第七章+放射治疗装置.ppt

第7章放射线治疗装置为刘利军E-mail:CloneIQ、生物医学工程系的2006级医疗图像、一、放射线治疗装置的概要二、放射线治疗装置的发展和分类三、x射线治疗机4、钴-60治疗机5、医疗用电子束加速器6、立体定向放射线治疗装置-Y刀7、立体定向放射线外科装置-X刀， 第7章放射治疗装置-主要内容一、放射治疗装置的概要、放射治疗(Radiotherapy )是利用放射线照射恶性肿瘤，抑制其生长而死亡的治疗方法，简称放射治疗。 放疗基本原则：破坏恶性肿瘤，保存正常组织。 电离放射线是物质中直接或间接产生电离效应的电磁波或粒子，可以人工加速带电粒子而产生，也可以由放射性核素产生。 放射线治疗是在发现x射线和放射性物质之后开始的。 随着放射物理学、放射生物学、临床肿瘤学及各种放疗装置的发展，已成为手术治疗、化疗同时治疗恶性肿瘤的三大主要手段。 约70%的恶性肿瘤患者需要放射治疗。 放疗对放射性能的要求： (1)肿瘤在某靶区的剂量高，周围正常组织的剂量低。 (2)肿瘤所在靶区域内能量线密度(LET )高，周围正常组织内能量线密度低，二是放射治疗装置的发展和分类； 放射治疗装置根据发生方式分为人工加速治疗装置和放射性核素治疗装置，分为体外远距离用外照射治疗机和人体腔内或肿瘤组织间近距离照射用内照射治疗机两种，外照射治疗机中有新发展的立体定向放射外科治疗装置，被称为第三种。 1 .外照射治疗机(1)同位素远程治疗机(2)X射线治疗机(3)医疗用电子加速器(4)医疗用质子加速器(5)医疗用中子发生器(6)医疗用重离子加速器(7)医疗用介质发生器、二、放射线治疗装置的发展和分类2 .内照射治疗机(1)放射线后设置机(2)中子后设置机(3) 立体定向放射外科治疗装置(1)-刀(2)X-刀(3)阳子刀(4)中子立体定向放射治疗装置在外照射治疗机中最常用的是医用电子直线加速器，其次是钴60远程治疗机. 在内部照射治疗机中，主要是同位素后的安装机。 三、常用放射治疗肿瘤装置、常用放射治疗肿瘤装置(1)X射线治疗机(2)钴-60治疗机(3)医用电子直线加速器(4)立体定向放射治疗装置刀(伽马knfe)(5)立体定向放射治疗装置x刀(X-knife )、三、x射线治疗机、x射线治疗机、x射线治疗机是以x射线管为放射源的治疗装置。 由x射线管、高压发生器、三维移动机架及计算机控制系统组成。 x射线管是大功率高真空电子管，由阴极、阳极和真空玻璃容器构成，其功能是将电能转换成x射线。 从阴极发射的热电子被施加在阳极和阴极之间的直流高电压加速，撞击阴极钨靶产生x射线。 为了散热，x射线管的阴极通过感应电动机以每分钟数千转的高速旋转，x射线管的外部油冷却，风冷却或水冷却，二次冷却油。 从x射线管放出的x射线通过垂直准直器准直，聚焦后照射到肿瘤部位。 高压发生器由高压变压器和高压整流器组成。 高压变压器将商用频率50Hz的电源升压至数十kV或数百kV，由高压整流管或半导体整流器构成的高压整流器整流和平滑电路变为直流高电压，作为x射线管的加速电压。 按加速电压分为接触治疗机(1060kV )、浅层治疗机(60160kV )和深部治疗机(180400kV )。 中频x射线治疗机采用变频技术使工频50Hz电源为4kHz20kHz中频电压，经高压变压器和高压整流器变为直流高压，其优点是减小电压脉动，减小电源体积。三、x线治疗机、三维移动框架可调节放射线头的位置，x线可正确照射肿瘤，保存正常组织。 许多x射线治疗机采用地面柱结构，辐射头可沿主柱升降、移动。 深部治疗机改良为悬垂结构，其机械结构和控制复杂，放射头可相对于治疗床前后、左右及升降运动，相对于垂直轴可旋转运动。 现代x射线治疗机由计算机控制，主要控制显示各种治疗参数(kV、mA、剂量率、累积剂量、过滤器、限制筒等)，具有记忆和打印功能。 三、x线治疗机、四、钴-60治疗机、钴-60治疗机(Cobalt-60TeletherapySystem )是利用放射性同位素60Co衰变过程中发射的线放射治疗恶性肿瘤的设备，在放射治疗中起着重要作用，线能量为1.25MeV，深部肿瘤钴-60治疗机由控制电路系统、钴源和源输送机构、准直器、光学部分、治疗床、臂和床等部分构成。 该操作原理包括控制系统用来向各个组件的驱动设备输出控制信号并且操作的计时器设备。 