放射治疗设备学

放射治疗设备学授课教师：李可Email:kli@2014年10月第一篇

第4章放疗配套设备第一节模拟定位系统

一、模拟定位机

模拟定位机，是一台可以模拟加速器相关参数的X光诊断机。是为医用加速器专门设计制造并独立安装的放疗配套产品。基本结构，除了包括：X射线管、高低电压发生器、影像增强器等普通X光机的基本构成部件之外，还包括可以上下移动和等中心旋转的机架；可作360度旋转的X线机头，机头内设有准直器和射野“井”型界定线；模拟床跟加速器治疗床的结构原理完全一样，能做上下左右和前后3个方向的运动，并能作等中心旋转；同时，影像增强器也能作三维方向的移动，以方便成像定位。此外，还有控制操作系统、激光定位灯系统等。

二、CT模拟机和模拟机CT

（一）、CT模拟机

CT模拟机是在CT断层扫描成像机的基础上，通过增加一套激光射野模拟器和一套虚拟模拟工作站而构成的虚拟模拟定位系统。是为了适应目前广泛开展的“适型”、“调强”等精确放疗技术而实际的精确模拟定位技术。（二）、模拟机CT

模拟机CT是在常规模拟定位机的基础上，增加CT断层扫描功能而设计的模拟定位技术。但由于模拟定位机机架的旋转速度不能太快，需要扫描的时间比较长，球管至射线探测器的距离较远等原因，使得成像质量不够理想，三维图像重建质量比较差。因此，模拟机CT技术还不够成熟，目前临床上还难以推广应用。

第二节治疗计划系统

要对病人实施放射治疗，必须设计周密的治疗计划。一套完整的治疗计划系统，一般要包括硬件和软件两大部分。对普通放射治疗而言，可以采用在模拟定位机上采集的图像资料和技术数据设计治疗计划；精确放射治疗，包括X-刀、γ-刀、适形治疗、调强治疗等精确放射治疗技术，必须采用在CT机或磁共振(MRI)上采集的图像资料和技术数据，然后在计算机上，通过专门软件进行图像重建，最后设计出精确放射治疗计划。

一、硬件配置治疗计划系统（TPS—TreatmentPlanSystem）的硬件配置，主要部分是一套专门用来进行放射治疗计划设计的计算机工作站。该工作站除了一台较高配置的微型计算机之外，还要配备相应的图像输入输出设备，一般包括图像扫描仪、磁带机和打印机等。治疗计划系统配备的计算机，都要配置可以在医学影设备之间传输交换数字影像的DICOM接口，当然，相应的影像检查设备和加速器控制系统的计算机也必须配置DICOM接口，才能实现相互进行数字影像的传输交换功能。一、硬件配置另外，对于立体定向放射治疗（X-刀、γ-刀）和适型调强放射治疗等精确放射治疗技术来说，要设计精确放射治疗计划，必须依靠三维立体定位坐标体架来确定病人的精确位置。在通过CT或MRI等影像设备采集病人图像资料时，必须让病人与三维坐标体架一起扫描，这样，就可以获取带有三维坐标标记的病人断面影像资料。将这些包含三维坐标标记的影像资料传输到治疗计划系统的计算机上，就可以进行图像重建并制定精确治疗计划。病人每次治疗时都必须使用同一个体架并恢复扫描采集影像时的体位。因此，三维立体定位坐标体架也是现代放射治疗计划系统必备的硬件配置之一。二、

软件功能

（一）、图像处理功能治疗计划所依据的影像资料是断层扫描图像，要进行立体放射精确治疗，首先要在计算机内进行三维图像重建，形成所谓的立体“虚拟病人”。三维图像重建的主要内容包括：勾画并形成病人的外廓形状、重要器官的形状和位置、病变组织的形状和位置等等。同时，要能够在各个不同的层面包括冠状面、矢状面和斜剖面等任意方向进行旋转和剖视，以便于进行最佳的照射野设计。在照射野的设计中，主要内容包括：确定照射野的数量、选择最佳的入射方向和各个照射野的形状，从而确定加速器的机架旋转角度、机头旋转角度、准直器（包括MLC）的开野大小和形状等射野参数。不同的计划软件可能采用不同的设计思路，但所有放射治疗的计划设计软件一定会具备上述的基本图像处理功能。

（二）、剂量计算功能

剂量计算是治疗计划系统的核心内容之一。剂量计算功能包括两个方面，一是剂量计算，二是剂量优化。因为病人体内的肿瘤或者病变组织一般呈现不规则的立体几何形状，我们总是希望病变组织受量最大，而周围的正常组织特别是重要器官的受量要最小，因此，要根据前面确定的射野参数，选择合适的射线能量和各个照射野的照射剂量，并迅速计算出多束射线共同形成的剂量分布情况。剂量分布原则是，病灶要全部处在高剂量区，正常组织要处在低剂量区，而重要器官的剂量分布必须低于耐受剂量。如果剂量分布不够理想，可以适当调整相关参数进行重新计算，直到比较理想为止。

