放射治疗设备介绍

放射治疗设备,基本概念,放 射 能使物质电离的电磁波或粒子流的辐射 过程称为“放射”放射线 能使物质电离的电磁波或粒子流称为“放 射线”，简称“射线”.放射源 能输出“射线”的物质(元素)或设备称为 “放射源”。放射性 某些物质(元素)或设备能够产生“电离辐 射”的性质叫做“放射性”。,基本概念,电离辐射:能够引起物质电离的辐射通常所说的“放射”、“放射线”、“放射源”等实际上就是特指“电离辐射”。电离辐射可以从原子或分子里面电离出至少一个电子电离:即经过照射后能使物质的原子或分子变成“离子”，从而改变物质的原有特性。 离子:带有电荷的原子或分子，或组合在一起的原子或分子团。带正电荷的离子称“正离子”，带负电荷的离子称“负离子”。指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个（如第一层是最外层，则为2个）的稳定结构。,基本概念,放射性核素内部发出的射线用希腊字母表示射线、射线和射线就分别表示从放射性核素内部发出的中子、电子和光子不是从放射性核素内部发出用大写的英文字母或者实际名称表示X射线、电子射线(简称电子线)、质子射线等。射线与电子射线都是由放射源向外发射的电子流物理特性基本相同，区别在于来源不同，能量不同射线与X射线都是电磁辐射(光子)，单从放射治疗的效果与作用而言，两者基本相同，只是来源不同，能量不同而已。,“射线”装置,X线机、CT、ECT、PET等各种医学影像检查设备（诊断）,“射线”装置,放射治疗设备：钴-60治疗机医用直线加速器刀、X刀近距离后装治疗机质子加速器等,“射线”装置,根据不同的医学需求选用了不同的“放射源”输出的“射线”具有各自特定的能量和剂量完成特定的医学检查或医学治疗目的。,放射源类型,放射治疗使用的放射源放射性核素人工射线装置放射性核素天然放射性核素 226镭人工放射性核素 60钴 192铱,放射源类型,放射性核素的特点 每时每刻都有射线输出 放射性核素的衰减特性半衰期：射线衰减到初始状态的一半时所需要的时间镭- 1590年 60钴-5.27年 192铱-74天半衰期，甚至衰减报废以后的放射性核素仍然会有射线输出,放射源类型,人工射线装置：能够产生并输出高能射线的各种射线装备 X线机 加速器特点： 工作时输出射线 停机时没有放射性 结构比较复杂输出射线的能量越高、性能越先进、结构越复杂，价格就越昂贵放射治疗使用的人工射线装置，正在朝着多功能、高性能、高精度的方向发展。,放射线类型,放射源：天然放射源和人工放射源放射源本质： 光子辐射(电磁辐射)粒子辐射光子各类放射性核素产生的射线（60钴 192铱） 加速器等设备产生的X射线波长很短、频率非常高的电磁波辐射，或者说是光子辐射。,放射线类型,加速器等设备 电子束 质子束 中子束 重粒子束(碳离子等),放射线类型,人工射线装置kV级X射线治疗机放射出的是 X射线质子加速器放射出的是带电粒子质子医用电子直线加速器光子束 X射线粒子束电子射线,放射线类型,同一种放射源，并不一定只能发射一种射线有的放射性核素既可以发射射线，同时又发射射线和射线同一个放射源发射的不同的射线，往往具有不同的强度或能量，因而具有不同的放射特性正是利用各种射线具有不同放射特性的特点，才为放射诊断技术和放射治疗技术提供了多种可能的选择，以满足临床的不同,放射线类型,直接致电离辐射：带电粒子(正电离子和负电离子)引起物质的直接电离间接致电离辐射：光子(X射线和射线)和中性粒子不是直接引起物质电离,电磁辐射“波粒二重性”,电磁辐射 “波”的特性 “粒子”特性双重特性 波长不同有很大的差异波长越长 “波”的特性越强波长越短，“粒子”特性越强。