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医用加速器
“医用加速器”教材
第一章放射医治对电离辐射性能的要求
第二节放射医治的分类及进展
一放射医治的分类
按投照方式,放射医治可分为远距离放疗(外照射)和近距离放疗(内照射)两大类;按辐射源类型可分为三类:
①用放出α、β、γ射线的放射性同位素进行的放疗;②用产生不同能量X射线的医治机和各类加速器的X射线进行的放疗。
③用产生电子束、质子束、中子束、负π介子束和其它重粒子的各类加速器进行的放疗。
(一)远距离放疗(外照射)
远距离放疗是指放射源位于体外必然距离,集中照射身体的某些部位乃至全身(TBI)的放疗方式。
依照射技术,远距离放疗又可分为源皮距(SSD)照射(等中心在皮肤表面)、源轴距(SAD)照射(等中心在肿瘤中心)和弧形(arc)旋转照射(等中心在肿瘤中心且边旋转边出束)三种。
目前,远距离放疗所用的设备主如果医用电子直线加速器和60Co远距离放疗机,第二是利用愈来愈少的临界X线机(6~10KV)、接触X线机(10~60KV)、浅层X线机(60~160KV)、深部X线机(160~400KV)和高压X线机(400KV~1MV)。
另外,价钱昂贵的质子、介子和其它重粒子加速器和快中子医治机等放疗装置在一些技术先进的国家也有利用。
以加速器为放射源的X刀、适形调强放疗和以60Co为放射源的固定式和旋转式γ(伽玛)刀也属于远距离外照射的放疗设备和技术。
(二)近距离放疗(内照射)
近距离放疗是指:
将密封的放射源通过体腔、管道或组织间插植、敷贴等方式直接置于病变部位进行放疗的方式。
口服、静脉注射放射性核素,通过组织器官的选择性吸收或栓塞、封锁,使放射性核素浓集于病变部位;将多个短寿期放射性核素“种子”植入病变部位进行放疗,和最近几年来开展的血管内照射预防冠状动脉再狭小等放疗,也属于近距离放疗。
近距离放疗与远距离外照射的主要不同点是:
①内照射的放射源活度小(一般不大于10居里)、医治距离短(一般不大于5cm);②内照射的辐射能量大部份被组织吸收,而外照射的能量只有很少一部份进入组织;③外照射因必需穿过正常组织才可抵达病变,为避免正常组织超过耐受量,必需选择能量、多野或旋转照射等复杂技术,而内照射则不必;④外照射可使靶区剂量均匀,但内照射因在近距离内受反平方定律的影响专门大,靶区剂量常常很不均匀,所以必需慎重选择剂量参考点。
内照射常常利用的放射源特性如下表:
表1近距离放疗常常利用的放射性核素物理特性表
放射性
核素
半衰期
治疗射线
平均能量
(MeV)
照射量率常数(Rcm2/mci·hr)
μ
穿透力
(HVLPb)
镭—226
1590年
γ
1.3cm
铯—137
年
γ
0.65cm
钴—60
年
γ
1.27cm
铱—192
天
γ
0.21cm
碘—125
天
γ
0.008mm
金—198
天
γ
0.3cm
锶—90
年
β
R最大=
1100mg/cm2
锎—252
年
中子
HVL水=5cm
镅一241
432.年
γ
0.124mm
磷—32
天
β
钌—106
367天
β
铑—106
130分
β
钽—182
118天
γ
1.2cm
钯一103
天
γ
0.011mm
二放射医治的历史进展
(一)世界放射医治的历史和进展
活着界放射学史上,放射医治、放射诊断几乎与放射线的发觉同龄:
在德国物理学家伦琴1895年11月发觉X射线以后仅仅80天,就有了世界首例用X射线医治乳腺癌的病例报告,开创了放射诊断和放射医治的新纪元。
1898年12月26日法国物理学家居里夫妇发觉镭-226后,1903年Strebel等人就将一根导管插入肿瘤,然后送入放射性镭进行医治,开创了手工后装组织间插植近距离放疗的先河;1905年居里夫人与Damlos和Dominici又发明将镭-226用铂金封成管状线源医治皮肤癌和宫颈癌,正式开创了近距离敷贴放疗和腔内放疗的新技术。
