI——我立刻意识到观察大脑内部的能力发生了根本性的变化。当在1978年，第一代设备得到增补，有了第一台开放式CT扫描仪——现在由ASE制造并由Pfizer（辉瑞公司）市场销售的是新一代的设备-在诊断CT扫描仪上实际执行手术的机会变得明显。与当时的神经放射学主任Arthur Rosenbaum，以及来自辉瑞公司的工程师John Perry合作，我们研发出一种原型引导装置使用N定位器方法通过三条直线的坐标(X, Y, Z)定义靶点。

Lunsford开始调查仍然很活跃地开展立体定向治疗程序的欧洲中心。在1975-1978年间，在我们的中心，没有完成过立体定向治疗，那时我们使用为CT扫描仪制作的该原型图像兼容设备，对首例患者进行CT导向下立体定向手术。Lunsford的主任(Peter Jannetta，为确保自己对神经外科的贡献，并愿意接受他人的创新，1979年春天允许Lunsford在欧洲呆三个月。Lunsford应Erik-Olof Backlund和Lars Leksell的盛情邀请，在斯德哥尔摩的卡罗林斯卡学院待了6周。在那里，他注意到第一台伽玛刀，这个设备在Studsvik建成、加载，并首次用于治疗病人，但最终被安装在由瑞典王室家族(Sofiahemmet索菲亚王后)建立的私立医院。第二台伽玛刀，重新设计，发展成更适合的扁圆形放射外科照射野，适用于大脑靶区结构，如肿瘤和血管畸形，并在1975年在Karolinska医院安装。

作为匹兹堡的总住院医生，Lunsford成功地竞争到了美国神经外科医生协会(AANS)William P. Van Wagenen研究员奖金(fellowship)。当我通知Peter Jannetta，他很高兴，主动提出雇我做助理教授，并帮助承担那年在国外的费用。从匹兹堡的总住院医生到斯德哥尔摩和卡洛林斯卡，这是一个令人难以置信的转变——几乎就像在你开始你的第一次学术职位之前的学术休假（academic sabbatical）。我从来没有再遇到过或者比这更好的一年。Van Wagenen奖是通过Eugene Stern在于1980年4月召开洛杉矶的AANS商务会议上颁给我的。Stern并不喜欢我的主任Peter Jannetta。在我第一次瞥见神经学科政治（neurologypolitics）江湖的场合有6个人在场。

在瑞典的一年

安顿下来后的第一个目标就是学习关于基于框架或开放的立体定向治疗步骤。Erik-Olof Backlund是我的主要导师，也是颅咽管瘤手术的先驱，但我很快就开始定期与Lars Leksell会面。

也是在这段时间里，我变得着迷于使用伽玛刀作为一种技术来执行立体定向放射外科治疗。最初用瑞典语叫作strälkniven，意思是辐射刀（radiation knife），在最常用的称呼伽玛刀（Gamma Knife）出现以前的许多年里，在技术被称为伽玛装置(gamma unit)。第二个伽玛刀原型机被安装在卡洛林斯卡（Karolinska）Radiumhemmet的地下室里，由隧道连接到神经外科临床科室，那里有病床还有手术室。这个治疗过程在任何方面都类似于其他外科手术，根据病人的选择，入院，和在头部安装立体定向框架，成像定位、剂量规划和实施剂量照射。差别在于无手术切口，利用179个钴-60 微球(pellets)衰减所产生的交叉照射的光子射线束通过第二个4、8、或14mm的射线直径的准直器交叉照射在靶点上。单根射线束可以被阻塞以形成最终的3 D射野。

Leksell研发了可能是世界上最独特的外科器械，这项发明最终改变了神经外科学和放射肿瘤学的面貌。到目前为止的规定中，所有的辐射必须以多个分割实施照射才能不会诱发边上的组织损伤( collateral tissue damage)。我能协助Backlund(立体定向治疗中脑导水管狭窄)和Leksell(研制一种影在开放式CT立体定向步骤中像兼容探头支架以替代圆弧）的发表出版。在这段时间里，我听到了Leksell和和放射生物学家Borje Larsson以及陪同英国Sheffield的David Forster的来自布宜诺斯艾利斯的Hernan Bunge之间的许多对话。David Forste说服Leksell进行授权建造两个额外的伽玛装置（Gamma Unit）。这些新的原型机(装置Unit3和装置Unit4)是由暂时有执照的瑞典公司Scanditronix建造的。值得注意的是，Leksell和Larsson曾经计划过治疗床的组装以便在聚焦的射线束中连续不断地移动靶点。

