放射治疗设备ppt课件

第六章放射治疗设备 1 第一节概述 放射治疗技术是通过人工射线或天然射线对肿瘤病人或其他病灶实施无创性治疗的现代放射治疗手段 人工射线是由各类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 2 第一节概述 一 放射线的发现与医学应用1895年 德国物理学家伦琴发现了X射线 1896年 法国物理学家贝克勒尔发现了放射性核素镭 1898年 法国物理学家居里夫妇成功地分离出了放射性核素镭 并首次提出了 放射性 的概念 为放射诊断学和放射治疗学奠定了基础 1899年 在瑞典的斯德哥尔摩 医生们首次应用电离辐射治疗皮肤癌病人 1905年 居里夫人与其他科学家一起发明了将核素镭用铂金封装成管状线源的放射源 用于治疗皮肤癌和宫颈癌 开发出近距离敷贴治疗和腔内放射治疗的新技术 3 第一节概述 1906年 人们发现 放射性核素产生的电离辐射仅对部分病种和病例有效 也发现了一些经过放射治疗后的放射损伤 当时 没有可靠的放射治疗设备 基本是手工操作 由于放射性核素随时都有放射性 因此对工作人员具有很大的辐射损伤和潜在的误照危险 并且也不知道怎样测量电离辐射的质和量 对放射治疗的机制也不是很清楚 所以 放射治疗技术一度步入低潮 4 第一节概述 二 千伏 kV 级X射线治疗设备1910年 美国人库里奇研制成功钨丝热阴极X射线管 1913年 库里奇研制成功140kV级X射线机 加在X射线管上的电压越高 X射线的能量就越高 辐射就越深 根据不同的能量范围 可将其分为以下三种类型 接触X射线治疗机 10 60kV 浅部X射线治疗机 60 160kV 深部X射线治疗机 160 400kV 后来还出现过800kV和1000kV的X射线治疗机 但由于技术和安全等原因而没有在临床上得到推广应用 5 第一节概述 由于千伏级X射线治疗机具有辐射可控性等优点 保障了工作人员的辐射安全性 因而受到设备操作人员的欢迎 但理论和实践都表明 千伏级X射线治疗机输出的X射线的能量仍然太低 其最大剂量分布在皮肤下较浅部位 当治疗较深部位肿瘤时 在肿瘤尚未得到足够剂量时 皮肤反应已经非常严重 但受材料和安全技术等因素的制约 其管电压不可能继续提高 因此 千伏级X射线治疗机后来逐步走入低谷 直至淘汰 目前已经很难见到 6 第一节概述 三 兆伏 MV 级X射线治疗设备兆伏级以上的射线装置 首先是原子能研究与核能研究领域的产物 在医学上的应用只是其众多应用领域的一个分支而已 1931 1937年 美国 法国和英国等国家 曾先后将输出能量为1 2 5MeV的电子静电加速器应用于临床放射治疗 1950年 加拿大科学家利用反应堆生产的人工放射性核素60钴 60Co 研制生产出外照射钴治疗机 这种装置可以发1 17MeV和1 33MeV两种 射线 其深度剂量分布2 5MeV的电子加速器相当 由于这种装置结构简单 成本较低 运行维护方便 为了开发更高能量并且适合于医用的放射治疗设备 7 第一节概述 在20世纪50 70年代 许多国家先后研究开发了各种不同类型的医用加速器 主要类型包括 电子回旋加速器 电子直线加速器 质子加速器和其他重离子加速器等 由于医用电子直线加速器可以输出不同能量的X射线和电子射线 输出能量可以从几个MeV到几十MeV 基本可以满足临床需求 且其相对成本较低 因而得到了迅速发展 8 第一节概述 四 放射治疗的发展放射治疗属于无创治疗 因此 照射部位 照射角度以及照射野形状的选择和病灶的定位就显得非常重要 普通放射治疗的常规定位方法 在模拟定位机 X射线透视 病灶部位 形状和照射角度等 人体表面画上标记 放射治疗机上实施放射治疗 显然 这种定位方法的位置误差较大 