原文：田新智．医用加速器技术随放疗技术的发展及我们的应对策略[TH]．第八届全国医用加速器学术交流会论文集，2009
链接：http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-YZZZ200908001008.htm
医用加速器是一种汇集了多种现代科学于一身的放射治疗装置，其技术在不断的发展，几乎每两三年就有一种新型号品种问世。从技术角度看，放射治疗的要求是关于所提供的辐射剂量特性的要求，可以分为基本要求和精细要求两类，满足基本要求就可用于临床治疗，而满足精细要求是为了使治疗更加精细和方便。
① 基本要求包括：
辐射类型（由单一的X线向X线＋电子线发展）、辐射能量（由低能机向中高能机发展）、辐射剂量率（剂量率由原来的大于100cGy/min向400cGy/min甚至向600cGy/min发展）、辐射野面积(由30cm×30cm向40cm×40cm发展)、辐射野均整度的调节（不同能量射线的切换导致均整块的切换）、射线野对称性的改进等。
② 精细要求包括如下：
辐射野形状的调节、楔形剂量分布的自动产生、弧形剂量分布的产生、原体剂量分布的产生等等。
这样就导致了医用加速器基本上向两个方向发展的趋势，即射线能量的高能化和技术应用的功能化。
一、 医用电子加速器的射线能量从低能向中高能机的方向发展
由于放疗医生在作放疗计划的时候特别关心的是射线的辐射深度特性，这直接导致了X射线能量向中高能方向发展。而加速器射线能量自6MV向14MV甚至20MV发展以来，目前在中国国内中高能机的普及速度也很快。
中高能机与低能机相比，在加速器能量层级和为放疗医生提供的治疗手段上均有质的不同。低能机只能提供单能的X射线（4MV或6MV），而中高能机不仅能够提供一档到两档的X射线，还能提供不同能量档次的电子线。目前市面上一般把只能提供一档X射线的机器称为单光子，能够提供两档X线的机器称为双光子，以此类推为三光子、多光子等等。
发展中高能机的根本目的不在于X射线能量的提高，而在于电子线在临床上的应用需求。对于电子线而言，低能的6MV加速器，原则上也能引出6MeV的电子线，但是6MeV电子线在临床上基本上没有什么意义，中高能机的发展，使得电子线的能量提高到大于10MeV，从而具有医学应用价值，应该说，这才是中高能机的真正意义所在。
要在一台设备上实现多档能量射线的切换，方法有：
1、 改变加速管电子枪流强
2、 改变微波源功率
但这样就涉及到AFC电路的跟踪以及射线能谱的变化。
3、 使RF源频率失谐或部分加速腔失谐。但这种方法会使系统的稳定性变差。
为了解决这个问题，发展了能量开关，它首先在Varian的机器上得到应用。
所以说，在国内设备上实现X射线加电子线并不难，困难的是如何在没有能量开关技术或能量开关技术不成熟的情况下实现多档X射线加多档电子线并保持设备的稳定运行，这点对于聚束段较短的驻波加速管更是如此。
二、 放疗技术从常规放疗向IMRT发展推动医用加速器技术应用的多样化
幸运的是，随着计算机硬件和影像技术的发展，给我们提供了另外一个舞台。这个舞台也告诉我们，发展中高能加速器并非必然！
近十年来，随着放射物理学、放射生物学、临床肿瘤学和医学影像学的发展，放射治疗技术领域发生了巨大的变革。以“三精”（精确定位、精确计划、精确治疗）为特征的高能X射线新的放射治疗技术－精确放射治疗技术得到了极大的发展，它包括以下几个发展阶段：
1） 立体定向放射外科技术（SRS，主要包括X刀、γ刀和射波刀）
2） 立体定向放射治疗（SRT）技术
3） 三维适形放射治疗（3DCRT）技术
4） 调强放射治疗（IMRT）技术
一般来说，SRS和SRT只适应于用线束来对头部或体部的球状小肿瘤进行治疗，而3DCRT和IMRT是用锥形束或扇形束来治疗各部位较大的肿瘤。IMRT甚至能治疗形状怪异很不规则的肿瘤。据报道调强技术在美国2003年才开展迅速的发展起来，至今带有IMRT功能的放疗设备普及率已高达70%。
