放射治疗设备的发展和现状

1肿瘤放射治疗的新进展放射治疗设备的发展和现状肿瘤的放射治疗

电离辐射是指在物质中能直接或间接产生电离效应的电磁波或粒子，可以由人工加速带电粒子产生，也可由天然或人工合成放射性核素产生。

放射治疗（Radiotherapy）是用X射线及放射性物质产生的电离辐射进行临床治疗一种医疗手段。它是利用电离辐射射线对恶性肿瘤进行辐照，使其生长受到抑制而致死的一种局部治疗方法。放疗的基本原则是杀灭恶性肿瘤细胞组织和保护正常器管、组织。

随着放射物理学、放射生物学、临床肿瘤学及各种放射治疗装置的发展，放射治疗已和手术治疗、化学治疗一起成为治疗恶性肿瘤的三大主要手段。约有70%的恶性肿瘤患者需要进行放射治疗。2辐射源家族及治疗技术AdaptedfromSaranetal,EuropeanJournalofCancer,2004,40:2091-2105

X-ray/γ直线加速器拓姆刀(TOMO)伽玛刀射波刀(Cyberknife)γ/Betas质子重离子近距离治疗机加速器/治疗头加速器/固定束流辐射源治疗设备治疗技术3D-CRTIMRTVMAT螺旋断层多等中心多笔束遥控后装粒子植入被动散射散射/IMPT3Early1900sC-ArmsinventedfordiagnosticX-RaysCO60

1955196819881992199519962001200320052008Clinac4EPID3DTreatmentMLCSerialTomoTherapy(MiMiCIMRT)IMRTCTIG-IMRT(TomoTherapy)CBCTRapidArcVMATIMAT2003200520072008AdaptivePlanningDGRTC型臂机架现代医学影像发展进程1972198319921995CTMRIHelicalCTHelicalMultisliceCTPET/CTusecommonInRT2002放疗设备

(X,γ线)发展进程StatRT旋转臂机架1968GammaKnife固定机架2010同源双束IMATMRIgRT(Co60,X)

旋转臂机架2009201?PET/CTIMAT2003

Co60TomoTherapy(Varian)(Elekta)(Siemens)(Nomos)机器人放疗系统Cyberknife2002MRIgRT(X)4早期的放射治疗5早期的放射治疗6早期的放射治疗789放射治疗的临床要求促进放疗设备发展10

癌症患者(100

%

)70%-未转移带瘤生存有转移占30%

放疗加其它治疗的占35%

不进行放射治疗的占35%25%完全局控10%局控失败：复发或转移25%完全局控10%局控失败：复发或转移50%病人无治疗价值由于物理技术失败占5%由于放射生物学原因失败占5%采用IMRT不采用IMRT肿瘤治疗概况11照射剂量(Gy)%相对肿瘤控制几率或正常组织损伤几率肿瘤控制

(TCP)正常组织并发症

(NTCP)

肿瘤控制率、正常组织并发症发生率和照射剂量关系最佳剂量B12相对剂量

(Gy)%相对肿瘤控制几率或正常组织损伤几率肿瘤控制

(TCP)正常组织并发症

(NTCP)无并发症肿瘤控制(PUTC)ABC

正确选择肿瘤治疗剂量，并保证达到一定的精确性，对控制肿瘤发生和减少正常组织并发症有很大影响！无并发症肿瘤控制几率(PUTC)随剂量变化的关系

最大值处的剂量为肿瘤放疗的最佳剂量(B)13多采用2-4射束简单治疗照射方法射野形状为方形或矩形射线照到正常组织和肿瘤剂量是相同的治疗剂量必需低于正常组织的耐受量红色区域=治疗射野或照射面积第一级准直器遮挡射束六十年代---常规放疗14七十年代---线束简单遮挡采用手工操作档铅或楔形板来改造射束，保护正常组织不同的射束使用的档铅块不同工作量大，医生需多次到治疗室检查复核典型的治疗技术是4野遮挡治疗剂量不能提高治疗射野粗糙楔形板15八十年代末---三维适形放疗采用铅涛模法使射束档块形状和瘤体等剂量线一致射束从多个方向照射确保辐照剂量和肿瘤体积适形典型治疗技术为4-6野治疗剂量不能提高档铅块仍是手工操作劳动强度大，效率低16射束形状自动由多叶光栅(MLC)完成劳动强度低，无需出入治疗室就可改变档块形状医生使用CT三维图像诊断肿瘤，用于更精确的治疗计划常用治疗技术为4-6野MLC原理自动三维适形放疗17单个治疗野可分成多个子野照射(可高达500个/野)九十年代中以后---调强放疗(IMRT)放疗技术的一次飞跃可以增大杀灭癌细胞的剂量，更好地保护正常组织强度调节，每个子野可接受不同的剂量每次可采用9个以上射野照射，子野上千大大提高了治疗的准确度和精度需要逆向放疗计划18常规适形治疗和IMRT的区别常规适形治疗(3D-CRT)：

