醫用加速器是一種匯集了多種現代科學(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?jì)扇昃陀幸环N新型號品種問(wèn)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要求兩類(lèi)，滿(mǎn)足基本要求就可用于臨床治療，而滿(mǎn)足精細要求是為了使治療更加精細和方便。

① 基本要求包括：

輻射類(lèi)型（由單一的X線(xiàn)向X線(xiàn)＋電子線(xiàn)發(fā)展）、輻射能量（由低能機向中高能機發(fā)展）、輻射劑量率（劑量率由原來(lái)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)、輻射野均整度的調節（不同能量射線(xiàn)的切換導致均整塊的切換）、射線(xiàn)野對稱(chēng)性的改進(jìn)等。

② 精細要求包括如下：

輻射野形狀的調節、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。

這樣就導致了醫用加速器基本上向兩個(gè)方向發(fā)展的趨勢，即射線(xiàn)能量的高能化和技術(shù)應用的功能化。

一、 醫用電子加速器的射線(xiàn)能量從低能向中高能機的方向發(fā)展

由于放療醫生在作放療計劃的時(shí)候特別關(guān)心的是射線(xiàn)的輻射深度特性，這直接導致了X射線(xiàn)能量向中高能方向發(fā)展。而加速器射線(xiàn)能量自6MV向14MV甚至20MV發(fā)展以來(lái)，目前在中國國內中高能機的普及速度也很快。

中高能機與低能機相比，在加速器能量層級和為放療醫生提供的治療手段上均有質(zhì)的不同。低能機只能提供單能的X射線(xiàn)（4MV或6MV），而中高能機不僅能夠提供一檔到兩檔的X射線(xiàn)，還能提供不同能量檔次的電子線(xiàn)。目前市面上一般把只能提供一檔X射線(xiàn)的機器稱(chēng)為單光子，能夠提供兩檔X線(xiàn)的機器稱(chēng)為雙光子，以此類(lèi)推為三光子、多光子等等。

發(fā)展中高能機的根本目的不在于X射線(xiàn)能量的提高，而在于電子線(xiàn)在臨床上的應用需求。對于電子線(xiàn)而言，低能的6MV加速器，原則上也能引出6MeV的電子線(xiàn)，但是6MeV電子線(xiàn)在臨床上基本上沒(méi)有什么意義，中高能機的發(fā)展，使得電子線(xiàn)的能量提高到大于10MeV，從而具有醫學(xué)應用價(jià)值，應該說(shuō)，這才是中高能機的真正意義所在。

要在一臺設備上實(shí)現多檔能量射線(xiàn)的切換，方法有：

1、 改變加速管電子槍流強

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(xiàn)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 )使系統的穩定性變差。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，發(fā)展了能量開(kāi)關(guān)，它首先在Varian的機器上得到應用。

所以說(shuō)，在國內設備上實(shí)現X射線(xiàn)加電子線(xiàn)并不難，困難的是如何在沒(méi)有能量開(kāi)關(guān)技術(shù)或能量開(kāi)關(guān)技術(shù)不成熟的情況下實(shí)現多檔X射線(xiàn)加多檔電子線(xiàn)并保持設備的穩定運行，這點(diǎn)對于聚束段較短的駐波加速管更是如此。

二、 放療技術(shù)從常規放療向IMRT發(fā)展推動(dòng)醫用加速器技術(shù)應用的多樣化

幸運的是，隨著(zhù)計算機硬件和影像技術(shù)的發(fā)展，給我們提供了另外一個(gè)舞臺。這個(gè)舞臺也告訴我們，發(fā)展中高能加速器并非必然！

近十年來(lái)，隨著(zhù)放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、臨床腫瘤學(xué)和醫學(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、精確計劃、精確治療）為特征的高能X射線(xiàn)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） 調強放射治療（IMRT）技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，SRS和SRT只適應于用線(xiàn)束來(lái)對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(lái)治療各部位較大的腫瘤。IMRT甚至能治療形狀怪異很不規則的腫瘤。據報道調強技術(shù)在美國2003年才開(kāi)展迅速的發(fā)展起來(lái)，至今帶有IMRT功能的放療設備普及率已高達70%。