1、 用常规MLC进行多个固定野调强治疗
加速器中的MLC最初设计目的主要是为了代替射野挡块，随着计算机技术的发展，MLC不仅能在旋转治疗中调节射野形状跟随靶区，而且还可以在计算机控制下实现静态调强和动态调强。
静态和动态调强都是由逆向计划系统先按照目标函数的要求通过优化计算得出射野的强度分布。目标函数参数是由计划者根据具体病例的临床要求输入到计划系统中的，在治疗计划被认可后，这些强度分布就被转换为叶片位置序列文件，然后传送到加速器的MLC控制系统中，在治疗时由调强控制系统控制叶片运动，实现这些调强分布。
虽然对三维适形而言，MLC的叶片宽度只影响了射野的形状，但对调强而言，叶片宽度却影响到整个层面上的剂量，所以MLC叶片宽度越小越好，但是叶片越薄，制作越困难，成本也就越高。目前国内的MLC一般只有30多对叶片，但国外，已经出现了100对叶片以上的MLC系统。
① 静态MLC调强（SMLC）
静态调强是由逆向调强计划系统根据临床数据将各个射野要求的强度分布进行分级，利用MLC将每个照射野分成若干个子野，每个子野内的强度是均匀的。优化计算赋予每个子野不同的权重，所有射野的子野都被优化，由此产生期望的治疗计划。
治疗时各个子野分步按顺序进行，在实施治疗过程中，叶片运动到第一个子野规定的位置停下，加速器出束，达到规定MU停下，然后叶片运动到下一个子野的规定位置停下后加速器再出束；如此进行下去，使得每个子野的强度累加，直到完成整个射野，所有子野的束流强度相加形成要求的强度分布。
一般来说，希望尽量减少子野数目、叶片运动次数和MU数以便保证剂量传送的精度，但是子野太少剂量分布就达不到调强的要求。MLC静态调强在每个子野照射结束后必须关断射线才能转到下一个子野，由于加速器射线的开关动作，带来剂量率的稳定问题，从而对AFC系统提出了较高的要求。
静态调强剂量验证比较容易，但是需要的治疗时间比较长。
② 动态MLC调强（DMLC）
这种调强是利用MLC相对应的一对叶片的相对运动来实现对射野内强度的调节的。大致包括：动态叶片、动态MLC扫抽、动态弧形调强等方法。它是在动态叶片运动技术的基础上辅以加速器笔形束输出强度的调节，通过控制叶片运动的速度和改变输出强度的方法来达到要求的强度分布。
在每个射野的照射过程中，由计算机系统按照调强计划给出的数据进行控制，在各对叶片作变速运动时，加速器不停地以变化的剂量率出束，由此得到所要求的强度分布。治疗时每对叶片构成一个窗，它们在计算机控制下横扫过靶区。窗的开口和叶片运动速度都按照预定的方案不断调节，以便产生需要的强度分布。这也同样决定于滑窗轨迹之下的治疗区内各点的吸收剂量。在计划过程中计算机用一种算法将叶片位置作为每个射野出束时间的函数，将需要的强度分布转换为叶片位置。
动态调强的技术特点是：一对相对的叶片总是向一个方向运动，并在运动过程中不断形成各种形状的窗口（即子野）扫过靶区。
一般动态调强的每个射野都由上百个子野组成，滑窗开口的设置及每对叶片任何时刻都由一个程序控制。在相对的叶片之间的窗口开到最大时，使用最大的叶片速度，这样可以缩短治疗时间。需要参与射束传输的叶片数目取决于靶区的长度，靶区越长涉及的叶片就越多。
这种调强方法治疗需要的时间比较短，然而剂量验证工作比静态调强困难得多。
2、 容积调制弧形治疗（VMAT）
容积调制弧形放疗可以认为是由IMRT和弧形放疗两者结合发展出来的一种新型的放疗技术。通过加速器内置的标准MLC将动态MLC与弧形治疗技术相结合，用旋转射束来实现优化的剂量分布。用这种技术同样要先制定调强治疗计划，人为地选择弧形射野数目及入射角度，再由计划系统对射束的权重进行优化，优化计算出临床要求的强度分布，再转换为MLC的驱动文件。