在瑞典的时候，我听说Leksell已授权装运原装的伽玛刀原型机运到加州洛杉矶，他的朋友Robert Rand那里，Robert Rand（已经在他的信笺抬头上列出包括立体定向放射外科治疗作为手术治疗步骤之一)，想在动物身上做放射外科实验，大为惊讶。这个装置是用船装运的，从斯德哥尔摩乘船运到长滩，在那里神秘地从船上卸下并转运到加州大学洛杉矶分校（UCLA）的地下室。虽然没有已知的实际治疗病人的记录，很明显，至少有1例患者接受过放射外科治疗，有那个时候的摄影为证。

两部分的计划

专用的立体定向手术室

在我1981年夏天回到匹兹堡的时候，我继续致力于创建Presbyterian（长老会）大学医院的立体定向手术室。CT是一种新的工具，但专门用于一个手术室，而当时市内只有2台CT扫描仪，就存在问题。我们的建议需要(卫生局The Health Systems Agency)医学成本委员会（the medical cost council ）批准。在委员会中的神经外科医生和匹兹堡大学的人员，如Roberto Heros 和Peter Jannetta的支持帮助下，我们得到了CT扫描仪，被批准为“治疗性手术器械”。“我们用于立体定向和功能性脑外科手术的专业的神经外科中心成立于1982年。

匹兹堡的伽玛刀

1982年开始了在长老会大学医院安装伽玛刀的认真努力。我然后会见了医院的首席执行官Dan Stickler，他建议我开始组织争取神经外科界和放射肿瘤界的支持。这带来了有史以来关于技术创新的最经典的书信之一。Stickler把我叫到他的办公室去看由负责许多女性癌症治疗的Magee Women医院放射肿瘤学主任所写的信。这封信很简短，但我记得清清楚楚:“尊敬的Stickler先生，我不知道伽玛刀是什么东西，但我反对它。”在遭遇反对创新后，需要作出更多的努力，继续坚持下去。实际上，发表的文章的数量是有限的，到1982年，总共有不到1000例病人在最初的四家医院接受治疗。在当今世界寻求最高水平的医疗证据——通常是用于保险公司拒绝承保——常常会扼杀有利于医学进步的创新性发展。

在1982年，根据我和Larry Leksell的讨论，伽玛刀的预算费用是100万美元。与医院的拓展办公室一起努力，我们从匹兹堡McCune基金会资助以及一个主要的匹兹堡的捐助者，她的丈夫曾是匹兹堡钢铁工业的领导者那里得到了大约一半的资金，（但一切很快恢复平静[winding down])。

NMR中心

在加利福尼亚州有几个人成立了一家公司购买多台伽玛刀装置，把它们放在新出现的诊断模式旁边，称之为NMR。诊断和治疗就像是隔壁邻居。钱是投资下去了，但这个想法被证明太野心勃勃，后来他们就违约了。我们签署关于匹兹堡装置的协议后不久，医院被以“曲线干扰（tortuous interference）”NMR中心项目的名义起诉到联邦地区法院。幸运的是,联邦地区法院是在匹兹堡的，大约几个星期，起诉就因有偏见不予考虑（thrown out with prejudice）。

监管认证

伽玛刀是在美国食品和药物管理局（FDA）法律规范技术之前研发的，就其本身而言，在美国的市场销售中是“不受新法律约束的(grandfathered)”。负责监控国家的核武库和核电厂的核管理机构(The Nuclear Regulatory Agency，NRC)，也承担着对密封的放射源的监督，我们使用的是钴- 60源。

伽玛刀，作为一种治疗工具，对核管理机构(NRC)来说似乎很神秘，而NRC也不能明白神经外科医生会如何介入。他们非常担心的几点，包括患者安全(暴露)，装置的屏蔽(一个非常不同的治疗过程和按美国以外的标准)，以及如何在(第五台)U型伽玛刀中加载201个钴-60源，这就要求有20吨铸铁石棺（cast iron sarcophagus）包围放射源作为屏蔽。在重新装源时，打开屏蔽，将暴露所有201个放射源(6000 Ci[居里]钴)。

