第八章 放射治疗肿瘤装置 放射治疗（Radiotherapy）是利用辐射对恶性肿瘤进行照射使其生长受到抑制而致死的一种疗法，简称放疗。放疗的基本原则是破坏恶性肿瘤和保存正常组织。 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，也可由放射性核素产生。 放射治疗是从发现X射线及放射性物质后才开始的。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，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。

放射治疗装置按产生方式可分为人工加速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用的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立体定向放射外科治疗装置，被称为第三大类。

8.1 放射治疗装置分类 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)医用中子发生器 (6)医用重离子加速器 (7)医用-介子发生器

2. 内照射治疗机 (1) 射线后装机 (2) 中子后装机 3.立体定向放射外科治疗装置 (1)γ-刀 (2) X-刀 (3) 质子刀 (4)中子立体定向放疗装置 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远距离治疗机。在内照射 治疗机中，主要是同位素后装机。

常用放射治疗肿瘤装置 X线治疗机 钴-60治疗机 医用电子直线加速器 立体定向放射治疗装置—γ-刀(Gamma-knife) 立体定向放射治疗装置——X-刀(X-knife)

8.2 X线治疗机 X射线治疗机是以X射线管为辐射源的治疗装置。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射线管是一种大功率高真空电子管，由阴极、阳极和真空玻璃管壳组成，其功能是将电能转变成X射线。由阴极发射的热电子在阳极和阴极间所加的直流高电压作用下被加速，撞击阴极钨靶而产生X射线。为了散热，X射线管的阴极由感应电动机带动以每分钟几千转的高速旋转，而且X射线管外部还需油冷，再用风冷或水冷对油进行二次冷却。

由X射线管发出的X射线还要经过铅直的准直器准直和聚焦后再照射肿瘤部位。 高压发生器由高压变压器和高压整流器组成。高压变压器将工频50Hz电源升压到几十kV或几百kV，然后由高压整流管或半导体整流器组成的高压整流器整流和滤波电路后变成直流高电压，作为X射线管的加速电压。按加速电压分类，X射线治疗机分为接触治疗机（10～60kV）、浅层治疗机（60～160kV）及深部治疗机（180～400kV）。中频X射线治疗机采用逆变技术将工频50Hz电源变为4kHz～20kHz的中频电压，再经高压变压器及高压整流器后变成直流高压，其优点是减小电压脉动，缩小电源体积。

三维移动机架可调节辐射头的位置，使X射线准确照射肿瘤并能保存正常组织。多数X射线治疗机采用地面立柱结构，辐射头可沿主柱升降并可移动。深部治疗机改进为悬吊式结构，其机械结构及控制都较复杂，辐射头相对治疗床可以作前后、左右及升降运动，并可相对于垂直轴线作旋转运动。 当代X射线治疗机由计算机控制，主要控制及显示各种治疗参数（kV、mA、剂量率、累计剂量、过滤器、限束筒等），并有存储及打印功能。

8.3 钴-60治疗机 钴-60治疗机（Cobalt-60 Teletherapy System）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，在放射治疗中担任着重要的角色，γ射线能量为1.25 MeV，用来治疗深部肿瘤。

控制电路 钴源及输送机构 准直器 光学系统 治疗床 臂架 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 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治疗机常以钴源输送的动力进行分类，分为气动式和电动式两类。气动式由空气压缩机、储气筒、活塞、汽缸以及电磁阀门构成。由电磁阀门控制压缩空气的流向，使汽缸中的活塞前进或后退，从而使由活塞连杆带动的钴源进入照射位置或退回屏蔽位置。电动式则由电机带动机械传动机构输送钴源。此外，钴-60治疗机还以使用方式为标准进行分类，分为等中心治疗方式的同中心回旋式钴机和等源皮距治疗方式的等距离升降机。

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，所以是医院普遍使用的放疗设备。

8.4 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。

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   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 8~10MeV，1档 5~15MeV，3~5档 大部分深部肿瘤、 部分表浅肿瘤 高能机 6~10MeV，15~25MeV，1档 5~25MeV，5~8档 同上

电子直线加速器系统组成 医用电子直线加速器由(1)加速系统，(2)辐射系统，(3)剂量检测系统，(4)机架及治疗床运动系统，(5)电气控制系统，(6)温控及充气系统六部分组成。 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。

(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-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 图8.3 医用电子直线加速器加速系统

(1) 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。

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。

(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。

(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。

2. 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 图8.4 辐射系统结构示意图

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。

3. 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。

5. 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。

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。

X线模拟定位器 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线模拟定位器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。

8.5 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（Stereotactic Radiosurgery，SRS） 1951年，瑞典一著名的神经外科医生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。