在治疗过程中，机架围绕患者旋转，MLC叶片位置每隔10°变化一次以便跟随靶区形状，并与楔形板结合使用多共面或非共面弧形照射野。最终的计划结果被输入到叶片序列发生器，这个发生器直接复制每个射束的MU数并通过MLC形成射束。这样的MLC处方被传送到MLC控制器用于驱动叶片。在出束期间有程序控制加速器实施弧形治疗，同时控制MLC动态地逐步完成一系列射野形状。所有弧形射野的累计剂量分布与计划期望的分布一致从而达到调强的目的。
当机架围绕患者旋转时加速器是出束的，因此射束角相邻的照射野不应该要求MLC的叶片运动很长距离。在多数临床病例中，各个角度之间的射野形状变化也是缓慢的。为了缩短出束时间，可以用治疗机最高的剂量率配以最大的机架放置速度；偶尔由于MLC叶片速度的限制也会要求治疗过程中改变机器剂量率以避免治疗时出束暂停的现象。
目前只用VMAT主要用来治疗头颈部肿瘤，而且多数患者还是在1~3个弧形角度射野内进行这种治疗。ELEKTA已经将这种技术与IGRT结合起来推广，可以用来治疗体部肿瘤。
3、 特殊的IMRT技术：采用步进或螺旋式连续进床方式的扇形束断层调强旋转治疗。
① 步进式断层调强治疗（美国NOMOS公司的Peacock系统）：
步进式断层调强是利用C型医用加速器和NOMOS公司的孔雀系统(Peacock)来进行的。孔雀系统包括一台专门设计的调强准直器，叫做MIMiC。它是一台电动气动式装置，可以通过附件插槽安装到加速器机头形成细长的矩形射野，叫做扇形束。在机架放置时，利用MIMiC的开关（ON ,OFF）运动，实现调强治疗。MIMiC由两组40个叶片组成，每组20片，相对排列。叶片是由钨制作成的，每个叶片高8cm，近源端宽5mm，接近患者一端6mm宽，叶片在加速器等中心处投影约为10mm。相邻叶片间有凹凸槽，以减少漏射线。每组叶片形成的细长条矩形野在等中心处的长度的两挡，分别为10mm和20mm。每个叶片由一个微型气动活塞独立控制，两组叶片同时独立运动，形成两个细长条矩形野。也就是说，机架绕患者旋转一次，只能治疗两层切片（即2cm） ,一般来说靶区长度都不只2cm，所以要想治疗整个靶区就要多次旋转机架，与此同时治疗床必须连续向前步进，这种步进/旋转过程持续进行，直到治疗完整个靶区。
在这个过程中MIMiC受气阀操纵运动，当气阀打开后，高压气体推动活塞使叶片进入射野，当气阀关闭时，活塞内的低压气体反向拉回活塞使叶片推出射野。活塞双向运动时间约为40-60ms。按照治疗计划给出的强度分布要求，通过计算机控制活塞停留在射野内的时间，就能达到调强需要的强度分布。MIMiC本身有传感器和显示屏，可以监测显示机架、叶片的位置和运动速度。
这种治疗方式，床步进的控制精度对相邻野剂量分布影响很大。为了减少由于相邻野不重合产生的不均匀性，治疗床步进的精度和可确定性是非常重要的。为此需专门涉及一个控制床步进的配合装置，以提供0.5mm以内的可选步进。
辐射束调制所需要的控制参数也是从治疗计划得出，由计划系统写在软盘上，用作MIMiC的数据文件。MIMiC中的控制系统包括微处理器、机架角度传感器和叶片运动传感器。
缺点：治疗时间长，因此必须克服器官运动的负面影响。而且即使步进精度非常好，断层衔接非常好，也可能由于器官的运动使得治疗区有时进入治疗断层，有时脱离治疗断层，从而在断层衔接区出现过剂量或欠剂量的情况。
② X线螺旋断层调强放疗（Tomotherapy）
螺旋断层放射治疗系统是当今最先进的、融治疗计划、患者摆位和治疗过程适型和调强融为一体的放射治疗系统。它的研制成功被认为是五十年放射治疗史上最大的技术突破。
它的结构见图（1）。它由6MV的直线加速器(Linac)、KVCT和MVCT、多叶准直器和一个可匀速前进的治疗床组成。与以往放射治疗不同的是，它用适型调强的扇形射线束，以360°螺旋旋转的方式对肿瘤进行照射治疗。其中MVCT的探测器是由充有氦气的电离室单元阵列所组成的。此系统采用了螺旋CT中的“滑环技术”，从而使治疗环能在治疗过程中围绕病人连续旋转，在治疗床向前移动时给出平稳的螺旋线照射治疗。