但由于对放射线的性质了解不够且缺乏经验,前几年曾发生过很多事故,致使放疗进入快要20年的低谷期。
通过很多科学家的不懈尽力和艰苦探索,随着各类放疗设备、技术的迅速问世和进展,放射医治又进入快速进展的新时期,其进展历程用表格简述如下:
表2世界放射医治进展简史表
时间
发明者或创始人
国别
创始业绩
伦琴(Roentgen)
德国
发现X射线,肉眼看不见但可使胶片感光
伦琴等学者
德国
首先用刚发现不久的X射线治疗乳腺癌
贝克勒尔
法国
发现铀盐的放射性
居里夫妇
法国
发现放射性核素镭-226
1903
Strebel等人
法国
开创手工后装组织间插植近距离放疗新技术
1905
居里夫人、Damlos、Dominici
法国
开创敷贴和腔内近距离放疗新技术
1907
Beck等
德国
首先开展术中放疗
1913
库利吉(Coulidge)
美国
发明140KV的X射线管
1914
Forssell等人
瑞典
创立了近距离治疗的斯德哥尔摩法
1914
Schwarz
德国
提出分次照射和治疗比的理论
1922
Coulidge等
美国
制成200KV的深部X射线治疗机
1937
美国
首台1MV范德格喇夫加速器安装到医院
1943
美国
首创电子感应加速器用于放疗,49年始治患者
1944
瑞典
创立电子回旋加速器
1946
英国
直线加速器问世,52年在医院安装,次年治病
1951
Canada科学家
加拿大
研制成60Co远距离放疗机,始用高能γ线放疗
1951
Leksell
瑞典
创立立体定向放射外科概念并治疗首例病人
1954
Lawrence
美国
荷电粒子放射抑制垂体腺功能
1959
Takahashi等
日本
首创用多叶准直器实现适形放疗技术
1965-77
东芝、三菱、NEC
日本
先后推出6对、9对、12对电动多叶准直器
1967
Leksell等
瑞典
研制、生产出第一代γ-刀
1977
Bjarngard,Kijewski
美国
提出调强适形放疗的理论和技术
1978
京医械所顾本广等
中国
中国建立医用直线加速器研产基地
1982
Betti&Colombo等
法国
研制出X-刀原型,后在Boston(US)完善发展
1987-91
各大加速器厂家
各国
纷纷推出40对、过中线、双聚焦多叶准直器
1992
Loeffle等多科专家
美国
发展完善X刀、建立X刀治疗中心和学会
1994
等人
瑞典
研制发展了体部立体定向适形放疗技术与设备
1996
宋世鹏等
中国
旋转式γ-刀通过国家鉴定并投入临床使用
1996
李树祥、史荣等
中国
中国五家X-刀通过国家鉴定,准入市场
(二)中国放疗的历史和进展
中国的放疗开始于30年代初,那时只有北京协和医院和上海中比镭锭医院可进行放疗。
1932年的协和医院只有120KV和200KV的X射线医治机各一台,用200毫克的镭管和镭针人工操作进行组织间插植或腔内近距离放疗。
40年代北大医学院组建了放疗科。
1952年,协和医院放疗科已具有较强的技术力量,1958年成立的中国医学科学院肿瘤医院的放疗部门就是在那个基础上成立并进展起来的。
上海中比镭锭医院始建于1931年,在此基础上,1949年成立了上海肿瘤医院。
从头中国成立后,专门是1953年到1959年,党和政府在北京、上海、天津、广州等地成立了放疗基地。
由于放疗界老一辈专家和同仁几十年的艰苦尽力和卓越奉献,使我国的放射肿瘤事业取得了长足的进展。
但前30年因基础薄弱、运动不断,进展缓慢。
例如:
1968年才引进了第一台放疗用的电子感应加速器,1975年才引进第一台直线加速器,直至1978年,我国的加速器、模拟定位机、医治计划系统仍是寥寥无几。
改革开放后,1978年组建了北京医疗器械研究所,专业生产医用加速器、模拟定位机等放疗设备。
