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放射治疗技术和仪器综述

  作者:rachel    来源:《中国医学装备》  更新日期:2008-10-19   浏览次数:
简述:放射治疗仪器是利用电离辐射对肿瘤进行治疗的装置;主要有γ刀、微波电子直线加速器、近距离放疗仪器和适形调强放疗仪等。近距离放疗是指将封装好的放射源经人体腔道放在肿瘤体附近或表面,或是将细针管插植于肿瘤体内导入射线源实施照射的放疗技术;而调强适形是通过改

 

                              放射治疗技术和仪器综述

 

                               付礼霞 孙仲轩 念伦
            [文章编号]1672-8270(2008)05-0037-04[中图分类号]TH 774[文献标识码]B



[摘要]放射治疗仪器是利用电离辐射对肿瘤进行治疗的装置;主要有γ刀、微波电子直线加速器、近距离放疗仪器和适形调强放疗仪等。近距离放疗是指将封装好的放射源经人体腔道放在肿瘤体附近或表面,或是将细针管插植于肿瘤体内导入射线源实施照射的放疗技术;而调强适形是通过改变射束剖面强度分布,达到形状适形和剂量适形放疗技术。


[关键词]放射治疗 γ刀 微波电子直线加速器 适形调强放疗


1   发展概述


据统计,恶性肿瘤是我国居民主要死亡原因之一。目前人类对恶性肿瘤还没有特效治疗方法,放射治疗、化学药物治疗和手术治疗是现阶段治疗肿瘤的三大手段。约有70%的肿瘤患者需要进行放射治疗;治疗时各种不同类型的射线穿过机体,会受肌体中大量存在的水分子的阻挡,其射线的能量可以使水分子电离或激发,形成正、负离子,进而生成活泼自由基或强氧化剂,使细胞中的DNA、RNA等分子键断裂,最后导致细胞变形、遗传基因改变或死亡。放射治疗除了与临床肿瘤学、放射物理学和放射生物学有关外,放射治疗仪器的发展起了非常重要的作用;放疗仪器是利用电离辐射对肿瘤进行治疗的装置。放疗是从1895年伦琴发现了X线后不久就开始了。其发展过程大致为:


1.1   1898年天然放射性核素镭分离成功;1913-1937年各种能量的X射线管研制成功,为早期的放射治疗提供了两种辐射源-镭源(226Ra)和X射线治疗机,它们产生的放射能量均在千电子伏(keV)范围,而相应的X线管电压在kV范围。所以1896-1950年这一时期放疗叫“kV”阶段。


1.2   1951年至今,放射治疗的放射能量进入到“MV”阶段。

 

      通过反应堆生产出人工放射性核素钴-60(60Co)后,在1951年加拿大人首先产生出60Co治疗机。1948年后各种医用加速器研制成功,加速器可以产生电子束、X线束。最早在1951年电子感应加速器应用于临床。1953年电子直线加速器应用于临床。1970年电子回旋加速器应用于临床。其辐射能量达到MeV范围,治愈率比“kV”阶段有了显著提高。

 

      我国在20世纪60年代开始制造钴-60治疗仪,是当时主要放疗设备,发射γ射线,其能量相当于3~4MV的X线。其特点是:γ射线皮肤剂量低,穿透力强,深部剂量高,适合深部肿瘤治疗;骨组织吸收量低,适合于骨肿瘤治疗及骨旁病变的治疗。γ射线主要是向前散射,旁向散量少,降低了全身剂量,全身反应轻。缺点是装源量小,半衰期短,需要定期更换Co源。60Co治疗仪器可分成固定式、旋转式和γ刀三种。目前各级医疗单位60Co治疗仪采用国产机80%以上。

 

      瑞典科学家Leksell在1951年首次提出立体定向放射外科的概念。利用立体定向三维定位的方法,把高能射线准确的汇聚于颅内病灶,以达到外科手术切除或损毁病变的治疗效果。1967年,Leksll等研制出了第一代γ刀,将179个60Co源按不同角度排列在半球面上,通过准直器将179束γ射线集于靶点上,经照射后的靶点坏死组织边界清晰,如刀切的一般。所以叫γ刀。1988年第三代γ刀问世,把201个钴源在空间按一定的要求分布,根据病灶情况,计算机控制各个钴源的开闭,完成对病灶立体定位放射治疗。1997年我国深圳奥沃公司研制的头部旋转式γ刀,由30个60Co源组成,可提供等中心旋转照射,等效于许多个钴源,每个准直器可以随时调变,只用一个头盔。


