医用直线加速器的研究进展

曾伟明

医用直线加速器的研究进展

曾伟明

本文简介了医用直线加速器的发展情况，重点介绍了常规放射治疗设备（Conventional radiation therap）的特点,3D 适形放射治疗设备（3-dimensional conformal），3D 适形调强放射治疗设备(3D Conformal and Intensity Modulation-IMRT)，还有图像引导设备（Image Guide RadioTherapy-IGRT）的研究现状，最后指出医用直线加速器的发展方向。

常规放射治疗；3D 适形放射治疗；3D 适形调强放射治疗；图像引导放射治疗

据统计恶性肿瘤已发展成为疾病三大死亡病因之一。人类目前对恶性肿瘤还没有特效治疗方法。放射治疗与外科手术治疗、化学药物治疗是现代临床治疗肿瘤的三大手段。放射治疗（Radiation therapy）是利用放射线治疗各种肿瘤的临床方法。国际卫生组织（WTO）的统计数据表明：（1）70%左右的肿瘤患者需要接受放射治疗；（2）肿瘤治愈率45%中，手术治疗为22%，放射治疗为18%，化疗为5%[1]。因此，放射治疗在肿瘤治疗中所起的作用是不可替代的。由于电子直线加速器和其它放疗设备相比具有：X线和电子束输出量大，射野大的特点，医用电子直线加速器成为了目前最常用的放疗设备，医用电子直线加速器是指用于肿瘤放射治疗的微波电子直线加速器（microwave electron linear accelerator,LINAC）, LINAC是linear accelerator的缩写，中文简称“直加”是指电子从微波电磁加速场获得能量并延直线轨道加速运动医用电子直线加速器按加速的电磁场形态不同分为行波直线加速器和驻波直线加速器[2]，为我们大家所熟悉的瑞典医科达公司所生产的precise直线加速器是行波直线加速器，而美国瓦里安所生产的Trilogy是驻波直线加速器。

1952年末在英国伦敦Hammersmith医院开始安装第一台直线加速器，为适应临床医学的要求，以医用电子直线加速器为代表的外照射放疗设备呈现出前所未有的技术快速提升、设备不断推陈出新的发展态势。概括总结其技术发展历程为：上世纪80年代以前的常规放疗，90年代初的立体定向治疗，90年代中期的适形放射治疗，90年代末期的适形调强放射治疗，以及当今的图像引导放射治疗。

1 常规放射治疗设备

上世纪80年代以前的常规放疗一般通过常规模拟定位机模仿各类治疗机，按不同条件进行定位，制定治疗计划，并用标准铅挡块遮挡，挡块的主要目的是将规则野变成不规则野，以使射野形状与靶区形状的投影一致；或是为了保护射野内某一重要组织或器官。以往，外加的挡块均由纯铅制成。由于铅的熔点比较高（327℃），制作较困难，一般只作为射野标准挡块使用，不易对每个患者制作特定形状的铅块。采用低熔点铅（低熔点铅的组成成分为铋50%，铅26.7%，镉10.0%，锡13.3%。此种合金的熔点约为70℃。）以后，克服了这个缺点，可以较容易实现适合患者个体化的要求[3]。

2 3D适形放射治疗

3D适形放射治疗（3-dimensional conformal radiation therap），是20世纪90年代发展起来的一种带有革命性的肿瘤放疗技术，其被认为是21世纪肿瘤放射治疗的发展方向[4]。三维放射治疗以病人个体化为原则；采用CT模拟定位和三维治疗计划系统，进行三维剂量计算和显示，使空间剂量分布与靶区符合（适形），尽量减少对正常组织的损伤。与常规放疗设备相比，3D 适形放射治疗设备增加了多叶准直器（Multi Leaf Collimator-MLC），还有就是增加了CT模拟定位系统（CT-sim）。CT定位系统是三维适形的关键，CT定位系统包括CT机，激光定位系统（等中心标记系统），图像工作站及虚拟模拟软件[5]。模拟螺旋CT基本同于诊断用螺旋CT，但要求机架孔径》70cm，最大扫描直径》42cm，和常规模拟定位机相比，可以得到任意切面图像，甚至三维显示，还可以将常规CT.MRI或PET图像进行融合，从而为临床医生勾画靶区提供更多的参考信息，CT模拟机重建影像的CT值反应了X线在组织中的线性衰减关系，由此就可以得到组织横截面的电子密度分布情况，可以根据系统内建的校正公式，进行密度不均匀计算[6]，这都是常规放疗所不具备的。多叶准直器（MLC）从1965年诞生并第一次使用后，获得了迅猛发展和广泛应用[7]。与射野挡块相比，MLC适形具有显著优势：能大幅提高适形治的效率，使静态和动态调强技术的实施成为可能[8]。