有时会影响疗效 9 第一节概述 1949年 瑞典的莱克塞尔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 日本的高桥提出了 适形 放射治疗原理 首创多叶准直器 1968年 瑞典的医科达公司推出了以60Co为辐射源的专门用于脑部肿瘤治疗的立体定向放射外科治疗装置 该装置是利用201颗60Co辐射源发出的 射线 经准直孔聚焦到脑部肿瘤进行精确放射治疗 治疗效果可与手术切除相媲美 故这种放射治疗装置被称为 刀系统 10 第一节概述 1974年 美国的Larsson等人提出了用医用电子直线加速器代替60Co做立体定向放射治疗的建议 开创了以医用电子直线加速器为放射源的精确放射治疗新起点 1977年 美国的Bjangard和Kijewski等提出了 调强适形 放射治疗原理 1984年 出现了以医用电子直线加速器为辐射源 采用非共面弧形旋转放射治疗的头部专用立体定向放射治疗装置 可以达到毫米级甚至更高的立体定向定位精度 由于医用电子直线加速器发出的是X射线 并且专门用于头部精确放射治疗 也可以达到类似于手术切除的治疗效果 故被称为头部X 刀 简称 头 刀 11 第一节概述 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X 刀 简称 体 刀 2003年之后 美国瓦立安公司 Varian 瑞典医科达公司 Elekta 和德国西门子 Siemens 等先后开发并推出了以医用电子直线加速器为核心的 调强适形 放射治疗设备 intensitymodulatedradiationtherapy IMRT 和 影像引导 放射治疗设备 imageguideradiationtherapy IGRT 标志着放射治疗设备已经进入了一个以 调强适形 和 影像引导 为核心技术内容的 12 第二节各种放疗设备简介 放射治疗设备 按照射方式可以分为体外照射和体内照射两大类 体外照射又称为远距离照射 简称外照射 是将放射源置于体外一定距离进行照射 放射线需经皮肤和正常组织才能到达肿瘤或病变组织 临床上常用的体外放射治疗设备有 千伏级X射线治疗机 60Co治疗机 医用电子直线加速器等 另外 外照射设备还包括性能更加优越的质子加速器和重粒子加速器等高能粒子加速器 但由于受到技术水平和设备造价等因素的制约 这类加速器还很难在放疗界得到推广应用 13 第二节各种放疗设备简介 体内照射也称为近距离照射 是通过人体的自然腔道或组织间置人的方法 将同位素放射源直接贴近病灶部位进行照射 其特点是对某些部位的病灶 如食管癌 直肠癌 宫颈癌等直接实施放射治疗 对周围组织损伤较小 治疗效果较好 一 医用加速器 14 第二节各种放疗设备简介 加速器是 带电粒子加速器 的简称 从微观上来说 我们无法用人工方法控制不带电的粒子 例如中子 但可以通过电场和磁场让带电的粒子 例如电子 质子等 加速或改变运动方向 所以 我们通常所说的加速器就是指 带电粒子加速器 加速器不但是人类开展高能物理研究 探索物质内部结构并开展核能研究与应用的必备工具 也在辐照加工 无损检测 食品保鲜 医学诊疗 消毒灭菌和环境治理等许多民用领域得到广泛应用 15 第二节各种放疗设备简介 按照加速原理可以分为 直流高压型加速器 谐振型加速器 感应型加速器 按照加速路径可以分为 直线加速器和回旋加速器 按照加速能量可以分为 低能加速器 100MeV以下 中能加速器 100MeV至1GeV 高能加速器 1GeV以上 医用加速器则一般称为中能机或低能机 16 第二节各种放疗设备简介 按照粒子类型可分为 电子加速器 质子加速器 重粒加速器和中子治疗加速器 按照用途可分为放射治疗用加速器 