装源被证明是一个主要的障碍。我们提出了几种替代方案，包括使用附近的被重重屏蔽的匹兹堡大学物理系的建筑物。

监管机构建议使用海运集装箱，以便承载的装置可以被转移到医院。并提出对装载的伽玛刀进行跌落试验，就是将装载的伽玛刀用起重机吊到100英尺高的地方再跌落到混凝土垫上，看看铸铁外壳是否裂开。因此，创造出Elekta Tiger用来包围加载的设备，设计模拟一辆装载Tiger/伽玛刀的货运列车与另一列火车迎面相撞时而失事——但没有导致放射源泄漏!在与美国核管理委员会华盛顿中心办公室的最后一次执行会议上，Larry Leksell被NRC主席拉到一边，并被告知“算了吧，我们永远无法确定你们能否通过测试。”

开发替代方案的压力越来越大。医学物理师Anne Maitz拜访了她在西屋电器(Westinghouse）的朋友们使用机器人机械手给伽玛刀装源。要求用1英尺或更厚的混凝土墙作为治疗室的地下室（vaults）形成很厚重的屏蔽，天花板辅之以铅砖。这对医院的医生来说是一种安慰，因为他们直接在伽玛刀地下室上方的自助餐厅吃午餐。

图1。250公斤的第二重头盔，为(直径为4、8、14和18毫米的)伽玛射线束提供准直器。

完成装源后，医学物理团队对每个第二重准直器头盔（4毫米-，8毫米-，14毫米-和第一次将18毫米的孔钻入重达250公斤的钢铸头盔；图1）开始进行检测输出，射线精度和输出因子。地下室（vaults）和治疗室，包括病人准备室(图2)是建筑师Mike Stuhldreyer和他的团队独特的作品，他曾经和我一起合作对我们医院的CT立体定向手术室进行过设计和实施。

图2。B型伽玛刀治疗室的设计提供了一个高度屏蔽的治疗地下室，包括用于头架安装的病人观察室和医用物理的空间。

团队的创建和第一批患者

尽管过去伽玛刀作为外科手术工具，在医学物理师的协作下由神经外科医生使用，在美国需要作出调整。我向我们的辐射安全办公室提交了我的证明，包括有腔内放射的经验。他们依次接受核管理委员会第1区批准指定Lunsford为授权用户。我们知道我们需要医用物理学以及放射肿瘤学的专业知识。匹兹堡大学的项目有幸招聘到在哈佛系统接受过放射肿瘤学训练的John Flickinger，以及Melvin Deutsch的支持。发表的大部分与伽玛刀的使用相关的知识都反映其在深部动静脉畸形治疗中的作用，以及一些治疗听神经瘤的经验。我们在神经外科的同事多年来已经收集了一组深部动静脉畸形病人，其中一些已经过部分栓塞，就等着伽玛刀治疗项目的开张。这些病人反映了我们最初的经验，在1987年8月14日进行了第一例的治疗。

我们的头6个月的运作期间，开始的最初的病例是和来访问的Danny Leksell和Ladislau Steiner等一起进行的。我们雇佣了一个手术室护士管理病人的护理，很快意识到我们的病人需要补充有意识的镇静，使框架安装的体验非常可以耐受。第一个动静脉畸形的病例安装头架后用双平面血管造影进行定位，而第一例听神经瘤病例用CT扫描进行定位。当时的影像采集有点冗长味，确保病人正确地处于水平位，而且可以看到头架适配器上的基准点。没有图像融合。我们使用KULA剂量计划系统。在不精确的模式下，计算单个等心点(靶点Shot)需要6分钟。两个靶点要12分钟，等等。将靶点打印出来到透明塑料上，覆盖在放大的CT或血管造影片上，并与中心射线束束位置相匹配。如果你对这个初始迭代（iteration）不满意，需要重新计算，每个靶点需要又一个6分钟。新计划被重新打印并覆盖在图像上。最长的剂量规划时间为240分钟，在原装的U型机组实际治疗中，往往虎头蛇尾(anticlimax），因为最近装的201个钴源单位，剂量率> 300 cGY /分钟。每一个靶点都需要在立体定向头架上的x, y, z平面上设置坐标。三个人(一个放射肿瘤科医生，一个神经外科医生和一个医学物理师)验证坐标是正确的，然后离开治疗室，根据每个靶点的出束时间对等中心点实施照射。使用不同的准直器头盔，并要求使用液压升降机（hydraulic forklift）吊起（hoist）250公斤重的头盔。我们从来没有掉过一个头盔，但在其他地方确实发生过。

