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作者：田新智
作者：田新智
醫(yī)用加速器是一種匯集了多種現(xiàn)代科學(xué)于一身的放射治療裝置，其技術(shù)在不斷的發(fā)展，幾乎每兩三年就有一種新型號(hào)品種問世。從技術(shù)角度看，放射治療的要求是關(guān)于所提供的輻射劑量特性的要求，可以分為基本要求和精細(xì)要求兩類，滿足基本要求就可用于臨床治療，而滿足精細(xì)要求是為了使治療更加精細(xì)和方便。
① 基本要求包括：
輻射類型（由單一的X線向X線＋電子線發(fā)展）、輻射能量（由低能機(jī)向中高能機(jī)發(fā)展）、輻射劑量率（劑量率由原來的大于100cGy/min向400cGy/min甚至向600cGy/min發(fā)展）、輻射野面積(由30cm×30cm向40cm×40cm發(fā)展)、輻射野均整度的調(diào)節(jié)（不同能量射線的切換導(dǎo)致均整塊的切換）、射線野對(duì)稱性的改進(jìn)等。
② 精細(xì)要求包括如下：
輻射野形狀的調(diào)節(jié)、楔形劑量分布的自動(dòng)產(chǎn)生、弧形劑量分布的產(chǎn)生、原體劑量分布的產(chǎn)生等等。
這樣就導(dǎo)致了醫(yī)用加速器基本上向兩個(gè)方向發(fā)展的趨勢(shì)，即射線能量的高能化和技術(shù)應(yīng)用的功能化。
一、 醫(yī)用電子加速器的射線能量從低能向中高能機(jī)的方向發(fā)展
由于放療醫(yī)生在作放療計(jì)劃的時(shí)候特別關(guān)心的是射線的輻射深度特性，這直接導(dǎo)致了X射線能量向中高能方向發(fā)展。而加速器射線能量自6MV向14MV甚至20MV發(fā)展以來，目前在中國國內(nèi)中高能機(jī)的普及速度也很快。
中高能機(jī)與低能機(jī)相比，在加速器能量層級(jí)和為放療醫(yī)生提供的治療手段上均有質(zhì)的不同。低能機(jī)只能提供單能的X射線（4MV或6MV），而中高能機(jī)不僅能夠提供一檔到兩檔的X射線，還能提供不同能量檔次的電子線。目前市面上一般把只能提供一檔X射線的機(jī)器稱為單光子，能夠提供兩檔X線的機(jī)器稱為雙光子，以此類推為三光子、多光子等等。
發(fā)展中高能機(jī)的根本目的不在于X射線能量的提高，而在于電子線在臨床上的應(yīng)用需求。對(duì)于電子線而言，低能的6MV加速器，原則上也能引出6MeV的電子線，但是6MeV電子線在臨床上基本上沒有什么意義，中高能機(jī)的發(fā)展，使得電子線的能量提高到大于10MeV，從而具有醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該說，這才是中高能機(jī)的真正意義所在。
要在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多檔能量射線的切換，方法有：
1、 改變加速管電子槍流強(qiáng)
2、 改變微波源功率
但這樣就涉及到AFC電路的跟蹤以及射線能譜的變化。
3、 使RF源頻率失諧或部分加速腔失諧。但這種方法會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。
為了解決這個(gè)問題，發(fā)展了能量開關(guān)，它首先在Varian的機(jī)器上得到應(yīng)用。
所以說，在國內(nèi)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)X射線加電子線并不難，困難的是如何在沒有能量開關(guān)技術(shù)或能量開關(guān)技術(shù)不成熟的情況下實(shí)現(xiàn)多檔X射線加多檔電子線并保持設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，這點(diǎn)對(duì)于聚束段較短的駐波加速管更是如此。
二、 放療技術(shù)從常規(guī)放療向IMRT發(fā)展推動(dòng)醫(yī)用加速器技術(shù)應(yīng)用的多樣化
幸運(yùn)的是，隨著計(jì)算機(jī)硬件和影像技術(shù)的發(fā)展，給我們提供了另外一個(gè)舞臺(tái)。這個(gè)舞臺(tái)也告訴我們，發(fā)展中高能加速器并非必然！
近十年來，隨著放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、臨床腫瘤學(xué)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展，放射治療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革。以“三精”（精確定位、精確計(jì)劃、精確治療）為特征的高能X射線新的放射治療技術(shù)－精確放射治療技術(shù)得到了極大的發(fā)展，它包括以下幾個(gè)發(fā)展階段：
1） 立體定向放射外科技術(shù)（SRS，主要包括X刀、γ刀和射波刀）
2） 立體定向放射治療（SRT）技術(shù)
3） 三維適形放射治療（3DCRT）技術(shù)
4） 調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）技術(shù)
一般來說，SRS和SRT只適應(yīng)于用線束來對(duì)頭部或體部的球狀小腫瘤進(jìn)行治療，而3DCRT和IMRT是用錐形束或扇形束來治療各部位較大的腫瘤。IMRT甚至能治療形狀怪異很不規(guī)則的腫瘤。據(jù)報(bào)道調(diào)強(qiáng)技術(shù)在美國2003年才開展迅速的發(fā)展起來，至今帶有IMRT功能的放療設(shè)備普及率已高達(dá)70%。
1、 用常規(guī)MLC進(jìn)行多個(gè)固定野調(diào)強(qiáng)治療