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图1 螺旋断层治疗机结构示意图
它是由美国Wisconsin大学两名教授经过十五年艰苦努力研制出来的；它的问世，引起放射治疗界极大关注。2003年7月开始治疗第１例患者，截止到2004年10月，在美国已有14台断层放射治疗机投入临床使用，治疗患者达数百例。
在治疗之前，先由KVCT对病人进行断层扫描，根据此扫描图像由治疗计划系统进行逆向治疗计划设计，即各个角度束流形状及流强分布设计；也既计算出在治疗环每一个旋转角度和治疗床前进的每一个位置上的多叶准直器各个叶片的确切位置。然后打开加速器，用MVCT再核准病灶位置；如有错位，预先进行调节；在治疗过程中，治疗环旋转和治疗床匀速前进，进行螺旋照射，见图（2）
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图2 螺旋治疗机治疗照射示意图
依据治疗计划，在束流旋转的不同角度和治疗床的不同位置调节多叶准直器，使输出的扇型束流形状与治疗计划规定的形状想一致，也既“适形”；与此同时，通过被MVCT记录的各点的数据与计划数据相比较，得出剂量误差数据，在下一个位置进行剂量校正，这样也就能达到调强的目的。
多叶准直器由64个叶片组成，每片在病人位置的“阴影”宽度为6.25mm, 这样扇型束流的总长度为40cm。断层扫描治疗的层厚度从0.5cm到5cm可调。
加速器是一个长度为40cm的小型6兆伏、S波段（3GHz）电子直线加速器。它除了产生Ｘ射线束流用于治疗外，它还和对面的氦电离室探测器单元阵列构成螺旋MVCT。在旋转过程中, MVCT接受穿过人体病灶的射线，形成病灶断层图像，由此图像数据可以计算出要治疗的病灶区吸收的射线剂量；此剂量数据和治疗计划中所预设的数据相比较，即可监视计划的吸收剂量是否正确；如若有误，则在下一角度照射时调节输出束流作修正，实现“调强”；另外也可监视被治疗的部位是否移动（如肺上的肿瘤，随呼吸而移动），随时做适型、调强和图像导引，最大限度地保证治疗体位和计划体位的重复一致，以便使被治疗部位获得空前大的辐射剂量和使周围没有病的正常组织受到最小的照射损害（见图3）。
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图3 Tomotherapy螺旋治疗机的剂量分布图
上图中红色部分为要高剂量照射的恶性鼻咽瘤，而中间蓝色部分为要保护的脊髓。目前其它的放疗设备就无法治疗此类肿瘤了，但是该螺旋断层放射治疗仪就可以施治。
除上述优点之外，治疗速度也非常快，从常规精确治疗20分钟以上（甚至于1个多小时）减至小于5分钟。
总之，断层放射治疗系统可提供高度精确的放射治疗和实时摆位、剂量验证，是影像介导放射治疗的典范。它为放射治疗医师开辟了一个新的治疗平台，在适型、调强和图像导引放射治疗发展史上将是一个里程碑。
主要功能：
a) CT成像
b) 高精度病灶定位，并且诊断与治疗体位相同，避免重复摆位。
c) 逆向治疗计划
d) 剂量计算与重建
e) 适形调强出束治疗
f) 剂量验证，这也是该技术显著的优点。
三、精确放射治疗技术的发展趋势之图像导引下的放疗（IGRT）
精确定位与摆位是精确放疗的前提，影像导引和验证是调强放疗技术发展的重要热点，是动态调强的技术保证。
为了验证治疗过程中病人摆位位置是否正确，以往生产的加速器曾经直接利用加速管产生的高能X射线进行拍摄“射野照片”的功能，但一方面由于胶片冲洗需要一段时间，所以该功能只能起验证记录的作用，不能起即时纠正摆位的作用，另外一个方面是利用高能X射线成像图像灰度比不高，影像不清晰。