射野的形状和靶区的外轮廓相同，而穿过射野的剂量强度是相等的。适形调强治疗(IMRT)：

射野的形状和靶区的外轮廓相同，射野内的剂量强度是不相同的，是一种最优的剂量分布。targetIMRT

IGRT

DGRT

TOMOTHERAPY

IMAT!19大量临床研究的结论：

高剂量率照射可提高肿瘤的局部控制率和无瘤存率！Fletcher教授指出：亚临床灶剂量应不低于5000cGy；微小病灶剂量应不低于6000cGy；病灶直径为3cm时应不低于7500cGy；体积更大时应不低于10000cGy；

方可使肿瘤得到控制。20

放射治疗的目标是“最大限度地将放射线集中照射到肿瘤(靶区)，而周围的正常组织及器官应受到最小的剂量”。如何使射线更精准杀灭肿瘤组织一直是医学家们追求的目标。2122对穿照射四野照射旋转照射三维调强三维适形各种照射技术的PTV23在指征符合的情况下，放射治疗是效价比最高的一种治疗方法；在美国，所有的肿瘤治疗当中，大概70%的病人在治疗中需要放射治疗；在美国，肿瘤的治愈率大概在60%-70%，即一半或者是超过一半的肿瘤的治愈是依靠或者有放射疗法参与的；在美国，在所有肿瘤治疗的费用中，用于放射治疗的费用小于5%，即用小于5%的社会资源，治愈/参与治愈了35%的肿瘤病人！

现代放射治疗的优势张玉蛟：UniversityofTexasMDAndersonCancerCenter终身教授，胸部放射肿瘤科和立体定向放射科主任，美国放射学会放射肺癌组主席，中美放射肿瘤协会主席。放射肿瘤研究的顶级专家,擅长于立体定向放射疗法治疗肿瘤，是JournalofRadiationOncologyBiologyPhysics(RedJournal)的副编辑

。24放射治疗设备实质上就是将不同电离辐射源集合成一套可用于肿瘤治疗的系统装置.现代放射治疗设备按射线产生方式可分为人工产生辐射治疗装置和放射性核素治疗装置两大类；按照射方式可分为体外远距离外照射治疗机及在人体腔内或肿瘤组织间近距离照射用的内照射治疗机两大类，在外照射治疗机中又有新发展起来的精确放射装置(包括SRS、SRT、IMRT、IGRT、CyberKnife、Tomotherapy等)，被称为第三大类。25常用放射治疗设备1.外照射治疗机

(1)

同位素远距离治疗机

(2)X射线治疗机(3)医用电子加速器(4)医用质子加速器(5)医用重离子加速器26钴-60治疗机

钴-60治疗机（Cobalt-60TeletherapyUnit）是利用放射性同位素60Co衰变过程中放射出的γ射线对恶性肿瘤进行放射治疗的设备，在放射治疗中曾担任着重要的角色，γ射线能量为1.25MeV，可用来治疗中深部肿瘤。(1951.10.27JoneC.FM)272860Co放射性同位素不锈钢外壳29

钴-60治疗机由控制电路系统、钴源及源输送机构、准直器、光学部分、治疗床、臂架和底座等部分构成。其工作原理是：控制系统发出控制信号给各部分的驱动装置进行工作，并具有定时装置。源输送机构的作用是在控制电路钴源及输送机构准直器光学系统治疗床臂架治疗过程中将钴源送至照射位置和在照射完毕后自动将钴源送至屏蔽位置。准直器调整照射光野的大小，臂架部分调整角度的大小，治疗床可调整治疗时源皮距的大小，光学部分提供模拟照射的光野指示。有的钴-60治疗机还装有自动测距（源皮距）的光学测距指示器。钴-60治疗机结构示意30

钴-60治疗机的钴源因衰变其放射性强度会逐渐降低，所以需要定期更换。其照射光野控制机构、定时器、测距仪等决定人体照射剂量的部分必须定期检查、标定及更换，以保证放射治疗的质量。钴-60治疗机比医用电子直线加速器等设备结构较简单、价格低、维修费用低，所以曾是上世纪50—80年代国内外医院普遍使用的放疗设备。3132医用电子直线加速器

