加速器讲义.ppt

放射治疗机及辅助设备,杨绍洲 南方医院设备器材科,医用加速器,加速器的定义 利用电磁场把带电粒子加速到较高能量的装置它还可以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，如X线、中子和介子束等 分类方法 按粒子加速轨道形状：直线加速器和回旋加速器 按加速粒子的不同：电子加速器、质子加速器、离子加速器和中子加速器等 按被加速后粒子能量的高低：低能加速器(能量小于100MeV)、中能加速器(100~1000MeV)、高能加速器(103~106MeV)和超高能加速器(能量1000GeV以上),加速器的分类,按加速电场所在的频段：静电加速器、高频加速器和微波加速器，而对高频、微波加速器，根据交变电场的结构可还分为行波加速器和驻波加速器 按工作时的温度高低：常温加速器和超导加速器 按应用领域：工业加速器、农业加速器和医用加速器 通常将几种名称联系在一起，使加速器的基本特点更为清晰，如医用电子行波直线加速器或重离子超导回旋加速器等,医用加速器的种类,类型 医用电子加速器 医用质子加速器 医用重离子加速器 中子治疗加速器 术中放射治疗加速器,医用电子加速器,类型 电子感应加速器 电子在交变的涡旋电场中加速较高能量的装置 优点: 技术较简单，成本低，电子束可以达到较高的能量，可调范围大，输出量大 最大缺点: X线输出量小，射野小，剂量分布差 电子直线加速器 利用微波电磁场把电子沿直线轨道加速到较高能量的装置 优点: 电子束和X线均有足够的输出量，射野较大 主要缺点: 机器复杂，成本较高，维护要求较高,电子回旋加速器,电子在交变的超高频电场中做圆周运动不断得到加速的装置 优点 束流品质优良、能散度和发散角小、输出量高 能量稳定、束流强度连续可调，回旋加速器的主机可自成体系，与治疗机分开，一机多用 能量较高时，具有较小的直线尺寸 缺点 磁场和电子轨道调整比较麻烦，磁铁多，设备重 轨道和真空室所占空间大,医用质子加速器,类型 质子回旋加速器 恒定磁场，螺旋线轨道加速 质子等时性回旋加速器 恒定磁场，但场强从中心沿半径增加，以保证谐振加速，轨道还是螺旋线 质子同步回旋加速器（稳相加速器） 恒定磁场，加速电场频率随质子质量同步增加，加速轨道还是螺旋线 质子同步加速器 磁场随质子能量同步增加，轨道半径保持不变，环形轨道 质子回旋加速器除可以直接用于放射治疗外，还可以生产医用放射性核素，供正电子发射断层扫描机（PET）使用，加速能量固定在10 MeV,医用重离子加速器,重离子有明显的射程，为了适合人体深部肿瘤治疗，离子的单核能量要求400~500 MeV 主要有医用重离子等时性回旋加速器和医用重离子同步加速器,中子治疗加速器,中子不带电，不能直接加速，只能是间接产生的粒子 主要产生方法有以密封中子管为基础的医用中子治疗装置和以回旋加速器为基础的医用中子治疗装置两种。