,电磁辐射“波粒二重性”,无线电波、微波等向外辐射时，“粒子”特性非常微弱，一般是用波动理论进行描述，所以，通常叫做电磁波；红外线，可见光、紫外线而言，“波”的特性依次减弱，“粒子”特性依次增强，红外线的“波”的特性略强，“粒子”特性较弱；紫外线则是“波”的特性较弱，“粒子”特性略强；而可见光的“波粒二重性”最为典型；,电磁辐射“波粒二重性”,电磁波谱的另一端，X射线和射线主要以“粒子”特性表现，几乎显不出“波”的特性可以把X射线和射线看成是“粒子”，但这种粒子具有自己的特殊性质，为了有所区别，人们把这种“粒子”叫做“光子”。在放射治疗医学领域，人们往往把“光子”的概念等同于X射线或射线,X射线射线的特点,X射线和射线具有穿透物质的能力特定能量的X射线或射线而言，物质的密度越小,穿透能力越强; 物质的密度越大，穿透能力越弱X线机、CT机设计原理,X射线射线的特点,不同的物质对X射线和射线具有不同的穿透能力，通常是物质的原子序数越高，X射线或射线的穿透能力越弱根据这一特点，选用穿透能力弱的材料对X射线和射线进行控制与防护，铅被广泛应用 。,X射线射线的特点,“电离辐射”是X射线和射线的另一个重要特点。能量越高，辐射深度越深，“电离”性能越强。医用直线加速器、钴-60治疗机、近距离后装治疗机等现代肿瘤放射治疗设备就是按照X射线和射线的这一特性而设计生产并逐渐发展起来的。,粒子辐射,粒子辐射包括带电粒子辐射和中性粒子辐射(电子、质子、中子等)带电粒子带正电的粒子-正电粒子带负电的粒子-负电粒子粒子辐射按质量轻粒子重粒子电子和质子是带电粒子电子是负电粒子质子是正电粒子中子是中性粒子,粒子辐射,不同的粒子辐射不同的射线装置或射线设备来产生不同的设备所输出的粒子辐射具有各不相同的放射特性利用各具特色的放射特性，输出各种粒子束的放射治疗设备，以满足临床放疗的不同需求。,直接致电离辐射,具有比较明显的“射程” 即电子线、质子束和重离子束这三条曲线都有比较明显的终点，这是带电粒子辐射的共同特点。电子的射程很浅，只适合于皮肤和较浅部位病变的治疗,直接致电离辐射,质子和重离子的射程比较远最大优势：“布拉格峰”：达到最大射程以后的射线剂量迅速降低到零点的曲线有效保护后面的正常组织，比较适合于重要器官周围病变的治疗。重粒子的“布拉格峰”比质子的“布拉格峰”更加尖锐，对某些特定的病变而言具有更大的优越性，设备更加笨重和复杂，故目前很少应用。质子加速器和重粒子加速器设备的造价太昂贵等原因，目前还难以广泛推广应用。,间接致电离辐射,射线没有“射程”kV级X射线、射线、高能X射线、中子束这四条曲线几乎没有终点，这是间接致电离辐射包括光子和中性粒子(中子)的共同特点，但它们的最大剂量点的深度随能量的增加而加深，为了表示这种射线的特点，通常将从表面到最大剂量点的区域称之为“建成区”。通过选择合适的能量即根据病灶深度选择合适的“建成区”，并采取合理布野照射技术，这类射线可以适合于多数病灶的放射治疗。高能X射线和中子束的剂量特性曲线比较接近，似乎两者没有什么区别，而实际上，从放射生物学的角度分析，两者还是有较大差别的。另外，因中子设备更加复杂昂贵，故目前很少应用。,常用放射治疗设备,放射治疗设备的照射方式：外照射 内照射外照射（远距离照射）是将放射源置于体外一定距离进行照射，放射线需经皮肤和正常组织才能到达肿瘤或病变组织。根据不同病灶，只要选择合适的射线类型和能量，精心设计治疗计划和治疗方案，就可以达到预计的治疗效果。内照射（近距离照射）是采用某种方式将放射源置于人体的自然腔道或组织间进行近距离直接照射，由于内照射距离近，一般选用低能量放射源，只要选择合适的适应证，也可以达到比较理想的治疗效果。