醫(yī)用放射診斷與治療設(shè)備----醫(yī)用放射治療設(shè)備(上)

        一、鈷60遠(yuǎn)距離治療機(jī)
        鈷60(60Co)遠(yuǎn)距離治療機(jī)是一種利用60Co同位素衰變放出的γ射線從體外治療疾病 的設(shè)備，其γ射線的平均能量為1. 25MeV，射線能量高、劑量輸出率大、穿透力強(qiáng)。因60Co的γ射線大能量吸收發(fā)生在皮膚下4-5mm深度，皮膚劑量相對(duì)較小，故能較好地保護(hù) 皮膚。同時(shí)骨與軟組織對(duì)該能量射線吸收近似相同，因而在射線穿過(guò)正常骨組織時(shí)不致引 起骨損傷，在一些組織交界面處，等劑量曲線形狀變化較小，尤其適合于共頸部腫瘤治療。 此外，60Co的γ射線還有旁向散射小的優(yōu)點(diǎn)，可做常規(guī)固定源皮距治療、等中心治療、旋轉(zhuǎn) 治療、擺動(dòng)治療及大面積不規(guī)則野照射，機(jī)架可做全周旋轉(zhuǎn)，以任何角度進(jìn)行照射。 治療床操作靈活方便，可前后左右移動(dòng)和升降，還可做床面床基旋轉(zhuǎn)，配合治療機(jī)頭光學(xué) 測(cè)距尺和激光定位燈可做到精確定位，控制臺(tái)配有雙道數(shù)字計(jì)時(shí)器、斷電時(shí)間記憶、源位指示 燈、急停按鈕，以及多路連鎖裝置，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面的監(jiān)控，保證設(shè)備安全可靠地工作。 另外，60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維修方便、經(jīng)濟(jì)可靠。但是由于60Co的 衰變問(wèn)題，需要定期更換放射源（一般為3-5年）。由于60Co源的體積不可能很小，存在源 的半影問(wèn)題，這些可為高能加速器所克服。

        （一）60Co放射源 60Co是一種放射性核素，是由普通的金屬59Co在反應(yīng)堆中經(jīng)熱中子照射轟擊所產(chǎn)生的 不穩(wěn)定的放射性核素。即； Co+n→ Co+γ
        反應(yīng)堆中子密度越高、轟擊時(shí)間越長(zhǎng)，得到的60Co放射比度（單位質(zhì)量的放射性活度）就越大。由于60Co是富中子放射性核索，它將會(huì)把多余的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子并放出能量為0. 31MeV的β射線，同時(shí)釋放出能量為1.17MeV和1.33MeV的兩種γ射線，其平均能量 為1.25MeV。衰變的終產(chǎn)物是60Ni(鎳60)。衰變方程如下：
                                                                    Co→ Ni+β－+γ1+γ2

        60Co的半衰期為5.26年，平均28天衰變1%。

        （二）60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)的一般結(jié)構(gòu) 圖5-51為60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)的一般結(jié)構(gòu)。 

        1.鈷源 一般是由直徑1mm、高1mm的60Co圓柱狀小顆粒組成，放在一個(gè)直徑2～ 3cm、高2cm很薄的不銹鋼密封容器中。也有用直徑2～3cm、厚1mm的薄片組成2cm高 的鈷源，同樣密封在很薄的不銹鋼容器中。

        2.源容器及防護(hù)機(jī)頭
        (l)源容器：如上所述60Co源密封在很薄的不銹鋼容器中，但由于其放射性恬度大，不便于應(yīng)用、防護(hù)和更換，因此把它再固定在一個(gè)長(zhǎng)60~80cm的鋼柱中心內(nèi)，源底面暴露，也有用圓形、橢圓形或方形鋼柱的。