加速器中的MLC最初設(shè)計(jì)目的主要是為了代替射野擋塊，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，MLC不僅能在旋轉(zhuǎn)治療中調(diào)節(jié)射野形狀跟隨靶區(qū)，而且還可以在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)靜態(tài)調(diào)強(qiáng)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)。
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)都是由逆向計(jì)劃系統(tǒng)先按照目標(biāo)函數(shù)的要求通過優(yōu)化計(jì)算得出射野的強(qiáng)度分布。目標(biāo)函數(shù)參數(shù)是由計(jì)劃者根據(jù)具體病例的臨床要求輸入到計(jì)劃系統(tǒng)中的，在治療計(jì)劃被認(rèn)可后，這些強(qiáng)度分布就被轉(zhuǎn)換為葉片位置序列文件，然后傳送到加速器的MLC控制系統(tǒng)中，在治療時(shí)由調(diào)強(qiáng)控制系統(tǒng)控制葉片運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這些調(diào)強(qiáng)分布。
雖然對(duì)三維適形而言，MLC的葉片寬度只影響了射野的形狀，但對(duì)調(diào)強(qiáng)而言，葉片寬度卻影響到整個(gè)層面上的劑量，所以MLC葉片寬度越小越好，但是葉片越薄，制作越困難，成本也就越高。目前國內(nèi)的MLC一般只有30多對(duì)葉片，但國外，已經(jīng)出現(xiàn)了100對(duì)葉片以上的MLC系統(tǒng)。
① 靜態(tài)MLC調(diào)強(qiáng)（SMLC）
靜態(tài)調(diào)強(qiáng)是由逆向調(diào)強(qiáng)計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)臨床數(shù)據(jù)將各個(gè)射野要求的強(qiáng)度分布進(jìn)行分級(jí)，利用MLC將每個(gè)照射野分成若干個(gè)子野，每個(gè)子野內(nèi)的強(qiáng)度是均勻的。優(yōu)化計(jì)算賦予每個(gè)子野不同的權(quán)重，所有射野的子野都被優(yōu)化，由此產(chǎn)生期望的治療計(jì)劃。
治療時(shí)各個(gè)子野分步按順序進(jìn)行，在實(shí)施治療過程中，葉片運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)子野規(guī)定的位置停下，加速器出束，達(dá)到規(guī)定MU停下，然后葉片運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)子野的規(guī)定位置停下后加速器再出束；如此進(jìn)行下去，使得每個(gè)子野的強(qiáng)度累加，直到完成整個(gè)射野，所有子野的束流強(qiáng)度相加形成要求的強(qiáng)度分布。
一般來說，希望盡量減少子野數(shù)目、葉片運(yùn)動(dòng)次數(shù)和MU數(shù)以便保證劑量傳送的精度，但是子野太少劑量分布就達(dá)不到調(diào)強(qiáng)的要求。MLC靜態(tài)調(diào)強(qiáng)在每個(gè)子野照射結(jié)束后必須關(guān)斷射線才能轉(zhuǎn)到下一個(gè)子野，由于加速器射線的開關(guān)動(dòng)作，帶來劑量率的穩(wěn)定問題，從而對(duì)AFC系統(tǒng)提出了較高的要求。
靜態(tài)調(diào)強(qiáng)劑量驗(yàn)證比較容易，但是需要的治療時(shí)間比較長。
② 動(dòng)態(tài)MLC調(diào)強(qiáng)（DMLC）
這種調(diào)強(qiáng)是利用MLC相對(duì)應(yīng)的一對(duì)葉片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)射野內(nèi)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)的。大致包括：動(dòng)態(tài)葉片、動(dòng)態(tài)MLC掃抽、動(dòng)態(tài)弧形調(diào)強(qiáng)等方法。它是在動(dòng)態(tài)葉片運(yùn)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上輔以加速器筆形束輸出強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，通過控制葉片運(yùn)動(dòng)的速度和改變輸出強(qiáng)度的方法來達(dá)到要求的強(qiáng)度分布。
在每個(gè)射野的照射過程中，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照調(diào)強(qiáng)計(jì)劃給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，在各對(duì)葉片作變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速器不停地以變化的劑量率出束，由此得到所要求的強(qiáng)度分布。治療時(shí)每對(duì)葉片構(gòu)成一個(gè)窗，它們?cè)谟?jì)算機(jī)控制下橫掃過靶區(qū)。窗的開口和葉片運(yùn)動(dòng)速度都按照預(yù)定的方案不斷調(diào)節(jié)，以便產(chǎn)生需要的強(qiáng)度分布。這也同樣決定于滑窗軌跡之下的治療區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的吸收劑量。在計(jì)劃過程中計(jì)算機(jī)用一種算法將葉片位置作為每個(gè)射野出束時(shí)間的函數(shù)，將需要的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為葉片位置。
