醫(yī)用電子直線加速器硬件系統(tǒng)的研究進(jìn)展和臨床應(yīng)用

[摘要] 醫(yī)用電子直線加速器（LINAC）是腫瘤放射治療中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。近年來關(guān)于提高腫瘤治療精度的多葉準(zhǔn)直器、圖像引導(dǎo)、六維床技術(shù)以及加快治療速度的容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療和無均整技術(shù)的研究取得一系列的突破和發(fā)展。本文主要介紹上述技術(shù)發(fā)展的特點和臨床應(yīng)用情況，并展望LINAC未來發(fā)展趨勢。

[關(guān)鍵詞] 醫(yī)用電子直線加速器；多葉準(zhǔn)直器；圖像引導(dǎo)技術(shù)；六維床技術(shù)；容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療；無均整技術(shù)

[中圖分類號] R197.39 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-9701（2013）27-0019-03

隨著人類壽命的延長、生活水平的改善，腫瘤的發(fā)病率呈現(xiàn)上升趨勢，WHO預(yù)計到2020年癌癥的發(fā)病率和死亡率將會是現(xiàn)在的兩倍[1]。作為腫瘤治療的三大主要手段之一，放射治療在現(xiàn)代腫瘤臨床治療的地位舉足輕重，約70%的腫瘤患者需要接受放療來治愈或改善病情，并且這一比例將隨著放射治療技術(shù)的提高而增加。近年來，放射治療主要設(shè)備醫(yī)用電子直線加速器（Linear Accelerator，LINAC）在多葉準(zhǔn)直器（Multi-leaf Collimator，MLC）精度、治療床位置精度特別是6維床技術(shù)、圖像引導(dǎo)放療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）等技術(shù)方面有了進(jìn)一步發(fā)展，容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療和無均整器（Flattening Filter Free，F(xiàn)FF）技術(shù)令治療速度明顯加快。本文對其研究進(jìn)展和臨床應(yīng)用做一綜述。

1醫(yī)用電子直線加速器的發(fā)展歷程

在居里夫人發(fā)現(xiàn)天然放射物質(zhì)鐳后，人們就開始探討放射線在醫(yī)學(xué)特別是腫瘤治療中的應(yīng)用。深部X線治療機(jī)最早應(yīng)用于臨床，因其能量不足，一直處于放射治療的次要地位。60Co治療機(jī)因放射性同位素60Co在衰變過程中釋放平均能量為1.25MeV的γ射線[2]，基本達(dá)到了腫瘤治療要求。放射物理學(xué)研究顯示，能量越高的光子線其皮膚表面劑量顯著降低，百分深度劑量明顯增加，適用于深部腫瘤的治療；而且60Co源更換、保管以及報廢處理時容易出現(xiàn)意外照射事故，60Co治療機(jī)已逐漸被LINAC所取代。

LINAC是上世紀(jì)40年代開始研發(fā)的放射治療設(shè)備[2]，使用人工產(chǎn)生的放射源安全性能明顯提高。第一臺LINAC于1953年在倫敦Hammersmith醫(yī)院安裝，可以產(chǎn)生8MV能量的光子線?，F(xiàn)代LINAC已經(jīng)可以可靠、靈活、精確地提供多檔高能量的光子線和電子線。目前世界上LINAC的生產(chǎn)份額主要由美國Varian和瑞典Elekta兩家跨國公司占據(jù)。

Varian公司生產(chǎn)的Trilogy機(jī)型專為實施適型調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity-modulated Radiation Therapy，IMRT），可通過LINAC機(jī)架旋轉(zhuǎn)、MLC動態(tài)變化以及劑量率改變，進(jìn)行容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT），明顯提高腫瘤放射治療的速度；并通過圖像引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行IGRT，明顯提高了放射治療的精度。Novalis TX 是Varian公司Trilogy機(jī)型與Brainlab公司合作的專為立體定向放射外科治療（亦稱X刀）設(shè)計的放療裝置，內(nèi)置120片高精度的MLC，葉片投影寬度中心部分0.25cm，周邊為0.5cm。搭載了紅外追蹤裝置、機(jī)載影像系統(tǒng)用于精確體位固定、IGRT和計劃驗證，位置精度控制系統(tǒng)（ExacTrac X-ray）提高擺位精度，有專用于X刀治療的1000MU/min高劑量率模式。Varian公司最新機(jī)型TrueBeam直線加速器提供6MV和9MV兩檔高劑量率模式光子線，采用FFF技術(shù)，劑量率可達(dá)2499MU/min，不僅具有很高的放射生物學(xué)效應(yīng)而且極大地縮短了治療時間。