为PET提供诊断专用核素的加速器两类 二 千伏级X射线治疗机基本结构和工作原理 17 第二节各种放疗设备简介 由于千伏级X射线治疗机的作用是提供治疗用的X射线 所以不用配置影像增强器和相关的影像处理器件 18 第二节各种放疗设备简介 三 60Co治疗机放射性核素60Co发射出的 射线可以达到兆伏 MV 级能量 具有更强的穿透能力 不但可以治疗浅表组织的病变 还适合于治疗较深处的病变 而且结构比较简单 制造和运行成本都比较低 因此自20世纪60年代起 外照射60Co治疗机就逐步取代了千伏级X射线治疗机而成为当时临床放射治疗设备的主流机型 19 第二节各种放疗设备简介 一 基本结构60Co治疗机按结构分有固定式和旋转式两种类型 20 第二节各种放疗设备简介 1 治疗机头 21 第二节各种放疗设备简介 为使放射源能在关机储存和开机照射状态之间自如转换 治疗机头内必须安装遮线器装置 当遮线器处于关位时 射线束被遮挡 治疗机处于安全状态 当遮线器处于开位时 射线束从机头射出 处于治疗状态 常用的遮线器有 钨门式遮线器 旋转式遮线器 水银柱式遮线器和抽屉式遮线器等4种基本形式 22 第二节各种放疗设备简介 2 准直器限制射线束的范围 即改变照射野大小以适应治疗需要 根据国际放射防护委员会 ICRP 推荐 准直器的厚度应使漏射量不超过有用照射量的5 按照这个要求 60Co准直器的最小吸收厚度应为4 5个半价层 准直器一般有固定式和可调式两种 23 第二节各种放疗设备简介 钴源包壳一般是直径为20mm厚的不锈钢容器 并非 点源 因此 半影 较大 为了减少几何半影 准直器距体表越近越好 但太近不利于机器转角旋转 准直器一般距离体表不能低于15 20cm 为了减少穿射半影 准直器的厚度应 4 5半价层 也就是说用铅作准直器时厚度应 7cm 而且均采用复式球面结构 24 第二节各种放疗设备简介 3 治疗机架治疗机架是机器的支撑装置 整个机器的所有部件都由机架将其连为一体 直立固定式60Co机的机架较为简单 主要就是支撑防护机头和平衡体 4 治疗床治疗床要能够承载足够体重的病人 当射线通过时 其吸收剂量小 散射少 床面能垂直升降 既满足治疗需要 病人上下床方便 左右移动灵活 又可保持稳定 纵向移动也是同样要求 床座和床面都可旋转角度都是 90 25 第二节各种放疗设备简介 5 控制系统60Co治疗机的控制系统由电气控制 机械控制和安全保护控制等部分组成 为保证机器的正常运行 保证病人及工作人员的安全 60Co治疗机必须设置一系列的安全连锁装置 这些装置都连接到主控电路中 也就是说 无论哪一个安全连锁不在正常位置 机器都不能顺利出源治疗 26 第二节各种放疗设备简介 二 工作原理临床上常用的钴源多是颗粒状 钴粒被封装在金属不锈钢包壳里面 封装好的钴源 平时被存储在机头的 源容器 内 需要治疗时 通过特制的机械装置 将钴源自动推到照射窗口处 通过准直器等射线控制与遮挡装置进行放射治疗 治疗结束后 机器会自动将钴源拉回 源容器 内储存 由于60Co源是活度很高的放射性核素 如果回源不到位 就会造成放射事故 因此 必须随时检查钴源归位情况 以保证病人和工作人员不会因为意外照射而受到伤害 27 第二节各种放疗设备简介 优点 结构简单 成本较低 因此 目前在中小医院仍有一定的市场 缺点 射线的剂量分布特性不够理想 皮肤受量较大 能量不可调节 适应证受到一定限制 28 第二节各种放疗设备简介 四 刀系统 刀系统是以许多颗60Co颗粒为辐射源的三维聚焦脑部精确放射治疗系统 目前临床上应用的 刀系统基本上都是以201颗60Co为辐射源的高精度聚焦放射治疗系统 29 第二节各种放疗设备简介 60Co为辐射源的 刀系统优点 