動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)是：一對(duì)相對(duì)的葉片總是向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中不斷形成各種形狀的窗口（即子野）掃過靶區(qū)。
一般動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的每個(gè)射野都由上百個(gè)子野組成，滑窗開口的設(shè)置及每對(duì)葉片任何時(shí)刻都由一個(gè)程序控制。在相對(duì)的葉片之間的窗口開到最大時(shí)，使用最大的葉片速度，這樣可以縮短治療時(shí)間。需要參與射束傳輸?shù)娜~片數(shù)目取決于靶區(qū)的長度，靶區(qū)越長涉及的葉片就越多。
這種調(diào)強(qiáng)方法治療需要的時(shí)間比較短，然而劑量驗(yàn)證工作比靜態(tài)調(diào)強(qiáng)困難得多。
2、 容積調(diào)制弧形治療（VMAT）
容積調(diào)制弧形放療可以認(rèn)為是由IMRT和弧形放療兩者結(jié)合發(fā)展出來的一種新型的放療技術(shù)。通過加速器內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)MLC將動(dòng)態(tài)MLC與弧形治療技術(shù)相結(jié)合，用旋轉(zhuǎn)射束來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的劑量分布。用這種技術(shù)同樣要先制定調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃，人為地選擇弧形射野數(shù)目及入射角度，再由計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)射束的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化計(jì)算出臨床要求的強(qiáng)度分布，再轉(zhuǎn)換為MLC的驅(qū)動(dòng)文件。
在治療過程中，機(jī)架圍繞患者旋轉(zhuǎn)，MLC葉片位置每隔10°變化一次以便跟隨靶區(qū)形狀，并與楔形板結(jié)合使用多共面或非共面弧形照射野。最終的計(jì)劃結(jié)果被輸入到葉片序列發(fā)生器，這個(gè)發(fā)生器直接復(fù)制每個(gè)射束的MU數(shù)并通過MLC形成射束。這樣的MLC處方被傳送到MLC控制器用于驅(qū)動(dòng)葉片。在出束期間有程序控制加速器實(shí)施弧形治療，同時(shí)控制MLC動(dòng)態(tài)地逐步完成一系列射野形狀。所有弧形射野的累計(jì)劑量分布與計(jì)劃期望的分布一致從而達(dá)到調(diào)強(qiáng)的目的。
當(dāng)機(jī)架圍繞患者旋轉(zhuǎn)時(shí)加速器是出束的，因此射束角相鄰的照射野不應(yīng)該要求MLC的葉片運(yùn)動(dòng)很長距離。在多數(shù)臨床病例中，各個(gè)角度之間的射野形狀變化也是緩慢的。為了縮短出束時(shí)間，可以用治療機(jī)最高的劑量率配以最大的機(jī)架放置速度；偶爾由于MLC葉片速度的限制也會(huì)要求治療過程中改變機(jī)器劑量率以避免治療時(shí)出束暫停的現(xiàn)象。
目前只用VMAT主要用來治療頭頸部腫瘤，而且多數(shù)患者還是在1~3個(gè)弧形角度射野內(nèi)進(jìn)行這種治療。ELEKTA已經(jīng)將這種技術(shù)與IGRT結(jié)合起來推廣，可以用來治療體部腫瘤。
3、 特殊的IMRT技術(shù)：采用步進(jìn)或螺旋式連續(xù)進(jìn)床方式的扇形束斷層調(diào)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)治療。
① 步進(jìn)式斷層調(diào)強(qiáng)治療（美國NOMOS公司的Peacock系統(tǒng)）：
步進(jìn)式斷層調(diào)強(qiáng)是利用C型醫(yī)用加速器和NOMOS公司的孔雀系統(tǒng)(Peacock)來進(jìn)行的。孔雀系統(tǒng)包括一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的調(diào)強(qiáng)準(zhǔn)直器，叫做MIMiC。它是一臺(tái)電動(dòng)氣動(dòng)式裝置，可以通過附件插槽安裝到加速器機(jī)頭形成細(xì)長的矩形射野，叫做扇形束。在機(jī)架放置時(shí)，利用MIMiC的開關(guān)（ON ,OFF）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)治療。MIMiC由兩組40個(gè)葉片組成，每組20片，相對(duì)排列。葉片是由鎢制作成的，每個(gè)葉片高8cm，近源端寬5mm，接近患者一端6mm寬，葉片在加速器等中心處投影約為10mm。相鄰葉片間有凹凸槽，以減少漏射線。每組葉片形成的細(xì)長條矩形野在等中心處的長度的兩擋，分別為10mm和20mm。每個(gè)葉片由一個(gè)微型氣動(dòng)活塞獨(dú)立控制，兩組葉片同時(shí)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，形成兩個(gè)細(xì)長條矩形野。也就是說，機(jī)架繞患者旋轉(zhuǎn)一次，只能治療兩層切片（即2cm） ,一般來說靶區(qū)長度都不只2cm，所以要想治療整個(gè)靶區(qū)就要多次旋轉(zhuǎn)機(jī)架，與此同時(shí)治療床必須連續(xù)向前步進(jìn)，這種步進(jìn)/旋轉(zhuǎn)過程持續(xù)進(jìn)行，直到治療完整個(gè)靶區(qū)。
