1、放疗技术的发展与应用上海医疗器械高等专科学校毕业论文放疗技术的发展与应用 完成日期 2013年6月2日放疗技术的发展与应用摘 要 放射治疗是肿瘤治疗的重要手段之一，也是一门多学科综合性较强的专业。放射治疗技术是放射治疗学的重要组成部分，是实施放射治疗过程中的一种手段。这是一门年轻的学科，至今只有百余年历史，但是却有着重要的作用。近年来，放射治疗领域中的各种高新技术日益增多，放射治疗技术也得到了长足的发展。本论文针对放射治疗技术的发展历史以及实际应用等方面，通过介绍各种放疗设备的基本原理以及其发展历史，希望能让大家系统的了解放射治疗技术的概念和放射治疗设备治疗肿瘤的原理，能够对放射治疗技术有个初
2、步的概念。关键词：放疗技术 ，发展历史 ，医疗设备，医用电子直线加速器Development and Application of Radiotherapy TechnologyABSTRACTRadiation therapy is an important means of cancer treatment, is also a multidisciplinary strong professional. The radiation therapy is an important part of the therapeutic radiology, is a means in the em
3、bodiment of the radiotherapy. This is a young discipline, so far only a hundred years of history, but it plays an important role. In recent years, the field of radiation therapy in a variety of high-tech growing number of radiation therapy technology has been developed by leaps and bounds.This thesi
4、s focuses on the history of the development of radiation therapy as well as the actual applications, by introducing a variety of radiotherapy equipment the basic principles and history of its development, want to make the treatment of tumors of the principle of all systems to understand the concept
5、of radiation therapy and radiation therapy equipment, the initial concept to radiotherapy techniques.Key Words: Radiotherapy，Technology，Development and History, Medical Equipment，Electron Linear Accelerator第1章 绪论1.1癌症的介绍癌症是一大类恶性肿瘤的统称。癌细胞的特点是无限制、无止境地增生，使患者体内的营养物质被大量消耗；癌细胞释放出多种毒素，使人体产生一系列症状；癌细胞还可转移到全身