Lars Leksell 教授的立体定向放射治疗原理成了立体定向放射治疗外科的经典。立体定向放射外科是一种大剂量窄束定向集中照射技术，它以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或医用电子直线加速器为照射源，利用现代计算机技术进行三维重建、立体定位、制定精确的照射方案（称为放射外科治疗计划），准确地对颅内肿瘤或病灶进行定向照射。

对于脑部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。开颅手术使病人遭受痛苦，而且还可能带来后遗症，甚至导致死亡。而γ-刀的问世，使脑神经外科手术揭开了新的一页，在治疗过程中，病人无出血、无感染、无痛苦，照射一次就达到了手术效果。这是人类医学史上一项伟大的革命性创举。1993年全世界装备有γ-刀共66台，其中美国7台，中国7台。

γ-刀的全称应是“γ-射线立体定位治疗系统”，之所以被称为“刀”，是因为它满足了两个条件：⑴较大的“焦皮比”；⑵准确的定位。所谓“焦皮比”，就是单位体积内病变组织与健康组织所受剂量之比。一般来说，焦皮比在100：1以上的放射治疗设备才能称之为“刀”。所谓定向，就是利用X-CT、MRI、DSA等现代化的诊断手段，加之“立体定位”技术，使γ射线的焦点准确地与病灶点重合，而不损伤病灶点周围的健康组织。 目前，立体定向方法有三种：⑴静态式；⑵动态旋转扫描式；⑶弧形等中心式。相应地有静态γ-刀、旋转式γ-刀和头部γ-刀三大系列射线手术刀产品。

2.静态γ-刀 瑞典的Elekta公司是静态γ-刀的唯一生产厂家，于1968年推出第一代Leksell型静态γ-刀，目前已发展到第三代，Leksell型静态γ-刀适用于头部。 静态γ-刀由放射源释放组件、准直器头盔、液压系统、病人治疗床、控制台和治疗计划系统等部分组成。

放射源释放组件包括：铸铁半球形屏蔽壳体、装有201个钴60γ辐射源的中心体以及屏蔽门等。每一辐射源含有直径为1mm的20个堆在一起的小球，它们被双重密封，包在不锈钢内。201个辐射源的总装活性达6000居里。 准直器头盔呈半球形结构，有201个束道，每一束道均有源衬套组件、钨合金预准直器和准直器，以产生正确的束的角度和直径。准直器使201条γ射线束聚焦于半球源体的球心上。每一束射线只具有较小的照射剂量，但在聚焦点形成焦皮比达200：1的照射剂量。所有主要的射线束均限在半球屏蔽体和屏蔽门内。为改变剂量分布和预防辐射到人体其他要害组织（如眼睛），须将闭合塞插在选择孔道中。

液压系统用来开启和关闭屏蔽门，以及将病人治疗床移进移出准直器头盔。控制台上有两个定时机构，用来控制辐射曝光时间。另外还有红外摄像监视器、对讲机、治疗开关等。安全锁止系统在检出技术故障时会终止仪器运行。

在用γ-刀作放射外科手术前，要先制定放射治疗计划。手术时，先进行靶区定位，然后根据预定的靶区坐标，将病人头部放入某个准直器头盔中，这样靶区中心就能定位于201束射线的交叉点上。操作者在另一房间操作，通过摄像机及对讲机监护病人。整个照射过程由计算机根据放射治疗计划控制，治疗时间一般5~20分钟。使用静态γ-刀时，病人治疗床和其他部件都不旋转或移动，放射源的射向和病人在整个治疗期间都是固定的。治疗之后，采用X-CT、MRI或DSA来评价受治部位。

3.旋转式γ-刀 旋转式γ-刀是由中国深圳OUR公司率先研制成功的，它在静态式γ-刀的基础上作了重大改进，设计更为合理。旋转式γ-刀也只适用于头部。 旋转式γ-刀采用旋转聚焦的工作原理，装在旋转式源体上的30个放射源绕病灶中心做锥面旋转聚焦运动，由于射线束不是以固定路径穿越健康组织，致使健康组织中受到瞬时及几乎无伤害的照射，从而在病灶中心形成焦皮比达1000:1的聚焦治疗效果。

旋转式γ-刀的旋转式源体由半球缺状球墨铸铁制成，上有30个钴源装载位置及准直器孔道，分成6组，每组5个，按螺旋线交错有序地布置在球面上。当源体旋转时，则形成30个锥面，30个钴源的几何轨迹无一重迭，因此对健康组织损伤最小；而且，由于采用旋转式布置，相邻两个源的准直通道夹角最大，故射线产生“交叉半影”最小，使整机的焦点品质大为提高。

4.全身γ-刀 全身γ-刀的工作原理与动态旋转式头部γ-刀相同，只是总体结构布局、放射源钴60的分布、屏蔽与防护、以及人体的全身立体定位更为复杂。全身γ-刀主要适用于躯干部位的肿瘤。