现在发展起来的实时成像系统正在向克服这两个缺点的方向发展，即希望可以达到在治疗开始前和治疗过程进行射野照片, 并与TPS传到过来的DR图像对比，通过影像的引导计算和减少由于摆位或器官移动造成的肿瘤位置变化后带来的放疗误差。这就是大家所说的IGRT功能（见图4）。
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图4 IGRT基本工作流程
IGRT的意义主要在于以下两个方面：
1、 它是控制摆位误差的新手段。
在治疗机上安装兆伏级或KV级的X线射野影像监视器（EPID）可在治疗中实时监测和验证射野几何位置乃至野内剂量分布。
目前，在多数加速器上均可安装EPID设备，先进的EPID设备还可以进行剂量分布计算和验证。如果将治疗机与影像系统结合在一起，每天治疗时采集有关的影像学信息，确定治疗靶区，做到每日一靶，也可称为IGRT。
又或者将加速器与CT作为一体安装在同一室内，适用同一个床，可进行摆位前CT扫描（螺旋或锥束容积扫描）等，CT定位后把治疗床向前或旋转180°，病人不动就可以完成定位与治疗。最新型的CT加速器也已经投入临床应用。另外，组合有多种影像（CT/MRI/PET）为一体的IMRT治疗机，其目的也是为了提高各种影像设备图像融合的准确性，以利于更为合理准确地勾画靶区。
还有在TOMOTHERAPY断层治疗机和射波刀上病人不用动也可以定位和治疗。
2、 它能对器官移动进行监控
放疗中如何消除器官的生理运动的影响，如呼吸运动、膀胱充盈、小肠蠕动、肿瘤的增大和减小、以及器官的弹性形变等，目前尚在研究之中。之所以提出这个问题是因为这方面的带来的误差远远大于摆位误差。解决呼吸运动带来的误差有目前有门控系统和红外线跟踪系统等；而IGRT是在3DCRT基础上加入时间因素，充分考虑了解剖组织或器官在放疗过程中的运动和放疗分次间的摆位误差，在患者治疗前、治疗中利用各种先进的影像设备对肿瘤和危及器官进行实时的监控，并能根据器官位置和形状的变化调整治疗条件使照射野紧紧“追随”靶区，以使肿瘤完全在治疗计划系统所设计的剂量范围内，实现肿瘤的精确放射治疗。IGRT引导的4DCRT涉及放射治疗过程中的所有步骤，包括患者4DCT图像获取、治疗计划、摆位验证和修正、计划修改、计划给予、治疗保证等各方面。其目的是减少了靶区不确定性因素，将放疗过程中器官/靶区随时间而运动的全部信息整合到放疗计划中，提高了放疗过程的精确性。
目前临床应用的影像指导设备除了EPID外，还包括KV级X线摄片和透视、MV级断层CT、放疗室内CT、KV或MV锥形CT、机架上的KV-KV系统或KV-MV系统等。研究热点集中在锥形CT、机架上的KV-KV系统或KV-MV系统（如图5），这些系统能联合X线透视监测和靶区成像，提供了放疗时三维软组织靶区影像和实时射线监测，使放疗靶区的确定建立在内靶区的基础上，而不是建立在体表标记或印记上，对放疗过程的在线或离线修正起着重要作用。
四、精确放射治疗技术的发展趋势之生物适形放射治疗？
一般来说，CT、MRI只能用于描述肿瘤靶区，照射野应完整覆盖计划靶区并给予均匀剂量。由于我们不能区分肿瘤细胞的生物学分布特征，所以外照射计划中的计划靶区内剂量均匀的要求是非常传统和保守的，使得肿瘤组织内各处的剂量分布均匀；但是研究发现，实际上肿瘤组织本身的癌细胞分布是不均匀的，不同的癌细胞核团对射线的敏感度也是存在相当大的差异。随着PET、SPECT、MRS为代表的功能性影像技术的发展，使得我们能够获知肿瘤组织内的生物学特征，将这些功能与X线、CT等形态学影像进行图像融合后应用于放射治疗计划系统中，将为循证多维适形治疗创造发展条件。这样我们能够区分肿瘤组织什么时候适合进行放疗，肿瘤组织的哪个部分应该放疗多少剂量等等。可以说，这种生物功能性影像和生物适形紧密结合的多维适形治疗必将成为新世纪肿瘤放射治疗的发展方向。