1、 用常規MLC進(jìn)行多個(gè)固定野調強治療

加速器中的MLC最初設計目的主要是為了代替射野擋塊，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，MLC不僅能在旋轉治療中調節射野形狀跟隨靶區，而且還可以在計算機控制下實(shí)現靜態(tài)調強和動(dòng)態(tài)調強。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調強都是由逆向計劃系統先按照目標函數的要求通過(guò)優(yōu)化計算得出射野的強度分布。目標函數參數是由計劃者根據具體病例的臨床要求輸入到計劃系統中的，在治療計劃被認可后，這些強度分布就被轉換為葉片位置序列文件，然后傳送到加速器的MLC控制系統中，在治療時(shí)由調強控制系統控制葉片運動(dòng)，實(shí)現這些調強分布。

雖然對三維適形而言，MLC的葉片寬度只影響了射野的形狀，但對調強而言，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。目前國內的MLC一般只有30多對葉片，但國外，已經(jīng)出現了100對葉片以上的MLC系統。

①  靜態(tài)MLC調強（SMLC）

靜態(tài)調強是由逆向調強計劃系統根據臨床數據將各個(gè)射野要求的強度分布進(jìn)行分級，利用MLC將每個(gè)照射野分成若干個(gè)子野，每個(gè)子野內的強度是均勻的。優(yōu)化計算賦予每個(gè)子野不同的權重，所有射野的子野都被優(yōu)化，由此產(chǎn)生期望的治療計劃。

治療時(shí)各個(gè)子野分步按順序進(jìn)行，在實(shí)施治療過(guò)程中，葉片運動(dòng)到第一個(gè)子野規定的位置停下，加速器出束，達到規定MU停下，然后葉片運動(dòng)到下一個(gè)子野的規定位置停下后加速器再出束；如此進(jìn)行下去，使得每個(gè)子野的強度累加，直到完成整個(gè)射野，所有子野的束流強度相加形成要求的強度分布。

一般來(lái)說(shuō)，希望盡量減少子野數目、葉片運動(dòng)次數和MU數以便保證劑量傳送的精度，但是子野太少劑量分布就達不到調強的要求。MLC靜態(tài)調強在每個(gè)子野照射結束后必須關(guān)斷射線(xiàn)才能轉到下一個(gè)子野，由于加速器射線(xiàn)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，帶來(lái)劑量率的穩定問(wèn)題，從而對AFC系統提出了較高的要求。

靜態(tài)調強劑量驗證比較容易，但是需要的治療時(shí)間比較長(cháng)。

②  動(dòng)態(tài)MLC調強（DMLC）

這種調強是利用MLC相對應的一對葉片的相對運動(dòng)來(lái)實(shí)現對射野內強度的調節的。大致包括：動(dòng)態(tài)葉片、動(dòng)態(tài)MLC掃抽、動(dòng)態(tài)弧形調強等方法。它是在動(dòng)態(tài)葉片運動(dòng)技術(shù)的基礎上輔以加速器筆形束輸出強度的調節，通過(guò)控制葉片運動(dòng)的速度和改變輸出強度的方法來(lái)達到要求的強度分布。

在每個(gè)射野的照射過(guò)程中，由計算機系統按照調強計劃給出的數據進(jìn)行控制，在各對葉片作變速運動(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度分布。治療時(shí)每對葉片構成一個(gè)窗，它們在計算機控制下橫掃過(guò)靶區。窗的開(kāi)口和葉片運動(dòng)速度都按照預定的方案不斷調節，以便產(chǎn)生需要的強度分布。這也同樣決定于滑窗軌跡之下的治療區內各點(diǎn)的吸收劑量。在計劃過(guò)程中計算機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，將需要的強度分布轉換為葉片位置。

動(dòng)態(tài)調強的技術(shù)特點(diǎn)是：一對相對的葉片總是向一個(gè)方向運動(dòng)，并在運動(dòng)過(guò)程中不斷形成各種形狀的窗口（即子野）掃過(guò)靶區。

一般動(dòng)態(tài)調強的每個(gè)射野都由上百個(gè)子野組成，滑窗開(kāi)口的設置及每對葉片任何時(shí)刻都由一個(gè)程序控制。在相對的葉片之間的窗口開(kāi)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。需要參與射束傳輸的葉片數目取決于靶區的長(cháng)度，靶區越長(cháng)涉及的葉片就越多。