内照射治疗既可以单独实施，也可以与外照射配合实施，具体采用哪种照射方式，要根据不同的病灶由放疗医师来确定具体的治疗实施方案。,常用的放射治疗设备,kV级X射线治疗机钴-60治疗机医用电子直线加速器内照射近距离后装治疗机质子加速器在普通医用电子直线加速器上辅加动态多叶光阑(MLC)、实时验证系统和呼吸门控系统等装置，使得“适形治疗”和“调强治疗”等精确放射治疗技术获得了飞速发展。,常用的放射治疗设备,kV级X射线治疗机和钴-60治疗机是早期的外照射设备，前者目前已趋于淘汰；后者由于设备结构比较简单，成本较低，具有较好的临床意义，目前在中小医院仍有一定的市场。而在大型综合性医院和专业肿瘤医院，作为主流外照射设备，医用电子直线加速器正在放疗界得到迅速推广和应用。在计算机控制下，以192铱作为放射源的近距离后装治疗机是目前应用最为广泛的内照射设备。而性能更加优越的重粒子加速器等高能粒子加速器，由于结构更加复杂，价格昂贵等原因，目前和今后相当长的时间内还难以推广应用。放射治疗究竟选用何种放疗设备，选用何种放射源，用多高的能量进行照射，要根据实际临床需要和当时的经济技术水平综合考虑来确定。,常用的放射治疗设备,为了进行有效的放射治疗，还必须配备相应的放疗辅助设备。主要包括：模拟定位机治疗计划系统挡铅制作系统患者定位体架等CT模拟机”定位计划系统 “模拟机CT”定位计划系统,医用电子直线加速器,医用电子直线加速器,输出能量较高剂量分布特性较好输出不同能量的光子(X射线) 不同能量的电子医用电子直线加速器是放射治疗领域的主流机型,医用电子加速器类型,感应加速器回旋加速器直线加速器直线加速器性价比最高,基本结构,支臂式 滚桶式支臂式机架的特点:主机和所有元器件都安装在一个房间内，结构比较紧凑滚筒式机架结构:主要部分被安装在假墙后面的滚筒上，治疗室显得比较简洁不论哪种形式，都有一个基础底架，水平安装在地基上并与地基固定。,医用电子直线加速器的基本结构原理,基本结构：加速管微波源电子枪真空系统束流输出系统水冷系统治疗床系统自动控制系统,医用电子直线加速器的基本结构原理,加速管是加速器的核心部件微波源是磁控管或速调管，提供10cm波段的电磁波电子枪发射供加速的电子真空系统由钛泵和真空器件构成，作用是保持加速管内部和电子枪等部位的高度真空状态，以避免烧坏灯丝、腔内打火和能量损失等束流输出系统主要在机头部分，包括束流的偏转、靶窗转换、束流均整、束流准直、剂量检测等功能，水冷系统的作用是对加速管、微波源(磁控管或速调管)和偏转磁铁等产生热能的部件进行冷却，以保持设备稳定运行治疗床系统则是对患者进行放射治疗时的床体结构，可以进行X、Y、Z三个方向的直线运动和治疗床整体绕等中心的旋转运动，以满足不同部位的治疗需求；自动控制系统包括功能控制和故障检测两大功能，在正常情况下，操作人员通过计算机对各大系统进行工作控制，发生各类故障时，计算机会自动进行检测报警，并禁止治疗，以保证绝对安全。 另外，每台加速器还包括微波传输与检测系统、电子束聚焦对中系统、高压脉冲调制系统和机械运动系统等。,电子直线加速器的基本工作原理,电子在电场中会受到电场力的作用而运动，电子因受电场力的加速而获得能量。在电子直线加速器的加速管内部，“谐振腔”在微波的激励下产生沿轴线向前移动的高压电场，电子被持续加速而获得能量，电场强度越强，加速距离越长，电子获得的能量就越高，这些获得高能量的电子，直接引出就是电子射线，打靶以后就可以输出X射线。,输出特性,医用电子直线加速器是既可以输出不同能量的X射线、也可以输出不同能量电子射线的放射治疗设备。