医用直线加速器技术简述

2011-10-09许锋陈薇薇

中国医疗设备 2011年4期

关键词：加速器靶区放射治疗

许锋，陈薇薇

北京大学第三医院医学工程处，北京100191

医用直线加速器技术简述

许锋，陈薇薇

北京大学第三医院医学工程处，北京100191

本文对医用直线加速器（LA）的技术参数进行了简介，供相关工作参考。

医用直线加速器；放射治疗；工作原理；技术参数

医用直线加速器MLA自20世纪70年代产生至今已被广泛应用于肿瘤患者的放射治疗，它利用电离辐射来治疗肿瘤，对于鼻咽癌、扁桃体癌、喉癌以及前列腺癌等疗效较好，且对一些晚期肿瘤患者也可以进行姑息性治疗以达到止痛、止血、消炎等目的，从而减轻患者的痛苦，改善患者的生存质量。

目前，按产生射线能量，MLA可分为低能单光子（4～6mV）和高能双光子带电子线两大类。临床实践证明，约80%的深部肿瘤可以用6mV的X线进行治疗，现在绝大部分的医用电子直线加速器均包含这一能量。其它在临床上常用的中高能X线为10mV、15mV和18mV，如较深部位（腹部）需X射线16～18mV；对于比较表浅的肿瘤，有时也使用4～22MeV的电子束进行治疗。由于放射线不可避免地同时存在治疗和损伤作用，该类设备配置的需全面考虑以保证其射线范围、定位、强度和剂量精准，操控智能便捷，维护维修成本低，不仅关系到疾病的治疗效果和效率，而且关系人体正常组织器官健康甚至生命安全。

医用直线加速器的工作原理，如图1、图2。

图1 速调管设备原理图

图2 磁控管（治疗头部分）设备原理图

1 医用直线加速器的核心硬件

1.1 为加速器提供电子束的电子枪

目前普遍采用的三级栅控电子枪比二级枪增加了一个控制极(栅极)，通过其在阴极上加负电压，截止阴极发射，从而对电子注流进行控制。枪结构有一定的耐压强度，结构简单，易于加工、安装和检修，可单独从加速管上拆卸更换，使医用直线加速器的维修停机时间最短。

1.2 匹配加速电子的相位变化和速度的真空波导系统（即加速管）

根据微波在加速管中不同的工作方式分为行波和驻波加速管，二者区别见表1。

表1 行波加速管和驻波加速管的区别

1.3 加速电子的高频功率源（即微波发生器）

大功率微波源分为磁控管和速调管两类，二者区别见表2。

表2 磁控管和速调管的区别

1.4 将电子束引向最终治疗部位的磁场偏转系统

磁场偏转还可起到束留稳定控制器的作用，它分为90°和270°，二者区别见表3，电子线和X线出束原理见图3。

表3 90°和270°的区别

图3 电子线和X线出束原理

1.5 替代射野挡铅并可灵活调节进行调强治疗的多叶准直器（MLC）

由钨和钨合金制成的单个梯形截面叶片，目前多用20～60对叶片，叶片越薄适合度越好，但制作越难，造价越高，且故障率也越高。计算机控制的电动多叶准直器（MLC）在今天几乎成为加速器上的标准配置，用于生成临床所需的X线射束形状。使用MLC与使用挡铅块相比，可以大幅度地提高效率，是三维适形放射治疗和调强放射治疗的必备装置。当前多叶准直器在治疗平面投影的叶片宽度通常在10mm以内，宽度在5mm或更小时一般称为高精度MLC系统；总的叶片数量在27～80对之间，以40或60对比较常见。

多叶准直器可以是由加速器生产商提供并直接内置在加速器中，亦可以由第三方生产由用户安装在加速器的机头下方，称为外挂式MLC。一般内置式MLC效率较高、使用方便、通用性较强；后者通常可满足一些特殊可求，如较低的成本或特别高的精度或特别的治疗模式。现在临床上使用比较多的还是内置式MLC系统。

