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1、1,第五章 常用放射治疗设备,张允清 2016-03-14,2,第一节 KV级X线治疗机,一、X线的产生原理 X线是由X线机球管阴极灯丝产生的高速电子突然受到阳极靶物质的阻挡而发生的。高速运动的电子撞击靶物质时，电子能量通过碰撞和辐射两种方式损失，前者主要产生热，后者主要产生X射线。产生X线有两种不同的机制：轫致辐射和特征辐射。 轫致辐射是指高速运动的电子撞击阳极靶面与原子核相互作用时放射出X线的现象。撞击过程中大部分能量变成热能（约99.8%）,仅有小部分变成X射线（约0.2%），这会导致X线管不能长时间连续使用。又由于电子在靶面上受阻的情况不同，电子动能转变的X线能量不同，自最大能量以下，
2、在任意一个能量上，X线强度均有分布，因此能谱是连续的。 轫致辐射强度与三个因素有关系：与X线管的管电流成正比；与X线管的管电压平方成正比；与阳极靶的原子序数有关且成正比。 特征辐射是指高速运动的电子撞击阳极靶面与原子相互作用时放射出X线的现象。产生机制是入射电子与原子的内层电子，通过电离作用将它打到外层或原子外面，在内层产生一个空位。此时，外层的其他电子会立即落到这个空位，多余的能量通过X线发射，这就是特征辐射。它与X球管的管电流，电子速度无关，只与靶物质的构成有关。,3,二、X线治疗机的一般结构 X线治疗由X线球管、治疗床和控制开关等结构组成。X线球管是最重要的部件，它主要由电子发射源、加速
3、电场、阳极靶和真空盒组成。X线的产生过程都是在真空盒中进行的。 三、X线治疗机的分类 临床治疗用的X线机根据能量高低分为： 临界X线（610kv）、接触X线（1060 kv）、浅层X线（60160kv）、 深部X线（180400kv）、高压X线（400kv1Mv）及高能X线（250Mv），后者主要由各类加速器产生。X线治疗机是最古老的外照射治疗机，与60Co治疗机、加速器相比，X线治疗机由于其绝缘限制，只能产生kv级X射线，其能量低，易散射，深部剂量分布差，表面吸收剂量大，目前临床上仅用于某些特殊部位的治疗以及作为电子束治疗的代用装置，但由于它的造价低廉，结构相对简单，适当调整电压和滤过板，对
4、表浅肿瘤和皮肤病的治疗仍占一席之地，且有较好的生物效应，国内外仍在继续研究、生产、使用X线治疗机。,4,X射线管,5,X射线治疗机（WEIDA),Energy: 6MeV(X-ray) Dose Date : 2GY/min Field size: 2X235X35cm,6,四、X线的能谱的特点 X线管放射的X线组成很复杂，是一束波长不等的混合能谱，从最长波长到最短波长是连续的。 从图52中看出X射线有两种成分，分别为特征辐射和轫致辐射。轫致辐射是X射线谱中主要成分，自最大能量以下，在任一能量范围内光子均有一定的强度。特征辐射指在连续谱上一些突出的峰值，即在某些特定能量处强度最大处。 图中虚线
5、是未加过滤的X线能谱，包括从零到峰值的所有能量，事实上低能部分对治疗毫无作用，并且使皮肤产生过高的剂量。因此去掉低能部分，而保留较高能量的X射线，才可以在临床上治疗病人。图中实线是经1mm铝滤过的X线能谱，这种通过附加滤过板，是X光治疗机常用的改变能谱的方法。光线经过滤过板后，低能部分被极大吸收，而高能部分吸收较少，显然经过改进后的X射线比原来的平均能量要高。,7,滤过板使用时的注意事项包括：不同X射线能量范围用不同的滤过板，100kV以下的用铝，以上的用铜或铜加铝或复合过滤；同一管电压的X射线，滤过板不同，所生X射线半价层也不同；使用复合滤过板时要注意放置的次序，沿射线方向，应先放原子序数大