3 3D适形调强放射治疗设备

调强放射治疗（IMRT）代表了现代放射治疗(RT)最主要技术进步之一，它是在三维适形治疗基础上发展起来的新型放射治疗设备，与三常规维适形治疗（3DCRT）相比，最大优点是它能产生更为适形的等剂量分布，这就意味着正常组织受量减少，最终提高疗效[9]。而调强适形治疗技术自上世纪90年代诞生以来，以其“三高一低”的特点，迅速获得了国内外放疗界的认可，并成为当今放疗发展的主流方向。高精度：高精度定摆位，高精度适形，高精度治疗。定摆位误差从厘米级提高到毫米级。高剂量：肿瘤剂量一般高于传统放疗，肿瘤控制率（TCP)可望提高。高疗效：五年生存率可望提高。低损伤：正常组织单位体积剂量一般明显低于传统放疗，危急器官放射性损伤率（NTCP)可明显降低。

4 图像引导放射治疗设备

调强适型放疗技术的最新进展是图像引导放射治疗设备（Image Guide RadioTherapy-IGRT），称为四维放射治疗，是当今进入临床推广应用的最先进的医用电子直线加速器放疗设备[10]。 IGRT充分考虑了解剖组织在治疗过程中的运动和分次治疗间的位移误差，如呼吸运动、小肠蠕动、膀胱充盈、胸腹水、日常摆位误差、肿瘤增大/缩小等引起放疗剂量分布的变化和对治疗计划的影响等，这项技术通过在新型加速器集成KV级X射线容积成像设备而实现的，称为ConebeanCT[11]。而加速器获取影像的基本工具是非晶硅平板探测器，这种探测器具有空间分辨率高，灵敏度高，射野范围宽等特点，可实时监测照射野的形状和位置，是调强适形放疗的理想质量控制设备[12]。在电子直线加速器上又增加了KV级X诊断影象系统，实际上，该类型的IGRT设备是将CT与电子直线加速器整合的结果。而Tomotherapy是一种最新研制成功的IGRT设备，称为断层扫描放射治疗设备(Tomotherapy)[13]。Tomotherapy 是HI-ART由美国威斯康星大学医学物理系的研究小组经过十多年的研究完成，外表与CT扫描机相似，主要组成：①环状机架上原先装X线球管的地方安装了6MV直线加速器；②MLC实现扇形束调强治疗；③MV级电子射野影像设备（EPID）做剂量验证和位置验证；④激光定位系统；优点：①配有治疗计划优化器，比传统治疗计划系统更方便；②使用特殊的兆伏级（3MV）CT精确验证其位置，保证射线束流真正作用于病灶。③可采用束流的螺旋传送实现复杂的调强放疗，使放射剂量完全集中于肿瘤，避免对周围健康组织的伤害；④使医生在治疗过程中根据需要调整剂量；⑤将传统的加速器中的模拟机、治疗计划系统用计算机、适形块和补偿器及部分图像系统集成在一起，简化了流程，降低了成本，提高了效率；⑥CT孔径大，加速器在机架中，减少了病人的恐惧心理。

5 总结展望

随着计算机制造技术和制造工艺的进步，信息化的发展，使得放射治疗人工系统更加智能化，使治疗精确性和准确性更高，提高了病人的生存率，降低了副反应，治愈了更多的肿瘤病人，提高了生存质量。人工智能的进一步发展，我们的科学家正不断研制出更加接近人类智能的放疗机器人，例如赛博刀（Cyberknife）由美国Stanford大学医疗中心脑外科与Accuray公司合作研发[14]，赛博刀是一种影像引导的立体定向治疗机，将6MeV直线加速器置于一6自由度的大型机器人手臂上，以图像导引系统取代刚性的立体定向用的框架，加速器的等中心可以随靶区的变化而同步变化，核心技术是机器人和图像导引系统。而最新改型的赛博刀立体定向放射治疗（手术）系统带有一种特有的基准追踪装置，该装置经皮埋在需治疗的目标附近外围，通过六个数据追踪，用作肿瘤定位的参考点。放射治疗时，图像导引系统跟随该基准装置的位置，肿瘤的位置就被传送到机器人臂，由此配合患者位置的变化对加速器重新定位，治疗误差可控制在亚毫米水平[15]。该产品在发达国家有较好的应用前景，美国乔治敦大学医院（花费290万美元）和旧金山医学中心已安装了这套新系统，毫无疑问,对于患者的治疗将更加精确,更加安全.从而提高治愈率,减少并发症的发生.对于如此智能化得放疗机器人，将是放疗的理想境界。

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10.3969/j.issn.1009-4393.2011.29.017

537100 广西贵港市人民医院（曾伟明）