這種調強方法治療需要的時(shí)間比較短，然而劑量驗證工作比靜態(tài)調強困難得多。

2、 容積調制弧形治療（VMAT）

容積調制弧形放療可以認為是由IMRT和弧形放療兩者結合發(fā)展出來(lái)的一種新型的放療技術(shù)。通過(guò)加速器內置的標準MLC將動(dòng)態(tài)MLC與弧形治療技術(shù)相結合，用旋轉射束來(lái)實(shí)現優(yōu)化的劑量分布。用這種技術(shù)同樣要先制定調強治療計劃，人為地選擇弧形射野數目及入射角度，再由計劃系統對射束的權重進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化計算出臨床要求的強度分布，再轉換為MLC的驅動(dòng)文件。

在治療過(guò)程中，機架?chē)@患者旋轉，MLC葉片位置每隔10°變化一次以便跟隨靶區形狀，并與楔形板結合使用多共面或非共面弧形照射野。最終的計劃結果被輸入到葉片序列發(fā)生器，這個(gè)發(fā)生器直接復制每個(gè)射束的MU數并通過(guò)MLC形成射束。這樣的MLC處方被傳送到MLC控制器用于驅動(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劑量分布與計劃期望的分布一致從而達到調強的目的。

當機架?chē)@患者旋轉時(shí)加速器是出束的，因此射束角相鄰的照射野不應該要求MLC的葉片運動(dòng)很長(cháng)距離。在多數臨床病例中，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，可以用治療機最高的劑量率配以最大的機架放置速度；偶爾由于MLC葉片速度的限制也會(huì )要求治療過(guò)程中改變機器劑量率以避免治療時(shí)出束暫停的現象。

目前只用VMAT主要用來(lái)治療頭頸部腫瘤，而且多數患者還是在1~3個(gè)弧形角度射野內進(jìn)行這種治療。ELEKTA已經(jīng)將這種技術(shù)與IGRT結合起來(lái)推廣，可以用來(lái)治療體部腫瘤。

3、 特殊的IMRT技術(shù)：采用步進(jìn)或螺旋式連續進(jìn)床方式的扇形束斷層調強旋轉治療。

① 步進(jìn)式斷層調強治療（美國NOMOS公司的Peacock系統）：

步進(jìn)式斷層調強是利用C型醫用加速器和NOMOS公司的孔雀系統(Peacock)來(lái)進(jìn)行的?？兹赶到y包括一臺專(zhuān)門(mén)設計的調強準直器，叫做MIMiC。它是一臺電動(dòng)氣動(dòng)式裝置，可以通過(guò)附件插槽安裝到加速器機頭形成細長(cháng)的矩形射野，叫做扇形束。在機架放置時(shí)，利用MIMiC的開(kāi)關(guān)（ON ,OFF）運動(dòng)，實(shí)現調強治療。MIMiC由兩組40個(gè)葉片組成，每組20片，相對排列。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(xiàn)。每組葉片形成的細長(cháng)條矩形野在等中心處的長(cháng)度的兩擋，分別為10mm和20mm。每個(gè)葉片由一個(gè)微型氣動(dòng)活塞獨立控制，兩組葉片同時(shí)獨立運動(dòng)，形成兩個(gè)細長(cháng)條矩形野。也就是說(shuō)，機架繞患者旋轉一次，只能治療兩層切片（即2cm） ,一般來(lái)說(shuō)靶區長(cháng)度都不只2cm，所以要想治療整個(gè)靶區就要多次旋轉機架，與此同時(shí)治療床必須連續向前步進(jìn)，這種步進(jìn)/旋轉過(guò)程持續進(jìn)行，直到治療完整個(gè)靶區。

在這個(gè)過(guò)程中MIMiC受氣閥操縱運動(dòng)，當氣閥打開(kāi)后，高壓氣體推動(dòng)活塞使葉片進(jìn)入射野，當氣閥關(guān)閉時(shí)，活塞內的低壓氣體反向拉回活塞使葉片推出射野?；钊p向運動(dòng)時(shí)間約為40-60ms。按照治療計劃給出的強度分布要求，通過(guò)計算機控制活塞停留在射野內的時(shí)間，就能達到調強需要的強度分布。MIMiC本身有傳感器和顯示屏，可以監測顯示機架、葉片的位置和運動(dòng)速度。

這種治療方式，床步進(jìn)的控制精度對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(zhuān)門(mén)涉及一個(gè)控制床步進(jìn)的配合裝置，以提供0.5mm以?xún)鹊目蛇x步進(jìn)。

輻射束調制所需要的控制參數也是從治療計劃得出，由計劃系統寫(xiě)在軟盤(pán)上，用作MIMiC的數據文件。MIMiC中的控制系統包括微處理器、機架角度傳感器和葉片運動(dòng)傳感器。