（三）、计划评估功能

治疗计划的评估分为定量评估法和品质评估法。定量评估一般是采用体积直方图（DVH）的方法来表示病变组织和正常组织接受的照射剂量百分比，从而评价所设计的治疗计划是否符合要求；品质评估目前多是采用“等剂量曲线”法，在二维图像上表示不同的剂量分布区域，这种方法比较直观，因此，在放射治疗计划系统中得到了比较广泛的应用。为了适应“适形治疗”和“调强治疗”放射治疗技术的需要，目前比较先进的放射治疗计划软件可以采用“等剂量体积”的评估方法，显示立体的或者说三维剂量分布情况，通过这种方法，可以评价剂量的空间分布形状和照射强度是否符合被照射病变组织的立体形状，如果不相符合，可调整计划重新评估，直到吻合为止。第三节射野挡铅制作设备

一、射野挡铅与组织补偿射野挡铅也称为铅挡块。使用铅挡块的主要目的是将规则野变成不规则野，使射线束的射野形状符合靶区的投影形状，以便最大限度地保护正常组织或某些重要器官；铅挡块的另一个作用是组织补偿，通过设置适当形状和不同厚度的铅挡块，可以补偿射线入射方向上的组织缺损（例如曲面）或者组织不均，使病人体内靶区及其周围的剂量分布尽量符合治疗计划要求，以达到最佳的治疗效果。一、射野挡铅与组织补偿目前临床上使用的铅挡块材料一般是低熔点铅，其溶点只需要70℃就能融化，便于浇铸成型；作为组织补偿用的铅挡块，分为标准型和非标准型两类。机头内部安装的电动楔形板或者外挂的多种规格的楔形板就是标准规格的组织补偿器；复杂形状的组织补偿器则要专门设计制作。另外，组织补偿并非只能用铅，电子射线的组织补偿一般是采用“组织等效物”进行补偿，过去常用猪皮、面皮等作组织等效物，现在可以购买特制的软胶体作电子射线的组织补偿等效物。二、挡铅制作设备

利用低熔点铅制作铅挡块，首先要使用热丝切割机加工制作挡块浇铸用的模具，并在熔铅炉里熔化低熔点铅，然后，将熔化后的液体铅浇注到切割好的模具里，等待自然冷却，脱模后，就完成了一个铅挡块的制作过程。因为低熔点铅的熔化温度很低，通常是用硬泡沫塑料作模具材料，这种材料不但价格低廉，而且制模和脱模都非常容易，这也是低熔点铅得以广泛应用的重要原因之一。热丝切割机分为X线铅挡块专用切割机和电子线铅挡块专用切割机两种类型。第四节体位固定设备

一、体位固定的临床意义在放射治疗过程中，病人体内的肿瘤或病变组织是看不见，摸不着的，加速器等各类放射源输出的射线也是看不见，摸不着的。所以，如何保证射线束能够准确地照射到靶体积上，除了加速器等射线装置本身的射线束控制精度与等中心机械精度要得到保证之外，更重要的一条就是如何保证病人在放射治疗时的摆位精度和多次治疗时的重复精度。如果摆位错误或者位置不准确，不但靶体积会因为受不到射线的照射而得不到有效治疗，而且，正常组织甚至重要器官会由于意外照射而受到伤害，这样的话，治疗效果就会大打折扣，甚至适得其反。可以说，如果没有先进的、精确的体位固定设备，定位技术的精确性和重复性就无从谈起。

二、体位固定设备的类型

（一）、常规摆位设备

（二）、三维坐标定位体系

三维坐标定位体系是为了适应高精度放射治疗而设计的专用体位固定设备。顾名思义，三维坐标体架是在横向、纵向和深度（x、y、z）三个方向都标有尺寸刻度的定位体架，它是用来确定病人空间位置的标准坐标。

第五节放疗验证与剂量检测设备

一、放疗验证设备

由于放射治疗是“无创”治疗技术，无法直接观察治疗效果。目前，一般是通过治疗验证设备，间接进行分析与验证。常用的放射治疗验证分析设备有：热释光剂量计、胶片剂量仪、多通道半导体剂量仪和射野影像系统等等。（一）、热释光剂量计