        (2)防護(hù)機(jī)頭：治療機(jī)頭圭要結(jié)構(gòu)是一個(gè)大而安全的防護(hù)殼，它用高密度材料做成，一般用鉛或鎢合金澆鑄而成，外表用鋼做套殼。根據(jù)國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)，任何 一個(gè)遠(yuǎn)距離放射性核素治療機(jī)，當(dāng)60Co源處于關(guān)閉位置時(shí)，距離60Co源1m處，各方向平均 劑量小于2mR/h，在此距離處不應(yīng)有超過(guò)10mR/h的地方。根據(jù)這樣的機(jī)頭防護(hù)要求，用鉛屏蔽其厚度需為26cm，鎢合金為20cm，鈾為13. 5cm。

        3.遮線器裝置所謂遮線器就是截?cái)?0Co射線源的裝置。當(dāng)遮線器處于開(kāi)的位置時(shí)， 射線束就可以通過(guò)一定方向出來(lái)，進(jìn)行治療。當(dāng)遮線器處于關(guān)閉位置時(shí)，射線柬就會(huì)被截?cái)啵挥猩俨糠致┥渚€出來(lái)。

        4.準(zhǔn)直器系統(tǒng) 準(zhǔn)直器就是限制射線柬的范圍，即限定一定的照射野大小以適應(yīng)治療需要。根據(jù)ICRP要求，準(zhǔn)直器的厚度應(yīng)使漏射量不超過(guò)有用照射量的5%。則使用鉛，其厚度應(yīng)為5 .7~6cm，但又由于60Co源的半影問(wèn)題，所以鉛準(zhǔn)直器的厚度應(yīng)大于7cm。

        5．控制臺(tái) 60Co治療機(jī)的控制臺(tái)配有總電源開(kāi)關(guān)、源位指示器、雙道計(jì)時(shí)系統(tǒng)、治療機(jī)控制鑰匙開(kāi)關(guān)、門(mén)連鎖開(kāi)關(guān)與指示器、氣源壓力指示、機(jī)頭機(jī)架角度指示、電視監(jiān)控和微機(jī)接 口、對(duì)講機(jī)等。

        6．治療床 一般要求治療床能承受患者，而且當(dāng)射線通過(guò)時(shí)，其吸收劑量小、散射少。 同時(shí)床面能垂直升降，既滿足治療需要，患者上下床也方便，左右移動(dòng)靈話，義可同定，縱向移動(dòng)也有同樣要求。床座和床面都可轉(zhuǎn)動(dòng)±90°。

        7.平衡錘平衡錘除平衡機(jī)頭的中心外，還可以吸收和阻擋γ射線，降低屏蔽土的建價(jià)。

        （三）60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)
        1．鈷源活度7000Ci（1Ci-3.7×l010Bq);
        2．機(jī)架旋轉(zhuǎn)范圍0°-360°;
        3．源軸距離( SAD)放射源到機(jī)器旋轉(zhuǎn)中心軸的距離（也就是旋轉(zhuǎn)半徑），允許精 度±0.5cm；

        4．等中心精度誤差1. 5mm。

        （四）應(yīng)用范圍
       各種惡性腫瘤的術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后放療，性放療，立體定向放射外科以及姑息性放療。 良性腫瘤的治療，包括血管瘤、瘢痕增生、嗜酸性肉芽腫、漿細(xì)胞瘤等。其他疾病，如涎瘺等。