在這個(gè)過程中MIMiC受氣閥操縱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣閥打開后，高壓氣體推動(dòng)活塞使葉片進(jìn)入射野，當(dāng)氣閥關(guān)閉時(shí)，活塞內(nèi)的低壓氣體反向拉回活塞使葉片推出射野。活塞雙向運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為40-60ms。按照治療計(jì)劃給出的強(qiáng)度分布要求，通過計(jì)算機(jī)控制活塞停留在射野內(nèi)的時(shí)間，就能達(dá)到調(diào)強(qiáng)需要的強(qiáng)度分布。MIMiC本身有傳感器和顯示屏，可以監(jiān)測(cè)顯示機(jī)架、葉片的位置和運(yùn)動(dòng)速度。
這種治療方式，床步進(jìn)的控制精度對(duì)相鄰野劑量分布影響很大。為了減少由于相鄰野不重合產(chǎn)生的不均勻性，治療床步進(jìn)的精度和可確定性是非常重要的。為此需專門涉及一個(gè)控制床步進(jìn)的配合裝置，以提供0.5mm以內(nèi)的可選步進(jìn)。
輻射束調(diào)制所需要的控制參數(shù)也是從治療計(jì)劃得出，由計(jì)劃系統(tǒng)寫在軟盤上，用作MIMiC的數(shù)據(jù)文件。MIMiC中的控制系統(tǒng)包括微處理器、機(jī)架角度傳感器和葉片運(yùn)動(dòng)傳感器。
缺點(diǎn)：治療時(shí)間長，因此必須克服器官運(yùn)動(dòng)的負(fù)面影響。而且即使步進(jìn)精度非常好，斷層銜接非常好，也可能由于器官的運(yùn)動(dòng)使得治療區(qū)有時(shí)進(jìn)入治療斷層，有時(shí)脫離治療斷層，從而在斷層銜接區(qū)出現(xiàn)過劑量或欠劑量的情況。
② X線螺旋斷層調(diào)強(qiáng)放療（Tomotherapy）
螺旋斷層放射治療系統(tǒng)是當(dāng)今最先進(jìn)的、融治療計(jì)劃、患者擺位和治療過程適型和調(diào)強(qiáng)融為一體的放射治療系統(tǒng)。它的研制成功被認(rèn)為是五十年放射治療史上最大的技術(shù)突破。
它的結(jié)構(gòu)見圖（1）。它由6MV的直線加速器(Linac)、KVCT和MVCT、多葉準(zhǔn)直器和一個(gè)可勻速前進(jìn)的治療床組成。與以往放射治療不同的是，它用適型調(diào)強(qiáng)的扇形射線束，以360°螺旋旋轉(zhuǎn)的方式對(duì)腫瘤進(jìn)行照射治療。其中MVCT的探測(cè)器是由充有氦氣的電離室單元陣列所組成的。此系統(tǒng)采用了螺旋CT中的“滑環(huán)技術(shù)”，從而使治療環(huán)能在治療過程中圍繞病人連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在治療床向前移動(dòng)時(shí)給出平穩(wěn)的螺旋線照射治療。
它是由美國Wisconsin大學(xué)兩名教授經(jīng)過十五年艱苦努力研制出來的；它的問世，引起放射治療界極大關(guān)注。2003年7月開始治療第１例患者，截止到2004年10月，在美國已有14臺(tái)斷層放射治療機(jī)投入臨床使用，治療患者達(dá)數(shù)百例。
在治療之前，先由KVCT對(duì)病人進(jìn)行斷層掃描，根據(jù)此掃描圖像由治療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行逆向治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，即各個(gè)角度束流形狀及流強(qiáng)分布設(shè)計(jì)；也既計(jì)算出在治療環(huán)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度和治療床前進(jìn)的每一個(gè)位置上的多葉準(zhǔn)直器各個(gè)葉片的確切位置。然后打開加速器，用MVCT再核準(zhǔn)病灶位置；如有錯(cuò)位，預(yù)先進(jìn)行調(diào)節(jié)；在治療過程中，治療環(huán)旋轉(zhuǎn)和治療床勻速前進(jìn)，進(jìn)行螺旋照射，見圖（2）
圖1 螺旋斷層治療機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 螺旋治療機(jī)治療照射示意圖
依據(jù)治療計(jì)劃，在束流旋轉(zhuǎn)的不同角度和治療床的不同位置調(diào)節(jié)多葉準(zhǔn)直器，使輸出的扇型束流形狀與治療計(jì)劃規(guī)定的形狀想一致，也既“適形”；與此同時(shí)，通過被MVCT記錄的各點(diǎn)的數(shù)據(jù)與計(jì)劃數(shù)據(jù)相比較，得出劑量誤差數(shù)據(jù)，在下一個(gè)位置進(jìn)行劑量校正，這樣也就能達(dá)到調(diào)強(qiáng)的目的。
多葉準(zhǔn)直器由64個(gè)葉片組成，每片在病人位置的“陰影”寬度為6.25mm, 這樣扇型束流的總長度為40cm。斷層掃描治療的層厚度從0.5cm到5cm可調(diào)。
加速器是一個(gè)長度為40cm的小型6兆伏、S波段（3GHz）電子直線加速器。它除了產(chǎn)生Ｘ射線束流用于治療外，它還和對(duì)面的氦電離室探測(cè)器單元陣列構(gòu)成螺旋MVCT。在旋轉(zhuǎn)過程中, MVCT接受穿過人體病灶的射線，形成病灶斷層圖像，由此圖像數(shù)據(jù)可以計(jì)算出要治療的病灶區(qū)吸收的射線劑量；此劑量數(shù)據(jù)和治療計(jì)劃中所預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)相比較，即可監(jiān)視計(jì)劃的吸收劑量是否正確；如若有誤，則在下一角度照射時(shí)調(diào)節(jié)輸出束流作修正，實(shí)現(xiàn)“調(diào)強(qiáng)”；另外也可監(jiān)視被治療的部位是否移動(dòng)（如肺上的腫瘤，隨呼吸而移動(dòng)），隨時(shí)做適型、調(diào)強(qiáng)和圖像導(dǎo)引，最大限度地保證治療體位和計(jì)劃體位的重復(fù)一致，以便使被治療部位獲得空前大的輻射劑量和使周圍沒有病的正常組織受到最小的照射損害（見圖3）。
