第一章 绪 论

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1 第 一 章 电 离 辐 射 与 放 射 治 疗 第 一 节 电 离 辐 射 的 特 性 一 辐 射 的 分 类 放 射 治 疗 是 从 1895 年 伦 琴 (W.Roentgen) 发 现 X 射 线 (X ray) 后 开 始 的 X 射 线 的 发 现 同 时 开 启 了 放 射 治 疗 与 放 射 诊 断 两 个 医 学 学 科 放 射 治 疗 是 由 一 种 或 多 种 电 离 辐 射 的 治 疗 方 式 组 成 的 医 学 治 疗 通 俗 的 讲, 放 射 治 疗 就 是 利 用 放 射 源 或 各 种 医 疗 设 备 产 生 的 射 线 进 行 肿 瘤 治 疗 的 技 术, 简 称 放 疗 放 射 治 疗 与 所 用 电 离 辐 射 的 种 类 性 能 有 密 切 的 关 系 辐 射 (radiation) 是 以 波 或 粒 子 形 式 穿 过 空 间 或 物 质 介 质 的 发 射 能 量 transmiting energy) 的 传 播 辐 射 的 种 类 很 多, 依 据 不 同 情 况, 可 以 有 不 同 的 分 类 方 法 ( 一 ) 按 存 在 形 式 分 类 按 存 在 形 式, 辐 射 可 分 为 电 磁 辐 射 与 粒 子 辐 射 两 大 类 l. 电 磁 辐 射 电 磁 辐 射 是 以 电 磁 波 形 式 存 在 的 辐 射, 如 X 辐 射 γ 辐 射 等 X 辐 射 是 带 电 粒 子 通 过 原 子 核 或 其 它 带 电 粒 子 的 电 场 时, 由 于 受 电 场 作 用 而 发 生 速 度 改 变, 带 电 粒 子 的 一 部 分 动 能 转 变 为 具 有 连 续 能 谱 的 电 磁 辐 射, 称 为 轫 致 辐 射 (bremsstrahlung) 或 X 辐 射 γ 辐 射 是 放 射 性 核 素 衰 变 发 出 的 辐 射 γ 辐 射 的 能 量 取 决 于 原 子 核 能 态 之 间 的 能 量 差, 不 具 有 连 续 能 谱, 但 X 辐 射 与 γ 辐 射 本 质 相 同, 都 是 电 磁 辐 射 在 粒 子 加 速 器 中, 能 量 常 用 电 子 伏 (ev) 为 单 位,1eV 代 表 电 荷 为 e 的 粒 子 在 通 过 1V 电 势 差 所 获 得 的 能 量 2. 粒 子 辐 射 粒 子 辐 射 是 以 粒 子 形 式 存 在 的 辐 射, 又 分 为 带 电 粒 子 辐 射 与 中 性 粒 子 辐 射 两 类 (1) 带 电 粒 子 辐 射 如 电 子 辐 射 α 辐 射 β 辐 射 质 子 辐 射 π - 介 子 辐 射 等 (2) 中 性 粒 子 辐 射 如 中 子 辐 射 粒 子 的 质 量 常 以 12 C 核 素 原 子 质 量 的 1/12 为 单 位, 称 为 原 子 质 量 单 位 (atomic mass 1

2 unit,amu), 用 lu 表 示,1u= kg; 光 速 C= m/s 狭 义 相 对 论 也 是 粒 子 加 速 器 的 理 论 基 础, 因 为 当 粒 子 的 能 量 被 加 速 到 很 高 时, 必 须 用 狭 义 相 对 论 进 行 分 析 计 算 ( 二 ) 按 电 离 性 能 分 类 按 电 离 性 能, 辐 射 可 分 为 电 离 辐 射 与 非 电 离 辐 射 两 大 类 1. 电 离 辐 射 电 离 辐 射 是 由 直 接 或 间 接 电 离 粒 子 单 独 或 是 二 者 混 合 组 成 的 辐 射 电 离 是 指 具 有 足 够 动 能 的 粒 子 使 原 子 核 外 轨 道 上 的 束 缚 电 子 脱 离 束 缚 而 成 为 自 由 电 子 的 过 程 电 离 粒 子 又 分 为 直 接 电 离 粒 子 与 间 接 电 离 粒 子 两 类 ; (1) 直 接 电 离 粒 子 具 有 足 够 动 能 的 碰 撞 时 能 引 起 物 质 电 离 的 带 电 粒 子, 如 电 子 (e) 质 子 (P) α 粒 子 β 粒 子 重 离 子 等 (2) 间 接 电 离 粒 子 能 在 物 质 中 产 生 出 电 离 粒 子 的 不 带 电 粒 子, 如 中 子 (n) 光 子 (X γ) 等 动 能 低 于 引 起 直 接 电 离 的 能 量, 但 能 引 起 原 子 核 或 基 本 粒 子 转 变 的 低 能 带 电 粒 子 也 属 间 接 电 离 粒 子 2. 