前者利用氘和氚（d+T）聚变反应产生单能中子辐射（14~15MeV），后者利用加速的d（氘）、p（质子）撞击铍（Be）或锂（Li）靶引起产生中子的核反应,术中放射治疗加速器,定义 手术切除肿瘤病灶后的瘤床、残存灶，或借助手术暴露不能切除的肿瘤病灶、淋巴引流区或原发瘤灶，在直视下进行大剂量照射，称为术中放射治疗（intraoperative radiation therapy, IORT） 类型 用放射性核素进行术中组织插植照射 使用6~20MeV的高能电子束照射，充分利用电子束的有限射程保护靶区后的正常组织，用电子辐射进行术中放射治疗是较佳的辐射方式,医用电子直线加速器的分类,按所采用的加速电磁场形态的不同 行波直线加速器和驻波直线加速器 按能量的不同 低能加速器 ≤6MeV 中能直线加速器 ≤14MeV 高能直线加速器 ≤25MeV 按产生X射线的种类 单光子、双光子和多光子 按使用功率源不同 速调管加速器和磁控管加速器,医用电子直线加速器的发展概况,1931年，美国Van de Graff发明电子静电加速器 1940年，Kerst发明电子感应加速器， 1949年用于放疗 1944年，Veksler提出了电子回旋加速器的原理，70年代用于放疗 1953年，Hammersmith医院首次用8MV行波电子直线加速器治疗病人,医用电子直线加速器的发展概况,1968年，Knapp等发明边耦合驻波结构 适合精确放疗而发展起来的加速器 为了解决器官本身的移动 ，确保调强放疗等精确技术的准确实施，各种控制和跟随照射中肿瘤的运动的技术应运而生，包括: 控制等中心移位技术 呼吸门控技术 图像引导的放射治疗（IGRT）,控制等中心移位技术（Isocenter Shift Technique）,是在加速器治疗室内安装一台ＣＴ， CT与加 速器同一轨道, 共用一个治疗床，CT定位后把治疗床旋转180度后，利用摆位时ＣＴ的数据来修正靶区的移动 超声引导摆位系统 （ＢＡＴ） X射线正侧位片EPID (Electronic portal imaging) 利用前若干次（一般为５次）摆位时检测到的运动和摆位的系统误差，对肿瘤（靶区）中心的位置进行修正，如此过程修正到整个疗程结束。

但不能修正照射中的瞬时移动,纠正: On-Line 离线纠正： Off-Line,一、控制等中心移位技术,（二）呼吸门控技术,,被动呼吸门控(Gating Technique) ： 如Elekta的ABC、VARIAN的DIBH技术 （深吸气屏气） 即控制患者某一时段的呼吸，进行照射患者戴上呼吸机，平静呼吸或深吸气后蹩气进行定位及照射 该技术需要患者的配合和治疗前的呼吸训练，同时要求患者能承受适当时间长度的屏气动作,（三）图像引导下的放射治疗（IGRT）,CT扫描并重建一段时间内肿瘤靶区和重要器官在每一时刻的变化情况 ，加速器根据CT扫描结果来控制照射野随着时间作相应调整即除了考虑CT扫描的三维成像和加速器照射的三维方向因素之外，还考虑了时序（T）因素，故称为四维放射治疗（4DRT），相应的CT时序扫描也被称为四维CT，包含两个内容： CT的时序扫描 治疗机照射的时序控制,,在进行放疗的过程中，同样把时间因素也考虑进去，治疗照射时，加速器控制计算机利用MV-X或KV-X级Cone Beam CT，根据不同时相获得的肿瘤或重要器官的3D图像与4DCT序列的3D图像进行比较，通过控制治疗床和准直器的运动，从而跟踪肿瘤进行实时照射（Real-time Irradiation)， 即4D放射治疗，包括: 赛博刀 断层放射治疗 C形背X刀 诺力刀,治疗机照射的时序控制（一）,Varian Trilogy,Cone_beam CT加速器 线束与加速器的MV级线束垂直安装,KV级X射线球管,非晶硅平板X射线探测器,,采集高分辨率影像,,与模拟和计划的参考影像比较,,瞬时移动体位自动调整误差,,出束治疗,,成像模式：,标准X射线片——显示骨骼解剖、植入标记 透视——将快速X射线序列转换成动态影像 “锥形束CT”模式——产生三维软组织目标影像,治疗机照射的时序控制（二）,主要特点: 加速器置于一个有6个自由度的大型机器手臂上，以两个交角安装的KV-X线图像导引系统取代刚性的立体定向用的框架， KV-X线等中心投射到患者治疗部位，根据探测到的标记点（解剖或金属标记）的位置随呼吸运动的变化，在Ｘ线的定位系统的引导下，加速器的等中心可以随靶区的变化而同步变化，从非共面的不同角度实施图像跟踪式照射。