缺點(diǎn)：治療時(shí)間長(cháng)，因此必須克服器官運動(dòng)的負面影響。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動(dòng)使得治療區有時(shí)進(jìn)入治療斷層，有時(shí)脫離治療斷層，從而在斷層銜接區出現過(guò)劑量或欠劑量的情況。

② X線(xiàn)螺旋斷層調強放療（Tomotherapy）

螺旋斷層放射治療系統是當今最先進(jìn)的、融治療計劃、患者擺位和治療過(guò)程適型和調強融為一體的放射治療系統。它的研制成功被認為是五十年放射治療史上最大的技術(shù)突破。

它的結構見(jiàn)圖（1）。它由6MV的直線(xiàn)加速器(Linac)、KVCT和MVCT、多葉準直器和一個(gè)可勻速前進(jìn)的治療床組成。與以往放射治療不同的是，它用適型調強的扇形射線(xiàn)束，以360°螺旋旋轉的方式對腫瘤進(jìn)行照射治療。其中MVCT的探測器是由充有氦氣的電離室單元陣列所組成的。此系統采用了螺旋CT中的“滑環(huán)技術(shù)”，從而使治療環(huán)能在治療過(guò)程中圍繞病人連續旋轉，在治療床向前移動(dòng)時(shí)給出平穩的螺旋線(xiàn)照射治療。

它是由美國Wisconsin大學(xué)兩名教授經(jīng)過(guò)十五年艱苦努力研制出來(lái)的；它的問(wèn)世，引起放射治療界極大關(guān)注。2003年7月開(kāi)始治療第１例患者，截止到2004年10月，在美國已有14臺斷層放射治療機投入臨床使用，治療患者達數百例。 

在治療之前，先由KVCT對病人進(jìn)行斷層掃描，根據此掃描圖像由治療計劃系統進(jìn)行逆向治療計劃設計，即各個(gè)角度束流形狀及流強分布設計；也既計算出在治療環(huán)每一個(gè)旋轉角度和治療床前進(jìn)的每一個(gè)位置上的多葉準直器各個(gè)葉片的確切位置。然后打開(kāi)加速器，用MVCT再核準病灶位置；如有錯位，預先進(jìn)行調節；在治療過(guò)程中，治療環(huán)旋轉和治療床勻速前進(jìn)，進(jìn)行螺旋照射，見(jiàn)圖（2）

圖1  螺旋斷層治療機結構示意圖

圖2  螺旋治療機治療照射示意圖

依據治療計劃，在束流旋轉的不同角度和治療床的不同位置調節多葉準直器，使輸出的扇型束流形狀與治療計劃規定的形狀想一致，也既“適形”；與此同時(shí)，通過(guò)被MVCT記錄的各點(diǎn)的數據與計劃數據相比較，得出劑量誤差數據，在下一個(gè)位置進(jìn)行劑量校正，這樣也就能達到調強的目的。

多葉準直器由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(cháng)度為40cm。斷層掃描治療的層厚度從0.5cm到5cm可調。

加速器是一個(gè)長(cháng)度為40cm的小型6兆伏、S波段（3GHz）電子直線(xiàn)加速器。它除了產(chǎn)生Ｘ射線(xiàn)束流用于治療外，它還和對面的氦電離室探測器單元陣列構成螺旋MVCT。在旋轉過(guò)程中, MVCT接受穿過(guò)人體病灶的射線(xiàn)，形成病灶斷層圖像，由此圖像數據可以計算出要治療的病灶區吸收的射線(xiàn)劑量；此劑量數據和治療計劃中所預設的數據相比較，即可監視計劃的吸收劑量是否正確；如若有誤，則在下一角度照射時(shí)調節輸出束流作修正，實(shí)現“調強”；另外也可監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、調強和圖像導引，最大限度地保證治療體位和計劃體位的重復一致，以便使被治療部位獲得空前大的輻射劑量和使周?chē)鷽](méi)有病的正常組織受到最小的照射損害（見(jiàn)圖3）。

圖3   Tomotherapy螺旋治療機的劑量分布圖

上圖中紅色部分為要高劑量照射的惡性鼻咽瘤，而中間藍色部分為要保護的脊髓。目前其它的放療設備就無(wú)法治療此類(lèi)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?？?，從常規精確治療20分鐘以上（甚至于1個(gè)多小時(shí)）減至小于5分鐘。  