1991年，第一台磁共振成像中心在离医院1英里的另一幢建筑中建立(另一个试图限制“尚未得到证明的”技术的扩散)。我们开始在伽玛治疗室在轻度镇静下安装头架，然后把用救护车病人送到磁共振中心。此外，我们必须制作硬盘图像拷贝，然后把它们带回到我们的中心进行剂量计划。在长老会医院里面的第一个磁共振成像(MRI)中心成立于1993年，0.5 T的磁共振装置使用大到足以包括头架的线圈。运输变得容易多了。

很明显，用新出现的速度更快的计算机进行图像融合是未来的趋势。Grace Yum与医学物理主任Andre Kalend合作开始开发一个图像融合系统，使用的是我们可以输入数字图像的硅谷图形（Silicon Graphics）计算机。

首个Elekta图像融合剂量计划系统(Leksell GammaPlan 1.0)在接下来的2年内交付。虽然我们的最初的适应证是血管畸形和颅底肿瘤，到1991年，人们对治疗单发脑转移瘤产生了兴趣。伽玛刀的质量保证成为治疗步骤的一个整体，因为每周有1天是专为这个目的而设的。

B型装置

U型装置的装源和再装源发生困难引导Elekta重新设计钴源配置成为更像甜甜圈型的阵列(图3)。基于伽玛刀最初的独特成功以及关闭U装置重新装源的威胁对病人和医院经济都不好，我说服领导层在20码外的一个新地下室里增加了B型装置。重建地下室需要移动一个主要的医院支持桁架（support trusses），这对我来说是一个了不起的壮举，但建筑师和工程师们是轻而易举的事情。屏蔽需求随着Elekta为B型（以及后续设备)开发的新的装源策略的改变而改变。B型装置的病人治疗开始于1996年。增加了机器人定位技术，随着机器人式样翻新，允许修改现有的B型装置升级到C型装置。

图3.匹兹堡的第一台201个钴-60源伽玛刀的机器人操作装置。

4C装置

当4C装置与新的软件变得可用时，再次使用同样的理由说服当时的医院管理团队。这个装置使用机器人允许更广泛的靶点范围，但许多情况下仍然需要手动摆放个别的位置。再建一个新的地下室(vault)我们现在在长老会大学医院有3台有功能的伽玛刀装置，现在是发展中的匹兹堡大学医学中心(UPMC)的一部分。U型装置在第10年被重新装源，但主要用于简单的比如三叉神经痛等病例，最后用于放射生物学研究。在某一时刻，我们有一个装置的剂量率在100cGy /分钟，一个装置的剂量率在200cGy，一个装置的剂量率在300 cGy。这有助于观察实验性的模型，看剂量率是否会造成任何差异。但是并没有差异。我们迷上了机器人，更复杂的病例被分类到C型装置。图像融合软件不断改进，因为Leksell GammaPlan发布了新的更新(现在超过14.2版)。

在此期间，我们开始伽玛刀放射外科的培训课程，前两周与长时间的剂量计划有关，但最终浓缩为一个紧张的星期有讲课（didatic）和实践培训。我们培训了超过2500名外科医生，肿瘤学医生，医学物理师，耳科医生和护士，总共超过127次课程。

Perfexion型

当Elekta提出了一种新型伽玛刀时，我们同意担任Elekta的顾问，新型伽玛刀几乎能解决所有改进技术的选项。其中包括全机器人，没有手动操作模式，以及更广泛地到达脑部、颅骨和颅底的所有区域，改善了病人的安全，包括降低分散剂量，治疗床增宽更适合美式体型患者感觉舒适。这代表了在行业和有着丰富的经验的智囊团之间一种独特的协作，而且让神经外科医生、工程师、医用物理师、放射生物学家和放射肿瘤学家感兴趣。第一台装置在法国马赛安装。我们的Perfexion伽玛刀设备在2007年安装。

安装完Perfexion装置后，原装的U型机组就退役，卸载钴源，和报废。它在床和研究中使用几乎近20年，只重新装过一次源。实用、准确、功能强大，匹兹堡U型装置被证明是一个激励全世界300多个中心开展脑部放射外科治疗的设备。

ICON 型

最新的Elekta设备以Perfexion型为基础的，并添加了包括锥形束（cone-beam ）CT技术在内的修改。在某些情况下，能让标准G型头架被替换为面罩固定系统。这项技术因此在一小部分病人中被证明是有价值的，他们感觉很放松，但没有睡着(打鼾会触发移动检测系统)，以及病人治疗的出束时间(beam on times)加上锥形束CT的时间小于30-40分钟。Elekta系统是为实现Lars Leksell“推进来到推出去（wheels in to wheels out）”，在一天之内施行手术步骤的愿景而设计的；在脑部，必须保持精确性。分阶段放射外科治疗或多次分割治疗的潜在价值和应用正在使用ICON型伽玛刀的中心进行评估。