热释光剂量计的基本验证原理是，将一种特殊的“热释光”材料，按照需要制成不同大小的片状小颗粒，置放在病灶周围，经过射线照射之后，再将这种小颗粒拿到专用热释光剂量计上测量其吸收剂量，从而间接分析被照射病灶的吸收剂量。根据这一特点，热释光剂量计的“小颗粒”一般可以用在近距离放射治疗时的同位素放射源周围，用来监测并验证分析病灶的吸收剂量；另外，为了监护放射工作人员由于长期在辐射环境下工作可能受到的辐射剂量，通常是每个工作人员佩发一个盛放热释光“小颗粒”的小盒，工作时佩戴在身上，经过一段时间后进行测量分析，以便随时掌握工作人员的吸收剂量情况，必要时采取适当的措施，保证工作人员的放射安全。(二)、胶片剂量仪

胶片剂量仪一般由专用感光胶片、组织等效材料、计算机胶片剂量分析系统等部分组成。专用感光胶片不用片盒装载，是直接封装在蔽光的纸袋内，很薄，可以平铺在射野内照射感光，也可以竖插在组织等效材料之间平铺或直立照射感光。组织等效材料主要有“固体水模”和辐照用“仿真人体模型”两种类型，前者可以与水模体等效，后者可以仿真人体的各个器官。(三)、多通道半导体剂量仪

多通道半导体剂量仪是将多个半导体电离室探头连接到同一个剂量检测仪器上，可以同时检测或验证多点甚至全身表面选定点位吸收剂量的治疗验证设备。由于这种以半导体探头为探测器的多通道剂量仪具有体积小、灵敏度高等优点，近年来，在一些低能量辐射的特殊病种（例如全身电子线照射）的治疗过程中，常用来将探头贴在患者身上的某些部位，对治疗过程中的剂量进行检测与验证。对一些体表部位或腔体病灶的治疗验证也有一定的研究价值。

(四)、射野影像系统

射野影像系统的类型有：射野照相法、光激荧光板影像系统和电子射野影像系统三种类型。1、射野照相法：射野照相法基本验证原理是，在治疗床下正对射野处安放感光胶片，曝光洗片后验证病灶与照射野之间的位置误差。射野照相法只能进行摆位验证，不能进行剂量验证。而且操作比较麻烦，所以，临床上目前实际应用的比较少。(四)、射野影像系统

2、光激荧光板影像系统：光激荧光板影像系统与射野照相法的验证原理相似，但其射野影像的采集是用一个可以重复使用的光激荧光板代替感光胶片放在暗盒内曝光并形成潜影，经过数字化处理后，就形成二维数字影像，通过计算机做适当处理，就形成了所需要的射野影像。处理完以后，用普通光源照射就可以擦去潜影，荧光板就可以反复使用。这种方法只能用于摆位验证，不能验证剂量分布情况，并且不能验证实时摆位情况，性价比也不很高，故目前临床应用不是很普遍。

3、电子射野影像系统

电子射野影像系统既可以验证射野摆位情况，也可以验证分析射野剂量分布情况。电子射野影像系统又分为荧光射野影像系统、固体探测器系统和液体电离室矩阵系统三种类型。下图是荧光射野影像系统与剂量验证分析图。固体探测器系统中，非晶硅材料的剂量仪近年发展的比较快。电子射野影像系统是目前比较受欢迎的治疗验证设备，也是最有发展前途的多功能治疗验证和剂量测量分析系统。目前，射野位置验证技术比较成熟，而射野剂量分布验证技术还有许多课题需要进一步开发研究。治疗验证设备和治疗验证技术还有许多工作要做。我们期待着更加实用、更加先进的治疗验证设备和治疗验证技术面世。二、剂量检测设备

剂量检测设备主要是用来检测医用加速器等射线装置输出射线特性的设备或仪器。说到底，要开展放射治疗技术，首先要保证医用加速器等射线装置输出剂量的准确性和稳定性，这就需要使用专门的设备或者仪器，定期或不定期检验与测量各种射线和不同能量射线的输出特性。以保证加速器工作可靠，运行稳定，剂量准确。。剂量检测设备与剂量验证设备有时是可以通用的。常用的剂量检测设备主要有三维水模辐射场测量分析系统、（Farmer剂量仪）、固体水剂量仪和辐射场剂量仪等（一）、三维水模辐射场测量分析系统

三维水模辐射场测量分析系统俗称三维水箱系统，其主要作用是测量加速器射野范围内辐射场的均匀性和百分深度剂量曲线等技术指标，对不同的射线和不同的能量要分别检测。（二）、Farmer剂量仪

Farmer剂量仪是最早的指型电离室剂量仪。目前仍在广泛使用。其作用是测量加速器的输出剂量，并以此为标准来检验加速器输出剂量的显示数据是否准确，必要时可对加速器的参数进行适当调整。通常情况下，一般是每周测量一次，要对不同射线和各档能量分别测量，并根据需要进行适当调整，以保证输出剂量的准确性与可靠性。（三）