医用电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子，并使其具有直线轨道的一种装置，加速后的电子直接或经转换为X射线后供放射治疗用。医用电子直线加速器按其能量范围分为低、中、高三类。

33医用电子直线加速器

X射线能量范围及能量分档电子射线能量范围及能量分档应用范围低能机4~6MeV，1档无深部肿瘤中能机8~15MeV，2档5~15MeV，3~5档大部分深部肿瘤、部分表浅肿瘤高能机15~25MeV，2～3档5~25MeV，5~8档同上34电子直线加速器系统组成

医用电子直线加速器由六部分组成：(1)加速系统(2)辐射系统(3)剂量检测系统(4)机架、治疗床及辐射头运动系统(5)控制系统(6)温控及充气系统youarehere351.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、微波功率源、高压脉冲调制器等组成。按加速方式的不同又可分为行波和驻波两种加速系统。

36行波加速系统(b)驻波加速系统(Elekta)(Varian、Seimens)A-加速结构B-引出系统C-环流器D-耦合波导E-聚焦及导向线圈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37加速管

加速管由电子枪、加速结构、引出系统、离子泵组成。电子枪产生供加速的电子，其阴极被加热后产生热发射电子，在阴极和阳极间的高压电场作用下，以一定的初始能量从阳极中心孔道穿出注入加速结构。38

加速结构有行波和驻波两种加速结构，是对电子进行加速的核心器件。微波功率经耦合波导馈入后，在其中产生行波或驻波电磁场。驻波结构可以在同样长度上比行波获得更高的能量增益。引出系统的作用是将电子束引出，分为直束式和偏转式两种，低能机的加速管较短，大多采用直束式，中、高能机的加速管较长，必须采用带偏转磁铁的偏转式引出系统。离子泵用以吸收气体，使加速管里维持真空状态。39(2)

微波传输系统

微波传输系统主要由传输波导构成。在行波传输系统中，隔离器用来吸收反向传输的微波以保护微波功率源。在驻波传输系统中，由于反射功率强，需采用环流器作为隔离器件。(3)微波功率源

低、中能机常用磁控管作微波功率源。磁控管是微波自激震荡器，体积小，工作电压低，但其工作频率易漂移，因此需采用自动稳频系统，提高频率稳定度。高能机需较高的微波功率，常用多腔速调管作为微波功率源。速调管是微波功率放大器，体积大，工作电压高，需要有前置激励来驱动，频率比较稳定，但也需自动调频系统使其与负载变化保持一致。

40(4)高压脉冲调制器

其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，经脉冲变压器放大后供微波功率源使用。412.辐射系统

辐射系统的作用是使从加速系统产生的辐射符合放射治疗的特殊要求（均整度、辐射野面积形状等）。X射线及电子射线的辐射系统如图所示，其主要组成有：靶、均整块、散射箔、准直器、上下光阑等。

a）X射线辐射系统

b）电子射线辐射系统A-限束器C-准直器F-散射箔I-电离室J-光阑M-反射镜P-均整块T-靶W-楔形过滤器辐射系统结构示意图42

靶——加速电子打靶后产生X射线。均整块——使辐射野内的X射线剂量分布均匀。散射靶——使从加速系统来的集束的电子射线在一定辐射野内均匀散开。

准直器——初步限制辐射的范围。上下光阑——调节辐射野的形状、面积。

限束器——限定电子射线辐射野的范围以及改善电子射线的均整度。楔形过滤器——在X射线辐射野内产生非对称的楔形剂量分布。

43443.剂量监测系统剂量监测系统由电离室、前置放大器及监测剂量仪组成。电离室位于辐射系统之内，由若干片极片构成，其中有两对用于监测辐射野内相互垂直的两个方向的均整度，有一片用于监测辐射的能量变化，有两片用于检测辐射的吸收剂量。4.机架及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、辐射头及治疗床三者的旋转轴线交于一点，该点称为等中心，要求中心误差在±2mm以内。455.电气控制系统电气控制系统由以下几部分组成：(1)

各种电源。(2)连锁保护：包括水流、水温、水压、高压过载、微波功率源打火等各种保护。(3)自动控制：包括自动频率控制、自动剂量率控制、自动均整度控制、自动楔形过滤器控制、弧形旋转控制等。(4)正常治疗的程序控制：包括待机、预制、准备、出束等几种状态的程序控制。46