非 电 离 辐 射 不 能 产 生 电 离 的 辐 射 叫 非 电 离 辐 射, 如 红 外 辐 射 紫 外 辐 射 等 ( 三 ) 按 能 量 成 分 分 类 1. 单 能 辐 射 (monoennergetic radiation) 由 辐 射 能 量 极 为 相 同 的 光 子 或 具 有 极 为 相 同 动 能 的 一 种 粒 子 组 成 的 电 离 辐 射 称 为 单 能 辐 射 2. 多 能 辐 射 (polyennergetic radiation) 由 多 种 辐 射 能 量 的 光 子 或 者 不 同 能 量 的 同 一 种 粒 子 组 成 的 电 离 辐 射 称 为 多 能 辐 射 二 辐 射 的 性 能 ( 一 ) 辐 射 能 量 对 于 不 同 类 型 的 辐 射, 直 接 用 辐 射 能 量 或 用 与 能 量 有 关 的 辐 射 质 等 参 数 和 单 位 表 示 1. 辐 射 能 量 (radiation energy) 表 示 一 个 光 子 或 其 他 粒 子 所 携 带 的 能 量 ( 静 止 能 量 除 外 ) 的 量 对 于 单 能 辐 射, 2

3 可 以 直 接 用 辐 射 能 量 表 征 它 们 所 携 带 的 能 量, 单 位 可 用 焦 尔 (J) 或 电 子 伏 特 (ev) 兆 电 子 伏 特 (MeV) 表 示 放 射 性 核 素 产 生 的 光 子 或 其 它 粒 子 都 是 单 能 的, 粒 子 加 速 器 当 产 生 的 带 电 粒 子 具 有 很 窄 的 能 谱 时, 基 本 可 视 为 单 能 辐 射 2. 等 效 能 量 (equivalent energy) 对 于 多 能 辐 射, 若 将 它 视 为 具 有 相 同 效 应 的 单 能 辐 射 时, 其 辐 射 能 量 称 为 等 效 能 量 3. 最 大 能 量 (maximum energy) 多 能 辐 射 束 中 所 含 的 最 高 辐 射 能 量 4. 辐 射 质 (radiation quality) 医 用 电 子 加 速 器 产 生 的 X 辐 射, 其 能 谱 不 仅 和 加 速 电 子 束 的 能 谱 有 关, 还 和 偏 转 系 统 靶 的 材 料 厚 度 均 整 器 的 材 料 厚 度 及 准 直 系 统 等 有 关, 能 谱 极 其 复 杂 对 于 具 有 一 定 能 谱 的 辐 射, 常 用 辐 射 质 来 表 示 其 能 量 辐 射 质 是 由 辐 射 量 相 对 于 辐 射 能 量 的 分 布 谱 形 所 决 定 的 电 离 辐 射 特 性 辐 射 质 的 单 位 有 不 同 表 示 方 法 : (1) 在 X 射 线 机 能 量 范 围, 常 用 具 有 百 分 纹 波 比 的 高 压 值 表 示, 单 位 为 千 伏 (KV); 在 医 用 电 子 加 速 器 中, 产 生 的 高 能 X 辐 射 的 能 谱 中 最 大 能 量 与 打 靶 的 电 子 最 大 能 量 相 同, 因 此 常 用 名 义 加 速 电 压, 即 等 效 加 速 电 压 的 标 称 值 来 表 示 X 辐 射 的 辐 射 质, 单 位 为 兆 伏 (MV) (2) 半 值 层 (half value layer,hvl), 在 特 定 辐 射 能 量 或 特 定 辐 射 能 谱 的 X 辐 射 或 γ 辐 射 的 宽 射 束 条 件 下, 放 置 一 层 指 定 材 料 的 物 质, 能 将 辐 射 的 比 释 动 能 率 照 射 量 率 或 吸 收 剂 量 率 减 小 到 射 束 中 无 此 物 质 时 测 量 值 一 半 的 厚 度, 一 般 用 mmal 或 mmcu 表 示 (3) 等 效 能 量 5. 