按照输出X射线能量的不同，将加速器分为低能、中能、高能三类低能医用直线加速器只能输出4MV或6MV的单能X射线(单光子)；中能医用直线加速器不但可以输出4MV或6MV的单能X射线(单光子)，还可以输出能量从415MeV的多档电子射线；高能医用直线加速器则可以输出低能和高能两档X射线(称为双光子)及多档电子射线。其中，低能X射线一般是4MV或6MV，高能X射线一般是15MV或18MV，电子射线可从425MeV范围内选择6档以上电子束。显然，高能医用直线加速器可选的射线能量多，适用范围广，是放射治疗技术的首选设备。当然，也就包含了中、低能医用 电子直线加速器的射线输出特性。,X射线模式及输出特性,在选定X射线治疗模式时，加速器会自动将“靶窗转换装置”的“X线靶”对准电子束，电子打靶就会产生X射线，显然，打靶前的电子能量越高，输出的X射线的能量就越高。这时，在射野范围内，输出的X射线呈中间强，周边弱的“峰”形束流，为了使射野内的束流强度均匀，加速器会自动将中间呈凸出状的圆锥形“均整块”移到靶的下面，由于均整块中间厚，周边薄，射线穿过以后，中央部分的射线强度被减弱，这样，就会输出能量均匀平坦的X射线束。 在均整块前方安装的是用来监测输出射线的“电离室”。通常，该电离室是多极透射型平行板结构，它包括2道剂量检测通道和2组4道或3组6道剂量均整度检测通道。这样，就可以即时检测输出射线的剂量特性和均整程度。 机头内部设置的初级准直器的作用是将射线限定为一束圆锥形束流。次级准直器通常是由两对4个铅门对称设置，每个铅门可以独立运动，这样，就可以根据被照病变的大小合理设定照射区域(射野)，但这时的照射区域是方形射野，对不规则的照射区域，一般是在托盘上摆放特制形状的铅挡块使之符合治疗区域的形状要求。为了开展精确放射治疗技术，近年来生产的高能医用电子直线加速器，已经将次级准直器改为动态多叶准直器(MLC) 。 这种准直器一般是由几十对相对独立的叶片构成，每个叶片由一个步进电机控制，可以独立运动，各个叶片的运动是由计算机控制自动完成的，从而可以达到“适型治疗”和“调强治疗”技术，以达到精确治疗目的,动态多叶准直器(MLC),是由几十对相对独立的叶片构成，每个叶片由一个步进电机控制，可以独立运动，各个叶片的运动是由计算机控制自动完成的，从而可以达到“适型治疗”和“调强治疗”技术，以达到精确治疗目的,a自动 b手动,电子射线模式及输出特性,在选定电子射线治疗模式时，加速器会自动将“X线靶”移开，把“窗”对准电子束，电子射线直接从“窗孔”引出，但这时引出的电子束是窄束射线，束流直径只有3mm左右，不能满足临床治疗要求，这时，必须让窄束射线展开成为散射状束流。当选定电子射线治疗模式时，加速器会自动将均整块移开，并将与电子束能量相适应的金属“散射箔”移到窗口的下面，经过散射箔的散射以后，电子射线束就成为散射状束流。然后经过电离室检测、次级准直器和电子束限光筒的准直限束，最后到达病变部位。由于最后输出的电子射线仍然易于散射，因此，电子束限光筒做得比较长，让输出端口直接贴近患者皮肤，以减少周围组织的射线受量，最大限度地保护正常组织。,不同能量的电子射线百分深度剂量曲线,电子射线不但皮肤受量较大，而且具有一定的“射程”，能量越高，射程越深，而射程后面的深部组织基本受不到射线照射，这是电子射线最重要的剂量学特征。高能电子射线射程之外，有很小一段弯曲的深度剂量曲线，这是由于电子束穿过散射箔时，总要产生少量的X射线造成的，通常称之为X线污染。因此，在选用较高能量的电子射线治疗较深部位的病变时，X线污染不能忽略不计，而是应该给予必要的考虑。