1.3   立体定向适形放射治疗技术。20世纪70年代由BIAMGARD等提出。90年代中期研制成适形放疗仪器应用于临床肿瘤治疗。适形放疗给予肿瘤非常高的放射剂量对周围正常组织放射量很低,减少放射导致的早期和后期放射损伤,是放疗史上一个重大进步。


2    近距离放射治疗仪器


      放射治疗仪器按照射方式可分为两种,体外远距离照射用放疗仪及在人体体腔内或组织间照射用的近距离放疗仪。近距离放疗仪器是指将封装好的放射源经人体腔道放在肿瘤体附近或表面,或是将细针管插植于肿瘤体内导入射线源实施照射的放疗技术总称。这种方法由于治疗距离近,贴近肿瘤组织,降低了肿瘤周围正常组织的放射损伤,又叫内照射。


      1892年12月,居里夫妇发现了镭,1904年用于治疗皮肤恶性肿瘤,开创了近距离放疗。由于放射防护比较困难,使得近距离放疗发展缓慢。1980年以来,近距离治疗后装技术的发展和完善,使得内照治疗得以复兴。


      后装技术(after loading)是指先把不带放射源的施源器放入治疗部位,再以手工或机械的方法,在有屏蔽的条件下,将贮源器内的放射源送到施源器的中实施照射的治疗技术。常用的产生γ射线的放射源有钴-60(60Co)、碘-125(125I)、铱-192(192Ir)、铯-137(137Cs)等;用作中子辐射的放射源有锎-252(252Cf);作为敷贴治疗用的发射β射线的放射源有锶-89(89Sr)。


      现代近距离后装机的特点是:有计算机控制的遥控步进微型源,按参考点预设定剂量,计算各驻留点驻留时间,经优化处理后,得出理想的剂量分布。这种后装机技术,降低了医务人员的受照计量,提高了摆放精度,减轻了病人痛苦。


      近距离遥控后装机由放射源、贮源器、管道、驱动机构、施治器、控制台、治疗床等组成。其放射源参数包括放射性核素的名称、活度、形状、活性区尺寸、外形尺寸等,贮源器分为供运输或暂时存放用的运输贮源器和在治疗室内使用的工作贮源器。主要参数有允许装源活度、距离表面5 cm处任何位置泄漏辐射的空气比释动能率、距离放射源1 m处球面上泄漏辐射的空气比浮功能率。驱动机构包括驱动电源、电机、位置探测器等部件。其性能参数包括:铅管道个数及通畅性和符合性,每个管道的驻留点数、位置精度(应当为±1 mm)、步长、送源时间(应当小于5 s)、驻留时间及计时误差(应为±0.1 s)。施治器为针状、管状或其它特殊形状的源容器,可通过连接器与管道相连。控制台上显示:治疗通道、治疗状态及时间,提供辐射监测报警、监视对讲及门机联锁等安全保护装置。


      近距离放疗仪在使用前,要根据病变情况确定治疗方案,用模拟源通过特定的坐标重建方式,确定放射源位置,核算照射剂量,在治疗中,根据病变部位变化情况,不断调整施治器位置,获得合理的剂量分布。


3   远距离放射治疗仪器


      远距离放疗仪器主要包括γ射线治疗仪、X射线治疗仪,医用电子加速器、医用中子发生器、质子加速器、医用重离子加速器、医用π-介子发生器等等。对于大多数肿瘤病人,采用外照射方法,目前世界上应用最广泛的是γ射线和X射线治疗仪器,而采用带电粒子:质子、重离子及π-介子加速器治癌,其装置十分昂贵,难以普及。但由于带电粒子在物质中的射程有限,能量越高射程越长,在接近射程末端区域的剂量高,特别适合尽可能彻底杀死癌细胞,同时尽可能减少健康组织损伤的放疗基本原则,所以带电粒子发生器的研究和推广应用正在蓬勃发展。