Elekta公司Synergy VMAT搭載錐形束CT、電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device， EPID），可以做IMRT、VMAT、IGRT等對設(shè)備精度要求極高的放療技術(shù)。2013年研發(fā)、尚未銷售的Versa HDTM可進(jìn)行X刀治療，搭載160葉的高速高精度MLC、FFF技術(shù)、六維床，以期提高治療的精度。

2醫(yī)用直線加速器的硬件原理與結(jié)構(gòu)的發(fā)展

現(xiàn)代LINAC添加了各種技術(shù)和人性化設(shè)計，特別是聚集精確控制、安全聯(lián)鎖保護(hù)，如重要的信號端都會留出指示燈或接口方便檢修；界面包含幾乎所有的功能調(diào)試、安全聯(lián)鎖和故障報錯；設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完整的兼容，方便病人數(shù)據(jù)調(diào)用、傳輸、存儲。其基本構(gòu)造與早期設(shè)備相比也有明顯改進(jìn)：包括提供電子加速場所的加速管，用于加速電子的微波場的源器件即磁控管或速調(diào)管，產(chǎn)生高頻脈沖的脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生大量電子的電子槍以及射線束發(fā)生及修飾組件等等。以下分四個部分來重點講述.

2.1 電子產(chǎn)生及加速裝置

現(xiàn)代LINAC的電子槍可以單獨拆卸、便于更換，數(shù)字化的控制柵極、平面型飽和發(fā)射陰極、實時變化的劑量率，是開展IMRT的必要條件。LINAC常用微波功率源分為兩種：速調(diào)管和磁控管。速調(diào)管是一種微波功率放大器件，需要脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的高頻電場，Varian系列LINAC常采用S波段的速調(diào)管。磁控管多用于中低能量的直線加速器（6MV、10MV等），Elekta系列LINAC普遍配備該裝置，其體積相對于速調(diào)管更小，重量更輕?？燹D(zhuǎn)換磁控管的應(yīng)用改善了調(diào)強(qiáng)放療效率，降低了出束等待時間，且小劑量子野的劑量強(qiáng)度未有降落[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理，可以將加速管分為行波和駐波兩類。行波加速管效率較低，但其能譜較好，便于調(diào)節(jié)能量；駐波加速管效率很高，加速管和電子槍相對較短，但對脈沖調(diào)制器、自動穩(wěn)頻系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)及微波傳輸系統(tǒng)的要求較高。Varian系列LINAC采用邊耦合腔的設(shè)置，縮短了加速管的長度，提高了加速能量梯度。

2.2 射束形成及修飾裝置

經(jīng)過加速的筆形電子束能量不均勻、分布集中，不能直接用于治療。LINAC的治療機(jī)頭上有一系列的鎢靶、射線散射及均整系統(tǒng)可以將這樣的筆形電子束轉(zhuǎn)換為需要的治療射線。Varian公司TrueBeam機(jī)型采用無均整技術(shù)，劑量率可達(dá)到常規(guī)劑量率的2～6倍，明顯縮短治療時間，理論上減少機(jī)頭漏射線和治療中因器官運動、患者體態(tài)運動造成的治療誤差，國外學(xué)者已研究其在放療物理、生物學(xué)的獲益。Lang S等[4]對26例肺部和腹部腫瘤采用FFF模式進(jìn)行立體定向體部放射治療，記錄腫瘤治療前后的錐形束斷層掃描圖像的變化。結(jié)果顯示出束劑量率為（442～1860）MU/min ，出束時間平均為1.6min，治療時間平均為18.5min，治療期間腫瘤位置變化平均為2mm?？梢姴捎肍FF技術(shù)可在獲得很好的體位控制和很高的治療效率。在放射生物學(xué)方面，北愛爾蘭癌癥中心報告了前列腺癌和非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞經(jīng)6mV光子線分別在常規(guī)均整和無均整高劑量率下照射[5]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無均整高劑量率情況下對腫瘤細(xì)胞的損害并未出現(xiàn)很好的對比效果，尚需進(jìn)一步體內(nèi)放療研究。