總之，斷層放射治療系統可提供高度精確的放射治療和實(shí)時(shí)擺位、劑量驗證，是影像介導放射治療的典范。它為放射治療醫師開(kāi)辟了一個(gè)新的治療平臺，在適型、調強和圖像導引放射治療發(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，避免重復擺位。

c) 逆向治療計劃

d) 劑量計算與重建

e) 適形調強出束治療

f) 劑量驗證，這也是該技術(shù)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。

三、 精確放射治療技術(shù)的發(fā)展趨勢之圖像導引下的放療（IGRT）

精確定位與擺位是精確放療的前提，影像導引和驗證是調強放療技術(shù)發(fā)展的重要熱點(diǎn)，是動(dòng)態(tài)調強的技術(shù)保證。

為了驗證治療過(guò)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(xiàn)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(xiàn)成像圖像灰度比不高，影像不清晰。

現在發(fā)展起來(lái)的實(shí)時(shí)成像系統正在向克服這兩個(gè)缺點(diǎn)的方向發(fā)展，即希望可以達到在治療開(kāi)始前和治療過(guò)程進(jìn)行射野照片, 并與TPS傳到過(guò)來(lái)的DR圖像對比，通過(guò)影像的引導計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(lái)的放療誤差。這就是大家所說(shuō)的IGRT功能（見(jiàn)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。

在治療機上安裝兆伏級或KV級的X線(xiàn)射野影像監視器（EPID）可在治療中實(shí)時(shí)監測和驗證射野幾何位置乃至野內劑量分布。

目前，在多數加速器上均可安裝EPID設備，先進(jìn)的EPID設備還可以進(jìn)行劑量分布計算和驗證。如果將治療機與影像系統結合在一起，每天治療時(shí)采集有關(guān)的影像學(xué)信息，確定治療靶區，做到每日一靶，也可稱(chēng)為IGRT。

又或者將加速器與CT作為一體安裝在同一室內，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)投入臨床應用。另外，組合有多種影像（CT/MRI/PET）為一體的IMRT治療機，其目的也是為了提高各種影像設備圖像融合的準確性，以利于更為合理準確地勾畫(huà)靶區。

還有在TOMOTHERAPY斷層治療機和射波刀上病人不用動(dòng)也可以定位和治療。

2、 它能對器官移動(dòng)進(jìn)行監控

放療中如何消除器官的生理運動(dòng)的影響，如呼吸運動(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(wèn)題是因為這方面的帶來(lái)的誤差遠遠大于擺位誤差。解決呼吸運動(dòng)帶來(lái)的誤差有目前有門(mén)控系統和紅外線(xiàn)跟蹤系統等；而IGRT是在3DCRT基礎上加入時(shí)間因素，充分考慮了解剖組織或器官在放療過(guò)程中的運動(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)的影像設備對腫瘤和危及器官進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控，并能根據器官位置和形狀的變化調整治療條件使照射野緊緊“追隨”靶區，以使腫瘤完全在治療計劃系統所設計的劑量范圍內，實(shí)現腫瘤的精確放射治療。IGRT引導的4DCRT涉及放射治療過(guò)程中的所有步驟，包括患者4DCT圖像獲取、治療計劃、擺位驗證和修正、計劃修改、計劃給予、治療保證等各方面。其目的是減少了靶區不確定性因素，將放療過(guò)程中器官/靶區隨時(shí)間而運動(dòng)的全部信息整合到放療計劃中，提高了放療過(guò)程的精確性。

目前臨床應用的影像指導設備除了EPID外，還包括KV級X線(xiàn)攝片和透視、MV級斷層CT、放療室內CT、KV或MV錐形CT、機架上的KV-KV系統或KV-MV系統等。研究熱點(diǎn)集中在錐形CT、機架上的KV-KV系統或KV-MV系統（如圖5），這些系統能聯(lián)合X線(xiàn)透視監測和靶區成像，提供了放療時(shí)三維軟組織靶區影像和實(shí)時(shí)射線(xiàn)監測，使放療靶區的確定建立在內靶區的基礎上，而不是建立在體表標記或印記上，對放療過(guò)程的在線(xiàn)或離線(xiàn)修正起著(zhù)重要作用。