圖3 Tomotherapy螺旋治療機(jī)的劑量分布圖
上圖中紅色部分為要高劑量照射的惡性鼻咽瘤，而中間藍(lán)色部分為要保護(hù)的脊髓。目前其它的放療設(shè)備就無法治療此類腫瘤了，但是該螺旋斷層放射治療儀就可以施治。
除上述優(yōu)點(diǎn)之外，治療速度也非?？欤瑥某Ｒ?guī)精確治療20分鐘以上（甚至于1個(gè)多小時(shí)）減至小于5分鐘。
總之，斷層放射治療系統(tǒng)可提供高度精確的放射治療和實(shí)時(shí)擺位、劑量驗(yàn)證，是影像介導(dǎo)放射治療的典范。它為放射治療醫(yī)師開辟了一個(gè)新的治療平臺(tái)，在適型、調(diào)強(qiáng)和圖像導(dǎo)引放射治療發(fā)展史上將是一個(gè)里程碑。
主要功能：
a) CT成像
b) 高精度病灶定位，并且診斷與治療體位相同，避免重復(fù)擺位。
c) 逆向治療計(jì)劃
d) 劑量計(jì)算與重建
e) 適形調(diào)強(qiáng)出束治療
f) 劑量驗(yàn)證，這也是該技術(shù)顯著的優(yōu)點(diǎn)。
三、 精確放射治療技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之圖像導(dǎo)引下的放療（IGRT）
精確定位與擺位是精確放療的前提，影像導(dǎo)引和驗(yàn)證是調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)發(fā)展的重要熱點(diǎn)，是動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的技術(shù)保證。
為了驗(yàn)證治療過程中病人擺位位置是否正確，以往生產(chǎn)的加速器曾經(jīng)直接利用加速管產(chǎn)生的高能X射線進(jìn)行拍攝“射野照片”的功能，但一方面由于膠片沖洗需要一段時(shí)間，所以該功能只能起驗(yàn)證記錄的作用，不能起即時(shí)糾正擺位的作用，另外一個(gè)方面是利用高能X射線成像圖像灰度比不高，影像不清晰。
現(xiàn)在發(fā)展起來的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)正在向克服這兩個(gè)缺點(diǎn)的方向發(fā)展，即希望可以達(dá)到在治療開始前和治療過程進(jìn)行射野照片, 并與TPS傳到過來的DR圖像對(duì)比，通過影像的引導(dǎo)計(jì)算和減少由于擺位或器官移動(dòng)造成的腫瘤位置變化后帶來的放療誤差。這就是大家所說的IGRT功能（見圖5）。
圖4 IGRT基本工作流程
IGRT的意義主要在于以下兩個(gè)方面：
1、 它是控制擺位誤差的新手段。
在治療機(jī)上安裝兆伏級(jí)或KV級(jí)的X線射野影像監(jiān)視器（EPID）可在治療中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證射野幾何位置乃至野內(nèi)劑量分布。
目前，在多數(shù)加速器上均可安裝EPID設(shè)備，先進(jìn)的EPID設(shè)備還可以進(jìn)行劑量分布計(jì)算和驗(yàn)證。如果將治療機(jī)與影像系統(tǒng)結(jié)合在一起，每天治療時(shí)采集有關(guān)的影像學(xué)信息，確定治療靶區(qū)，做到每日一靶，也可稱為IGRT。
又或者將加速器與CT作為一體安裝在同一室內(nèi)，適用同一個(gè)床，可進(jìn)行擺位前CT掃描（螺旋或錐束容積掃描）等，CT定位后把治療床向前或旋轉(zhuǎn)180°，病人不動(dòng)就可以完成定位與治療。最新型的CT加速器也已經(jīng)投入臨床應(yīng)用。另外，組合有多種影像（CT/MRI/PET）為一體的IMRT治療機(jī)，其目的也是為了提高各種影像設(shè)備圖像融合的準(zhǔn)確性，以利于更為合理準(zhǔn)確地勾畫靶區(qū)。
還有在TOMOTHERAPY斷層治療機(jī)和射波刀上病人不用動(dòng)也可以定位和治療。
2、 它能對(duì)器官移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控
放療中如何消除器官的生理運(yùn)動(dòng)的影響，如呼吸運(yùn)動(dòng)、膀胱充盈、小腸蠕動(dòng)、腫瘤的增大和減小、以及器官的彈性形變等，目前尚在研究之中。之所以提出這個(gè)問題是因?yàn)檫@方面的帶來的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擺位誤差。解決呼吸運(yùn)動(dòng)帶來的誤差有目前有門控系統(tǒng)和紅外線跟蹤系統(tǒng)等；而IGRT是在3DCRT基礎(chǔ)上加入時(shí)間因素，充分考慮了解剖組織或器官在放療過程中的運(yùn)動(dòng)和放療分次間的擺位誤差，在患者治療前、治療中利用各種先進(jìn)的影像設(shè)備對(duì)腫瘤和危及器官進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并能根據(jù)器官位置和形狀的變化調(diào)整治療條件使照射野緊緊“追隨”靶區(qū)，以使腫瘤完全在治療計(jì)劃系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的劑量范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)腫瘤的精確放射治療。IGRT引導(dǎo)的4DCRT涉及放射治療過程中的所有步驟，包括患者4DCT圖像獲取、治療計(jì)劃、擺位驗(yàn)證和修正、計(jì)劃修改、計(jì)劃給予、治療保證等各方面。其目的是減少了靶區(qū)不確定性因素，將放療過程中器官/靶區(qū)隨時(shí)間而運(yùn)動(dòng)的全部信息整合到放療計(jì)劃中，提高了放療過程的精確性。