3.1   钴-60远距离治疗机


      钴-60远距离治疗机是利用人工放射性核素60Co,在自动衰变过程中产生的γ射线,经准直后治疗人体深部肿瘤的装置。可以产生多束经准直器后变成细束的γ射线从四面八方交叉照射肿瘤细胞的装置,叫γ射线立体定向治疗系统(StereotactiRadiation Therapy、SRT)俗称γ刀。主要由辐射头、机架、治疗床、控制台等组成。辐射头包括钴源、贮源器、钴源移动机构准直器等部件,γ刀一般是在半球面的头盔上排列201个钴源,我国生产的γ刀用30个钴源,可在不同平面上绕轴旋转。贮源器用钢作护套、内衬铅钨等屏蔽材料。轱源移动机构有旋转式和直线式两种,采用气动或电动。准直器用于限定和调节辐射野的大小,对于不同大小的病灶,可选用不同大小孔径的准直器。为减小焦斑边缘的模糊区即半影区,常采用带有消半影条的复式准直器,根据治疗计划,将某些准直孔关闭。在辐射头中,还装有模拟灯、反射镜、光距尺、挡块盘及楔形过滤器等。机架一般有升降式和等中心回转式两种,现多采用悬壁等中心回转机架,机架的下回转支臂有的带档束板、有的仅起平衡重量的作用。控制台上设有预置和显示照射时间及随时中断治疗的装置。由于60Co能量每月只衰减约为1.1%,大多仪器采用计时系统来控制每次治疗所给的剂量,控制台上均装有两套独立的计时器,并且确保计时误差不大于±1%,大多数仪器采用计时系统来控制每次治疗所给的计量。仪器还设有手动返源机构,当发生故障时,使放射源返回贮源器,确保操作人员不受直接辐射。


3.2   医用加速器


      医用加速器是放疗中常用的治疗束产生设备,加速器是利用电磁场把带电粒子加速到较高能量的装备;加速器利用被加速后的高能粒子轰击不同材料的靶,产生次级粒子,可以得到多种治疗束:如X线、中子(n)束、质子(P)束等。加速器种类很多,按粒子加速轨迹形状可分为直线加速器和回旋加速器;按加速粒子不同分为电子、质子(P)、离子和中子(n)加速器;按被加速后粒子能量的高低可分为低能加速器:能量小于100 MeV;中能加速器:能量在100~1000 Mev范围和高能加速器:能量范围是103~106 MeV及超高能加速器:能量大于1000 GeV。

 

      电子加速器主要有三种:电子感应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。电子感应加速器是电子在交变的涡旋电场中,加速到极大能量的设备,优点是技术较简单、成本低,可调范围大。缺点是X线输出量小,视野小;电子直线加速器是利用微波电磁场把电子沿直线轨道加速到较高能量的设备,优点是X线输出量大,视野大,缺点是仪器复杂,价格贵,维护要求高。回旋加速器是电子在交变的超高频电场中做圆周运动不断得到加速,其主机可以与治疗机分开,一机多用,它的优点是输出量大,X线束流强度可调节,缺点是价格和运行费用高。

 

      加速器的发展很快,医用电子直线加速器是目前世界上使用最多的放射治疗设备。电子直线加速器是利用微波电磁场以直线轨道加速电子的装置,加速后的电子辐射可直接用于治疗浅表肿瘤,将加速后的电子束轰击重金属靶,产生X射线用于治疗深部肿瘤。而X线束以病人肿瘤为圆心的弧线上旋转,再加病床旋转或平移,构成X线立体定向照射效果的设备,就被称做X刀。X刀从许多个角度照射肿瘤,获得与肿瘤形态近似一致的剂量分布,使X线一直对准病灶,目前的发展趋势是设备完全自动控制调变多叶准直器,同时调度X线的照射强度,即束流强度调制器自控,实现断层放疗。

 

      电子直线加速器一般有加速管、微波功率源、微波传输系统、电子注入系统、脉冲调制系统、束流系统、真空系统、恒温水冷却系统、电源控制及应用系统等组成。

 

