新型医用电子直线加速器

（一）概述

近年来，为了提高放射治疗精度，国内外的研究机构和生产厂家各尽所能，采取了许多措施，开展了许多新的放射治疗技术，并研究开发了各种不同类型的新型医用电子直线加速器。与以往常规放射治疗医用电子直线加速器相比，这些新技术或新型医用电子直线加速器的共同特点主要是采用各种手段进行精确定位和“适形调强”放射治疗。

所谓“适形（conformal）”是指：被照射区域的形状要与肿瘤的几何形状趋于一致。“调强（intensity modulated）”是指：在“适形”的基础上，通过调制，让射线强度在体内的立体分布状态与肿瘤形状保持一致，这样可以达到最佳治疗效果。但从基本加速原理上来讲，新型医用电子直线加速器与以往常规医用电子直线加速器没有根本区别，所以下文只介绍各种放射治疗新技术和各类新型医用电子直线加速器的基本结构原理。

1．适形调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）　这种放射治疗技术是在常规医用电子直线加速器的辐射头上内置或外挂电动MLC，在专门治疗计划系统（treatment planning system，TPS）支持下，让MLC可以随意变换各种辐射形状，使射线形状和强度在体内的立体分布与肿瘤保持一致的精确放疗技术。近年来发展比较快，是目前许多肿瘤治疗的基本放射治疗方法。

2．影像引导放射治疗（image guide radiation therapy，IGRT）　IGRT技术是在适形调强放射治疗（IMRT）基础上增加了影像引导定位功能而实现的精确放射治疗技术，因而治疗精度可以得到进一步提高。因这种精确放射治疗技术是在医用电子直线加速器上增加影像诊断装置而实现的，可以实现影像引导下的精确放射治疗，所以，可以看作是一种新型医用电子直线加速器，其基本结构特点见下文（二）中所述。

3．断层放射治疗机（tomotherapy）　这也是一种在影像引导下的精确放射治疗设备。但与IGRT不同，这种精确放射治疗设备是在CT断层成像设备的基础上增加医用电子直线加速器的放射治疗功能而构成的新型医用电子直线加速器。从外形上看，它更像一台CT机，因为它可以在CT断层图像的引导下进行逐层放射治疗，所以被称为断层放射治疗机。这种设备是通过机架的转动与治疗床的平移运动的配合作用，来实现螺旋式断层扫描放射治疗，可以实现360°的入射分布，有利于进一步提高治疗精度并降低入射路径上的放射损伤。断层治疗机的基本结构特点见下文（三）中所述。

4．赛博刀（Cyber knife）　赛博刀是将机器人技术与直线加速器技术相结合而构成的最新型精确放射治疗设备。与前面各种新型医用电子直线加速器的思路不同，这种精确放射治疗设备不是采用常规医用加速器与放射影像设备相结合的方法来提高治疗精度，而是独辟蹊径，把现代机器人技术引入放射治疗领域，可以进一步提高放射治疗的精确性和灵活性。赛博刀的基本结构特点见下文（四）中所述。

5．功能引导放射治疗（function guide radiation therapy，FGRT）　这是一种概念性的精确放射治疗技术，人们设想将来可以在生物功能的引导下进行精确放射治疗。例如，它可以自动识别肿瘤组织，能自动跟踪照射，并能自动掌握辐射剂量、自动评价治疗效果等。但至今为止，这只是一种美好的愿望，因此，目前还没有这种技术和设备，我们期待着通过未来的科技发展来实现。