目前臨床應(yīng)用的影像指導(dǎo)設(shè)備除了EPID外，還包括KV級(jí)X線攝片和透視、MV級(jí)斷層CT、放療室內(nèi)CT、KV或MV錐形CT、機(jī)架上的KV-KV系統(tǒng)或KV-MV系統(tǒng)等。研究熱點(diǎn)集中在錐形CT、機(jī)架上的KV-KV系統(tǒng)或KV-MV系統(tǒng)（如圖5），這些系統(tǒng)能聯(lián)合X線透視監(jiān)測(cè)和靶區(qū)成像，提供了放療時(shí)三維軟組織靶區(qū)影像和實(shí)時(shí)射線監(jiān)測(cè)，使放療靶區(qū)的確定建立在內(nèi)靶區(qū)的基礎(chǔ)上，而不是建立在體表標(biāo)記或印記上，對(duì)放療過程的在線或離線修正起著重要作用。
圖5 Elekta Synergy®加速器
四、 精確放射治療技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之生物適形放射治療？
一般來說，CT、MRI只能用于描述腫瘤靶區(qū)，照射野應(yīng)完整覆蓋計(jì)劃靶區(qū)并給予均勻劑量。由于我們不能區(qū)分腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)分布特征，所以外照射計(jì)劃中的計(jì)劃靶區(qū)內(nèi)劑量均勻的要求是非常傳統(tǒng)和保守的，使得腫瘤組織內(nèi)各處的劑量分布均勻；但是研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上腫瘤組織本身的癌細(xì)胞分布是不均勻的，不同的癌細(xì)胞核團(tuán)對(duì)射線的敏感度也是存在相當(dāng)大的差異。隨著PET、SPECT、MRS為代表的功能性影像技術(shù)的發(fā)展，使得我們能夠獲知腫瘤組織內(nèi)的生物學(xué)特征，將這些功能與X線、CT等形態(tài)學(xué)影像進(jìn)行圖像融合后應(yīng)用于放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中，將為循證多維適形治療創(chuàng)造發(fā)展條件。這樣我們能夠區(qū)分腫瘤組織什么時(shí)候適合進(jìn)行放療，腫瘤組織的哪個(gè)部分應(yīng)該放療多少劑量等等?？梢哉f，這種生物功能性影像和生物適形緊密結(jié)合的多維適形治療必將成為新世紀(jì)腫瘤放射治療的發(fā)展方向。
五、 國產(chǎn)醫(yī)用加速器設(shè)備發(fā)展的幾點(diǎn)思考
很遺憾的是，目前國產(chǎn)加速器的發(fā)展因種種原因，進(jìn)展不是很順利。無論是原來的廣東威達(dá)醫(yī)療器械集團(tuán)公司還是現(xiàn)在的北京醫(yī)療器械研究所，均先后失去了創(chuàng)造民族品牌的機(jī)會(huì)和動(dòng)力。駐波中能加速器在原威達(dá)公司銷售一臺(tái)后就停產(chǎn)，北醫(yī)所被醫(yī)科達(dá)收購以后中能機(jī)的項(xiàng)目據(jù)說也被停止。如果沒有揚(yáng)州海明在國產(chǎn)醫(yī)用中高能機(jī)上的堅(jiān)持，沒有山東新華在中能加速器研發(fā)上的進(jìn)展，國產(chǎn)中高能機(jī)簡(jiǎn)直就是全軍覆滅！
至于質(zhì)子加速器、重粒子加速器的研制，離產(chǎn)業(yè)化的距離還很遙遠(yuǎn)。
可以這樣說，總體而言，我們和國外醫(yī)用加速器廠家相比，無論是在加速器的性能上還是功能上，可以說是全面落后，多年來我們追隨國外廠家的步伐，幾十年過去我們?cè)诩夹g(shù)上的差距依然是如此的遙遠(yuǎn)；要趕上國外技術(shù)，沒有方向上和思維上的突破，沒有有魄力的新的規(guī)劃，可能性是極微的。
那么對(duì)于從事加速器產(chǎn)業(yè)化的廠家而言，怎樣才能走出困境？我們到底有哪些優(yōu)點(diǎn)沒有開發(fā)出來？
一) 擯棄舊有思維模式，致力于單能系加速器的系統(tǒng)配置的研究和推動(dòng)
直線加速器作為放療的主力設(shè)備，在放療中的應(yīng)用已走過 50 年的歷史。目前的機(jī)型主要是兩種：?jiǎn)喂庾?6 MV機(jī)型；雙光子帶多檔電子線機(jī)型。在放療的初期歷史中，單光子機(jī)型很快替代了鈷60，雙光子帶多檔電子線機(jī)型則一機(jī)多能且具有經(jīng)濟(jì)性，為放療的普及做出了巨大的貢獻(xiàn)。但隨著學(xué)科的發(fā)展，治療負(fù)載的加重，這樣的機(jī)器配置是否還符合當(dāng)今和未來的醫(yī)療實(shí)際需求呢？
據(jù)了解，在國內(nèi)，一臺(tái)帶電子線的加速器每天用電子線治療病人數(shù)量為5～10個(gè)，甚至于有時(shí)沒有電子線的病人；同時(shí)盡管10MV以上的高能X射線的深度劑量分布曲線要好于6MV的X射線的深度劑量分布曲線，但是隨著 IMRT、IMAT、VMAT等技術(shù)的普及應(yīng)用，6 MV 光子線卻是被最多使用的，原因很簡(jiǎn)單，正是由于以上技術(shù)的發(fā)展，使得高能光子線的深度劑量分布優(yōu)勢(shì)、使用率和作用明顯降低了。
但是，我們知道：
1. 在中國每年有190～200萬個(gè)放療適診病人，但由于設(shè)備等醫(yī)療資源的缺乏，以及病人的經(jīng)濟(jì)狀況等因素，只能為其中的40萬病人進(jìn)行放射治療；
2. 按照靜態(tài)估計(jì)，中國還缺少至少4000臺(tái)放療加速器；
3. 一套進(jìn)口全配置的IMRT設(shè)備價(jià)格約120～140萬美元；一套基于常規(guī)加速器的 IGRT系統(tǒng)約200萬美元；如果再加上IMAT功能的話，再增加約20多萬美元；
4. 如果按照每套治療設(shè)備價(jià)格130萬美元計(jì)算（不包括影像定位等其他設(shè)備），4000臺(tái)/套的總價(jià)就是5.2億美元；
5. 如果這4000臺(tái)加速器能夠滿足160萬個(gè)病人治療的話，平均每個(gè)病人收取治療費(fèi) 1 萬人民幣，則共計(jì)160億元人民幣；
