醫用電子直線加速器硬件系統的研究進展和臨床應用

[摘要] 醫用電子直線加速器（LINAC）是腫瘤放射治療中應用最廣泛的設備。近年來關于提高腫瘤治療精度的多葉準直器、圖像引導、六維床技術以及加快治療速度的容積旋轉調強放療和無均整技術的研究取得一系列的突破和發展。本文主要介紹上述技術發展的特點和臨床應用情況，并展望LINAC未來發展趨勢。

[關鍵詞] 醫用電子直線加速器；多葉準直器；圖像引導技術；六維床技術；容積旋轉調強放療；無均整技術

[中圖分類號] R197.39 [文獻標識碼] 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，腫瘤的發病率呈現上升趨勢，WHO預計到2020年癌癥的發病率和死亡率將會是現在的兩倍[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的提高而增加。近年來，放射治療主要設備醫用電子直線加速器（Linear Accelerator，LINAC）在多葉準直器（Multi-leaf Collimator，MLC）精度、治療床位置精度特別是6維床技術、圖像引導放療（Image Guided Radiotherapy，IGRT）等技術方面有了進一步發展，容積旋轉調強放療和無均整器（Flattening Filter Free，FFF）技術令治療速度明顯加快。本文對其研究進展和臨床應用做一綜述。

1醫用電子直線加速器的發展歷程

在居里夫人發現天然放射物質鐳后，人們就開始探討放射線在醫學特別是腫瘤治療中的應用。深部X線治療機最早應用于臨床，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]，基本達到了腫瘤治療要求。放射物理學研究顯示，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意外照射事故，60Co治療機已逐漸被LINAC所取代。

LINAC是上世紀40年代開始研發的放射治療設備[2]，使用人工產生的放射源安全性能明顯提高。第一臺LINAC于1953年在倫敦Hammersmith醫院安裝，可以產生8MV能量的光子線。現代LINAC已經可以可靠、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的生產份額主要由美國Varian和瑞典Elekta兩家跨國公司占據。

Varian公司生產的Trilogy機型專為實施適型調強放射治療（Intensity-modulated Radiation Therapy，IMRT），可通過LINAC機架旋轉、MLC動態變化以及劑量率改變，進行容積旋轉調強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT），明顯提高腫瘤放射治療的速度；并通過圖像引導技術進行IGRT，明顯提高了放射治療的精度。Novalis TX 是Varian公司Trilogy機型與Brainlab公司合作的專為立體定向放射外科治療（亦稱X刀）設計的放療裝置，內置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、機載影像系統用于精確體位固定、IGRT和計劃驗證，位置精度控制系統（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，劑量率可達2499MU/min，不僅具有很高的放射生物學效應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等對設備精度要求極高的放療技術。2013年研發、尚未銷售的Versa HDTM可進行X刀治療，搭載160葉的高速高精度MLC、FFF技術、六維床，以期提高治療的精度。

2醫用直線加速器的硬件原理與結構的發展

現代LINAC添加了各種技術和人性化設計，特別是聚集精確控制、安全聯鎖保護，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試、安全聯鎖和故障報錯；設備與網絡系統、數據庫系統完整的兼容，方便病人數據調用、傳輸、存儲。其基本構造與早期設備相比也有明顯改進：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管，產生高頻脈沖的脈沖發生器，產生大量電子的電子槍以及射線束發生及修飾組件等等。以下分四個部分來重點講述.

2.1 電子產生及加速裝置

現代LINAC的電子槍可以單獨拆卸、便于更換，數字化的控制柵極、平面型飽和發射陰極、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：速調管和磁控管。速調管是一種微波功率放大器件，需要脈沖調制器產生的高頻電場，Varian系列LINAC常采用S波段的速調管。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，其體積相對于速調管更小，重量更輕。快轉換磁控管的應用改善了調強放療效率，降低了出束等待時間，且小劑量子野的劑量強度未有降落[3]。根據結構和原理，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，便于調節能量；駐波加速管效率很高，加速管和電子槍相對較短，但對脈沖調制器、自動穩頻系統、偏轉系統及微波傳輸系統的要求較高。Varian系列LINAC采用邊耦合腔的設置，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的治療機頭上有一系列的鎢靶、射線散射及均整系統可以將這樣的筆形電子束轉換為需要的治療射線。Varian公司TrueBeam機型采用無均整技術，劑量率可達到常規劑量率的2～6倍，明顯縮短治療時間，理論上減少機頭漏射線和治療中因器官運動、患者體態運動造成的治療誤差，國外學者已研究其在放療物理、生物學的獲益。Lang S等[4]對26例肺部和腹部腫瘤采用FFF模式進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。可見采用FFF技術可在獲得很好的體位控制和很高的治療效率。在放射生物學方面，北愛爾蘭癌癥中心報告了前列腺癌和非小細胞肺癌細胞經6mV光子線分別在常規均整和無均整高劑量率下照射[5]，結果發現無均整高劑量率情況下對腫瘤細胞的損害并未出現很好的對比效果，尚需進一步體內放療研究。