光源输送机构的作用：当在治疗中将钴源输送到照射位置时，在照射结束后自动地将钴源输送到遮蔽位置。 准直仪调整照射光场的大小，臂架部分调整角度的大小，治疗床调整治疗时源皮距离的大小，光学部分提供模拟照射光场的指示。 某些钴-60治疗机配备了自动测距(源极间距)光学测距指示器。 (3)医用电子直线加速器(LinearAccelerator，LINAC )医用电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子、使其具有直线轨道的装置，在被加速的电子直接或者变换为x射线后被提供用于放射线治疗。 医用电子直线加速器根据其能量范围分为低、中、高3类。 五、医用电子直线加速器、医用电子直线加速器：(1)加速系统(2)辐射系统(3)剂量测量系统(4)机架和治疗床运动系统(5)电气控制系统(6)温控和膨胀系统6个部分组成。 1加速系统加速系统是医用电子直线加速器的核心，由加速管、微波传输系统、微波电源、高压脉冲调制器等组成。 根据加速方式分为行波和驻波两种加速系统。 (a )行波加速系统(b )驻波加速系统a-加速结构B-引出系统C-回流器D-耦合波导E-聚焦、导线圈G-电子枪I-隔离器L-吸收负载M-高压脉冲调制器P-离子泵S-微波功率源T-脉冲变压器W-波导窗医用电子直线加速器加速系统、5 电子枪加速产生电子，该阴极加热产生热电子，通过阴极和阳极之间的高压电场，以一定的初期能量从阳极中心孔注入加速结构。 加速结构有行波和驻波两种加速结构，是加速电子的核心器件。 当通过耦合波导提供微波功率时，在其中产生行波和驻波电磁场。 驻波结构可以以相同长度获得比行波更高的能量增益。 引出系统的作用是引出电子束，分为束式和偏转式，低能机加速管短，多采用束式，中高能机加速管长，应采用带偏转磁铁的偏转式引出系统。 离子泵吸收气体，使加速管内维持真空状态。 五、医用电子直线加速器；(2)微波传输系统的微波传输系统主要由传输波导组成。 在行波传输系统中，隔离器吸收反向传输的微波，保护微波电源。 在驻波传输系统中，反射功率强，因此需要采用环流器作为隔离设备。 (3)微波电源低，中能机常以磁控管为微波电源。 磁控管为微波自激振荡器，体积小，工作电压低，但工作频率容易漂移，因此需要采用自动稳频系统，提高稳频度。高能机需要较高的微波电力，经常使用多腔速调管作为微波电源。 速度调节管为微波功率放大器，体积大，工作电压高，驱动需要前置激励，频率稳定，但自动调频系统也需要与负载的变化一致。 五、医用电子直线加速器、(4)高压脉冲调制器的作用是向微波功率源提供脉冲高压，工作原理是利用储能放电的原理形成高压脉冲，用脉冲变压器放大后提供给微波功率源。 2、辐射系统辐射系统的作用是使加速系统产生的辐射符合辐射治疗的特殊要求(均匀度、辐射场面积形状等)。 x射线及电子射线的放射系统如图所示，以靶、均匀块、散射箔、准直仪、上下光圈等为主要构成。 a)X射线辐射系统b )电子束辐射系统A-限制器C-准直器F-散射箔I-电离室J-光圈M-反射镜P-全部是T-靶W-楔型滤波器辐射系统的结构图，5、医用电子束加速器、靶加速电子靶而产生x射线。 平均张使放射野内的x射线剂量分布均匀。 散射目标在恒定的辐射场中均匀地扩散从加速系统聚焦的电子束。 准直器初步限制辐射的范围。 上下光圈调节辐射场的形状、面积。 限制器333到354限制电子束的辐射场范围，以改进电子束的均匀性。 楔形滤波器在x射线辐射场中产生不对称的楔形量分布。 3 .剂量监测系统的剂量监测系统由电离室、前置放大器和剂量计组成。 电离室在放射线系统中，由几个极片构成，其中有两组用于监视放射线场内相互垂直的两个方向的均匀度，一组用于监视放射线的能量变化，二组用于检测放射线的吸收量。 4、机架和治疗床运动系统现代医用电子直线加速器采用等中心原则的运动系统，即机架、辐射头和治疗床三者的旋转轴线相交点称为等中心，要求中心误差在2mm以内。 五、医用电子直线加速器，五.电气控制系统的电气控制系统由以下部分组成： (1)各种电源。 (2)连锁保护：包括水流、水温、水压、高压过载、微波电源点火等各种保护。 (3)自动控制：包括自动频率控制、自动剂量率控制、自动均匀度控制、自动楔形滤波器控制、拱形旋转控制等。 (4)正常治疗的程序控制：包括待机、预制装置、准备、出束等几种状态的程序控制6 .