（二）IGRT医用电子直线加速器

目前临床上最先进的两款IGRT医用电子直线加速器，见图1-3-9和图1-3-10。

图1-3-9　瓦里安公司的IGRT医用电子直线加速器外形

图1-3-9是由美国瓦里安公司推出的新型IGRT医用电子直线加速器外形图；图1-3-10是由瑞典医科达公司推出的新型IGRT医用电子直线加速器外形图（产地英国）。这两种IGRT医用加速器的主机部分都是他们以往生产的常规医用电子直线加速器，其基本思路都是在加速器上集成影像设备，以实现在影像引导下的精确放射治疗功能，所以都被称为IGRT医用电子直线加速器。二者的明显区别在于，为了不影响对病人实施摆位操作，前者是以机械手的形式来控制影像诊断装置的就位引导或缩回备用；而后者是以伸缩杆的形式来控制影像诊断装置的就位引导或缩回备用。当然，在影像装置的硬件设计和软件控制功能上，这两种设备各有自己的设计特点，都可以实现所设想的在影像引导下实施精确放射治疗的基本理念。

从整机结构和基本功能上来讲，以上两种IGRT加速器除了以各自的常规医用电子直线加速器作为核心设备之外，其他部分的结构与功能是相似的。下面以瓦里安公司的新型IGRT医用电子直线加速器为例，简单介绍这类医用加速器的基本配置与基本功能。

图1-3-10医科达公司的IGRT医用电子直线加速器外形

1．内置动态多叶准直器系统（multi-leaf collimator，MLC）　这是实现适形调强放射治疗功能的必备配置，也是实现IGRT功能的基本配置。在瓦里安IGRT加速器上，这是一套相对独立安装与控制的120叶自动运行的准直器，可以自动形成各种复杂的射野形状，以达到在不同角度与肿瘤形状自动适形的目的。

2．兆伏（MV）级端口影像验证系统（Port Vision PV）　这是一套附加在辐射头正面相对位置的端口成像装置，是平板型非晶硅医学影像成像板。因为它采集的是辐射头输出的兆伏（MV）级的影像信息，图像质量不是很理想，而且只能形成平面图像，所以主要用来执行病人摆位精度的验证工作，可以实现病人实际摆位精度的验证功能，这种成像验证方式称为“MV验证模式”。

3．在线影像引导自动摆位校准系统（on board image，OBI）　这一功能是通过在旋转机架的两侧附加千伏（kV）级X线成像设备来实现的。从工作原理上来讲，这种千伏（kV）级X线成像设备其实就是将常规X线机的X线管（俗称球管）与电子型影像增强器一起移植到医用电子直线加速器上来进行图像采集，是一种很成熟的千伏级X线平面成像技术，所以被称为“kV验证模式”。可见，这是一套在二维平面图像引导下实现病人自动摆位校准功能的辅助装置，适用于具有正面和侧面X线诊断图像条件下的自动摆位与校准。

4．锥形束CT影像引导自动摆位校准系统（cone beam computed tomography，CBCT）该系统在硬件上与OBI系统共用一套影像系统，其功能的实现是通过加速器机架的旋转，让千伏（kV）级X线成像设备做180°扫描来采集三维影像数据，然后通过软件重建的三维图像进行自动摆位校准。适用于在具有CT-模拟机采集的三维图像或CT、MR等断层扫描影像情况下的自动摆位与校准。这是一种三维立体影像引导下的精确放射治疗方式，当把病人在治疗床上摆好位置并采集了三维立体影像之后，通过与专用TPS的计划图像进行比对，可以自动控制治疗床立体（三个方向）的位置调整，从而实现在影像引导下自动纠正立体摆位误差的目的，所以是目前最先进的IGRT放射治疗模式。

5．呼吸控制放疗系统（gating）　这是另外一套附加装置，它不是利用图像引导，而是通过病人的呼吸动作来自动控制加速器执行照射和停止照射，适用于受呼吸运动影响较大的胸部肿瘤的放射治疗，可以实现病灶运动时的精确放射治疗。

6．网络服务器与局域网系统　由于IGRT加速器的各个分支系统都是由各自独立的计算机控制，为了建立各系统之间的相互联系以实现各项功能，就必须配置专用的网络服务器和局域网系统。在这个局域网内，可以实现数据共享和文件的灵活调用。