6、的，后放原子序数小的，这样放置的主要目的是为了过滤掉滤板本身产生的特征谱线，同时也达到滤掉低能部分的目的；从理论上讲，滤过越多，谱线分布对治疗越好，但过多的滤过会使强度大大下降，不经济，要注意综合考虑。,8,第二节 远距离60Co治疗机,自1951年第一台钴-60（一般用60Co表示）远距离治疗机在加拿大生产以来，经过几十年的发展，一直是我国最主要的放射治疗设备，近年来第一的位置才逐渐让位给医用电子直线加速器。据统计，目前我国仍然有约400台60Co治疗机在服役。 60Co源的半衰期为5.27年，衰变产生的两条射线的能量为1.17和1.33MeV，平均能量为1.25MeV。外照射所用的60Co
7、源活度一般为（）量级，临床上为便于计算，常用距源1米处单位时间的照射量或空气比释动能来表示钴-60治疗机的源活度。,9,一、60Co治疗机的一般结构,60Co治疗机一般由以下八部分组成： 密封在圆柱罐中的60Co源；储源器及防护机头；遮线器；准直器系统；机架；治疗床；计时器及运动控制系统；辐射安全及联锁系统。60Co治疗机的一般结构见图5-3。,10,Co60治疗机（HMD-I）型,11,二、60Co治疗机几何半影及消半影装置,由于密封60Co源的圆柱罐有一定尺寸（一般直径1020mm，高2025mm），源发射的线束被准直器限束后，射野边缘受到强度不等的照射，因而产生由高到低的剂量渐变分布，用
8、几何半影表示，见图54。半影反映射野边缘剂量随距离中心轴长度增加而急剧变化的范围，通常用90和10或80和20等剂量线的侧向距离或来表示半影的大小。 设放射源的直径为S，根据相似三角形有 (式5-1) 则在深度处的几何半影为 (式5-2),12,从上式可以看出减小几何半影的方法：一是缩小放射源的直径，但因源活度及圆柱罐的限制，直径不能太小；二是加大准直器距源的距离，即减少准直器到患者皮肤间距离，但为避免准直器产生的电子污染，准直器到皮肤的距离应不小于15cm。目前设计的新型60Co治疗机采用在准直器下方安装同步运动的可伸缩的消半影调整片（trimmer bars），以减少几何半影。 外照射治疗
9、机的半影除了几何半影，还有穿射半影和散射半影。穿射半影是指由于准直器端面与边缘线束不平行，使线束穿透厚度不等而造成射野边缘剂量渐变分布；散射半影是指由于组织中的散射线造成射野边缘剂量渐变分布。这三种半影引起的射野边缘剂量随距离中心轴长度增加而急剧变化的范围，总称为该治疗机的物理半影。,13,三、60Co治疗机种类,60Co治疗机有直立式和旋转式两种类型，相应有两种类型的支持机构。每种类型的治疗机又可分为“百居里”治疗机和“千居里”治疗机两种。前者治疗距离在4060cm范围，后者一般在75cm以上。“百居里”治疗机有治疗距离短、百分深度剂量低、照射时间长等缺点，已不再使用。“千居里”甚至“万居里
10、”级治疗机较普遍，治疗距离可达100cm，百分深度剂量可与加速器低能X射线相比。直立型治疗机要求机头上下运动，一般运动范围为135cm左右，同时机头要能向一个方向旋转一定角度，以作切线之类的治疗。旋转型治疗机头不能升降，只能作360旋转。随着治疗技术的发展，直立式治疗机不再生产，主要为旋转型，源到等中心的距离多为80cm，国外也有100cm的产品。,14,现代的60Co治疗机都是采用机架端上伸出一治疗臂，臂上固定一照射头的形式（图5-5）。机架可绕水平轴(轴1)旋转，以便进行等中心治疗。机头上的光栏系统可绕垂直于机架轴的轴线(轴4)旋转。这两条轴线的交点构成治疗机系统的等中心点。治疗床能绕过等
11、中心的铅垂轴(轴5)转动，以实现非共面照射。有些机器还能以通过源点的水平轴轴2和(或)轴3转动，以满足某些特殊的治疗需要，如避免发散的扇形束接野时的重叠。除了这些转动自由度外，系统还可以有治疗床的上下、左右、前后和光栏的开启、闭合等运动自由度。,15,第三节 医用电子直线加速器,一、医用加速器的分类 在肿瘤治疗中，使用得最多的是电子感应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器三种。 电子感应加速器的优点是技术上比较简单，制造成本较低，电子束能量可达到要求的高度，可调范围大，且输出量足够大。但其最大的缺点是高能X线的输出量小，照射野也小。且机器体积庞大而笨重，给临床使用的等中心安装造成一定困难，目
