放射治疗设备学

放射治疗设备学授课教师：李可Email:kli@2017年10月第一篇基础知识放射治疗设备的发展历史放射治疗设备是通过人工射线或天然射线对肿瘤或其他病灶实施无创伤性治疗的现代放射治疗手段。

人工射线是由各种人工射线装置或设备产生的放射线；

天然射线是由天然放射性核素发出的放射线。放射治疗设备是伴随着放射线的发现与应用研究而逐步发展起来的。第一篇基础知识第一章绪论

第一节

放射治疗设备的发展历史

一、放射线的发现与早期医学应用情况120年前(1895年)德国科学家伦琴发现了X射线119年前(1896年)法国科学家贝克勒尔发现了放射性同位素(核素)镭天然放射性的发现仍不愧是划时代的事件，它打开了微观世界的大门，为原子核物理学和粒子物理学的诞生和发展奠定了实验基础1975年第十五届国际计量大会为纪念法国物理学家贝可勒尔，将放射性活度的国际单位命名为贝可勒尔，简称贝可，符号Bq。117年前(1898年)居里夫妇成功地分离出放射性同位素镭，并首次提出了“放射性”的概念，为医学放射诊断技术和放射治疗技术奠定了基础。发现了放射性元素钋（Po）和镭（Ra）。提出了-射线（现在已知它是由电子组成的）是带负电荷的微粒的观点1903年诺贝尔物理学奖金（与亨利·贝克勒尔和皮埃尔·居里合得）。1911年诺贝尔化学奖金之后115年前(1899年)，瑞典的医生们首次应用电离辐射治疗皮肤癌患者。后来，又陆续开展了腔内放射治疗技术。至108年前(1906年)，放射治疗技术一度步入低谷。

二、千伏（kV）级X射线治疗设备阶段104年前（1910年），第一支钨丝热阴极X射线管在美国诞生，奠定了人工射线的医学应用基础。101年前（1913年），第一台140千伏（kV）级X射线机在美国诞生，从此开创了放射诊断技术和放射治疗技术的新纪元。其中，影像诊断设备X光机至今仍在广泛应用。20世纪40～50年代，深部X射线治疗机（160～400kV）曾经兴盛一时，50年代之后，千伏级X射线治疗机逐步走入低谷。至60年代，千伏（kV）级X射线治疗基本淘汰，目前已经很难见到。

三、兆伏（MV）级X射线治疗设备阶段电子静电加速器是最早应用于临床的兆伏（MV）级X射线治疗设备（1931年～1937年，输出能量为1MeV～2.5MeV）。电子感应加速器也是曾经应用于临床的兆伏（MV）级X射线治疗设备（1940年～1949年）。1950年，加拿大的科学家研制成功了外照射钴-60治疗机，是以放射性核素为辐射源的兆伏级（MV）人工γ射线治疗设备，至今仍在发展中国家和中小医院应用。20世纪50年代～70年代，国外发达国家竞相开发各种高能医学加速器。20世纪70年代之后，确立了医用电子直线加速器在世界范围内的霸主地位。国内外著名医用电子直线加速器品牌美国瓦立安公司（Varian）成立于1947年第一家进驻硅谷的高科技公司当今世界最具活力的特大型分析仪器制造商是提供癌症及其他疾病放射治疗，放射外科学，质子治疗，和近距离放射治疗设备及相关软件的全球领先生产企业。公司提供用于综合癌症治疗机构、放射治疗中心和医学肿瘤学治疗机构的信息管理软件。瓦里安医疗系统也是应用在医学，科学和工业领域的X射线球管和数字探测器以及货物检测和工业检测X射线成像设备的主要供应商。超过6000台瓦里安医用直线加速器在全球安装超过5500名员工在北美洲、欧洲和中国的生产机构以及全世界的销售和支持机构工作。国内外著名医用电子直线加速器品牌瑞典医科达公司(Elekta)医科达公司由伽玛刀创始人，瑞典卡罗林斯卡研究所已故的神经外科教授LarsLeksell于1972年创建成立，总部设在瑞典斯德哥尔摩。在癌症和脑部病变治疗领域以及肿瘤治疗信息管理方面提供最为先进的临床治疗方案。针对放射治疗和放射外科，医科达致力于开发尖端水平的医疗设备和治疗计划系统，同时为整个癌症治疗领域开发优化工作流程的软件系统。医科达在肿瘤学、神经外科以及肿瘤信息管理软件方面的解决方案已应用于全球6,000多家医院，每天为超过10万名患者提供诊断和治疗服务。医科达中国在北京、上海、广州设立了分支机构，共有500多名员工。其中研发人员约150人，生产人员近100人，并有超过100名员工向客户提供销售、培训、安装、维修等直接服务，以确保为客户提供高品质的支持与服务。国内外著名医用电子直线加速器品牌德国西门子公司（Siemens）西门子Primus直线加速器是西门子公司专为三维适形调强放疗而研制的全数字化直线加速器。三维适形调强放射治疗技术，是运用放射治疗专用计算机系统，根据肿瘤形状进行精确定位，让高剂量曲面紧紧包裹住肿瘤而避开周围的正常组织，通过调整靶区内的射线束强度，使肿瘤组织内的每一处都得到理想剂量照射的技术。其结果是在肿瘤受到致死照射的同时最大限度地保护了周围正常组织，从而减轻了放疗反应，提高了治疗效果。实现三维适形调强的核心是因为内置有单/双聚焦的多叶光栅，光栅运动速度达到25毫米每秒，通过计算机计划系统控制实现各种特殊肿瘤靶区形状的非线性楔型板效果。已经于2011年停止生产。国内外著名医用电子直线加速器品牌国内医用电子直线加速器的生产企业中，原来的北京医疗器械研究所已经被医科达公司兼并，成为外资企业；目前，位于山东淄博的新华医疗器械公司是国内主要的医用加速器研究和生产企业；XHA600型医用电子直线加速器获得“国家自主创新产品证书”另外，还有沈阳的东软公司等国内企业也在开发生产国产医用加速器。四、从普通放射治疗到精确放射治疗的发展