6、各处生长繁殖，导致人体消瘦、无力、贫血、食欲不振、发热以及严重的脏器功能受损等等。与之相对的有良性肿瘤，良性肿瘤则容易清除干净，一般不转移、不复发，对器官、组织只有挤压和阻塞作用，但癌症（恶性肿瘤）还可破坏组织、器官的结构和功能，引起坏死出血合并感染，患者最终由于器官功能衰竭而死亡。1.2癌症的病因人类为什么会患上癌症？众多医学研究及临床试验揭开了病魔的面纱:人体细胞电子被抢夺是万病之源，活性氧（自由基ROS）是一种缺乏电子的物质（不饱和电子物质），进入人体后到处争夺电子，如果夺去细胞蛋白分子的电子，使蛋白质接上支链发生烷基化，形成畸变的分子而致癌。该畸变分子由于自己缺少电子，又要去夺取邻近分
7、子的电子，又使邻近分子也发生畸变而致癌。这样，恶性循环就会形成大量畸变的蛋白分子，这些畸变的蛋白分子繁殖复制时，基因突变。形成大量癌细胞，最后出现癌症。医学家指出癌症病因是：机体在环境污染、化学污染（化学毒素）、电离辐射、自由基毒素、微生物（细菌、真菌、病毒等）及其代谢毒素、遗传特性、内分泌失衡、免疫功能紊乱等等各种致癌物质、致癌因素的作用下导致身体正常细胞发生癌变的结果，常表现为：局部组织的细胞异常增生而形成的局部肿块。癌症是机体正常细胞在多原因、多阶段与多次突变所引起的一大类疾病。1.3癌症的危害癌症其实是一种非常古老的疾病。公元前300多年，西方医学史上就有癌症的文字记载。多少世纪以来，
8、癌症像幽灵一般死死地纠缠着人类，每年要吞噬数百万人的生命，致使人们谈癌色变。在欧美等发达国家，癌症为人类死因的第二位，在发展中国家亦位居第二位据世界卫生组织最近公布的统计资料，目前全世界癌症患者约达1400万，每年新发病人数约700万，每年约有500万人死于癌症，约每6秒钟就有1人死于癌症。预测这一数字将会呈上升趋势，到2000年每年因癌症死亡人数将会增加到800万人。在我国，估计每年新增病例约120万，每年约有100万人死于癌症。1.4 癌症的治疗现状1.4.1手术治疗一、根治性手术：由于恶性肿瘤生长快，表面没有包膜，它和周围正常组织没有明显的界限，局部浸润厉害，并可通过淋巴管转移。因此，手
9、术要把肿瘤及其周围一定范围的正常组织和可能受侵犯的淋巴结彻底切除。这种手术适合于肿瘤范围较局限、没有远处转移、体质好的病人。二、姑息性手术；肿瘤范围较广，已有转移而不能作根治性手术的晚期病人，为减轻痛苦，维持营养和延长生命，可以只切除部分肿瘤或作些减轻症状的手术，如造瘘术等。三、探查性手术：对深部的内脏肿物，有时经过各种检查不能确定其性质时，需要开胸、开腹或开颅检查肿块的形态，肉跟区别其性质或切取一小块活组织快速冰冻切片检查，明确诊断后再决定手术和治疗方案，为探查性手术。1.4.2 放射治疗放射治疗简称放疗，它是利用高能电磁辐射线作用于生命体，使生物分子结构改变，达到破坏癌细胞目的的一种治疗方
10、法。放射能够治疗癌症是因为癌细胞对放射线敏感。目前临床上应用的放射线有X线治疗和r线治疗两种。放射治疗对癌症是否有效，取决于许多因素，如临床时间的早晚，肿瘤病理类型和它对放射的敏感性，病人的整体状况和肿瘤周围情况都有关。肿瘤对放射敏感性的高低与肿瘤细胞的分裂速度、生长快慢成正比。同一种肿瘤的病理分化程度与放射敏感性成反比，即肿瘤细胞分化程度低则放射敏感性高，而分化程度高者则放射敏感性低。因此临床根据肿瘤对不同剂量放射线的反应不同可分为三类：一类是对放射敏感的肿瘤，常照射5060戈瑞，肿瘤即消失，如淋巴瘤、精原细胞瘤、无性细胞瘤及低分化的鳞状上皮细胞癌、小细胞未分化型肺癌等。另一类属是中度敏感的
11、肿瘤，要照射到6070戈瑞左右，肿瘤才消失。再一类是对放射不敏感的肿瘤，其照射量接近甚至超过正常组织的耐受量，放射治疗的效果很差，如某些软组织肉瘤和骨的肿瘤等。肿瘤的放射敏感性还和其生长方式有关，一般向外突性生长的肿瘤如乳突型、息肉型、菜花型较为敏感，而浸润性生长的肿瘤如浸润型、溃疡型，则敏感性较低。放射敏感性与放射治愈率并不成正比。放射敏感性的肿瘤，虽然局部疗效高，肿瘤消失快，但由于它的恶性程度大，远处转移机会多，因而难于根治。鳞状上皮癌的放射性属中等，但它的远处转移少，故放射治愈率较高，如皮肤癌、鼻咽癌、子宫颈癌。另外，对淋巴肉瘤、髓母细胞瘤等较敏感。高度敏感的有多发性骨髓瘤、精原细胞瘤，