圖5  Elekta Synergy®加速器

四、 精確放射治療技術(shù)的發(fā)展趨勢之生物適形放射治療？

一般來(lái)說(shuō)，CT、MRI只能用于描述腫瘤靶區，照射野應完整覆蓋計劃靶區并給予均勻劑量。由于我們不能區分腫瘤細胞的生物學(xué)分布特征，所以外照射計劃中的計劃靶區內劑量均勻的要求是非常傳統和保守的，使得腫瘤組織內各處的劑量分布均勻；但是研究發(fā)現，實(shí)際上腫瘤組織本身的癌細胞分布是不均勻的，不同的癌細胞核團對射線(xiàn)的敏感度也是存在相當大的差異。隨著(zhù)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的生物學(xué)特征，將這些功能與X線(xiàn)、CT等形態(tài)學(xué)影像進(jìn)行圖像融合后應用于放射治療計劃系統中，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)部分應該放療多少劑量等等?？梢哉f(shuō)，這種生物功能性影像和生物適形緊密結合的多維適形治療必將成為新世紀腫瘤放射治療的發(fā)展方向。

五、 國產(chǎn)醫用加速器設備發(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(wú)論是原來(lái)的廣東威達醫療器械集團公司還是現在的北京醫療器械研究所，均先后失去了創(chuàng )造民族品牌的機會(huì )和動(dòng)力。駐波中能加速器在原威達公司銷(xiāo)售一臺后就停產(chǎn)，北醫所被醫科達收購以后中能機的項目據說(shuō)也被停止。如果沒(méi)有揚州海明在國產(chǎn)醫用中高能機上的堅持，沒(méi)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。

可以這樣說(shuō)，總體而言，我們和國外醫用加速器廠(chǎng)家相比，無(wú)論是在加速器的性能上還是功能上，可以說(shuō)是全面落后，多年來(lái)我們追隨國外廠(chǎng)家的步伐，幾十年過(guò)去我們在技術(shù)上的差距依然是如此的遙遠；要趕上國外技術(shù)，沒(méi)有方向上和思維上的突破，沒(méi)有有魄力的新的規劃，可能性是極微的。

那么對于從事加速器產(chǎn)業(yè)化的廠(chǎng)家而言，怎樣才能走出困境？我們到底有哪些優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)？

一) 擯棄舊有思維模式，致力于單能系加速器的系統配置的研究和推動(dòng)

直線(xiàn)加速器作為放療的主力設備，在放療中的應用已走過(guò) 50 年的歷史。目前的機型主要是兩種：?jiǎn)喂庾?6 MV機型；雙光子帶多檔電子線(xiàn)機型。在放療的初期歷史中，單光子機型很快替代了鈷60，雙光子帶多檔電子線(xiàn)機型則一機多能且具有經(jīng)濟性，為放療的普及做出了巨大的貢獻。但隨著(zhù)學(xué)科的發(fā)展，治療負載的加重，這樣的機器配置是否還符合當今和未來(lái)的醫療實(shí)際需求呢？

據了解，在國內，一臺帶電子線(xiàn)的加速器每天用電子線(xiàn)治療病人數量為5～10個(gè)，甚至于有時(shí)沒(méi)有電子線(xiàn)的病人；同時(shí)盡管10MV以上的高能X射線(xiàn)的深度劑量分布曲線(xiàn)要好于6MV的X射線(xiàn)的深度劑量分布曲線(xiàn)，但是隨著(zhù) IMRT、IMAT、VMAT等技術(shù)的普及應用，6 MV 光子線(xiàn)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(xiàn)的深度劑量分布優(yōu)勢、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(wàn)個(gè)放療適診病人，但由于設備等醫療資源的缺乏，以及病人的經(jīng)濟狀況等因素，只能為其中的40萬(wàn)病人進(jìn)行放射治療；

2. 按照靜態(tài)估計，中國還缺少至少4000臺放療加速器；

3. 一套進(jìn)口全配置的IMRT設備價(jià)格約120～140萬(wàn)美元；一套基于常規加速器的 IGRT系統約200萬(wàn)美元；如果再加上IMAT功能的話(huà)，再增加約20多萬(wàn)美元；

4. 如果按照每套治療設備價(jià)格130萬(wàn)美元計算（不包括影像定位等其他設備），4000臺/套的總價(jià)就是5.2億美元；

5. 如果這4000臺加速器能夠滿(mǎn)足160萬(wàn)個(gè)病人治療的話(huà)，平均每個(gè)病人收取治療費 1 萬(wàn)人民幣，則共計160億元人民幣；