标 称 能 量 (nominal energy) 医 用 电 子 加 速 器 常 用 标 称 能 量 作 为 辐 射 性 能 之 一 (1) 对 于 X 辐 射, 标 称 能 量 为 电 子 打 靶 时 的 能 量 (MeV) (2) 对 于 电 子 辐 射, 标 称 能 量 是 正 常 治 疗 距 离 (normal treatment distance) 处 的 能 量 (MeV) 对 X 辐 射, 正 常 治 疗 距 离 为 从 X 辐 射 的 虚 源 沿 辐 射 束 轴 至 等 中 心 的 距 离, 对 非 等 中 心 装 置 为 至 规 定 平 面 的 距 离 ; 对 电 子 辐 射, 正 常 治 疗 距 离 为 从 电 子 辐 射 的 虚 源 沿 辐 射 束 轴 至 患 者 表 面 的 距 离 标 称 能 量 通 常 由 制 造 单 位 通 过 对 辐 射 质 进 行 检 测 后 规 定 6. 深 度 吸 收 剂 量 特 性 (depth absorbed dose characteristics) 尽 管 有 不 同 的 方 法 来 表 征 电 离 辐 射 的 能 量, 放 射 治 疗 最 关 心 的 是 电 离 辐 射 在 某 一 处 的 吸 收 剂 量 及 空 间 分 布, 直 接 使 用 的 是 深 度 吸 收 剂 量 特 性 (1)X 辐 射 深 度 吸 收 剂 量 特 性 对 于 每 个 标 称 能 量, 深 度 吸 收 剂 量 特 性 参 量 与 试 验 条 件 有 关 在 10cm 10cm 辐 射 野 内, 表 征 X 辐 射 深 度 吸 收 剂 量 特 性 的 主 要 参 数 有 : a. 最 大 吸 收 剂 量 深 度 (cm) 体 模 表 面 到 最 大 吸 收 剂 量 深 度 的 距 离 3

4 b. 穿 透 性 (Penetrative quality) 体 模 表 面 到 50%( 剂 量 ) 深 度 的 距 离 (cm) c. 品 质 指 数 (quality index) 在 体 模 内, 沿 辐 射 束 轴,20cm 深 度 和 10cm 深 度 的 吸 收 剂 量 之 比 值 (2) 电 子 辐 射 深 度 吸 收 剂 量 特 性 对 于 每 个 标 称 能 量, 在 10cm 10cm 辐 射 野 内, 表 征 电 子 辐 射 深 度 吸 收 剂 量 特 性 的 主 要 参 数 有 : a. 最 大 吸 收 剂 量 深 度 (cm) b. 实 际 射 程 (cm) c. 穿 透 性 当 等 中 心 置 于 体 模 表 面 处, 体 模 表 面 到 80% 剂 量 深 度 的 距 离 (cm) ( 二 ) 辐 射 束 与 辐 射 野 1. 放 射 源 (radioactive source) 活 度 与 比 活 度 都 在 规 定 水 平 上 一 定 量 的 放 射 性 核 素 物 质 2. 辐 射 源 (radiation source) 放 射 治 疗 装 置 中 能 发 射 电 离 辐 射 的 部 件 或 放 射 源 的 统 称 3. 辐 射 束 (radiation beam) 当 辐 射 源 可 以 看 作 点 源 时, 由 辐 射 源 发 出 的 通 过 一 个 立 体 角 内 空 间 范 围 的 电 离 辐 射 通 量, 泄 漏 辐 射 和 散 射 辐 射 不 构 成 辐 射 束 4. 辐 射 束 轴 (radiation beam axis) 对 于 一 个 对 称 的 辐 射 束, 通 过 辐 射 源 中 心 以 及 限 束 装 置 两 对 有 效 边 缘 中 分 线 交 点 的 直 线 5. 辐 射 野 (radiation field) 与 辐 射 束 相 交 的 一 个 平 面 内 的 区 域, 在 此 区 域 内 辐 射 强 度 超 过 某 一 比 例 或 指 定 的 水 平 ( 三 ) 辐 射 场 辐 射 场 是 指 电 离 辐 射 所 到 之 处 构 成 的 一 个 空 间 范 围 ( 四 ) 辐 射 强 度 1. 发 射 量 率 (emission ) 或 产 额 (yield)y 辐 射 强 度 表 示 在 单 位 时 间 内 辐 射 源 产 生 的 粒 子 数 ( 含 光 子 ), 亦 称 为 发 射 量 率 或 产 额 4