12、卵巢无性细胞瘤、尤文氏瘤、肾母细胞瘤等。高度敏感的肿瘤可以放疗为主，早期宫颈癌、鼻咽癌、舌癌、早期的食管癌等放疗的五年生存率均可达90%以上。这些癌症的晚期放疗有时也能取得一定的疗效。1.4.3 化学治疗化学疗法是将药物经血管带到全身，对身体所有细胞都有影响。这种疗法有时也称为“胞毒疗法”，因 为所用药物都是有害，甚至是带毒性的，体内细胞，无论是否恶性细胞，都受到破坏。化疗分为四个类型（晚期或播散性肿瘤的全身化疗，辅助化疗，新辅助化疗，特殊途径化疗）1.4.4 中医治疗中医治疗癌症现在已经被国内外医疗专家广泛的认可，大量的临床试验及科研研究已经证实了中医治疗癌症的效果。在古代的医疗文献中，早有
13、关于癌症的病因、病名以及治疗方法，例如乳岩（即乳腺癌）、肾岩（又称肾岩翻花，即龟头癌）、舌岩（即舌癌）、噎膈（即食道癌）、症瘕积聚（各种腹部肿瘤或转移癌）、恶疮（即皮肤癌）、瘿瘤（即淋巴癌或转移癌）、鼓胀（癌症并发腹水）、癃闭（尿路肿瘤）等等。治疗方面主要有两种方法，即口服及外用中药、针灸疗法。1.5 目的及意义 放射治疗是癌症的重要医疗方法之一，而放射治疗技术是放射治疗学的重要组成部分，放射治疗技术的准确与否，是否合理，是会直接影响放射治疗对肿瘤的治疗效果。本论文的主要目的是介绍放射治疗技术的发展历史和应用，让大家对放射治疗技术有个系统的认识，先从放射治疗技术的发展历史以及各类设备的原理开始
14、展开论述，阐述放射治疗技术的概念和用放射治疗设备治疗肿瘤的过程。之后介绍在各种不同部位的肿瘤上的放射治疗方法，详细的介绍放射治疗技术的实际应用。希望本文的研究能成为日后其他放射治疗技术员的参考。第2章 放射治疗技术发展简史2.1 肿瘤放射治疗的历史2.1.1 放射物质的发现1895年，德国物理学家伦琴在做实验时，发现玻璃真空管中受阴极射线轰击的区域发出一种看不见的射线，照射到某些化学物品时能发出荧光，可使感光照片显影，当时应为不知道起性质，所以命名为X射线，此后X射线很快被用作医学诊断，开启了影像诊断和放射治疗的新纪元。为了纪念科学家伦琴的这一重大发现，X射线又称为伦琴射线，把射线的剂量单位称
15、为伦琴。、1896年，法国物理学家贝克勒尔报告，他发现了铀盐的放射性，射出与X射线非常类似的东西，也可以是照相底片曝光。1898年法国物理学家居里夫妇发现了放射性核素镭-226.这又一对人类科学做出杰出贡献的重大发现，再次轰动了世界科学界，为了纪念他们，把贝克勒尔（Bq）和居里（Ci）作为放射性活度的计量单位。2.1.2 放疗技术问世1899年，放射治疗治愈了第一列病人。然而，尽管在X射线和镭被发现后，很快被应用到了肿瘤治疗，但是由于认识有限，设备条件的限制以及技术上的极为混乱，无法得到进一步的提高，在开展放疗的前几年中，发生了不少的事故，于是人们有了否定的看法，放射治疗进入低谷，经历了20年
16、的漫长而痛苦的成长过程。在这期间，科学家们再次以顽强的意志和可贵的科学精神继续探索和研究，有了重要的进展。1931年，美国物理化学家库利吉发明了140KV的X射线管，1922年有成功研制了200KV的用于深部X射线治疗的的X射线机，成为现代X射线管的雏形。同年在巴黎召开的国际肿瘤大会上，Coutard和Hautant报告了放射治疗可治愈晚期喉癌，而且无严重并发症，使放射治疗出现了新的转机，确立了临床发射治疗技术的地位。1950年，开始使用重水型核反应堆获得大量的人工放射性60co源，促使了远距离60co治疗机大批问世，标志这“千伏时代”的终极和“兆伏时代”的开启，改变了过去X射线治疗机只能治疗