        二、醫(yī)用電子直線加速器醫(yī)用電子直線加速器(linear accelerator)是將韌質(zhì)的電子通過(guò)沿直線加速物質(zhì)方法將電子射束加速至百萬(wàn)電子伏特(MeV)高的能量后，撞擊鎢片靶區(qū)而產(chǎn)生高能量×射線（相對(duì)于一般放射診斷科X射線機(jī)的能量約大于數(shù)百倍、千倍）的一種治療裝置。直線加速器利用高能量、高穿透牢的X射線來(lái)清除患者體內(nèi)較深處的腫瘤細(xì)胞，而利用穿透率較低的 電子射線治療較淺部或體表的腫瘤細(xì)胞。 醫(yī)用電子加速器是目前同內(nèi)外放射治療的主流設(shè)備和發(fā)展方向，加速器的種類(lèi)很多，片j于 放射治療的加速器主要有電子感應(yīng)加速器、電子直線加速器和電子回旋加速器。電子感應(yīng)加速器由于劑量率低、照射野小、穩(wěn)定性差等缺陷而逐漸被放射治療所摒棄。常用的醫(yī)剛加速 器是電子直線加速器，自從1953年臺(tái)直線加速器在英國(guó)使用以來(lái)，醫(yī)用電子直線加速器得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，且技術(shù)不斷完善履行更加可靠。并以其劑量率高、束流穩(wěn)定、劑量計(jì)算 準(zhǔn)確、治療時(shí)間短等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受到腫瘤治療專(zhuān)家的普遍歡迎。叉由于電子計(jì)算機(jī)在醫(yī)用電子直線加速器和治療計(jì)劃系統(tǒng)等附屬設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，醫(yī)用電子直線加速器的劑量計(jì)算的精確性明顯提高，治療方法更加多樣化，治療效果顯著提高。適合全身腫瘤的放射治療，克服了60Co治療機(jī)半影大、半衰期短和敲射防護(hù)等方面的缺點(diǎn)，巳成為目前腫瘤放射治療的主要設(shè)備。

        （一）直線加速器的基本原理 由于一般的電場(chǎng)不能將電子加速到很高的速度和能量，只能通過(guò)微波電場(chǎng)。使用不同 的微波電場(chǎng)，就有不同的加速原理和加速結(jié)構(gòu)。按加速場(chǎng)不同，醫(yī)用電子直線加速器可分為 醫(yī)用行波電子直線加速器和醫(yī)用駐波電子直線加速器。

        1.行波加速原理行波電子直線加速器基本原理如圖5－52所示。由電子槍熱發(fā)射的 電子和微波源產(chǎn)生微波功率同時(shí)饋人加速管內(nèi)。加速管終端接以匹配負(fù)載可以激勵(lì)起TM001型行渡。這時(shí)微波形成的電場(chǎng)可視為沿軸向行進(jìn)，而電子（圖5-52b中的點(diǎn)表示）可被認(rèn)為是像踏著沖浪板、騎在電場(chǎng)波上進(jìn)行加速。如能做到使波速與被加速電子速度一致．就 可以用行波電場(chǎng)持續(xù)地對(duì)電子進(jìn)行同步加速。實(shí)際上微波的速度是大于光速的，不能直接 用于加速，必須采取必要的慢波措施才可能實(shí)現(xiàn)這種同步加速。利用盤(pán)荷波導(dǎo)式加速管設(shè) 計(jì)，即在光滑的圓波導(dǎo)內(nèi)周期性放置帶圓孔的金屬圓盤(pán)模片，使波速減慢，起到慢波作用。

        為了提高加速效率，應(yīng)該使同步電子加速相位盡量取在加速電場(chǎng)的峰值附近，如圖5—52所示的A點(diǎn)。而B(niǎo)點(diǎn)電子所受加速力大，單位距離得到的能量大于同步電子（A點(diǎn)），運(yùn)動(dòng)速 度大于波速，加速相位向右（波前方向）滑動(dòng)。反之，C點(diǎn)或D點(diǎn)電子能量小于同步電子，速度也小于波速，加速相位向左移動(dòng)。這一過(guò)程稱(chēng)為電子聚束過(guò)程。當(dāng)電子的速度接近光速時(shí)，電子加速基本能在電場(chǎng)峰值附近進(jìn)行，這可提高加速效率，義使能散度減到小限度，經(jīng)過(guò)聚束段以后，加速器中電子的速度不會(huì)增加，其能量的增加將主要表示為電子相對(duì)質(zhì)量的增加。