但實(shí)際上遠(yuǎn)不及這樣樂觀，包括病人的經(jīng)濟(jì)狀況、醫(yī)院的采購支付能力、放療醫(yī)技的普及、國家政策等等眾多因素綜合作用下，我國的放療發(fā)展還有很長一段路要走。
那么，什么是單能系加速器配置？單能系加速器是對(duì)單光子加速器的擴(kuò)充，以射線的能系作為界別。單能系加速器可以包括下列機(jī)型：
? 6 MV 單光子機(jī)型
? 10 MV 單光子機(jī)型
? 10～18 MeV之間的單能純電子線機(jī)型
因此，單能系加速器實(shí)際上就是把光子線和電子線的應(yīng)用分開，分解為兩臺(tái)加速器設(shè)備。
單能系加速器的優(yōu)點(diǎn)：
1. 加速器結(jié)構(gòu)部件、制造工藝等大大簡(jiǎn)化，有利于降低成本和售價(jià)；
2. 大量的臨床實(shí)踐已經(jīng)證明，6 MV 低能單光子射線能夠完成絕大部分的治療需求；而國內(nèi)對(duì)6MV單光子加速器的制造工藝已很成熟，設(shè)備的整體成本不及高檔機(jī)型的一半；
3. 特別的對(duì)于其中的純電子線機(jī)型，把原來有關(guān) X 線部分的結(jié)構(gòu)統(tǒng)統(tǒng)去除，可對(duì)射線路徑進(jìn)行充分的優(yōu)化；也無需考慮裝配多葉光柵系統(tǒng)（內(nèi)置或外置）、IGRT 系統(tǒng)等；
4. 在工程學(xué)原理上，減少一個(gè)系統(tǒng)部件，就能提升系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性；因此從原理上，這種單能系加速器的可靠性的提升是完全可以預(yù)期的；
5. 原來計(jì)劃買一臺(tái)雙光子帶電子線的加速器的投資預(yù)算，現(xiàn)在可以購買兩臺(tái)加速器；有助于降低放療中心的加速器成本投入或者說在同等投入的情況下，增加了加速器的數(shù)量，從而能使得有更多的患者得到施治；
6. 原來在中高能加速器上投資的多葉光柵系統(tǒng)、IGRT 系統(tǒng)在電子線治療時(shí)是浪費(fèi)的；
7. 用建立單能系加速器體系的思維建立的放療中心，不僅便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)分位治療管理模式，而且可以使得所有的投資都得到100％的應(yīng)用。
多機(jī)分位治療管理早已不是一個(gè)新的思路了。國內(nèi)外不少大型放療中心早已實(shí)施。大型放療中心擁有多臺(tái)加速器設(shè)備，為管理方便，一般實(shí)施分位治療模式，例如：1號(hào)機(jī)專門用于頭部 X 刀；2號(hào)機(jī)用于頭頸部放療；3號(hào)機(jī)用于胸腹部放療；4號(hào)機(jī)用于腹盆部放療；5號(hào)機(jī)專用于電子線放療，等等。
多機(jī)分位治療管理模式的優(yōu)點(diǎn)在于：
專機(jī)專用，提高了每臺(tái)設(shè)備及其附屬設(shè)備的使用效率；
治療機(jī)房位置容易被病人識(shí)別；
方便對(duì)病人固定系統(tǒng)（例如面膜、固定架等）的管理；
僅在有治療需求和必要時(shí)才在機(jī)器上進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展，節(jié)省了投資也提高了投資的利用率；等等
可以說，單能系加速器特別適合這些放療中心實(shí)施多機(jī)分位治療管理模式。不管是新建放療科，還是在原有規(guī)模上進(jìn)行擴(kuò)展；不管是東部沿海地區(qū)，還是內(nèi)陸中西部地區(qū)；不管是歐美發(fā)達(dá)國家，還是在發(fā)展中國家，單能系加速器配置都是符合放療實(shí)際應(yīng)用需求的最佳方案。
二) 拋棄低能加速器等于低檔加速器的陳舊觀念，開發(fā)單能IGRT加速器
目前市面上流行的帶電子線的加速器都是雙光子+電子線的加速器了，但實(shí)際上電子線治療病人的數(shù)量很少，一個(gè)醫(yī)院，有一臺(tái)機(jī)器專門做電子線治療就足夠了。因此對(duì)于大型醫(yī)院來說，如果再次購買加速器，同樣的資金，面臨的將是兩臺(tái)單能IGRT加速器和一臺(tái)雙光子IGRT中能加速器之間進(jìn)行選擇，應(yīng)該說，基本上會(huì)傾向于選擇前者。也就是說如果有單光子精確放療加速器配IGRT 的，從性價(jià)比來說，應(yīng)該是比較好的選擇。
即使是對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上的6MV加速器進(jìn)行IGRT改造，實(shí)現(xiàn)從低檔加速器向具備IGRT功能的高檔加速器轉(zhuǎn)變，技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上也是可行的和合算的。
聯(lián)合據(jù)具有影像處理經(jīng)驗(yàn)的廠家或高校，開發(fā)IGRT單能加速器，對(duì)于國內(nèi)醫(yī)用加速器行業(yè)來說，特別的，對(duì)于具有影像經(jīng)驗(yàn)的加速器廠家更應(yīng)該率先評(píng)估這種可能性；同時(shí)也是一個(gè)擺脫長時(shí)間以來的國有加速器之間低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)這樣一種惡劣局面的契機(jī)。
三) 盡早推動(dòng)KV/MV加速器的研發(fā)工作，力爭(zhēng)走與眾不同的路
在目前已商業(yè)化的 IGRT 系統(tǒng)中，例如，Elekta 的 Synergy 系統(tǒng)、Siemens 的 Artiste 系統(tǒng)和 Varian 的 Clinac iX（OBI） 系統(tǒng)，其 KV 成像和 MV 成像/輻照都是分開的，分別由 KV 球管和 MV 加速管作為兩種放射源（非同源結(jié)構(gòu)）。而從物理和幾何的根本原理上說，只有那種放射源的“同源”結(jié)構(gòu)，才能最大限度的保證治療空間坐標(biāo)和成像空間坐標(biāo)的一致性、減小系統(tǒng)誤差！