鉛擋塊、MLC可以形成適合腫瘤形狀的復(fù)雜射野。鉛擋塊可以形成更復(fù)雜的劑量修飾且故障率低，但MLC適合動態(tài)IMRT和弧形調(diào)強(qiáng)治療。在治療過程中，MLC葉片不僅能隨著照射野形狀變化，還能在出束的時候進(jìn)行移動來調(diào)整治療野中的劑量梯度。早期使用鉛擋塊實現(xiàn)調(diào)強(qiáng)的算法，強(qiáng)度調(diào)制的梯度往往因為鉛塊尺寸的原因過大，對治療計劃的劑量分布造成不良影響。采用MLC跟蹤算法調(diào)用光學(xué)攝像頭采集的信息，調(diào)整MLC的位置，可以提高逆向優(yōu)化的弧形調(diào)強(qiáng)治療精度[6]。

MLC設(shè)計的難點在于需要除了要確保與加速器機(jī)架、計劃射野調(diào)整同步，還必須在多野調(diào)強(qiáng)治療時，通過分野來改變單野的劑量梯度。Varian系列LINAC首先使用滑窗技術(shù)改善了調(diào)強(qiáng)治療分野時MLC運動到位時間過長的問題?；凹夹g(shù)是指通過MLC連續(xù)地往一個方向滑動，同時保持LINAC出束，從而提高了調(diào)強(qiáng)分野治療的速度。MLC葉片的寬度決定了適形精度，Varian提供多種制式的MLC，中心葉片寬度從0.25cm到1.0cm，專用于X-刀的高精度MLC（HD120），中心葉片投影寬度為0.25cm，可形成22cm×40cm的射野。Elekta系列LINAC多使用葉片投影寬度1.0cm的MLC，其新推出的AgilityTM型號MLC共160片，等中心投影寬度為4mm，平均葉間漏射線為0.5%，半影平均為6.2mm，相比早期產(chǎn)品有了很大的提高[7]。

兩家公司MLC葉片寬度不同是由于MLC裝配位置不同，Varian公司的MLC安裝在鉛門下邊，離患者更近；Elekta的MLC則相反，離靶更近。對于制造工藝來說，離患者更近的MLC在相同的等中心位置投影要求下可以做得更大一些，在葉片設(shè)計凹凸槽等制造工藝的要求降低，并且方便維修拆除、清潔或?qū)υ挟a(chǎn)品升級。相同條件下離患者近的MLC相鄰葉片的縫隙會更少，這有助于減少總的葉間漏射線。Elekta公司最新推出的第二代MLC對減少葉間漏射線有了很大改善。

2.3 影像學(xué)系統(tǒng)

得益于先進(jìn)的在線圖像技術(shù)，IGRT技術(shù)在放射治療領(lǐng)域快速發(fā)展。攜帶IGRT的LINAC一般采用kV射線、MV射線、MV級探測板或錐形束CT （Cone-Beam Computed Tomography，CBCT）等裝置進(jìn)行快速重建，實現(xiàn)治療過程中位置匹配以提高治療精度。早期CT使用平行束掃描或扇形束掃描，過渡到現(xiàn)在的錐形束掃描方式，掃描速度和重建速度得以提升。IGRT技術(shù)理論上可以大大減少擺位誤差，減少正常組織的受照劑量。例如在乳腺癌術(shù)后照射的治療中，治療體位通常采用雙手上舉的姿勢以避免不必要的手臂組織照射。但手臂姿勢的變化可能影響到靶區(qū)治療精度，采用帶CBCT的加速器在治療前進(jìn)行靶區(qū)位置的實時確認(rèn)，可以改善這一情況。