加上入口和原有的60Co医治机生产厂家(山东新华医疗器械厂、上海核子仪器厂等)的尽力,1986年我国已有放疗单位264家,1994年增至369家,1997年增至453家,放疗专业人员近万人。
从增加速度看,1986~1994年平均年增13家,1994~1997年平均年增28家,而1997~2000年平均年增73家,呈迅猛进展态势。
1986年我国成立了中华医学会放射肿瘤学会;1987年6月“中国放射肿瘤学杂志”创刊,1992年改成“中华放射肿瘤学杂志”。
每4年召开1次国际、全国和全军放射肿瘤学术大会。
1997年6月,国际放射肿瘤学术大会在北京召开,盛况空前,标志着我国放射肿瘤事业进入了一个新的历史时期。
近几年来,我国经国家鉴定批准生产X(γ)刀和立体定向适形放疗设备的厂家就有十多家,这些代表21世纪放疗新技术进展主流的设备已开始向地市级、县市级放疗医院普及;很多国家级和省市级大型医院已引进、装备配有自动MLC、可实现适形调强放疗的高级加速器、CT模拟定位机、三维逆向医治计划系统、各类X(γ)刀及适形调强放疗设备等,我国放射医治的设备与技术已经进入世界先进行列。
固然,由于基础、国力、国情等多种原因,我国放疗事业的进展还很不平衡:
①人材不足:
医学院校大体无此专业,培训深造跟不上。
专门是物理人员严峻不足:
发达国家放疗医生与物理人员的比例为3:
1,香港为2:
1,而我国仅为16:
1。
②设备不足:
按世界卫生组织(WHO)建议,每百万人口应拥有加速器2~3台,英国台,美国台,法国4台,而我国只有台(全为1997年统计数字)。
另外,从应用需求看:
若是我国癌症的年发病人数按160万计算,加上现症病人共约250万,其中按至少60%需做放疗,则每一年就有150万需放疗的病人。
按每台放疗机(包括加速器、钴-60医治机)每一年收治500人计算,则需3000台放疗机(按WHO建议:
我国1300百万人×(台/百万人)=3250台,与此数相当)而我国目前这种放疗机总数不足1000台,至少还有2000台的需求量。
③放疗设备散布不合理:
边远省市如青海、贵州、宁夏等省只有1台乃至没有加速器。
按百万人均放疗机数(含加速器和钴-60机),北京为3台,上海台,而云南只有台,青海仅台。
4管理不善:
粗快放疗盛行,没做到按QA&QC规范进行放疗;因缺少物理技术人员,很多技术和设备功能闲置不用,如弧形照射、楔形板、TPS、非对称野、斗篷倒Y野、适形调强、三维水箱、仿真体模、黑度计、高能X线和电子线的充分应用等。
(王所亭)
参考文献
1徐燮渊,俞受程,曾狄闻,等.现代肿瘤放射医治学.北京:
人民军医出版社.,
2Faiz,.ThePhysicsofRadiationTherapy.SecondEdition.MaralandUSA1994
3胡逸民.肿瘤放射物理学.北京.原子能出版社
4王迎选,王所亭.现代立体放射医治学.北京:
人民军医出版社,1999
5殷蔚伯,田凤华,谷铣之.我国放射医治人员及设备现状中华放射肿瘤学杂志1998:
7
(2)131
6张中柱.中国肿瘤放疗设备的进展与展望世界医疗器械2000:
6(5)72
试探题
1依照射方式和辐射源类型,放射医治如何分类?
答:
依照射方式分为远、近距离放疗两大类;按辐射源类型分为三类:
①α、β、γ放射性同位素放疗;②射线机和各类加速器产生的X射线放疗;③电子、中子、介子、带电粒子和重粒子放疗。
2近距离放疗与远距离放疗的主要区别是什麽?
答:
①内照射的放射源活度小(一般不大于10居里)、医治距离短(一般不大于5cm);②内照射的辐射能量大部份被组织吸收,而外照射的能量只有很少一部份被组织吸收;③外照射必需选择能量、多野或旋转照射等复杂技术,而内照射则不必;④外照射可使靶区剂量均匀,但内照射靶区剂量常常很不均匀,所以必需慎重选择剂量参考点。
319世纪末伦琴、贝克勒尔、居里夫人各发觉了什麽射线?
人类何时开始远近距离放疗?