      加速管是加速器的心脏。加速管有两种类型,即行波(Traveling wave TW)加速管和驻波(Standing wave SW)加速管。行波加速管利用行波场束加速电子,其加速段是在圆形波导中周期性地放置中心开孔的圆盘膜片。行波是按一定方向传播的电磁波,在圆盘膜片中,高频电磁波沿轴线向前传播,行波电场在轴线上有轴向分量,当相位合适,电子就可以不断加速,把电磁能转化为电子的动能。驻波加速管的加速段是一系列相互耦合的谐振腔链,在谐振腔链中心开孔,让电子通过,在腔中建立交变高频场。驻波可以看成无数个沿相反方向传播的行波的组合,电子在驻波场的作用下,沿轴线方向不断加速前进,能量不断提高。


      电子有电子枪产生,然后射入加速管,有的仪器把加速管和电子枪做在一起,形成一个整体。电子枪发射的电子束流要有一定的能量、流强、束流直径和发射角,才能满足医用直线加速器对电子束的要求。电子枪有两种:二极电子枪和三极电子枪。医用直线加速器的电子枪是皮尔斯(Pierce)型球面枪,由其阴极发射电子,注入加速管。


      功率源有磁控管和速调管两种。磁控管是微波自激振荡器,体积小,工作电压为10千伏,输出功率在5 MW以下,适合中低能加速器使用。速调管是微波功率放大器,体积大、工作电压在100 kV左右,输出功率大于5MW,用于中高能直线加速器。


      微波的传输系统是用于将微波功率源产生的微波功率馈入加速管,并让微波功率单向传输,防止反射功率进入功率源。

 

      高压脉冲调制器为微波功率源提供大功率的脉冲高压,它由高压直流电源,脉冲形成网络,自动电压控制电路、开关电路和脉冲变压器等组成。

 

      应用系统包括治疗头和治疗床,治疗头中的辐射部分对放射线起准直、均整、限束、调节等作用,由准直器、上下光阑、均整和楔形过滤器、X线靶档块、引出窗、限束筒等组成。系统中一般还装有模拟灯、反射镜、光距尺等,在辐射头上还装有前指针、后指针、档块等附件、治疗床可以前后左右上下运动还可以旋转运动。冷却系统:由水箱、水泵、制冷压缩机加热器等组成,用以稳定加速管、微波功率源及X线靶等器件的温度,使其恒定在一定范围内。


3.3    X射线适形调强放疗机


      近年来,用X线束准确地按照肿瘤靶区形状进行治疗,同时有效保护周围敏感组织的适形放疗技术发展迅速。特别是通过改变射束剖面强度分布,达到形状适形和剂量适形,即调强适形放疗技术,使放疗在临床中的应用进入了一个新天地,使具有不确定边界的肿瘤或有敏感结节的病人的治疗成为可能。这种新的适形放疗机,又叫断层放疗机,是由一种类似成像X-CT机加上电子直线加速器、空气驱动多叶光阑及复杂的冷却和控制系统组合而成的新型放疗机,将精确X-CT成像和适形调强放疗技术紧密地结合起来,在一个设备上同时实现放疗时的病人定位、送束治疗、治疗时的剂量监督和治疗后的验证。


      适形断层放疗机目前是将X-CT机放置X光管的地方安装电子直线加速器,它的射频功率源为2.9MW,由S波段磁控管提供。采用多叶光阑(Multi-leaf collimator MLC)技术,可以实现完全的三维适形放疗和避免放疗。适形避免放疗可针对没有肿块的弥散形肿瘤进行放疗,有效限制敏感组织的最大剂量,在整个设定区域进行全视野均匀照射。三维适形放疗,可按肿瘤的几何形状,设计和实施治疗时的剂量分布,并把数据存储作为治疗后分析的依据,再现治疗过程,评价剂量分布和疗效,同时得到治疗前、治疗中和治疗后的CT图象。CT数据与加速器控制同步连锁,确保了放疗高精度和安全性。适形断层放疗技术和仪器,代表着精确放疗时代的到来,为放疗领域提供许多新的机会,已经在肿瘤治疗上得到越来越广泛的应用。


参考文献


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[3]唐孝威主编.核医学和放射治疗技术[M].北京:北京医科大学出版社,2001,7:98-123.


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[5]姜秀英、侯友贤.三维治疗计划(TPS)的临床应用[J].医疗设备信息,2005,20(11):74.

 


 

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