但實(shí)際上遠不及這樣樂(lè )觀(guān)，包括病人的經(jīng)濟狀況、醫院的采購支付能力、放療醫技的普及、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(cháng)一段路要走。

那么，什么是單能系加速器配置？單能系加速器是對單光子加速器的擴充，以射線(xiàn)的能系作為界別。單能系加速器可以包括下列機型：

? 6 MV 單光子機型

? 10 MV 單光子機型

? 10～18 MeV之間的單能純電子線(xiàn)機型

因此，單能系加速器實(shí)際上就是把光子線(xiàn)和電子線(xiàn)的應用分開(kāi)，分解為兩臺加速器設備。

單能系加速器的優(yōu)點(diǎn)：

1. 加速器結構部件、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(xiàn)能夠完成絕大部分的治療需求；而國內對6MV單光子加速器的制造工藝已很成熟，設備的整體成本不及高檔機型的一半；

3. 特別的對于其中的純電子線(xiàn)機型，把原來(lái)有關(guān) X 線(xiàn)部分的結構統統去除，可對射線(xiàn)路徑進(jìn)行充分的優(yōu)化；也無(wú)需考慮裝配多葉光柵系統（內置或外置）、IGRT 系統等；

4. 在工程學(xué)原理上，減少一個(gè)系統部件，就能提升系統的運行可靠性；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期的；

5. 原來(lái)計劃買(mǎi)一臺雙光子帶電子線(xiàn)的加速器的投資預算，現在可以購買(mǎi)兩臺加速器；有助于降低放療中心的加速器成本投入或者說(shuō)在同等投入的情況下，增加了加速器的數量，從而能使得有更多的患者得到施治；

6. 原來(lái)在中高能加速器上投資的多葉光柵系統、IGRT 系統在電子線(xiàn)治療時(shí)是浪費的；

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)現多機分位治療管理模式，而且可以使得所有的投資都得到100％的應用。

多機分位治療管理早已不是一個(gè)新的思路了。國內外不少大型放療中心早已實(shí)施。大型放療中心擁有多臺加速器設備，為管理方便，一般實(shí)施分位治療模式，例如：1號機專(zhuān)門(mén)用于頭部 X 刀；2號機用于頭頸部放療；3號機用于胸腹部放療；4號機用于腹盆部放療；5號機專(zhuān)用于電子線(xiàn)放療，等等。

多機分位治療管理模式的優(yōu)點(diǎn)在于：

• 專(zhuān)機專(zhuān)用，提高了每臺設備及其附屬設備的使用效率；

• 治療機房位置容易被病人識別；

• 方便對病人固定系統（例如面膜、固定架等）的管理；

• 僅在有治療需求和必要時(shí)才在機器上進(jìn)行應用擴展，節省了投資也提高了投資的利用率；等等

可以說(shuō)，單能系加速器特別適合這些放療中心實(shí)施多機分位治療管理模式。不管是新建放療科，還是在原有規模上進(jìn)行擴展；不管是東部沿海地區，還是內陸中西部地區；不管是歐美發(fā)達國家，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(guān)念，開(kāi)發(fā)單能IGRT加速器

目前市面上流行的帶電子線(xiàn)的加速器都是雙光子+電子線(xiàn)的加速器了，但實(shí)際上電子線(xiàn)治療病人的數量很少，一個(gè)醫院，有一臺機器專(zhuān)門(mén)做電子線(xiàn)治療就足夠了。因此對于大型醫院來(lái)說(shuō)，如果再次購買(mǎi)加速器，同樣的資金，面臨的將是兩臺單能IGRT加速器和一臺雙光子IGRT中能加速器之間進(jìn)行選擇，應該說(shuō)，基本上會(huì )傾向于選擇前者。也就是說(shuō)如果有單光子精確放療加速器配IGRT 的，從性?xún)r(jià)比來(lái)說(shuō)，應該是比較好的選擇。

即使是對現有市場(chǎng)上的6MV加速器進(jìn)行IGRT改造，實(shí)現從低檔加速器向具備IGRT功能的高檔加速器轉變，技術(shù)上和經(jīng)濟上也是可行的和合算的。

聯(lián)合據具有影像處理經(jīng)驗的廠(chǎng)家或高校，開(kāi)發(fā)IGRT單能加速器，對于國內醫用加速器行業(yè)來(lái)說(shuō)，特別的，對于具有影像經(jīng)驗的加速器廠(chǎng)家更應該率先評估這種可能性；同時(shí)也是一個(gè)擺脫長(cháng)時(shí)間以來(lái)的國有加速器之間低價(jià)競爭這樣一種惡劣局面的契機。