17、比较表浅肿瘤的状态。放射治疗的适应症进一步扩大，治疗效果明显提高，各种肿瘤患者的存活率有了很大的根本性的改变，从而奠定了现代放射治疗技术的地位。1951年，电子感应加速器投入使用，1953年，英国的翰墨史密斯医院最早安装了直线加速器。随后直线加速器逐步替代了60co治疗机而成为放射治疗的主流机器。随着放射60co治疗机以及直线加速器的普及，放射治疗的疗效有了质的突破，放射治疗也成为了治疗肿瘤的主要手段之一。20世纪70年代以来，随着电子技术和计算机技术的发展，模拟机，CT，MRI，TPS治疗计划系统相继问世，进一步的提高了放射治疗的精确度，使放射治疗技术进入了崭新的历史时期。70年代建立的雷辽
18、的巴黎系统，80年代发展的近代近距离治疗。这一切都改善了正常组织的防护和剂量分布，明显减少了操作人员的受照射剂量。近距离后装治疗的范围明显的扩大了，使过去以外照射为主变成了内外结合的放射治疗，肿瘤放射治疗更趋于合理化。20世纪60-80年代，Withers等学者系统的提出了放射治疗中需要考虑的生物因素（4R），即细胞放射损伤的修复，组织细胞的再增数，肿瘤乏氧细胞的再氧合和细胞周期时相的再分布。“4R”理论指导临床治疗实践，至今仍然是放射生物学的基础。20世纪九十年代，适型调强放射治疗技术出现，使射线剂量的分布在三维上和靶区体积的形状一致，最大限度的提高了靶区剂量，同时最大限度的降低了周围正常组
19、织，重要器官受照体积和受照剂量，减轻了并发症，提高生存率和患者的生活质量。适型调强放射治疗技术是20世纪放射治疗的一场革命，是21世纪放射治疗技术的发展方向。2.2 我国放射治疗的发展历史在我国，1920年初，北平协和医院安装了第一台浅层X射线治疗机器，1923年上海法国医院有了200KV深层X射线治疗机，协和医院还有了500mg镭及放射性氡发生器。1927年谢志光医生接管了北平协和医院放疗科，不但添置了放射治疗设备，还聘用了美籍放射物理师，我国第一次有了专业放射物理师。1932年，梁铎教授在北京大学附属医院建立了放射治疗科。1934年苏州博习医院也开始进行放射治疗，但是仅有一台200KVX射
20、线治疗及。1949年解放时，全国在北京，上海，广州，沈阳等地越有5家医院拥有放射治疗设备。新中国成立后，党和政府对人民的健康和肿瘤防治事业极为重视，1953-1959年，在北京，上海，天津，广州等地重点建立了放疗基地大量收治癌症患者，培养了大量技术骨干，其中不少成为了全国各地放射肿瘤学科的带头人，为我国放疗事业发展做出了重大贡献。1985年，中国核工业总公司苏州医学院及其附属第一医院和附属第二医院（现归属苏州大学）放射医学专业在军转民死详细，拓宽了专业方向，与上述各大肿瘤中心一期，在治疗肿瘤病人的同时，培养了大量各个层次的放疗技术骨干，为我国放射肿瘤临床，教学，科研事业的发展做出了重要的贡献。
21、20世纪50年代后，我国引进了第一台高能射线装置60co远距离外照射治疗机，1968年引进了第一台电子感应直线加速器，1975年引进第一台直线加速器，1986年成立了中华医疗学会放射肿瘤学会，出现了中华放射肿瘤学杂志，使我国的放射肿瘤事业又掀开了新的一页。特别是近几年来又得到了空前的发展，开展了包括三维立体定向放射治疗在内的各种放射治疗新技术，肿瘤放射物理，放射生物的研究也取得了丰硕的成果。2006年起，全国统计拥有放射治疗的医院952家，从事放射治疗的专业医务人员达到了18992人，其中放射肿瘤医师5247人，技术员4559人，护士6864人，物理师傅1181人，维修工程技术员1141人。全
22、国设备统计：直线加速器918台，60CO远距离治疗机472台，深部X射线机146台，模拟定位机827台，治疗计划系统851台，剂量仪796台，X刀467台，刀149台。治疗床35503张，每天治疗癌症患者42109人，每年收治新病人40944人，开展定向放疗手术的科室486个，立体定向放疗的科室455个，三维适形放疗科室579个，调强放射治疗科室115个。另外，政府在全国实行了上岗考证制度，包括物理师，医师，技术员，必须参加国家级考试，具备国家颁发的资格证书后才能上岗。近几年来，增设的放射治疗的医院在各省市，地级和县级市，甚至乡镇医院也越来越多，购置的设备也越来越先进。我国的放射治疗技术正在进