6.温控及充气系统温控系统用来带走加速管、靶、聚焦线圈、偏转磁铁线圈、微波功率源、隔离器（或环流器）及吸收负载等在工作中产生的热量。充气系统用于对微波传输系统抽真空后再充绝缘气体，如氮气、氟里昂等，以防止发生电场击穿。

474849

近距离治疗装置

(1)Co60

射线后装机

(2)Ir192后装机

(3)中子后装机在内照射治疗机中，主要是同位素Ir192后装机。50后装治疗机5152国立荷兰肿瘤研究所近距离后装治疗工作照5354555657四川省肿瘤医院近距离后装治疗工作照58常用辅助放射治疗设备1、X线模拟定位机2、CT---Sim模拟定位机3、2D、3D、4DTPS4、MLC5、验证模体6、各类定位装置59

X线模拟定位机

在进行放射性治疗时，预先应准确掌握肿瘤位置，从而确定照射范围、照射中心和照射角度、照射剂量等，制定治疗计划。X线模拟定位机的用途就是在直线加速器或钴60照射之前，通过X线透视或摄影定位的装置。它装有影像增强电视系统及图像数字化仪，采用微机控制。较之CT或MRI放射治疗定位系统，X线模拟定位器操作简便、费用低。

60X射线模拟定位机6162CT/MRI模拟定位机

采用CT/MRI定位时,将肿瘤病人采用立体定向仪固定，每0.5～5mm层厚连续扫描并通过图像三维重建，计算肿瘤的靶区体积。在有些情况下，病灶成像于MRI图像，在CT上却看不清楚，这时需利用MRI图像进行定位。一种方法是在病人做MRI时，带上类似于CT定标架那样的装置来确定病灶的位置。另一种方法是采用“计算机信息融合（Fassion）技术”，将MRI图像的数据与CT数据融合，利用CT定标系统和MRI数据来确定病灶的位置。

636465各种人体固定装置

66立体定向放射治疗装置γ-刀(Gamma-knife)

1.立体定向放射治疗外科（StereotacticRadiosurgery，SRS）1951年，瑞典著名的神经外科医生LarsLeksell教授最先提出了立体定向放射治疗原理，并于1968年同生物物理学家合作，研制出世界上第一台γ-刀。立体定向放射治疗原理是：采用静态几何聚焦原理，把窄束放射线从不同方向定向准直照射颅内病灶，在病中心（靶点）形成大剂量聚焦，在短时间内将病灶击毁，而靶点之外的健康组织所受到的照射剂量却很小，从而达到了比手术切除更好的效果。6768

69X线立体定向放射治疗装置-X刀(X-knife)

X-刀的发展及特点

X-刀是继γ-刀之后于80年代发展起来的一种新型立体定向放射外科设备。由于它利用电子直线加速器（LINAC）产生的X射线作为放射源，所以又称为X线直线加速器的立体定向放射外科装置，简称X-刀。

70

X-刀最早是美国人Colombo和Betti等研制成功的。他们将用于常规放射治疗的医用电子直线加速器加以改进，采用专用的准直器和立体定向装置，把放射线聚集在病灶实施一次大剂量照射。通过三维空间把线束投射到靶区形成高剂量，而周围正常组织受量低。因等剂量曲线在靶区外急剧陡降，病灶与正常组织剂量界限分明，达到控制、杀灭病变保护正常组织的目的，尤如外科手术刀切除病灶一样。71

医用电子直线加速器具有非常好的精确度和可靠性，所以X-刀适用于比γ-刀更大的颅内病灶（γ-刀适用病灶<18mm，X-刀适用病灶<50mm）。X-刀利用直线加速器作为照射源，不象γ-刀那样需要定期更换放射物质。X-刀的价格仅为γ-刀的1/5～1/6，具有更高的性能价格比，从而减少了治疗费用。因此X-刀得到了世界各国医院的广泛采用，近年来用高精度微型多叶光栅取代传统的园形锥束准直器,如VarianEdge系统。由于X-刀设备简单、造价低、不使用钴源，因此它的发展甚为迅速，已有逐步取代γ-刀的趋势。72X-刀的结构