三) 盡早推動(dòng)KV/MV加速器的研發(fā)工作，力爭走與眾不同的路

在目前已商業(yè)化的 IGRT 系統中，例如，Elekta 的 Synergy 系統、Siemens 的 Artiste 系統和 Varian 的 Clinac iX（OBI） 系統，其 KV 成像和 MV 成像/輻照都是分開(kāi)的，分別由 KV 球管和 MV 加速管作為兩種放射源（非同源結構）。而從物理和幾何的根本原理上說(shuō)，只有那種放射源的“同源”結構，才能最大限度的保證治療空間坐標和成像空間坐標的一致性、減小系統誤差！

所謂“同源”，是指加速管的原始靶點(diǎn)設計相同，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(kāi)關(guān)”上。而現代的 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 束流能量級別的巨大差異，所以KeV 電子束幾乎無(wú)法通過(guò)橫臥式直線(xiàn)加速器內原有的偏轉系統，故同源雙束結構必須建立在加速管豎直放置上才具有實(shí)際應用價(jià)值。這樣將長(cháng)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(kāi)關(guān)結構后，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 系統上。

“KV/MV 同源雙束”加速管技術(shù)在應用上的優(yōu)點(diǎn)：

1. 在 6MV 駐波加速管上的應用

如果能在 6 MV 駐波加速管可獲得 6MV/200KV 兩種能量的X線(xiàn)輸出之間快速切換，那么就可實(shí)現 KV用于成像、MV用于治療的目的，很明顯，KVCT獲得的CBCT圖像遠比 MVCT的CBCT圖像清晰。同時(shí)，KV射線(xiàn)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用

近年來(lái)，我國的加速器專(zhuān)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(zhuān)利權。例如說(shuō)相位開(kāi)關(guān)就是其中的一種，它的基本思想是在現有的現有邊耦合加速管邊腔的基礎上增加一組旁通的三腔系統。當邊腔被短路時(shí)，結構通過(guò)旁通的三腔系統形成新的諧振。由于旁通的三腔系統也工作在 π/2 模式，開(kāi)關(guān)的后段相對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)。在旁通的三腔系統中，中間一個(gè)腔像是“加速腔”，但它不在加速管軸線(xiàn)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)強和旁通的三腔系統對頻率的敏感性，用在 S-band/C-band/X-band 都無(wú)礙。

可以說(shuō)，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(wú)論是山東新華還是當年的BMEI還是現在的揚州海明，可以說(shuō)沒(méi)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(wú)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品牌的CT-SIM、EPID、TPS、RTIS、病檔管理系統等等，從而形成自己的從診斷、計劃、定位、驗證、治療到后臺管理等的數字化網(wǎng)絡(luò )整體，這是我們國產(chǎn)廠(chǎng)家面臨的放療領(lǐng)域上另外的一條戰線(xiàn)。

在這個(gè)問(wèn)題上，東軟醫療系統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，東軟醫療在CT、MRI、X光機、超聲等醫療設備生產(chǎn)線(xiàn)，公司同時(shí)為醫院數字化提供全面解決方案；是中國目前唯一的“國家數字化醫學(xué)影像設備工程技術(shù)研究中心”建設依托單位，也是中國目前唯一的“國家醫用磁共振成像系統產(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”項目的建設依托單位。目前東軟醫療已經(jīng)完成了醫用直線(xiàn)低能加速器的研制、臨床和注冊過(guò)程，正在和PET-CT一道開(kāi)展其生產(chǎn)進(jìn)程。

同時(shí)，東軟展開(kāi)了在放療整體解決方案的規劃，正在醫用加速器、TPS、CT-SIM、RTIS、EPID、R&V等方面展開(kāi)研究，力爭在最短的時(shí)間內能夠建立具有東軟特色的放療解決方案：

圖6  東軟醫療放療解決方案拓撲圖

其中，RTIS在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中肩負數據中心、RT Server、R&V等任務(wù)。加上自主研發(fā)生產(chǎn)的EPID驗證系統、CT-Sim以及TPS，必將給各大中醫院提供另外一種選擇。

【參考文獻】：

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作者介紹：田新智先生，任職于沈陽(yáng)東軟醫療系統有限公司腫瘤解決方案研發(fā)中心