5 在 实 际 应 用 中, 在 一 定 条 件 下, 常 用 吸 收 剂 量 率 来 表 征 辐 射 强 度 的 大 小 2. 发 射 量 (emission) ε y 医 用 加 速 器 的 发 射 量 等 于 其 产 额 与 照 射 时 间 的 乘 积,ε y =Y t 三 辐 射 量 和 单 位 电 离 辐 射 用 于 放 射 治 疗 需 要 关 心 人 体 接 受 的 辐 射 的 量 有 多 少, 必 须 有 统 一 的 计 量 单 位 为 此, 国 际 辐 射 单 位 和 测 量 委 员 会 (International Commission on Radiation Unit and Measurements,ICRU) 制 定 了 一 系 列 有 关 辐 射 量 和 单 位 的 定 义 直 接 电 离 粒 子 在 物 质 中 能 引 起 电 离 激 发, 其 能 量 最 后 被 物 质 所 吸 收, 吸 收 的 能 量 由 吸 收 剂 量 来 表 达 间 接 电 离 粒 子 首 先 将 能 量 传 递 给 直 接 电 离 粒 子, 传 递 的 能 量 用 比 释 动 能 来 表 达 ( 一 ) 比 释 动 能 与 比 释 动 能 率 1. 比 释 动 能 (kinetic energy released in material,kerma)k 比 释 动 能 就 是 在 单 位 质 量 物 质 中, 由 间 接 电 离 粒 子 释 放 出 来 的 全 部 带 电 粒 子 的 初 始 动 能 之 和 K=dW tr /dm 国 际 制 (SI) 单 位 为 焦 / 千 克 (J kg -1 ), 专 用 单 位 是 戈 瑞 (Gy) 比 释 动 能 的 早 期 单 位 为 是 拉 德 (rad),1gy=100rad 2. 比 释 动 能 率 (kerma rate)k 单 位 时 间 内 的 比 释 动 能 k=dk/dt 式 中 dk 是 比 释 动 能 在 时 间 间 隔 dt 内 的 增 量 ( 二 ) 吸 收 剂 量 与 吸 收 剂 量 率 1. 授 与 能 (energy imparted)ε 电 离 辐 射 授 与 一 个 体 积 物 质 的 能 量, 它 是 一 个 随 机 量 ε= ε in - ε out + Q ε in 是 进 入 该 体 积 的 所 有 直 接 和 间 接 致 电 离 粒 子 的 能 量 ( 静 止 能 量 除 外 ) 的 总 和 ε out 是 离 开 该 体 积 的 所 有 直 接 和 间 接 致 电 离 粒 子 的 能 量 ( 静 止 能 量 除 外 ) 的 总 和 Q 是 该 体 积 内 核 和 基 本 粒 子 发 生 的 任 何 转 化 释 放 的 所 有 能 量 的 总 和, 减 去 耗 散 的 所 有 能 量 的 总 和 5

6 2. 平 均 授 与 能 (mean energy imparted) ε 授 与 能 期 望 值 的 非 随 机 量 3. 吸 收 剂 量 (absorbed dose)d 电 离 辐 射 授 与 单 位 质 量 物 质 的 平 均 能 量 D=dε /dm 式 中 dε 是 电 离 辐 射 授 与 体 积 单 元 介 质 的 平 均 能 量 dm 是 该 体 积 单 元 介 质 的 质 量 吸 收 剂 量 和 比 释 动 能 具 有 相 同 的 量 纲, 国 际 制 (SI) 单 位 为 焦 / 千 克 (J kg -1 ), 专 用 单 位 是 戈 瑞 (Gy) 吸 收 剂 量 的 早 期 单 位 也 是 拉 德 (rad),1gy= 100rad 4. 