无手术创伤 用 刀系统不用开颅即可 切除 颅内病变 治疗中不需麻醉 病人保持清醒 无痛苦 不出血 无术后感染 手术精确 误差小 如使用得当 对周围组织不会造成伤害 简便 省事 通常只需治疗一次 手术时间一般只需要3 5h 病人可在门诊或住院1 2d内完成 不良反应小 不需术后疗养 30 第二节各种放疗设备简介 缺点 辐射源具有放射性污染 对工作人员具有潜在的放射损伤危险 功能比较单一 适应症少 只适用于脑部病灶 设备造价高 性价比较低 31 第二节各种放疗设备简介 五 X 刀系统X 刀系统是以医用加速器为核心设备 附加三维立体定向定位装置 在现代影像设备 CT MRI等 和计算机技术的配合下 实施立体定向精确治疗的放射治疗系统 用于脑部精确放射治疗的X 刀系统称为头部X 刀系统 简称 头 刀 用于体部精确放射治疗的X 刀系统称为体部X 刀系统 简称 体 刀 32 第二节各种放疗设备简介 33 第二节各种放疗设备简介 X 刀系统的基本工作原理 将病人固定于三维立体定位坐标上 使病灶处于三维坐标之内 经CT MRI 断层扫描得到带有特定三维坐标的图像之后 在X 刀治疗计划系统的计算机上进行三维图像重建 同时勾画出靶区和重要器官 并确定靶区在三维坐标上的精确位置 设计出最合理的治疗计划 进行治疗时 病人仍要置于图像扫描时的三维坐标之内 并保持人体与三维坐标之间的原始位置不变 通过三维坐标系统与医用加速器系统的配合设置 使病灶严格置于加速器的等中心处 在计算机控制下 按照设计好的治疗计划进行多角度 多弧面 全方位立体定向聚焦放射治疗 可以达到与 刀 系统类似的治疗效果 34 第二节各种放疗设备简介 X 刀系统不但与 刀系统具有相同的治疗优势和治疗效果 而且可以一机多用 平时做普通放射治疗 需要时可做头部X 刀或体部X 刀 投资少 效率高 因此 X 刀系统具有全面取代 刀系统的趋势 另外 适形放疗 和 调强放疗 是近年来和未来的放疗热点 35 第三节放疗配套设备 一 模拟定位机用途 在对病人进行放射治疗之前 必须使用另外的诊断设备确定病人体内病变的部位 大小 形状 深度以及病变部位与重要器官之间的相对位置等 同时 还要确定加速器的照射方向 照射野的大小和形状 确定机架 机头和治疗床的旋转角度等相关的机械参数 这些工作要在独立安装的模拟定位系统上进行 常用的模拟定位系统是模拟定位机 36 第三节放疗配套设备 一 模拟定位机 一 常规模拟定位机 37 第三节放疗配套设备 模拟定位机在整个放射治疗计划设计过程中有着重要作用 1 靶区及重要器官的定位2 确定靶区 或危及器官 的运动范围3 治疗方案的确认4 勾画射野和定位 摆位参考标记5 拍射野定位片和证实片6 检查射野挡块的形状及位置 38 第三节放疗配套设备 二 CT模拟定位机随着计算机技术和医学影像技术的发展 肿瘤的放射治疗进入了 精确定位 精确计划 精确治疗 的 三精 时代 CT模拟定位系统 由一台CT扫描机 一套虚拟定位及计划系统和一套三维 或四维 移动激光射野模拟系统 39 第三节放疗配套设备 CT模拟具有传统X射线模拟无法比拟的优点 1 CT模拟过程中无需患者在整个模拟过程中保持治疗体位 患者在CT床上保持治疗体位5 10分钟 完成CT扫描和体表中心标记后即可离开 2 CT模拟过程中图像质量 大小 观察角度都可以按照需要进行调整 肿瘤靶区器官和组织的三维结构是在治疗计划系统中通过简单的坐标叠加和勾画形成 三维轮廓的精确性随CT扫描层厚和间距的加大而变化 因而可清晰显示计划者感兴趣的结构 40 第三节放疗配套设备 3 在工作站上进行的虚拟模拟具有传统X射线模拟机所有的功能 机架角度 光阑角度 床角度 射野大小及形状 组织补偿器的设置等 4 