CBCT技術(shù)對放射治療的靶區(qū)劑量保證和危及器官的劑量影響是否有益，還需要大量的實驗研究，這也是目前研究的熱門課題之一。近期Graff P等報道了CBCT的重新擺位可以保證靶區(qū)的體積覆蓋，但是對危及器官的劑量影響要大于病人治療過程中自身解剖學(xué)變化對危機(jī)器官的劑量影響[8]。Varian 公司收購Calypso醫(yī)療公司后，通過美國食品藥品管理局510（k）通知許可，可以使用表面標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā)器，通過電磁波等形式來實時呼吸監(jiān)控以確認(rèn)腫瘤位置的變化?？梢灶A(yù)見類似呼吸門控和腫瘤位置實時監(jiān)控會作為今后IGRT技術(shù)的發(fā)展趨勢。ThorwarthD等[9]報道了結(jié)合正電子發(fā)射斷層掃描（Positron Emission Tomography，PET）和磁共振影像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）進(jìn)行放射治療計劃系統(tǒng)設(shè)計的可行性。PET、 MRI與CT圖像融合可提供并評估腫瘤精確診斷以及放射敏感性水平相關(guān)的個體化參數(shù)，可同步查看腫瘤的解剖結(jié)構(gòu)、功能和分子水平特征以進(jìn)行準(zhǔn)確的腫瘤靶區(qū)勾畫和放射治療計劃設(shè)計，使靶區(qū)位置精確并受到高劑量照射，正常組織盡量避免受到照射。

目前主要技術(shù)難題是腫瘤患者體位固定采用的熱塑面罩和真空袋可衰減PET信號，并且PET和MRI的量化誤差以及MRI圖像在特定情況下的幾何變形和誤差，會影響到靶區(qū)的勾畫和體積劑量修飾。因此，在PET和MRI圖像融合和放射治療計劃設(shè)計時仍需進(jìn)行更多的可行性探討。

2.4 治療床

LINAC產(chǎn)生的放射線能量高，對治療床的要求很高，包括盡量減少射線的衰減和次級散射線的產(chǎn)生、以及保證患者體位固定的重復(fù)性和治療的精度。目前加速器廠商都使用質(zhì)量輕、剛性好的碳纖維床，它能很好地支撐患者的身體，盡可能地降低形變。治療床的床體和床面分別有一個旋轉(zhuǎn)軸，可以靈活地擺位以便適用于復(fù)雜的體位固定方式。Vanetti E等[10-12]比較了早期的標(biāo)準(zhǔn)治療床和IGRT碳纖維治療床在機(jī)架角度分別為90°～180°和180°～270°，不同射野大小和光子線能量條件下對劑量衰減的影響。在采用無床修正的治療計劃設(shè)計時，發(fā)現(xiàn)與IGRT治療床相比早期的標(biāo)準(zhǔn)治療床對劑量影響較大，特別是在實施IMRT精準(zhǔn)放射治療時。

現(xiàn)代四維圖像引導(dǎo)LINAC搭載六維床進(jìn)行精準(zhǔn)放射治療。六維床可看成在已有治療床上加一個機(jī)械負(fù)載裝置，通過IGRT引導(dǎo)可進(jìn)行三個直角坐標(biāo)軸X、Y、Z方向上的平移和旋轉(zhuǎn)運動，提高了腫瘤治療的精度。現(xiàn)代LINAC是一個包含治療計劃系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，考慮到治療床對固定體位和射線束衰減的影響，治療計劃系統(tǒng)大都包含有治療床的修正參數(shù)，針對其對劑量的影響相應(yīng)地調(diào)整參數(shù)，以提高放射治療精度。