吸 收 剂 量 率 (absorbed dose rate)j 单 位 时 间 内 的 吸 收 剂 量, 等 于 时 间 间 隔 dt 内 的 吸 收 剂 量 增 量 dd 除 以 dt 的 商 J=dD/dt 吸 收 剂 量 率 的 单 位 为 Gy/min,mGy/h 等 在 医 用 加 速 器 中 吸 收 剂 量 率 与 离 辐 射 源 的 距 离 及 辐 射 野 面 积 有 关, 通 常 须 加 注 明, 如 Gy/(min m) 代 表 距 源 1m 处 每 分 钟 的 戈 瑞 数 ( 三 ) 照 射 量 与 照 射 量 率 1. 照 射 量 (exposyre)x 电 离 辐 射 在 空 气 中 产 生 的 电 荷 照 射 量 单 位 为 :C kg -1, 照 射 量 早 期 单 位 为 伦 琴 (R),1R=2.58X10-4 C kg 照 射 量 率 (exposure rate)χ 单 位 时 间 内 的 照 射 量 的 增 量 ( 四 ) 放 射 性 核 素 的 活 度 1. 活 度 (activity)a 某 一 时 刻 处 于 特 定 能 级 上, 在 时 间 间 隔 dt 内 原 子 核 衰 变 数 目 的 期 望 值 dn 除 以 dt 的 商 A A=dN/dt 放 射 性 活 度 的 SI 单 位 为 贝 可 (Bq),1Bq 表 示 放 射 性 核 素 在 1s 内 发 生 1 次 核 衰 变 放 射 性 活 度 的 专 用 单 位 暂 时 与 SI 单 位 (Bq) 并 用 的 为 居 里 (Ci), 1Ci=3.7X10 10 Bq 2. 比 活 度 (specific activity) 对 某 种 放 射 性 核 素, 比 活 度 为 单 位 质 量 该 种 放 射 性 核 素 的 活 度 3. 放 射 性 半 衰 期 (rrradioactive half life)t 对 单 一 放 射 性 过 程, 其 活 度 值 衰 减 至 一 半 时 所 需 要 的 时 间 四 电 离 辐 射 的 来 源 6

7 电 离 辐 射 的 来 源 有 两 条 途 径, 即 由 天 然 或 人 工 放 射 性 核 素 产 生 的 电 离 辐 射 和 由 人 工 加 速 带 电 粒 子 产 生 的 电 离 辐 射 ( 一 ) 放 射 性 核 素 产 生 的 辐 射 1. 天 然 放 射 性 核 素 自 然 界 中 天 然 存 在 的 放 射 性 核 素, 有 铀 系 钍 系 钢 系 等 放 射 性 核 素, 如 226 Ba 222 Rn 等, 气 体 形 式 存 在 的 天 然 放 射 性 核 素 来 源 稀 少 能 量 低 强 度 低, 现 在 已 很 少 采 用 2. 人 工 放 射 性 核 素 通 过 粒 子 加 速 器 或 反 应 堆 产 生, 有 60 Co 192 Ir 90 Sr 137 Cs 252 Cf 等 ( 二 ) 人 工 加 速 方 法 产 生 的 辐 射 人 工 加 速 方 法 是 利 用 各 种 电 场 加 速 带 电 粒 子 的 方 法, 其 装 置 称 为 粒 子 加 速 器, 用 于 医 学 临 床 治 疗 与 诊 断 用 的 加 速 器 称 为 医 用 加 速 器 1. 初 级 辐 射 (primary radiation) 直 接 由 靶 或 辐 射 源 发 射 出 的 电 离 辐 射 统 称 初 级 辐 射 初 级 辐 射 包 括 直 接 加 速 产 生 的 辐 射 和 非 直 接 加 速 产 生 的 辐 射 (1) 直 接 加 速 产 生 的 辐 射 带 电 粒 子 辐 射 如 电 子 辐 射 质 子 辐 射 重 离 子 辐 射 等 通 常 由 粒 子 加 速 器 中 直 接 加 速 产 生 ; (2) 非 直 接 加 速 产 生 的 辐 射 中 子 辐 射 X 辐 射 及 π - 介 子 辐 射 等 通 常 由 加 速 的 带 电 粒 子 打 靶 产 生 在 辐 射 束 中, 由 辐 射 源 发 出 的 初 级 辐 射 与 散 射 过 滤 器 或 均 整 过 滤 器 相 互 作 用 而 使 能 量 或 方 向 有 微 小 变 化 的 电 离 辐 射 仍 被 认 为 是 初 级 辐 射 2. 次 级 辐 射 (secondary radiation) 由 初 级 辐 射 与 物 质 相 互 作 用 而 使 该 物 质 发 射 的 电 离 辐 射 第 二 节 放 射 治 疗 的 原 理 一 电 离 辐 射 的 作 用 电 离 辐 射 的 治 疗 作 用 是 电 离 辐 射 作 用 于 人 体 后 发 生 一 系 列 物 理 化 学 和 生 物 反 应 的 结 果 7