辐射源确定之后，病灶定位技术与辐射控制技术就是现代放射治疗设备和放射治疗技术中最重要的技术环节。普通放射治疗是精度要求最低的常规放射治疗方法。1949年，瑞典的Leksell首次提出了立体定向放射外科理论，开创了精确放射治疗的先河。1959年，日本人首创多叶准直器（MLC）和“适型”放射治疗原理。四、从普通放射治疗到精确放射治疗的发展

1968年，瑞典的Elekta公司推出了以钴-60为辐射源的头部精确放射治疗专用“γ-刀”系统，至今仍有应用市场。1984年，出现了以医用电子直线加速器为辐射源的头部精确放射治疗专用“X-刀”系统。1994年，瑞典Lax等开发了专门用于体部精确放射治疗的立体定向定位系统，被称为体部“体-刀”系统。近年来，国外著名公司先后开发并推出了以医用电子直线加速器为核心的“适型调强”放射治疗设备技术（IMRT—IntensityModulatedRadiationTherapy）和“影像引导”放射治疗设备（IGRT—ImageGuideRadiationTherapy）。标志着放射治疗设备已经进入了一个以“调强适型”和“影像引导”为核心技术内容的精确放射治疗新阶段。四、从普通放射治疗到精确放射治疗的发展

五、中国放射治疗设备的临床应用与发展历史中国的放射治疗技术开始于20世纪30年代，当时，只有北京协和医院和上海比镭锭医院可以开展放射治疗技术。20世纪70年代之前，我国是以放射性核素或kV级X射线治疗机为主要辐射源的放射治疗时代。1975年，国内引进了第一台医用电子直线加速器，是我国进入兆伏级（MV）放射治疗设备新阶段的起始点。20世纪70年代末，中国成立了“北京医疗器械研究所”，开创了我国医用电子直线加速器研制生产的新阶段。80年代，是CT、MRI等高端医学诊断设备大量引进的时期。

90年代之后，高能医用电子直线加速器大量引进。目前，我国高端医疗装备的应用水平与国际先进水平同步。目前，我国高端医疗装备的制造水平与国外差距较大。五、中国放射治疗设备的临床应用与发展历史六、放射治疗设备的发展趋势放射治疗设备的发展趋势，将进入主要以医用电子直线加速器为核心技术、多学科综合运用、外围设备综合配套的精确放射治疗时代。各类新型结构的医用电子加速器会逐步得到开发与推广应用，例如：跑道式医用回旋电子加速器、断层治疗加速器（TomTherapy）、赛博刀（CyberKnife）等。质子加速器、重离子治疗等装置也将是未来开发研究的重要课题。

第三节医用加速器在放疗设备中的地位

医用加速是目前国内外大型放射治疗单位的核心放射治疗设备。医用电子直线加速器是现代医用加速器中的典型机型。大型医用电子直线加速器是未来相当长时间内的主流放射治疗设备。医用加速器在各国的配置按世界卫生组织(WHO)建议，每百万人口应拥有医用加速器2～3台。据不完全统计，截至2006年，每百万人口拥有医用加速器的数量为：英国3.4台美国8.2台法国4.0台我国还不到0.5台我国主要分布在城市中的大中型医院。这种情况说明，医用加速器在我国具有比较广阔的发展前景。思考题（1）国外与国内分别在什么时间开始有了放射治疗技术？放射治疗设备经过了那几个发展阶段？为什么？请简述放射治疗设备的未来发展趋势。目前，国际上最著名的高能医用电子直线加速器的生产厂商是哪几家？基础知识回顾--原子原子（atom）指化学反应不可再分的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核和核外电子构成。因此具有核式结构。一个正原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。正原子的原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。负原子的原子核带负电，周围的负电子带正电。负原子原子核中的反质子带负电，从而使负原子的原子核带负电。当质子数与电子数相同时，这个原子就是电中性的；否则，就是带有正电荷或者负电荷的离子。根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同：质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则确定了该原子是此元素的哪一个同位素。基础知识回顾--原子质量原子量由于质子与中子的质量相近且远大于电子，所以用原子的质子和中子数量的总和定义相对原子质量，称为原子量。原子的静止质量通常用统一原子质量单位（u）来表示。这个单位被定义为电中性的碳12质量的十二分之一，约为1.66×10-27kg基础知识回顾--同位素具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素(Isotopes)。例如：氢有三种同位素，H氕、D氘（又叫重氢）、T氚（又叫超重氢）；碳有多种同位素，12C、13C和14C等在元素周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子量或质量数不同，从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。同位素的发现，证明了决定元素化学性质的是质子数（核电荷数），而不是原子质量数。第二节放射源、放射线的类型与特点