2 核心软件功能

2.1 调强放射治疗功能（IMRT）

本技术是随着计算机控制的电动多叶准直器和治疗计划系统的发展而得到广泛应用的一项放疗技术。IMRT可以对极不规则的肿瘤靶区进行高适形度的治疗，使得放疗的适用范围和治疗效果都得到了有效的提高。当前调强技术主要分为静态调强（step and shot）和动态调强（Sliding window）两种方式，这两种技术的差别主要表现在治疗所需的时间上，静态调强在给靶区投照2Gy剂量所需要的时间一般为15～40min，而动态调强照射同样的剂量所需的时间在10min以下。一般而言，调强放疗技术的治疗效果要优于常规的放疗技术，但其应用所需的技术力量和设备都较多，治疗时间也比较长。

2.2 电子射野影像系统

射野影像系统（Portal Imaging System）是在射束透过靶区后的出射方向采集影像的装置，早期系统为光激荧光板影像系统，现在通常为非单晶硅X线探测板系统，称为电子射野影像系统（Electronic Portal Imaging System，EPID）。可以用于治疗前的定位验证和治疗过程中的验证照相。既可用于位置验证，也可用更于剂量验证。电子射野影像系统可以为放疗计划提供最为直观的验证，以保障治疗的质量，同时使用EPID系统的效率较高通常只需要1～2min。

2.3 图像引导放疗技术

图像引导技术一直伴随着放射治疗的发展而不断进步，从广义上说，所有的影像设备（如CT、MRI、X线机）均可以用于确定肿瘤靶区和危及器官位置，也就是引导放射治疗。现在所说的图像引导放疗，一般指的是在治疗室采集病人影像并用于提高放疗精度的技术。以直观的影像证据确定了在放射治疗每次摆位时，肿瘤靶区误差的数值大小。在2002年、2003年和2008年，Varian、Elekta和Siemens公司分别发布了各自的加速器机载kV影像系统，可以在治疗时在治疗位置对病人采集X线透视和锥形束CT影像，如瓦里安的Trilogy、Clinac iX，Elekta的Axesse、Synergy、SynergyS 和 Siemens的 Artist。

2.4 容积旋转调强技术

2008年以来，Varian、Elekta分别推出了RapidArc和VMAT的容积旋转调强技术，这一技术在做加速器出束时，同时进行机架旋转速度、多叶准直器形状、输出剂量率等多个设备参数，可以在2～3min内对靶区投照2Gy的剂量，并达到不低于调强治疗（IMRT）的剂量分布效果。从而极大地提高了高适形度放射治疗的速度，使得快速的调强治疗成为可能，同时也带动了大分割治疗的应用。

综上所述，就目前看来，影像引导放疗和快速容积旋转放疗技术代表着将来一定时期内的放疗发展。我们相信作为一种肿瘤学科的核心治疗设备，医用直线加速器的技术发展将决定着肿瘤攻克的进展，在不久的将来，使肿瘤疾病彻底攻克。

[1]胡杰,等.医用直线加速器14年的使用总结[J].中国医疗器械杂志,2010,34(1):66-68.

[2]杨瑞峰.肿瘤放射治疗技术现状及展望[J].陕西中医学院学报,2005,28(9):73-75.

[3]刘鹏,于维海,肖开敏.医用直线加速器的质量保证和质量控制[J].中国医疗设备,2010,25(9):104-105.

[4]徐云科,聂青,姜丽.医用直线加速器输出剂量测量方法的探讨[J].海军总医院学报,2006,19(2):53-55.

[5]高枫.医用电子直线加速器的性能检测与质量保证[J].现代医药卫生,2006,21(6):11-12.

[6]邓小武.放射治疗的物理质量控制与质量保证[J].中国肿瘤,2008,17(8):18-23.

[7]刘博.加速器的保养和性能维护[J].医疗装备,2010,24(5):66.

The Brief Description of Medical Linear Accelerator Technology

XU Feng, CHEN Wei-wei
Medical Engineering Department,Peking University Third Hospital,Beijing 100191,China

R197.39；TL53

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.030