        2．駐波加速原理 如圖5-53所示，一般來(lái)講，駐波加速結(jié)構(gòu)可認(rèn)力是一系列按一定方式耦 合起來(lái)的諧振腔鏈(圖5-53a)。在駐波工作方式時(shí)，波導(dǎo)式加速管的始末端不像行波工作方式那 樣接以匹配負(fù)載（末端），而是接有一導(dǎo)盤(pán)，這樣微波在末端將以π/2相移形成反射微波疊加在入射微波上，在系統(tǒng)中建立駐波方式(圖5-53b)。圖中箭頭表示在諧振腔1、3和5中，電子在軸向的受力方向。從圖中可以看出，電子在通過(guò)諧振腔2、4和6時(shí)沒(méi)有獲得能量。經(jīng)過(guò)一個(gè)半周 期，整個(gè)波形反翻，如果電子從諧振腔1到諧振腔3所需時(shí)間為一個(gè)半周期，則電子在系統(tǒng) 中可以交替得到加速而獲得能量。 由于加速電子在諧振腔2、4和6中不能 獲得能量，可將這些諧振腔移置加速管兩側(cè)(圖5-53c)，形成邊耦合式駐波加速管。這一設(shè)計(jì)在電子駐波加速器中得到廣泛采用。 駐波加速器較行波加速器由于反射波 的利用，加速電子的效率高，能耗小。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是微波電場(chǎng)強(qiáng)度高，可使電子在更短 的距離內(nèi)獲得預(yù)定能量，如產(chǎn)生4-6MV的X射線加速管長(zhǎng)度僅為30cm。

        （二）直線加速器的基本結(jié)構(gòu) 醫(yī)用電子直線加速器的外形結(jié)構(gòu)如同0-54所示。無(wú)論是醫(yī)用行波電子直線加速器，還是醫(yī)用駐波電子直線加速器，無(wú)論是低能醫(yī)用電子直線加速器，還是中高能醫(yī)用電子直線加 速器，盡管在結(jié)構(gòu)上各有千秋，但基本組成是一致的。其主要由加速管、微波功率源、微波傳輸系統(tǒng)、電子槍、束流系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、恒溫水冷卻系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)、照射頭、治療床等 組成。醫(yī)用行渡電子直線加速器一般結(jié)構(gòu)如圖5-55所示。

        加速管是醫(yī)用電子直線加速器的核心部分，電子在加速管內(nèi)通過(guò)微波電場(chǎng)加速。加速 管主要有兩種基本結(jié)構(gòu)一盤(pán)荷波導(dǎo)加速管和邊耦合（軸耦合）加速管。 微波功率源主要有兩種：磁控管和速調(diào)管。醫(yī)用行波電子直線加速器和低能醫(yī)用電子 直線加速器使朋磁控管作為微波功率源。中高能醫(yī)用駐波電子直線加速器使用速調(diào)管作為 功率源。 微波傳輸系統(tǒng)主要包括隔離器、波導(dǎo)窗、波導(dǎo)、取樣波導(dǎo)、輸入輸出耦合器、三端或四端環(huán)流器、終端吸收負(fù)載、頻率自動(dòng)穩(wěn)頻等。 電子槍為醫(yī)用電子直線加速器提供被加速的電子。醫(yī)用行波電子直線加速器的電子槍的陰極采用鎢或釷鎢制成，有直熱式、間接式和轟擊式三種加熱方式。醫(yī)用駐波電子直線加速器的電子槍南氧化物制成。 束流系統(tǒng)南偏轉(zhuǎn)線圈，聚焦線圈等組成?？刂剖鞯倪\(yùn)動(dòng)方向，提高束流的品質(zhì)。 真空系統(tǒng)為被加速的電子不因與空氣中的分子相碰而損失掉提供保證。一般使用離子 泵保持醫(yī)用電子直線加速器的運(yùn)行真空。 恒溫水冷卻系統(tǒng)帶走微波源等發(fā)熱部件產(chǎn)生的熱量。為保證整個(gè)系統(tǒng)恒溫，恒溫水冷 卻系統(tǒng)需要一定的水流壓力和流量。 照射頭和治療床屬于應(yīng)用部分。

        （三）主要臨床應(yīng)用 用于鼻咽癌、肺癌、食管癌、乳腺癌、皮肽癌、淋巴瘤等多種腫瘤的常規(guī)治療，具有精度 高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。