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）或设备能够发射“电离辐射”的性质叫做“放射性”。一、基本概念核医学或放射医学届，与“放射”有关的概念是以能否产生“电离辐射”为标准进行定义的“光子”的概念从物理学上我们知道，电磁波具有“波粒二重性”。对波长特别短的X射线和γ射线等电磁波而言，它们更显粒子特性，因此，物理学上把它们叫做“光子”

α射线α射线亦称α粒子束，高速运动的氦原子核。由2个质子和2个中子组成。它的静止质量为6.64×10-27千克，带电量为3.20×10-19库。物理学中用He表示α粒子或氦核。卢瑟福首先发现天然放射性是几种不同的射线。他把带正电的射线命名为α射线；带负电的射线命名为β射线。在以后的一系列实验中卢瑟福等人证实α粒子即是氦原子核。β射线β射线：高速运动的电子流，贯穿能力很强，电离作用弱。β粒子，是指当放射性物质发生β衰变，所释出的高能量电子，其速度可达至光速的99%。在β衰变过程当中，放射性原子核通过发射电子和中微子转变为另一种核，产物中的电子就被称为β粒子。在正β衰变中，原子核内一个质子转变为一个中子，同时释放一个正电子，在负β衰变中，原子核内一个中子转变为一个质子，同时释放一个电子，即β粒子。γ射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是波长短于0.2埃的电磁波。γ射线有很强的穿透力。是继α、β射线后发现的第三种原子核射线。放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于高能量级，要向低能级跃迁，辐射出γ光子。原子核衰变和核反应均可产生γ射线。γ射线的波长比X射线要短，所以γ射线具有比X射线还要强的穿透能力。可以透过几厘米厚的铅板。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。X射线X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁波，其波长约介于0.001纳米到10纳米之间。由德国物理学家伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质。X射线的特征是波长非常短，频率很高。其他射线质子射线中子射线电子射线各类射线的命名习惯上是将从放射性同位素内部发出的射线用希腊字母表示，例如：α射线、β射线和γ射线就分别表示从放射性同位素内部发出的氦核、电子和光子；其它的射线用大写的英文字母或者实际名称表示，例如：X射线、电子射线（简称电子线）、质子射线等；从物理意义上来讲，β射线与电子射线都是由放射源向外发射的电子流，它们的物理特性基本相同，区别在于来源不同，能量不同；γ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。放射线与现代医疗技术可以毫不夸张地说，假如没有“放射线”的发现和发展，就没有如此先进的现代医疗技术。X光机、CT、ECT、CET等各种医学影像检查设备；钴-60治疗机、医用电子直线加速器、γ-刀、X-刀、近距离后装治疗机、质子加速器等现代放射治疗设备，它们都是“射线”装置。二、放射源的类型226

Ra（镭）60

Co（钴）192

Ir（铱）各类放射源特点放射性核素每时每刻都有射线输出，但随着时间的推移，辐射能力逐步衰减。通常用“半衰期”和“平均寿命”来表示放射性核素的这种衰减特性。半衰期过后，甚至衰减报废以后的放射性核素仍然会有射线输出。各类放射源特点人工射线装置工作时可以输出射线，而停机时没有放射性不存在废源处理问题，停机时也不会对工作人员造成意外的辐射损伤。人工射线装置的结构比较复杂，而且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。放射治疗中使用的人工放射装置正朝着多功能、高性能、高精度的方向发展。三、放射线的类型电磁波谱图光子辐射（X和γ射线）波粒二象性波长越长，波的特性越强；波长越短，粒子的特性越强无线电波、微波向外辐射时，粒子特性非常微弱，一般用波动理论进行描述。红外线、可见光、紫外线的波特性依次减弱，粒子特性依次增强。可见光的波粒二象性最为典型X线和γ线主要以粒子的特性展现，几乎显不出波的特性。因此人们称之为“光子”。光子辐射的基本特点X射线和γ射线具有穿透物质的能力。对特定能量的X射线或γ射线而言，物质的密度越小，穿透能力越强，反之，物质的密度越大，穿透能力越弱。对同一种密度和厚度的物质而言，射线的能量越高，穿透能力越强。“电离辐射”是X射线和γ射线的另一个重要特点。而且能量越高，辐射深度越深，“电离”性能越强。

粒子辐射粒子幅射包括带电粒子幅射和中性粒子幅射。带电粒