23、行着突飞猛进的建设。第3章 常用放射治疗设备3.1 X射线治疗机3.1.1 X射线治疗机简介1895年伦琴发现X射线，1896年就将X射线用于治疗乳腺癌。至第二次世界大战前后，X射线治疗机已经成为了治疗恶性的主流手段之一。临床治疗用X射线机按照等级可以分为：临界X射线机 （6-10KV），接触X射线（10-60KV），浅层X射线（60-160KV），深部X射线（180-400KV），高压X射线（400KV-1MV）以及高能X射线（2-50MV），高能X射线主要有各类加速器所产生。X射线治疗机是最古老的外照射治疗机，与CO60治疗机，加速器相比，X射线治疗机由于其绝缘限制，只能产生KV级别的X射
24、线，其能量低，易散射，深部剂量分布质量差，表面吸收剂量大，目前临床上仅仅用于某些特殊部位的治疗以及作为电子束治疗的代用设备。但是由于他造价低廉，结构相对而言比较简单，而且有较好的生物效应，国内外仍然在生产，研究，改进和在某些情况下使用X射线治疗机。3.1.2 X射线机的一般结构一、 产生X射线的基本条件 1.电子源 2.真空盒 3.加速电场 4.靶二、 X射线机主要组成部分X射线治疗机由球管，机架，治疗床，高压发生器以及整流电路和循环冷却装置等组成，其核心部分为球管。1.X射线球管是一个真空的玻璃管，内含阴极灯丝和阳极靶（1）真空的目的是为了避免高速阴极电子到达阳极靶之前损失能量，并且能够保护
25、灯灯丝免遭损毁。因此，使用时要保证真空度的完整，尽量做到恒温恒湿保存。 （2）阴极：有灯丝，聚焦极和金属罩组成。灯丝的材质为金属钨，放射电子能力强，调节灯丝电源可以改变MV，一般X射线机器都有稳流装置，MA代表X射线的强度。使用时应该注意，加热灯丝一定时间后才能按下高压开关，否则会烧断灯丝。调高MV可以增加X射线的强度，但是应该注意机器的允许电流范围。灯丝旁边的聚焦极起聚集电子的用处。 （3）阳极靶：由粗大的铜棒和较小的钨靶组成，钨的熔点高，原子序数大。根据电子线与物质相互作用规律，靶材料的原子序数越高，电子能量以辐射形式损失的份额越大，即X射线产量越高。铜散热快，能够快速散去靶面产生的巨大热
26、量。冷却是X射线机的重要环节，一般浅层X射线机使用水冷或者风冷，中层深层采用油冷，再用水冷却。为避免热量积蓄，连续使用时间不宜太长。阴极和阳极外的罩壳是为了防止电子束散射到靶外而设置的，应为这些电子打到玻璃壳上易将其击穿造成漏气而缩短寿命。另外这部分电子线在会玻璃壁上因仍致辐射而产生的X射线会使整个X射线照射野焦点不清，边缘模糊。 2.高压发生器 X射线机的阳极有几百KV的高压作为电子加速场，从高压发生器输出的电压是正玄交流电，需通过一个整流器将它改成直流电以保持阴阳极之间电场方向的恒定，否则反向加速的电子会熔断灯丝并无法形成极间电流以产生X射线。调节电压能够改变X射线的质。 3.控制系统 控
27、制台装有治疗机的控制系统，参数指示显示器，剂量检测仪，联锁装置和各种开关起操作控制X射线的作用。包括一系列开关和仪表。（1）控制台上的各种开关及操作按钮（2）治疗机机身的上下前后移动和固定（3）治疗机头的各种转角的移动和固定（4）控制台上的电源电压，管电压（KV），管电流（MA）的仪表显示及粗细调节按钮（5）控制台上各种滤过板显示装置（6）用来控制照射时间的显示器 4.治疗用附件 （1）不同距离不同面积的限光筒。他的作用一是限制照射范围，其次由于照射时限光筒底部需要与皮肤相贴，它同时还起到固定治疗距离的作用。由于照射空截面的形状与靶区的范围不一定一致为保护正常组织有时需要在病人的皮肤上防止一些