靶区和危险器官的可视性是传统模拟机无法比拟的5 CT模拟使得常规模拟难以实现的复杂的射野设计 如多野非共面照射 变得轻而易举 6 CT模拟输出的射野验证片可使得照射野参数和修饰是否正确在治疗前就能得到验证 7 采用CT模拟修改射野时无需患者在场 41 第三节放疗配套设备 二 放射治疗计划放疗患者从就诊 治疗到治疗结束一般分为四个步骤 体模阶段 计划设计 计划确认 计划执行 放射治疗计划就是在专用计算机系统的帮助下确定照射方式 计算出该照射方式的结果 再调整照射方式 直到满意为止 治疗计划系统的使用需要具备专业经验的经过特别培训的物理师和医师 医师确定肿瘤靶区和危及器官 临床剂量要求 评价治疗方案 物理师负责设计并修改照射方案 从剂量学角度协助医师评价结果 输出各种治疗所需资料等其它技术工作 42 第三节放疗配套设备 三维和调强放疗计划系统是目前放射治疗中使用最广泛 最完善和精度最高的治疗计划系统放射治疗计划过程包括患者数据获取 照射方案设计优化 照射方案实施准备三个环节治疗计划所依据的影像资料为断层扫描图像 照射野的设计中 主要内容包括 确定照射野的数量 选择最佳的入射方向和各个照射野的形状 从而确定加速器的机架旋转角度 机头旋转角度 准直器 包括MLC 的开野大小和形状等射野参数 43 第三节放疗配套设备 剂量计算是治疗计划系统的核心内容之一 剂量计算功能包括剂量计算和剂量优化 病人体内的肿瘤或者病变组织一般呈现不规则的立体几何形状 因此 要根据前面确定的射野参数 选择合适的射线能量和各个照射野的照射剂量 并迅速计算出多束射线共同形成的剂量分布情况 剂量分布原则 病灶要全部处在高剂量区 正常组织要处在低剂量区 而重要器官的剂量分布必须低于耐受剂量 如果剂量分布不够理想 可以适当调整相关参数进行重新计算 直到比较理想为止 44 第三节放疗配套设备 治疗计划的评估分为定量评估法和品质评估法 定量评估一般是采用体积直方图 DVH 的方法来表示病变组织和正常组织接受照射剂量的百分比 从而评价所设计的治疗计划是否符合要求 品质评估目前多是采用 等剂量曲线 法 在二维图像上表示不同的剂量分布区域 这种方法比较直观 因此 在放射治疗计划系统中得到了比较广泛的应用 45 第三节放疗配套设备 三 体位固定设备 一 体位固定的临床意义放射治疗技术是一种 非接触式 治疗手段 在治疗过程中 病人体内的肿瘤或病变组织是看不见 摸不着的加速器等各类放射源输出的射线也是看不见 摸不着的 所以 如何保证射线束能够准确地照射到靶体积上 除了加速器等射线装置本身的射线束控制精度与等中心机械精度需得到保证之外 更重要的一条就是如何保证病人在放射治疗时的摆位精度和多次治疗时的重复精度 46 第三节放疗配套设备 二 体位固定设备的类型根据不同的放射治疗技术水平和不同的治疗精度要求 体位固定设备可以分为常规摆位设备和三维坐标定位体系等多种类型 常规摆位设备常规放射治疗使用的体位固定设备 我们称之为常规摆位设备 热塑性面膜 三维坐标定位体系就是为了适应高精度放射治疗而设计的专用体位固定设备 真空成型垫与三维坐标体架 47 第四节医用直线电子加速器 医用直线电子加速器是生物医学上的一种用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置 带电粒子加速器是用人工方法借助不同形态的电场 将各种不同种类的带电粒子加速到更高能量的电磁装置 常称 粒子加速器 简称为 加速器 粒子加速过程所遵循的轨道不同被分为各种类型加速器 目前国际上 在放射治疗中使用最多的是医用电子直线加速器 48 第四节医用直线电子加速器 一 概述 一 医用加速器用于放疗的适应症1 用于常规放疗时其适应症为 