以上介绍的瓦里安公司新型IGRT医用电子直线加速器，是目前临床上精确放射治疗技术的典型代表，正在国内外的大型医院进行推广。因医科达IGRT医用电子直线加速器具有类似的结构与功能，所以这里从略。

（三）断层治疗加速器

断层放射治疗技术是20世纪90年代初由Wisconsin大学的Rock Mackie等人提出的。顾名思义，断层治疗就是一层一层地治疗，是由CT影像系统引申出的一个术语。它的基本思路是在CT机上集成放射治疗功能，其基本结构原理，见图1-3-11。由图1-3-11可见，这种设备是把直线加速管附加在CT机上，与机体同步旋转，可以实现在CT影像引导下的精确放射治疗，所以叫做断层治疗医用电子直线加速器（tomotherapy）。

图1-3-11　断层治疗医用电子直线加速器外形

断层治疗医用电子直线加速器的基本工作原理是：加速器产生的高能X线经过一条很窄的初级准直器射出，并随着机架的旋转形成扇形放射束，与此同时，治疗床缓慢前进，按照专用TPS设计的治疗方案，可以达到射线强度和分布状态的自动调整。通过这种螺旋式断层放射治疗方式，可以实现适形调强放射治疗功能。断层治疗机头结构与瞬间调强MLC，见图1-3-12。

图1-3-12　断层治疗机头结构与瞬间调强MLC

A．是这种断层放射治疗机治疗头的结构示意图，它是由靶环和调强MLC等部件构成的；B．是调强MLC示意图，它可以在电磁驱动器控制下瞬间开启或关闭，通过开启时间的长短来调节辐射剂量的多少，所以调强MLC是这种精确放射治疗设备的关键技术之一。辐射头最下面有一对独立准直器用于限定扇形射束的宽度。调强MLC的优点是控制验证简单，每个叶片在任意时间内不是开就是关，所以不需要精确确定叶片的运动位置和移动速度

（四）赛博刀

赛博刀（Cyber knife）是由美国斯坦福大学（Stanford）医疗中心脑外科副教授约翰·阿德尔于1992年研制开发出的全新精确放射治疗设备。它是将可以输出6MV X线的小型直线加速器与现代机器人技术相结合的产物。据悉，其治疗精度精可达1mm以下，是目前世界上最先进的神经系统肿瘤精确放射治疗设备之一。

以现代机器人技术为基础设计制造的赛博刀的外形结构，见图1-3-13。由图1-3-13可见，在外形上，赛博刀最大的特点是拥有精密、灵活的机器人手臂，小型直线加速器就固定在机器人手臂上。这个手臂可以移动，可以旋转，机械精度极高，为放射治疗提供了最佳的灵活性和空间拓展性，可有多达1200条不同方位的射束，从而将照射剂量投放到全身各处的病灶上，可以从任意角度进行照射，真正实现高精度适形与调强放射治疗技术。

赛博刀的基本工作原理是，在计算机控制下，首先采集三维断层图像，然后通过专用TPS制订治疗计划，再由CT扫描来追踪肿瘤位置，最后以准确剂量的放射线来“切除”肿瘤。虽然没有使用框架和定位头盔，但治疗精度非常高，所以是一种无任何创伤的高精度现代放射治疗设备。

赛博刀不但可以用于脑部放射治疗，也可以用于体部放射治疗。因为这种机器人是利用巡航导弹卫星定位技术，可以实时追踪肿瘤在不同时间点的运动轨迹，然后指令机械手随着肿瘤运动同时运动，所以能够确保照射时加速器始终对准肿瘤靶区，最大限度地减少了正常组织的辐射损伤。它的另一个显著优点是，可以同时治疗许多个肿瘤靶区，也可以在同一个治疗计划中对不同部位各个不相邻的肿瘤进行治疗。

图1-3-13　赛博刀外形结构原理

目前，赛博刀已经成功地用于临床治疗，国内也已经引进了这种精确放射治疗设备，相信它会在放射治疗领域占有一席之地。