28、铅皮或者铅橡皮。（2）各种不同厚度不同条件的过滤板。3.1.3 X射线治疗机的改进一、采用高频高压发生器：新一代X射线治疗机采用高频高压发生器，与工频相比，不仅可以减少电压脉动，还可以缩小电源体积二、多用三维移动机架：X射线治疗机多采用的是地面立柱结构，治疗头只能沿立柱升降并转动，但摆位时自由度不够。因此，新形治疗机应用三维移动机架，即一种悬挂在天花板上的机架结构，治疗头相对治疗床可以前后，左右以及升降运动，并可垂直于相对轴线转动。三、计算机化：X射线治疗机的主要参数，如电压（KV）,电流，剂量率，积累剂量，滤过器，限束筒等的显示，双道剂量时间保护，治疗参数的储存及打印等采用计算机控制系统，使
29、治疗机具有较完善的控制功能，提高了操作的自动化。四、近距离治疗人工加速装置：一种技术是利用电子枪对颅内肿瘤进行组织间治疗，即电子从电子枪阴极发出。在阴极和阳极间加速电场的作用下，穿过阳极孔，通过一根直径约为3MM的金属管打在末端的靶位上，产生KV级X射线。治疗师将细管插入肿瘤的中心，这样所产生的X射线几乎全部被肿瘤吸收，而正常的组织得到保护，另一种方法是采用X射线聚焦透镜的方法，可以将数十KV的X射线汇聚成直径只有0.1-0.2MM的细束直接照射肿瘤3.2 远距离60co治疗机3.2.1 60co治疗机简介二十世纪五十年代以来，外照射所用的放射性核素源是225RA源。1951年加拿大首次在高通
30、量核反应堆中轰击出两块40G重，体积为5立方米的60CO源，比活度是镭的60倍，源自吸收大大减少。从此60co代替了镭，成为外照射的主要同位素源。我国在20世纪60年代也生产了60CO远距离治疗机，60CO远距离治疗机的投入使用，使癌症患者肿瘤放疗的5年存活率提高了一倍。随着MV级医用直线加速器的发展和推广，60co远距离治疗机的一些应用领域被其替代。但是，由于co60治疗机价格便宜，维修方便，而且产生的射线能量已具备了高能射线的特征，故现在任在国内外很多医院广泛使用，而且根据我国的国情，60CO治疗机在很长的时间内任将是肿瘤放射的主要功能工具，据不完全统计，目前全国有60CO远距离治疗机45
31、0台左右。3.2.2 60co远距离治疗机的一般结构一、密封的60co放射源 通常由多枚1mmx1mm的圆柱小颗粒组成，放置在直径10-20MM，高20-25MM的不锈钢容器中，并将其嵌入治疗机的储源器中，也有用2-3CM，厚1MM的60CO薄片组成高2cm的钴源或将加工好的钴粒压成块状，同样密封在很薄的不锈钢容器中。 图3.1 60co远距离治疗机结构 图3.2 钴源抽屉示意图二、源容器和防护机头 1.源的容器如上所示，60CO放射源密封在很薄的不锈钢容器中，但是由于其放射性活度大，不便于应用，防护和更换，因此把他固定在一个长60-80CM的钢柱中心，源底面暴露，也有用圆形，椭圆和正方形钢柱
32、的，其道理是一样的（图 3.2）2.防护机头治疗机头主要是一个大的安全防护壳。根据国际放射反顾委员会（ICRP）推荐，任何一个远距离同位素治疗机，当60co源处于关闭的时候，距离60co源1M处，个方向平均剂量小于2x10-5Sv|h。一般的防护材料用铅，也有用钨和铀的合金。通常源容器用钨或铀合金，源容器周围用铅，外面用钢做壳子。三、具有开关的遮线器装置所谓遮线器就是截断60CO源射线的装置，当遮线器处于开关位是，射线束通过一定方向出来进行治疗。当遮线器处于关闭位置是，射线被截断，只有少部分漏射线出来，遮线器有许多不同的形式。四、具有定向限束的准直器在治疗机的治疗头上装有一个由吸收射线的材料组合起来的束流控制部件，称为准直器，他的作用是限制束流的轮廓，从而控制照射野的大小。准直器多用金属杆制成，如用两对铅或铅合金块，排列成直角，准成射线束的窗口，再由数对金属块排列成梯状，调节其开闭，从而得到适当形状的照射野。准直器有三种形式：1.用四块重金属互相组合形成矩形或