答:
他们别离发觉了X-射线、铀盐和镭-226的放射性。
X-射线发觉()后80天就有效X-射线外照射医治乳腺癌的报告;近距离放疗开始于1903年。
辐射系统
辐射准直系统
二适形野准直系统
一一多叶准直器的原理、结构、驱动
(一)多叶准直器(MLC)的物理剂量学特点
1多叶准直器(MLC)的工作原理
因MLC的功能和用法不同,所以其工作原理也各异。
但有其一路点:
即都是通过运算机控制的多个微型电机(少数是手动MLC)独立驱动每一个叶片单独运动,达到射野动态或静态成形的目的。
通常它还需与医治机的可调常规准直器配合利用,因为对于大部份不同形状和大小的靶区,一般只有少部份叶片处于有效射野的范围之内,而那些其余的处于有效射野范围之外的叶片应该是左右成对地碰在一路,以防射线泄漏。
可是,为避免成对叶片相对碰撞引发机械损伤等故障,通常留有少量间隙。
如此,就必需对加速器常规医治准直器规定一个相对有效射野的最小外接矩形野,使之既可屏蔽有效射野外各对未完全闭合叶片端面间隙的漏射线,又能遮挡相邻叶片之间微小裂缝处可能的漏射线(如图 1所示)。
医治计划系统可计算出这种有效射野的最小外接矩形野,并将相应的控制数据传输给对应的控制系统,从而实现最小矩形野和MLC有效射野的自动设置及跟从。
适形野外成对叶片间无漏射者则不必如此。
图1多叶准直器的叶片设置与低级准直器外接矩形野的关系
2多叶准直器(MLC)的结构
从多叶准直器(MLC)问世直到目前,MLC的结构设计就一直在改良、完善。
为适应各类不同的功能和用途,世界各主要厂家前后推出多种结构形式的MLC。
纵观其历史进展,MLC主如果围绕着提高适形度、减小透射半影,降低漏射、适应动态调强与动态楔形板等高级功能展开的。
例如叶片对数由少到多、叶片宽度由大到小;最大照射野按需要向大和小两头进展;聚焦方式由无聚焦到单聚焦或双聚焦;相邻叶片之间由平面接触到凹凸插合;对侧叶片由不过中线到过中线且行程由小到大等。
再加上独立驱动机构软、硬件的快速开发,使得MLC系统功能大增,逐渐向知足临床应用要求、降低造价、便于加工、操作简便、高靠得住、低故障的方向迅速进展。
叶片的宽度直接决定了MLC所组成的不规则野与计划靶体积(PTV)形状的几何适合度(适形度):
叶片越薄,适形度越好,但加工也较困难,驱动电机等机构越多且复杂,造价相应提高,因此必需在适形度和造价之间作合理的折当选择。
叶片的高度必需能将原射线的穿射强度减弱到5%以下,即至少需个半值厚度。
由于需维持叶片间低阻力的相对动态移动,叶片间常有一些漏射线,会降低叶片对原射线的屏蔽效果,叶片高度需适当加厚,一般很多于5cm厚的钨合金。
若是将漏射线剂量降到2%以下,通常需的钨合金厚度。
叶片纵截面的设计需考虑两个因素:
一是要保证相邻叶片间和相对叶片合拢时的漏射剂量最小,这就决定了叶片的侧面多采用凹凸槽彼此镶嵌的结构。
凹凸槽的位置可加工在叶片高度的中部,但由于这种结构要求加工精度高、技术难度大,利用中有时发觉个别叶片因运动阻力大而发生故障,所以后来很多厂家生产的叶片采用了台阶式结构。
二是叶片的底面和顶面必需在与叶片运动方向垂直的平面内聚焦到X射线靶的位置,这就决定了叶片的横截面应是梯形结构,即底面的宽度应大于顶面的宽度,使得任何一个叶片的侧面都与从源靶辐射出且通过此面的射线平行。
加上使所有叶片都在以辐射源为园心,以辐射源到叶片底面距离为半径的圆周上运动,就可组成无穿射半影的双聚焦结构。
多叶准直器的历史进展状况、技术指标和几何参数见以下各表:
表3多叶准直器历史进展状况一览表
年代厂家叶片叶片宽最大野过中距叶片泄漏率对数(等中心mm)(cm)(mm)聚焦
1965东芝9480
1971/76NEC/三菱63018×180
1977东芝122530×300
1984NEC54015×150
1987东芝92018×180
1987Scandi-3240×3250双%
tronix
1988三菱4+720+3029×2950
1988西门子27716×1615
1989东芝9+225+275
1989西门子1316×30双
1989瓦里安261026×40160单2%
1990西门子11+220+9050双
1991瓦里安401040×40160单2%
1991菲利浦401040×40125单2%
GE3240×40双
1997中科大恒3427×70<1%
1999(手动、外挂)34414×1440<1%
注:
第3列和第4列中的a+b形式表示一种非等宽叶片的多叶准直器,其中间的叶片比外层的叶片薄。
表4三种DKFZ(德国)MLC技术指标(外挂式)
手动MLC运算机控制Micro手动
叶片宽度(mm)331
叶片高度(cm)888
叶片数(对)272740
最大野尺寸(mm)140×140140×14060×60
透射率(15MV)<1%<1%<1%
聚焦能力双集聚双集聚无集聚
近似重量(Kg)405025
每野成形时刻(秒)20~3040~6010~20
引自:
RadiotherapyandOncology29(1993)197~204.