温控和充气系统温控系统可以将加速管、目标、聚焦线圈、偏转磁铁线圈、微波功率源、隔离器(或环流器)和负载等工作产生的热量充气系统抽真空微波传输系统后，充填氮气、氟利昂等绝缘气体，防止电场破坏。 五、医用电子直线加速器、x线模拟定位器在进行放射性治疗时，要正确把握肿瘤的位置，确定照射范围、照射中心和照射角度、照射剂量等，制定治疗计划。 x射线模拟定位器的用途是在用直线加速器或钴60照射之前，通过x射线透视或摄影进行定位的装置。 配备影像增强电视系统和影像数字化装置，采用微机控制。 与CT和MRI放射治疗定位系统相比，x射线模拟定位器操作简单，费用低。 五、医用电子直线加速器，六、立体放射治疗装置y刀，1951年，瑞典着名神经外科医生首先提出立体放射治疗的原理，1968年与生物物理学家合作，研制出世界第一把刀。 立体定向放疗原理采用静态几何聚焦原理，从不同的方向向颅内病灶照射狭窄的放射线，在病中心(靶)形成大量聚焦，短时间破坏病灶，靶以外的健康组织受到的照射量小，所以取得了比手术切除更好的效果。 LarsLeksell教授的立体定向放射治疗原理已成为立体定向放射治疗外科的经典。立体定向放射外科以X-CT、磁共振(MRI )和数字血管造影(DSA )图像为诊断依据，以放射性钴60和医用电子加速器为照射源，利用现代计算机技术制定三维重建、立体定位、精密照射方案(称为放射外科治疗计划)，对颅内肿瘤和病灶进行正确定向照射。 六、立体定向放疗装置y刀对脑肿瘤和其他功能性病变，传统的治疗方法是实施外科开颅手术。 开颅手术给患者带来痛苦，带来后遗症，也有死亡的可能性。 刀登场，脑神经外科手术揭开了新的篇章。 在治疗过程中，患者无出血、感染和痛苦，照射均取得了手术效果。 1993年全世界配备-刀共计66台，其中美国7台，中国7台。 -刀的全名应该是“-放射线立体定位治疗系统”，之所以被称为“刀”，是因为(1)满足了大的“焦比”这两个条件。正确的定位。 焦皮比：单位体积内病变组织与健康组织受量之比。 皮比在100:1以上的放疗设备称为“刀”。 “定向”:利用X-CT、MRI、DSA等现代诊断手段，加入“立体定位”技术，使射线焦点与病灶点准确吻合，不损伤病灶点周围的健康组织。 六、立体取向放疗装置-Y刀，目前立体取向方法有三种： (1)静态式； 动态旋转扫描式弧等中心式。 相应地有静态-刀、旋转式-刀和头部-刀三系列放射线刀产品。 (1)静态-刀瑞典的Elekta公司是静态-刀的唯一制造商，1968年推出第一代lekssell型静态-刀，现在发展到第三代，lekssell型静态-刀适用于头部。 静态刀由放射源释放单元、准直仪头盔、液压系统、患者治疗床、控制台和治疗计划系统等部分组成。 在把刀用于放射外科手术之前，必须制定放射治疗计划。 手术时，首先对靶区域进行定位，然后根据预定靶区域的坐标，将患者的头部放入某个准直仪的头盔中，使靶区域的中心能够定位在201光束的交叉点。 操作者在别的房间操作，用照相机和对讲机监视患者。 整个照射过程由计算机按照放疗计划控制，治疗时间通常为520分钟。 使用静态刀时，患者的治疗床和其他部件不会旋转或移动，放射线源的照射方向和患者在整个治疗期间都是固定的。 治疗后，采用X-CT、MRI或DSA评价治疗部位。 六、立体定向放疗装置y刀；(2)旋转刀旋转刀是中国深圳OUR公司首次开发的，在静态刀的基础上加以大幅度改进，设计合理。 旋转式-刀只适用于头部。 旋转-刀采用旋转聚焦的工作原理，安装在旋转源体上的30个放射源绕病灶中心进行圆锥面旋转聚焦运动，放射线束不通过固定路径穿越健康组织，因此对健康组织瞬间受到几乎无伤害的照射，在病灶中心形成了焦比为1000:1的聚焦疗效。 (3)全身刀的工作原理与动态旋转式头部刀相同，整体结构布局、辐射源钴60的分布、屏蔽与防护、人体的全身立体定位更为复杂。 全身刀主要适用于躯干部的肿瘤。 六、立体定向放疗装置-Y刀，全身刀由放射线单元、屏蔽支架结构、治疗床、立体定位系统、电传与控制系统和治疗计划系统组成。 由于需要治疗全身肿瘤，全身刀的旋转焦点位于辐射单元外部的结构空间，源体和准直体的特殊结构设计满足了结构屏蔽的需要。 全身-刀具有特殊的治疗床和立体定位系统。由三维平台和活动床构成，活动床上建立了三维尺度，与X-CT、MRI等图像诊断装置接口。 人体