安装后不久，医院里的一根管道的基础设施老化突然爆裂，带来了5英寸深的水淹没了Perfexion型伽玛刀和ICON型伽玛刀的机房。我们的护士和医院人员快速反应，避免了设备的持久性损坏。在接下来的3个月里，我们可以继续使用Perfexion伽玛刀治疗病人，而ICON型伽玛刀的机房需要拆掉重新装修（be gutted and reconfigured.）。

三十年来，我们现在所处的位置

Leksell伽玛刀的安装是一个冒险，但也有成效，不仅为医院机构带来投资，也为15000多名患者提供治疗超过30年。病人来自世界各地。发展的经验很早就利用新兴的，后来的放射外科在治疗恶性脑部疾病中的明确作用，这种作用Leksell自己也从未想到过。在我们中心，有5家医院每年治疗一万多名病人，放射外科-包括伽玛刀和脊柱病例-现在占我们每年神经外科手术量的10%。它成为了病人需要的医疗设备的重要部分，经常是与包括内镜技术等其他图像引导外科手术治疗措施一起使用的一个选项。我们每年治疗数量在每年650到700名患者，目前有两台伽玛刀设备。有效及富有同情心的医疗体现了我们团队的努力，包括物理师和5名优秀的护士。根据Leksell的设想，病人在同一天在医院里进出，不需要手术室，不需要重症监护室。除了我们的医护人员之外，我们还和MRI、CT、以及血管造影的影像团队有着良好的联系。放射科医生和技术人员是了不起的合作者，经常建议新的成像协议，以在有或没有头架的情况下，增强靶区识别。30年来，没有一个病人在他们预定的手术当天没有得到治疗。这证明了对于技术的有力性质、我们的医用物理师解决问题的能力、以及伽玛刀服务团队心甘情愿地排忧解难。

当我们开始进行伽玛刀放射外科治疗时，我们意识到必须付出很多努力以维护病人数据库，而所有的病人记录都被隔离在我们的管理中心。这已经让超过50名的研究员和观察员能合作发表500多篇与脑部放射外科治疗的结果、风险和获益的论文(图4)。

图4。我们中心发表的文章继续以较快的速度出版，与我们在15,000多名患者中的经验和我们不断更新的数据库有关。

关于报销的片语之言

任何新技术都需要具备两个主要属性:病人福利(医疗价值)和财政的责任。放射外科是一种节省成本的方法，没有昂贵的每分钟计的手术室收费，重症监护病房，或入院。作为FDA批准的技术，医学编码是由医疗保险和医疗补助中心(CMS)在1987年较早就建立的。许多其他商业和最终的HMO保险计划也慢慢跟进。最初的病人被当作住院病人治疗，并覆盖在DRG1(涵盖开颅手术的外科代码)中。多年来，各种保险公司曾经斗争过，否认过，最终勉强同意(周期性地)报销医院(A部分)及医生(B部份)的收费。非卧床的支付分级(APC)策略的发展引领大多数医院转到门诊放射外科。提交给CMS的放射外科账单代码在1997年超过了提交的开颅手术的人数(图5)。因为充分的增长和对该领域出现的关注，美国神经外科医生协会（AANS）和美国放射肿瘤治疗协会（ASTRO）之间进行了谈判协商，促成一项协议，神经外科护理也将包括AMA CPT代码系统的6个系列代码中，而放射肿瘤学服务将使用7个系列代码进行编码。大多数报销保险的车辆仍然对放射外科困惑不解，补充以地盘争夺战关于放射外科就是外科手术或放射外科就是放射治疗声明。由Rebecca Emerick领导的国际放射外科协会在同保险公司和CMS澄清问题方面非常有帮助。

图5。当2003年在医疗保险人群中,立体定向放射外科(SRS)手术代码数量超过提交的开颅手术代码的数量时，伽玛刀放射外科的作用的增长得到了证实。2009年，编码系统的修订导致提交的代码数量减少，但仍然超过了提交的开颅手术的代码数量。

L.Dade Lunsford， Ajay Niranjan，John C. Flickinger.The First North American Clinical Gamma Knife Center。Prog Neurol Surg. Basel, Karger, 2019, vol 34, pp 9–18 (DOI: 10.1159/000493045)