3放療設(shè)備的現(xiàn)在和未來

3.1臨床使用的其他類型加速器

包括實時動態(tài)追蹤成像治療的射波刀（CyberKnife），以及螺旋斷層MV級治療設(shè)備（TomoTherapy）。 CyberKnife是一種無框架圖像引導(dǎo)放射外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)，與有框架結(jié)構(gòu)的伽馬刀和X刀相似，采用一次或幾次大劑量分割放療，對體積較小的腫瘤可以快速實現(xiàn)圖像引導(dǎo)下進(jìn)行類似外科手術(shù)切除效果的放射性毀損。因其無框架結(jié)構(gòu)可對全身腫瘤進(jìn)行放療，實現(xiàn)圖像引導(dǎo)放療腫瘤靶區(qū)，周圍正常組織受照劑量明顯降低，可獲更高的腫瘤控制率，患者的生存質(zhì)量明顯改善。

TomoTherapy具有類似于診斷CT的固定機(jī)架，采用MV級X射線發(fā)生器取代了診斷CT用的X線球管，以螺旋斷層掃描方式進(jìn)行放射治療，在旋轉(zhuǎn)一圈過程中可有51個出束角度。這種治療方式縮短了治療時間，適用于全身腫瘤的放射治療，而且因劑量分布更加集中在腫瘤靶區(qū)，周圍正常組織劑量很小，從而獲得較高的腫瘤局部控制和較好的生存質(zhì)量。

BrainLab公司與三菱重工共同研制的VERO加速器在立體定向放射治療（SBRT）領(lǐng)域具備優(yōu)勢，采用患者固定裝置、動態(tài)多葉準(zhǔn)直器（Dynamic MLC，DMLC）的方式對腫瘤進(jìn)行實時跟蹤。因搭載Brainlab的紅外位置精度系統(tǒng)ETC和兩套錐形束CT，擁有平衡裝置的VERO直線加速器顯示出較理想的實時腫瘤跟蹤效果[13]。

3.2質(zhì)子加速器和離子加速器

質(zhì)子或其他重離子具備高線性能量轉(zhuǎn)換（Linear Energy Transfer，LET）減少亞致死損傷修復(fù)、高相對生物效應(yīng) （Relative Biological Effect，RBE）和增加對乏氧細(xì)胞的殺傷等放射生物學(xué)特點[14]，以及百分深度劑量（Percentage Depth Dose，PDD）曲線有布拉格峰的放射物理學(xué)特性，可通過旋轉(zhuǎn)降能片和楔形過濾器[15]改變Bragg峰使其高劑量區(qū)域變寬以適應(yīng)腫瘤靶區(qū)的形狀，而在Bragg峰后出現(xiàn)劑量迅速衰減使正常組織受照劑量減少。這些特性優(yōu)于目前廣泛使用的光子線和電子線，已應(yīng)用于復(fù)發(fā)或頑固性腫瘤的放射治療。但由于回旋型加速器的體積較大、輻射防護(hù)要求高以及維護(hù)成本高，導(dǎo)致臨床開展質(zhì)子或重離子治療的中心不多，放射治療仍以直線加速器為主。

英國工程和物理科學(xué)研究委員會下屬的粒子加速器項目團(tuán)隊正研究固定磁場交變梯度（Fixed Field Alternating Gradient， FFAG）加速器[16]。這種加速器結(jié)合了回旋加速器和同步加速器的優(yōu)點，在固定磁場下可高效加速強(qiáng)子，同時采用可變磁場梯度，能按照需要改變輸出的能量，并且粒子在布滿超導(dǎo)磁場的小型密閉空腔中加速，便于減少加速器臂架的尺寸，生產(chǎn)更小型的粒子加速器設(shè)施。

總之，LINAC等放療設(shè)備在滿足腫瘤臨床精準(zhǔn)放射治療的前提下，其未來會朝著腫瘤適形度更好、生物效應(yīng)更強(qiáng)、精確度更高、治療方案更具個體化、治療時間更短的方向發(fā)展，并將更有效地提高腫瘤的局部控制率，保障患者的生活質(zhì)量。

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（收稿日期：2013-07-16）