,配套设备,机房的设计与建设 激光定位系统 模拟定位系统 治疗计划系统 挡钳制作设备 体位固定设备 治疗验证与剂量检测设备,治疗计划系统,模拟定位机的基本结构,X射线管(俗称球管)高低电压发生器影像增强器可上下移动和等中心旋转的机架可作360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三个方向的运动，并能做等中心旋转；影像增强器也能做三维方向的移动，以方便成像定位。控制操作系统、激光定位灯系统等,工作原理,模拟定位机除了具有透视和拍照功能之外，还具有模拟加速器相关机械参数的功能。当对患者实施模拟定位时，先将患者扶到模拟床上躺下，并粗调机架高度和治疗床的前后左右及上下位置，使需要治疗的病变部位大概处于等中心处。然后，工作人员退出机房，并关好防护门。在控制室内，一边透视，一边遥控旋转并调整机架、机头的角度和准直器等相关机械运动部件的位置，使需要放射治疗的部位正好处在射野“井”型界定线中间，如果需要，可在患者身体表面放置一根与需要放射治疗的部位相似形状的铅丝，然后继续透视调整，直到需治疗部位正好处在射野“井”型界定线与铅丝围成的区域为止。这时，模拟定位机的机架角度、机头角度和射野“井”型界定线的位置，就是在加速器上进行放射治疗时的机架角、机头角和准直器的开野位置，而铅丝形状就是需要制作铅挡块的边缘形状。模拟定位结束后，要在患者身体表面的射野“井”型界定线与铅丝围成的区域上，用专门的划痕液或划痕笔画出边界线。这样，患者的照射区域和加速器的相关机械参数就可以确定下来。模拟机室也要设置与加速器室一样的激光定位灯，用来确定模拟空间的等中心位置。这样，才能保证通过模拟机制定的治疗计划可以在加速器上得以实现。,CT模拟机与模拟机CT,CT模拟机,CT模拟机其实是在CT扫描机的基础上，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。CT扫描机可以是一台常规螺旋CT机，但由于常规CT机的床面呈下凹弧形，而加速器的床面是平板形，为了使患者在虚拟模拟定位与实际放射治疗时的体位保持一致，必须将CT机的床面改用平板形，材料为碳纤维面板，以减少由于散射可能对CT图像的干扰；激光射野模拟器由3只可以移动的激光定位灯和一台安装专用软件的电脑构成，一般是安装在CT机房的患者扫描入口处的适当部位，其作用除了可以指示机械等中心之外，还增加了指示射野投影位置的功能；虚拟模拟工作站装有一套可以进行CT图像的三维重建、立体显示及射野模拟功能的软件，这种软件可以独立使用，也可以融人三维治疗计划系统当中，但这种计划系统必须能与激光射野模拟器的计算机部分进行数据交换，使重建的三维图像与模拟过程始终处于同一个患者坐标系，以保证虚拟模拟定位所确定的靶区能够处于加速器的机械等中心位置。,模拟机CT,模拟机CT是在常规模拟定位机的基础上，将准直器沿患者横向开成一条缝隙，在原来的影像增强器表面处放置上百个X射线探测器，在球管出束的同时，让机架旋转360将采集到的患者断面扫描信息资料进行反向处理，产生类似CT断层扫描的图像。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。模拟机CT技术还不够成熟，目前临床上还难以推广应用。,第九节 射野挡铅制作设备,体位固定的临床意义,在放射治疗技术中，患者体位的固定技术是一个非常重要的技术环节。因为放射治疗技术是一种“非接触式”治疗手段。在治疗过程中，患者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患者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