医用加速器适应症广泛 可用于头颈 胸腔 腹腔 盆腔 四肢等部位的原发或继发肿瘤 以及手术后残留的术后或手术前的术前治疗等 单纯根治的肿瘤 鼻咽癌 早期喉癌 早期口腔癌 副鼻窦癌 早期恶性淋巴瘤 髓母细胞瘤 基底细胞癌 肺癌 精原细胞瘤 食道癌等 与化疗合并治疗肿瘤 小细胞肺癌 中晚期恶性淋巴瘤等 与手术综合治疗 上颌窦 耳鼻喉癌 胶质神经细胞瘤 肺癌 胸腺瘤 胃肠道癌 软组织肉瘤等 有计划性的术前放疗 术中放疗 术后放疗 姑息性放疗 骨转移灶的止痛放疗 脑转移放疗 晚期肿瘤的姑息减症治疗 49 第四节医用直线电子加速器 2 用于三维适形放疗 3D CRT 及调强放疗 IMRT 时其适应症为 颅内肿瘤 特别是位于重要解剖结构 形态不规则不适合外科手术或手术难切除的肿瘤 头颈部肿瘤 包括术后 常规放疗后残留或复发的肿瘤 如鼻咽癌 颅底肿瘤 脊柱 髓 肿瘤 胸部肿瘤 如纵隔肿瘤 肺癌 胸壁肿瘤 消化 泌尿 生殖系统肿瘤 如肝癌 胰腺癌 前列腺癌 全身各部位转移癌 50 第四节医用直线电子加速器 二 基本功能为了满足不同部位和不同深度病灶的放疗需求 现代医用电子直线加速器可以设计成为输出高能和低能双光子甚至三光子X射线 并有多档电子射线可供选择 比较典型的射线组合是 X射线为低能4MV或6MV 高能10MV或15MV 电子射线能量的典型组合电子线能量为 4MeV 6MeV 8MeV 10MeV 12MeV 15MeV 18MeV 21MeV等 51 第四节医用直线电子加速器 腹部或胸部较深部位的病灶可选用高能X射线 较浅部位的病灶选用低能X射线 皮肤或皮下较浅部位的病灶则按照需要选择不同能量的电子射线进行放射治疗为了能够实现多角度 全方位照射 现代医用加速器的机架 辐射头和治疗床都可以做360 旋转 并且三条中心轴线相交于一点 称为 等中心 当把病灶置于等中心位置时 就可以在任何角度和任何方位进行照射 以达到最佳的剂量分布 从而得到最好的治疗效果 52 第四节医用直线电子加速器 二 基本结构与工作原理 53 第四节医用直线电子加速器 根据电子与微波电场的作用方式不同 电子直线加速器分为行波加速器和驻波加速器 一 医用行波电子直线加速器加速管由一段段盘荷波导组成 将微波源产生的微波反馈至加速管并在各个盘荷波导内激励起高频电磁场 电磁场在加速管的轴向上形成加速电场 轴向电场在各个盘荷波导内不断变化 以波的形式沿加速管轴向传播 电子源产生的脉冲电子 按照一定的相位关系注入加速管 电子在轴向电场作用下不断加速 最终获得高能电子束 54 第四节医用直线电子加速器 二 医用驻波电子直线加速器电子加速管是由一系列按照一定方式耦合起来的微波谐振腔链组成 微波反馈至谐振腔内 经过在关内两端来回反射形成驻波电磁场 驻波电磁场在各个腔内的轴向形成轴向电场 其幅值不断变化 但不像前传播 将电子在合适的相位条件下出入加速管 电子在通过每个谐振腔时 轴向电场会对电子加速 最终得到高能电子束 由于驻波加速器与行波加速器在微波利用的形式上的区别 驻波电子直线加速器加速管体积要小于行波电子直线加速器 55 第四节医用直线电子加速器 三 临床应用特点与60Co治疗机相比 电子直线加速器可以产生能力更高 强度更大的X射线和电子线一台医用电子直线加速器可以有两挡 三挡能量的X射线和多挡能量电子线供治疗选择 医用电子直线加速器无需放射源 设备在不加高压时无放射线产生 而且加速器X射线靶点非常小 配合球面准直器在照射野形成的半影也较60Co治疗机小 医用电子直线加速器设备结构复杂 日常维护及质量保证技术要求较高 56 第四节医用直线电子加速器 四 加速管系统 一 行波加速管的基本结构 57 第四节医用直线电子加速器 二 驻波加速管的基本结构 58