全身γ-刀由辐射单元、屏蔽支架结构、治疗床、立体定位系统、电气传动与控制系统及治疗计划系统组成。辐射单元由可作相对旋转运动的源体和准直体组成。源体是一个球冠体，按其经纬度有序地分布了30个钴60放射源。在源体的内腔装有与源体为同心球冠的准直体，在准直体上与放射源的布局相对应，排列了若干组不同孔径的准直孔和一组屏蔽体。由于源体和准直体可实现相对旋转运动，放射源可通过准直体自动形成不同束径的γ射线聚焦于球心点或实现关断屏蔽。由于治疗全身肿瘤的需要，全身γ-刀的旋转聚焦球心点位于辐射单元外部的结构空间中，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γ-刀具有一个特殊的治疗床和立体定位系统。由一个三维平台和活动床组成，活动床上建有三维标尺，并与X-CT、MRI等图像诊断设备相接口。人体固定在活动床上，考虑到人体呼吸和内脏器官的蠕动，用一套三维随动系统跟踪病灶，实现实时定位。全身γ-刀定位精度不劣于0.5mm，焦皮比与头部γ-刀相近似。

8.6 立体定向放射治疗装置 X-刀(X-knife) 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LINAC的立体定向放射外科装置，简称X-刀。

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。

因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，到1993年底，全世界共210台，仅美国就有83台。1994年中国开始引进X-刀。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。

X-刀的适应病症有：脑血管疾病（如颅内动静脉畸形、动静脉瘤）、颅内肿瘤（如垂体瘤、听神经瘤、脑膜瘤、颅内转移肿瘤）、功能性疾病（如帕金森氏综合症、癫痫、三叉神经疼等）。

X-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。

1. 医用电子直线加速器 医用电子直线加速器可产生4～18MeV的X射线或6～20MeV的电子射线。最新一代的加速器配有电子枪、调速管等，放射源可围绕等中心点作270～360°旋转。依靠放射源的垂直旋转与操作床180°范围内的水平旋转，使照射集中于等中心点上。

在直线加速器的头部安装有准直器，其作用是将X射线形成窄射束准确地聚焦于靶区（病灶），而使周围正常组织受到最小的损伤。一般采用圆形射束，直径4～50mm，按照一定间隔配备10～15个不同直径的准直器。

2. 立体定向装置 X-刀与γ-刀一样，需要将靶心精确定位，定位精度要求<0.5mm。 立体定向装置是头部立体定向框架（又称头架、头环、脑立体定向仪），其作用是精确地固定人头部的位置。有的头架上将四个颅骨螺旋钉固定于病人头部，固定效果好，但是一种侵入式的方式，适用于单次照射治疗；另一种头架通过病人的牙齿咬合枕骨固定垫和头带固定于头部，是非侵入式的，适用于需要重复照射的病人。

安装于头架上的CT定位架，在周围设有定标或在侧面装有定标线，接受CT扫描时用其确定每张CT片和CT片上每个点的精确位置。对于颅内血管疾病的病人，需要使用安装在头架上的血管造影架，用以确定血管病灶的空间位置。

3. X-刀治疗计划体系 与γ-刀一样，计算机治疗计划体系也是X-刀不可缺少的重要组成部分。治疗计划系统由计算机、图像输入装置、显示器及打印机组成，其任务是根据病人的CT、MRI和DSA（或Angiography）图像，确定病灶的大小和位置，标定靶区、计算靶心，最终制定出治疗计划和进行剂量分布计算。

治疗计划的制定方法如下：首先是定位，一般在局部麻醉下进行，将脑立体定向仪固定在病人头部，肿瘤病人采用CT定位，每2～4mm层厚连续扫描并通过图像三维重建，计算肿瘤的体积，脑血管畸形则采用数字减影脑血管造影（DSA）定位。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。

所测得的资料借助磁盘或光盘输入计算机，以便确定治疗方案。计算机处理后可绘制出病灶各层面的正、侧及轴位的剂量曲线，操作者可根据临床需要使之与靶点边缘准确重叠。较大或形状不规则病灶可选用多中心靶点。计算机根据选入的参数制定治疗方案，包括单次或多次照射、每次照射时间、靶点的坐标位置、准直器选择形式等，以使射线准确集中于病灶上，避免损害其周围正常组织。

治疗时，定位系统首先按照治疗计划中给出的靶心位置，将靶心放置到加速器的等中心上，在治疗过程中加速器按照治疗计划中给定的照射弧旋转，其射束始终对准靶心，达到大剂量集中照射的目的。为保证治疗过程中的靶心始终位于中心上，还有专门的等中心校验装置（一种固定于头架上的等中心校验标记图及治疗室内的激光定位校验系统）对靶心位置进行精确地校验。