所謂“同源”，是指加速管的原始靶點(diǎn)設(shè)計(jì)相同，所有束流同軸輸出；“雙束”是指該加速管可以輸出不同能量級(jí)別的束流。同源雙束技術(shù)理念最早被 Varian 用于雙光子加速器上的“能量開關(guān)”上。而現(xiàn)代的 IGRT 技術(shù)，則要求加速器最好具有 KV/MV 同源雙束輸出的能力。鑒于 KeV/MeV 束流能量級(jí)別的巨大差異，所以KeV 電子束幾乎無法通過橫臥式直線加速器內(nèi)原有的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，故同源雙束結(jié)構(gòu)必須建立在加速管豎直放置上才具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這樣將長度控制在30厘米左右，直立的6 MV 單光子加速管在使用高效率的開關(guān)結(jié)構(gòu)后，依然可以豎直放置。因此，“同源雙束”加速管技術(shù)將完全可以用于單光子加速器 IGRT 系統(tǒng)上。
“KV/MV 同源雙束”加速管技術(shù)在應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)：
1. 在 6MV 駐波加速管上的應(yīng)用
如果能在 6 MV 駐波加速管可獲得 6MV/200KV 兩種能量的X線輸出之間快速切換，那么就可實(shí)現(xiàn) KV用于成像、MV用于治療的目的，很明顯，KVCT獲得的CBCT圖像遠(yuǎn)比 MVCT的CBCT圖像清晰。同時(shí)，KV射線也能提高EPID的使用壽命。
2. 在 C/X 波段雙光子加速器上的應(yīng)用
近年來，我國的加速器專家相繼發(fā)明了KV/MV 同源雙束加速管并且有的已經(jīng)獲得了美國、歐盟和中國的發(fā)明專利權(quán)。例如說相位開關(guān)就是其中的一種，它的基本思想是在現(xiàn)有的現(xiàn)有邊耦合加速管邊腔的基礎(chǔ)上增加一組旁通的三腔系統(tǒng)。當(dāng)邊腔被短路時(shí)，結(jié)構(gòu)通過旁通的三腔系統(tǒng)形成新的諧振。由于旁通的三腔系統(tǒng)也工作在 π/2 模式，開關(guān)的后段相對(duì)前段的相位與正常狀態(tài)相比有 180° 的改變，使加速腔由加速電場(chǎng)變?yōu)闇p速電場(chǎng)。在旁通的三腔系統(tǒng)中，中間一個(gè)腔像是“加速腔”，但它不在加速管軸線上，可以增大它與相鄰兩個(gè)邊腔的耦合，從而降低其中的場(chǎng)強(qiáng)和旁通的三腔系統(tǒng)對(duì)頻率的敏感性，用在 S-band/C-band/X-band 都無礙。
可以說，如果能夠產(chǎn)業(yè)化KV/MV低能加速器，必將引起IGRT領(lǐng)域的一場(chǎng)革命！
四) 加大軟件的投入力量，打造自主品牌的放療解決方案
無論是山東新華還是當(dāng)年的BMEI還是現(xiàn)在的揚(yáng)州海明，可以說沒有建立自己的真正的放療解決方案，而作為真正的加速器生產(chǎn)商，無論是Varian還是Siemens，都具備一整套完整的放療解決方案，所以打造具有自己的知識(shí)品牌的CT-SIM、EPID、TPS、RTIS、病檔管理系統(tǒng)等等，從而形成自己的從診斷、計(jì)劃、定位、驗(yàn)證、治療到后臺(tái)管理等的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)整體，這是我們國產(chǎn)廠家面臨的放療領(lǐng)域上另外的一條戰(zhàn)線。
在這個(gè)問題上，東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司將率先走出第一步。作為一個(gè)在影像技術(shù)方面的佼佼者，東軟醫(yī)療在CT、MRI、X光機(jī)、超聲等醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)線，公司同時(shí)為醫(yī)院數(shù)字化提供全面解決方案；是中國目前唯一的“國家數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像設(shè)備工程技術(shù)研究中心”建設(shè)依托單位，也是中國目前唯一的“國家醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化示范工程”、“國家螺旋CT高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”項(xiàng)目的建設(shè)依托單位。目前東軟醫(yī)療已經(jīng)完成了醫(yī)用直線低能加速器的研制、臨床和注冊(cè)過程，正在和PET-CT一道開展其生產(chǎn)進(jìn)程。
同時(shí)，東軟展開了在放療整體解決方案的規(guī)劃，正在醫(yī)用加速器、TPS、CT-SIM、RTIS、EPID、R&V等方面展開研究，力爭(zhēng)在最短的時(shí)間內(nèi)能夠建立具有東軟特色的放療解決方案：
圖6 東軟醫(yī)療放療解決方案拓?fù)鋱D
其中，RTIS在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中肩負(fù)數(shù)據(jù)中心、RT Server、R&V等任務(wù)。加上自主研發(fā)生產(chǎn)的EPID驗(yàn)證系統(tǒng)、CT-Sim以及TPS，必將給各大中醫(yī)院提供另外一種選擇。
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作者介紹：田新智先生，任職于沈陽東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司腫瘤解決方案研發(fā)中心
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