鉛擋塊、MLC可以形成適合腫瘤形狀的復雜射野。鉛擋塊可以形成更復雜的劑量修飾且故障率低，但MLC適合動態IMRT和弧形調強治療。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行移動來調整治療野中的劑量梯度。早期使用鉛擋塊實現調強的算法，強度調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跟蹤算法調用光學攝像頭采集的信息，調整MLC的位置，可以提高逆向優化的弧形調強治療精度[6]。

MLC設計的難點在于需要除了要確保與加速器機架、計劃射野調整同步，還必須在多野調強治療時，通過分野來改變單野的劑量梯度。Varian系列LINAC首先使用滑窗技術改善了調強治療分野時MLC運動到位時間過長的問題。滑窗技術是指通過MLC連續地往一個方向滑動，同時保持LINAC出束，從而提高了調強分野治療的速度。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、清潔或對原有產品升級。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 影像學系統

得益于先進的在線圖像技術，IGRT技術在放射治療領域快速發展。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）等裝置進行快速重建，實現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治療精度，采用帶CBCT的加速器在治療前進行靶區位置的實時確認，可以改善這一情況。

CBCT技術對放射治療的靶區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變化對危機器官的劑量影響[8]。Varian 公司收購Calypso醫療公司后，通過美國食品藥品管理局510（k）通知許可，可以使用表面標記轉發器，通過電磁波等形式來實時呼吸監控以確認腫瘤位置的變化。可以預見類似呼吸門控和腫瘤位置實時監控會作為今后IGRT技術的發展趨勢。ThorwarthD等[9]報道了結合正電子發射斷層掃描（Positron Emission Tomography，PET）和磁共振影像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）進行放射治療計劃系統設計的可行性。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的個體化參數，可同步查看腫瘤的解剖結構、功能和分子水平特征以進行準確的腫瘤靶區勾畫和放射治療計劃設計，使靶區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計時仍需進行更多的可行性探討。

2.4 治療床

LINAC產生的放射線能量高，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生、以及保證患者體位固定的重復性和治療的精度。目前加速器廠商都使用質量輕、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軸，可以靈活地擺位以便適用于復雜的體位固定方式。Vanetti E等[10-12]比較了早期的標準治療床和IGRT碳纖維治療床在機架角度分別為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計時，發現與IGRT治療床相比早期的標準治療床對劑量影響較大，特別是在實施IMRT精準放射治療時。

現代四維圖像引導LINAC搭載六維床進行精準放射治療。六維床可看成在已有治療床上加一個機械負載裝置，通過IGRT引導可進行三個直角坐標軸X、Y、Z方向上的平移和旋轉運動，提高了腫瘤治療的精度。現代LINAC是一個包含治療計劃系統、數據庫的軟硬件結合系統，考慮到治療床對固定體位和射線束衰減的影響，治療計劃系統大都包含有治療床的修正參數，針對其對劑量的影響相應地調整參數，以提高放射治療精度。

3放療設備的現在和未來

3.1臨床使用的其他類型加速器

包括實時動態追蹤成像治療的射波刀（CyberKnife），以及螺旋斷層MV級治療設備（TomoTherapy）。 CyberKnife是一種無框架圖像引導放射外科手術機器人技術，與有框架結構的伽馬刀和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圖像引導下進行類似外科手術切除效果的放射性毀損。因其無框架結構可對全身腫瘤進行放療，實現圖像引導放療腫瘤靶區，周圍正常組織受照劑量明顯降低，可獲更高的腫瘤控制率，患者的生存質量明顯改善。

TomoTherapy具有類似于診斷CT的固定機架，采用MV級X射線發生器取代了診斷CT用的X線球管，以螺旋斷層掃描方式進行放射治療，在旋轉一圈過程中可有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，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）領域具備優勢，采用患者固定裝置、動態多葉準直器（Dynamic MLC，DMLC）的方式對腫瘤進行實時跟蹤。因搭載Brainlab的紅外位置精度系統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質子加速器和離子加速器

質子或其他重離子具備高線性能量轉換（Linear Energy Transfer，LET）減少亞致死損傷修復、高相對生物效應 （Relative Biological Effect，RBE）和增加對乏氧細胞的殺傷等放射生物學特點[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特性，可通過旋轉降能片和楔形過濾器[15]改變Bragg峰使其高劑量區域變寬以適應腫瘤靶區的形狀，而在Bragg峰后出現劑量迅速衰減使正常組織受照劑量減少。這些特性優于目前廣泛使用的光子線和電子線，已應用于復發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、輻射防護要求高以及維護成本高，導致臨床開展質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研究委員會下屬的粒子加速器項目團隊正研究固定磁場交變梯度（Fixed Field Alternating Gradient， FFAG）加速器[16]。這種加速器結合了回旋加速器和同步加速器的優點，在固定磁場下可高效加速強子，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，生產更小型的粒子加速器設施。

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

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（收稿日期：2013-07-16）