表5世界主要医用加速器制造公司生产的内置式MLC的物理、几何参数
Varian
CL2100C
Philips/Elekta
SL75-5
Scanditronix
电子回旋
Siemens数字Mevatron
GE
Saturne
距源距离cm:
上叶准直器
下叶准直器
N/A
MLC
挡块托架
补偿器位置
N/A
N/A
N/A
内置楔形板
N/A
①
N/A
机头底端
——
挡块最大高度cm
②
——
MLC
叶片厚度cm
——
叶片数
26×2
40×2
32×2
29×2
32×2
40×2
60×2
SAD叶片宽度cm
SAD过中线距cm
漏射线剂量
<2%
<2%
<%
<1%
<%
片间漏射剂量
<2%
<%
<3%
<%
<%
1Scanditronix电子回旋加速器的内置楔形板可在不同位置。
2Scanditronix电子回旋加速器通常无挡块托架。
表6Philips(Elekta)和VarianMLC漏射线剂量测量结果
Philips(Elekta)MLC
VarianMLC
射线能量
6MVX
20MVX
6MVX
15MVX
18MVX
叶片间漏射线剂量
%(平均%)
%(平均
2%)
%~%
(平均%)
~%
(平均2%)
%~%
(平均2%)
相对叶片关闭时漏射线剂量
51%
61%
12%~28%
从上表中数字也能够看出,为了将相对叶片关闭时的漏射线剂量降低到符合规定的低水平,利用后备二级准直器(例如Philips即ElektaMLC中的back-upjaws)或常规准直器(例如Varian的准直器)的自动射野跟从(autofollow-up)系统是很有必要的。
为了减小叶片端面对射野半影的影响,叶片端面的设计尤其重要。
通常有两种设计类型:
弧形端面(例如VarianMLC和ElektaMLC)和直立端面(例如SiemensMLC和ScanditronixMLC)。
采用弧形端面设计后,在叶片沿垂直于射线中心轴方向运动的任何位置,都能使原射线与端面相切。
采用弧形端面可能使射野的半影增大,而且半影的大小会随叶片离开射束中心轴的位置而转变,但如果是合理地选择端面的曲率半径,可在叶片的全数直线运动行程中,使射线与端面的切弦长度近似维持不变,如此就可使射野半影大体上不随叶片位置转变而维持常数。
采用直立端面设计时,叶片可有两种运动方式:
①叶片沿以X射线源(靶)为中心的圆弧形轨迹运动(ScanditronixMLC的运动方式)。
这时无论叶片处于任何位置,其端面老是与原射线的扩散度相切。
②若是叶片沿垂直于射束中心轴方向的直线轨迹运动,则叶片在抵达指定的位置后必需自转一个小角度,以便使其直立端面与原射线的扩散度相切。
Siemens的MLC就是采用的这种设计,由于叶片多,这种转角设计在技术上有必然的难度。
(1)无聚焦结构
初期的MLC主如果用于头部和体部小病变的微型MLC,多数是无聚焦的叶片平移结构(如图2B所示)。
这种结构叶片上下左右等厚,叶片全数采用平移运动,叶片上下所组成的射野大小和形状都相同,不能消除穿射半影。
对小野,因射线束的张角很小,影响不大;但对大野,会造成临床上不能同意的较大半影。
图2MLC半影的产生和消除结构
1992年,谢孝驹等(MDAndersonCancerCenter)开发了等中心处叶片宽度为4mm的高分辩率微型MLC,用于头部立体定向适形放射医治,照射野范围为0.4cm×0.4cm~6cm×6cm。
德国DKFZ公司生产的Micro-MLC叶片宽度仅1mm,40对,最大射野6cm×6cm;我国中国科学院大恒公司等最先生产的手动微型MLC,最大射野稍大(7cm×7cm,大恒中型为14cm×14cm),也都是无聚焦结构。
(2)单聚焦结构
这种结构是使所有叶片都在以辐射源为园心,以辐射源到叶片底面距离为半径的圆周上运动,使叶片的端面始终与射线束平行,消除叶片运动方向上的穿射半影(如图2C所示),但在垂直于叶片运动的方向上,因叶片为上劣等宽度,所以仍有穿射半影。
这种结构叫做单聚焦结构。
1996年以前Varian公司和Philips公司生产的用于体部的大型MLC(40cm×40cm为最大射野)都是单聚焦结构。
单聚焦结构的未聚焦方向的穿射半影能够应用加速器原有的同方向的一对聚焦式低级准直器给予消除,这也是要求医治机协同配合实现最小外接矩形野的原因之一。
固然,这只有对低级准直器是聚焦式结构的医治机才能做这种弥补。
(3)双聚焦结构
对于安装在无聚焦低级准直器医治机上的MLC,有必要采用双聚焦结构。
双聚焦结构是将单聚焦结构的MLC的每一个叶片在宽度方向加工成非等宽的发散状,端面呈梯形,上小下大,每一个端面的梯形两边的向上延长线都应相交于放射源点。
换言之,必需使每一个叶片的双侧面和端面在任
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