X-刀的系统结构是由医用电子直线加速器、立体定向装置及计算机治疗计划系统三大部分组成。

7374X-刀—非共面多弧旋转集束照射

X(

)线立体定向放射手术(放射外科)：特点：单次大剂量（约2000-3000cGy）AVM，较小的(≤2cm)边缘清晰类圆形肿瘤，如转移瘤X线立体定向放射治疗：

分次小剂量（每次约200-500cGy/6-8次）约2-5cm颅内类圆形良恶性肿瘤

75放射治疗设备技术的发展方向----以IGRT为工具IMRT技术为核心76诊断、3D影像靶器官定位射束选取剂量计算、优化布野CT模拟生物学评价、处方治疗验证、出束常规现代放射治疗“程序链”77诊断、3D影像靶器官定位射束选取剂量计算、优化布野CB--CT模拟生物学评价、处方治疗验证、出束IGRT-IMRT治疗“程序链”787980On-lineinterventionalIGRTusingElektaSynergy81实现IMRT放射治疗的设备条件3DIMRT放疗三维治疗计划(正向、逆向)系统模拟定位系统数字加速器CT-Sim系统定位、验证系统网络系统电动MLC82TrueBeamRapidArcNovalisTxClinaciXTrilogyTomotherapyCyberknifeEdgeIGRT83放射治疗计划系统现代放射治疗的重要纽带：治疗计划系统－－TreatmentPlanningSystem84计划设计定义确定治疗方案的量化过程CT/MRI图像的输入及处理医师对治疗方案包括靶区剂量及其分布、重要器官及其限量、剂量给定方式等的要求及处理计划确认及计划执行中精度的检查和误差分析85二维TPS仅能在横截面图像上进行计算层面少，一般射野中心轴平面和上下两三个平面仅能在中心平面进行计划设计射野中心轴和射野方向严格限制在此中心平面单平面的剂量分布图无法提供详细的立体剂量分布86三维TPS三维TPS基本功能治疗部位解剖结构的三维描述87三维TPS带有立体定位标记的CT/MRI等影像

CT图像间较小的间距（3mm），重建出足够精细的三维假体88三维TPS照射野或放射源应有三维空间位置的描述，并可以在任何部位上方显示其位置剂量计算应在三维剂量网格上进行89三维TPS外照射剂量计算必须考虑的影响因子：三维电子密度（由CT值转换）及其对原射线的影响射野三维扩散度射野三维平坦度、对称性楔形板、挡铅、补偿器等线束修正装置的三维散射影响不均匀组织的三维散射影响90三维TPS剂量分布及其评估工具必须用三维方式，如三维剂量分布显示、剂量（DVH）体积分析等91放射治疗计划设计流程输入患者图像信息物理师图像登记和匹配物理师定义解剖结构医师确定射野参数物理师评价治疗计划医师物理师输出治疗计划报告和电子文件物理师

任务

人员92鼻咽癌肿瘤体积完全无规则93听神经瘤94视神经瘤95上颌窦癌96上颚神经纤瘤97脑转移瘤98前列腺癌99

乳腺癌10010%4野调强9野调强乳腺癌照射技术比较2野挡铅101肺癌102子宫内膜癌103MRI

TomographySPEC

TomographyPositronEmissionTomographyTomoTherapyThenewstandardfor

RadiationOncologyComputedTomographyNewAllofthesenewtechnologiesarebasedontheIGRT！以TOMO为代表的新一代放疗设备104105未来的放射治疗106从精准医疗到精准放疗精准医疗(PrecisionMedicine

)又叫个性化医疗(personalizedMedicine

)，是指以个人基因组信息为基础，结合蛋白质组，代谢组等相关内环境信息，为病人量身设计出最佳治疗方案，以期达到治疗效果最大化和副作用最小化的一门定制医疗模式。因此相较传统医疗，精准医疗具有针对性、高效性及预防性等特征，是传统医疗模式的革新，目前主要用于产前诊断、新生儿遗传病诊断、肿瘤诊断及个性化用药等领域。精准放疗(PrecisionRadiotherapy)又叫个性化放疗(personalizedRadiotherapy),是指以病人肿瘤病理解剖结构为基础，结合功能分子影像学，采用高生物剂量模式及高分辨图像动态导航和高精准治疗技术，为病人个体量身定制最佳治疗方案，以期达到治疗效果最优化和毒性最小化的一种放射治疗模式。较传统放疗，精准放疗具有针对性、高效性及安全性等特征，是传统放疗模式的革新，目前主要用于高端立体定向放射治疗/外科领域。

107国外技术发展方向

为适应大分割、低分次调强放射治疗的发展需要，目前，国际肿瘤放射治疗技术和设备，如近年来瓦里安开发的EDGE、医科达的HD、安科瑞的CyberKnifeM6和德国∕日本的VERO等产品都在使用新技术组合与集成，主要有多模态影像引导、容积调强、实