核心技术是机器臂和图像导引系统解决了病人不愿意使用头盔和框架，以及照射时脏器不自主运动问题,Cyber-knife（赛博刀）治疗机 Stanford大学医疗中心1992年研发的大型立体定向放射治疗设备，采用计算机立体定位导向，自动跟踪靶区，无须使用固定头架或体架. 摆脱了加速器机架和治疗床旋转的束缚和对精度的影响,Cyberknife 主要组成部分,工作频率9.3GVhz的X波段加速管，产生6MVX射线 支撑加速器的三维机械臂，旋转到任意角度进行逐点照射定位精度0.5mm，定角精度0.57度 几台Ｘ线机组成的影像装置，在治疗过程不断获取患者图像并使射束始终对准靶区，病灶点5mm可以有效跟踪，实现影像引导立体放射外科治疗，也可用于治疗躯干病变,治疗机照射的时序控制（三）,断层放射治疗 Tomotherapy,将直线加速器和螺旋CT整合起来，使治疗计划、患者摆位和治疗过程融为一体，是完全一体化的是CT引导的三维调强放射治疗系统，该技术实现了在治疗中以CT为基础的摆位可以实施传统的放疗也可以进行调强放疗，2003年7月开始治疗第1例患者 断层放射治疗可提供高度精确的调强放射治疗和实时的位置、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，在调强放射治疗发展史上占有重要地位,断层放射治疗,,在其环形机架内同时装有MV级螺旋CT扫描仪和直线加速器 加速器发出的射线为６ MV光子束它的MLC叶片在等中心投影的宽度为６mm,断层治疗机有独特的验证／登记计算机断层（VRCT），可以在治疗前的瞬间提取图像，其图像能够清晰地显现从肺到骨的解剖结构，由于采用了虚拟消除伪影技术，所以它的图像甚至好于一般的诊断CT,C形臂X刀,专门用于立体定向放射外科及立体定向放射治疗的装置，解决加速器非共面弧形照射需要多角度旋转，摆位精度和重复性很难满足需要,C形臂X刀的结构特点,旋转机架和常规医用电子直线加速器一样，绕Y轴旋转C形臂装在旋转机架上的导轨内，可绕U轴旋转60º而构成相互垂直二轴旋转系统 患者精密摆位后，治疗床在治疗过程中始终不动，提高了治疗等中心精度 机架旋转角φ≤±195º，C形臂旋转角ψ=0~60º，从而使患者头部86.5%的立体角范围内可获得治疗照射 X射线能量可任选4MV或6MV本机选用了较长的卧式加速管结构和270º偏转装置，以降低机架高度 照射头对侧的C形臂端，装有小型活动挡束板，降低了对机房的屏蔽要求,诺力刀,Brainlab 1998年开发成功的 集加速器、MLC和自动摆位装置于一体立体定向放射外科装置 等中心精度达0.7mm、剂量率高达800cGy/min、半影宽度只有3mm 组成： 加速器 内置MLC 头部定位系统 影像引导定位系统 远红外全自动摆位系统 动态IMRS治疗计划系统,我国电子直线加速器,1956年起，在谢家麟先生的领导下开始研制电子直线加速器，1964年建成了第一台30 MeV的直线加速器 1965年南京大学研制成功一台0.7 MeV的电子直线加速器。

1977年北京、上海研制成功了医用行波电子直线加速器 七十年代末北京研所和清华大学协作研制医用驻波直线加速器八十年代末开始小批量生产BJ-4低能驻波医用直线加速器，上海核子仪器厂也开始生产ZJ-10中能加速器 九十年代初，北京医研所改型研制了BJ-6医用直线加速器，广东威达医疗器械集团与清华大学等合作批量生产WDVE-6低能驻波医用直线加速器,电子直线加速器的技术特点,双光子或多光子技术 复合靶 复合均整块 电子扫描系统 独立光阑和多叶光阑技术 E线的弧形治疗技术 动态楔形板技术 实时成像系统 动态调强适形放射治疗技术 智能化微机控制系统,医用电子直线加速器的基本结构,电子直线加速器一般由加速管、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、机械系统、恒温水冷却系统、电源分配及控制系统和应用系统等组成,直线加速器的系统结构图,医用电子直线加速器的基本原理,电子枪 电子枪的功能就是发射具有一定的能量、流强、束流直径和发散角的电子束流 电子枪可分为二极电子枪和三极电子枪,RF Pulse,Gun Pulse,Target Current,二极管和三极管结构电子枪的比较： ( Per “Medical Electron Accelerators” by Karzmark,Nunan, and Tanabe),二极管结构： 生产工艺简单 成本较低 束流输出控制能力缺乏 能量注入不稳定,。