12、前已退出临床使用。 电子直线加速器克服了以上缺点，其产生的电子束和高能X线均有足够的输出量，照射野较大(可达到40cm40cm)。缺点是结构复杂，成本昂贵，维护要求高。 电子回旋加速器既有电子感应加速器的经济性，又具有电子直线加速器的高输出特点，输出量一般比直线加速器高出几倍，能量也达到很高(可高达25MeV)，并可在很大范围内调节。其结构简单、体积小、重量轻、成本低，是医用加速器的发展方向，但至今制作工艺上尚有很大困难，还未能在临床广泛使用。,16,17,18,IGRT 在轨CT图像引导,同轨CT 加速器 治疗床,19,20,XHA 600C医用电子直线加速器,21,6.3.3 医用加速器（
13、3）,3、电子回旋加速器,22,三、医用电子直线加速器的基本结构,电子直线加速器是采用微波电场把电子加速到高能的装置，因加速的径迹成直线而得名，按微波传输的特点又分为行波和驻波加速器两类。一般医用电子直线加速器一般包含十部分基本结构：电子枪；微波功率源（磁控管或速调管）；加速管；DC直流系统；真空泵系统；伺服系统；偏转系统；剂量监测系统；机头；治疗床。具体结构见图5-6。,23,现代电子直线加速器的结构,24,25,二、医用电子直线加速器的射线类型和能量,一般医用电子直线加速器可产生MV级的X线和MeV级的电子线。临床上常用的X线能量范围多在615MV，电子线多在420MeV。多年的临床使用经
14、验表明，约15%的患者在治疗过程中需要电子束。目前主流的机型都为光子束带电子束直线加速器。如医科达precise医用电子直线加速器可产生6MV、10MV（可选）及15MV两档（或三档）X线束和6MeV、9 MeV、10 MeV、12 MeV、15 MeV及18 MeV 6档电子束。,26,四、医用电子直线加速器的加速原理,电子在电场中受电场力的作用而运动，可获得能量。电子直线加速器就是根据这一原理使用的频率在微波段的高频电磁波，在加速管中加速电子，使其获得能量。根据加速管中微波的不同工作形式，电子直线加速器可分为行波型和驻波型两类。,27,五、多叶准直器,（一）多叶准直器基本结构 多叶准直器（
15、MLC）是现代精确放射治疗的重要基础之一。MLC的基本构成单位是叶片，它一般由钨或钨合金制成，见图510。MLC一般由20160片组成，两片成一对，没对叶片宽度在等中心处的投影宽度约为5mm或10mm，立体定向放射治疗用的微型MLC叶片，其宽度在等中心处为3mm、4mm，甚至1.6mm。MLC叶片由手动的和电动的两种。电动MLC叶片是现在的主流，每一个叶片由一个电机驱动，通过丝杆将旋转运动改变成直线运动，运动在0.2-60mm/s范围内。,28,29,（二）MLC的漏射线和半影,射线穿过MLC叶片时，存在着三种漏射线：相邻叶片间的漏射线，射线穿过叶片产生的漏射线和叶片合拢时每对叶片端面间的漏射
16、线。MLC的漏射现象与射线能量也有一定的关系，能量不同，漏射程度也略有不同。 MLC叶片有一定的物理宽度，叶片便于形成的等剂量线近似为正弦波形。MLC的有效半影定义为，将MLC设置成叶片与轴成45角，用胶片剂量仪在组织最大深度测量半影，80等剂量线的波峰和20等剂量线的波谷，或90等剂量线的波峰和10等剂量线的波谷之间的距离。 叶片的宽度决定了MLC形成的不规则野与靶区形状的几何适形度，叶片宽度越薄，适形度越好。叶片高度必须是原射线的穿射不到原来强度的5%，也就是说需要4 5个半价层的高度。由于叶片间存在漏射线，会减低叶片对原射线的衰减效果，故叶片高度适当加厚，一般需要5cm厚的钨合金。,30,（三）MLC 的特点,常用的宽度为1cm的MLC的有效半影略大于铅挡块的半影，射野边界与靶区形状的适形性差，边缘剂量分布也略差。但是在临床使用时，随射野数目增加，并考虑到摆位重复性的误差，MLC与铅挡块在半影上的差别不大。并且MLC使用的时间要比铅挡块要少644。随着小MLC的使用，特别是小于1cm叶片宽度的使用，MLC与铅挡块