8 电 离 辐 射 中 的 X 辐 射 或 γ 辐 射 作 用 于 物 质 的 原 子, 发 生 光 电 效 应 康 普 顿 效 应 和 电 子 对 效 应, 产 生 光 电 子 反 冲 电 子 散 射 光 子 正 负 电 子 和 电 离 效 应, 这 些 物 理 作 用 是 以 后 一 系 列 化 学 生 物 作 用 的 基 础 电 离 辐 射 照 射 生 物 体 后, 通 过 上 述 物 理 过 程, 直 接 间 接 地 和 细 胞 的 关 键 靶 ( 主 要 是 DNA) 中 的 原 子 作 用 电 离 辐 射 能 治 疗 肿 瘤, 电 离 辐 射 也 能 损 伤 正 常 组 织, 这 些 都 是 通 过 对 细 胞 的 杀 伤 而 实 现 的 放 射 治 疗 肿 瘤 的 原 则 应 该 是 : 尽 可 能 多 地 杀 灭 肿 瘤 细 胞 以 提 高 肿 瘤 治 疗 的 局 部 控 制 率 (tumor control probabi1ity,tcp) 而 又 尽 可 能 少 地 损 伤 正 常 细 胞 以 降 低 因 正 常 组 织 损 伤 带 来 的 并 发 症 发 生 率 (normal tissue complication probability,ntcp) 二 与 放 射 治 疗 相 关 的 放 射 生 物 学 因 素 ( 一 ) 细 胞 的 分 裂 周 期 肿 瘤 增 长, 正 常 组 织 吐 故 纳 新 都 是 通 过 细 胞 不 断 分 裂 而 增 殖 细 胞 分 裂 的 过 程, 形 成 细 胞 分 裂 周 期 ( 二 ) 分 次 放 射 后 的 组 织 反 应 : 4R 细 胞 群 受 电 离 辐 射 照 射, 既 不 是 一 次 照 射 后 全 部 损 伤, 也 不 是 全 部 完 好 不 变, 因 照 射 剂 量 不 同, 细 胞 敏 感 性 不 同, 照 射 后 的 损 伤 程 度 也 不 同, 变 化 是 多 样 的, 4R 概 括 了 细 胞 群 受 照 射 后 的 各 种 改 变, 也 构 成 分 次 放 射 治 疗 的 理 论 依 据 1. 细 胞 放 射 损 伤 的 修 复 (repair of radiation damage) 2. 细 胞 分 裂 周 期 内 时 相 的 再 分 布 (redistribution within the cell cycle) 3. 分 次 照 射 时 乏 氧 细 胞 的 再 氧 合 (re-oxygenation of hypoxic cells) 4. 组 织 的 再 群 体 化 (repopulation of the tissue) ( 三 ) 照 射 后 正 常 组 织 和 肿 瘤 组 织 的 恢 复 与 生 长 由 于 正 常 组 织 有 自 动 稳 定 调 控 系 统, 每 次 照 射 后 正 常 组 织 和 肿 瘤 组 织 的 恢 复 与 生 长 情 况 不 同 因 此, 分 次 放 射 治 疗 就 可 以 利 用 正 常 组 织 和 肿 瘤 组 织 的 这 些 差 别 达 到 最 大 程 度 地 杀 灭 肿 瘤 细 胞 而 又 能 保 护 正 常 组 织 的 目 的 ( 四 ) 早 反 应 组 织 和 晚 反 应 组 织 8

9 放 射 生 物 学 家 根 据 组 织 对 电 离 辐 射 的 不 同 反 应 特 点, 将 组 织 分 为 早 反 应 组 织 和 晚 反 应 组 织 早 反 应 组 织 的 特 点 是, 受 放 射 后 细 胞 更 新 很 快, 放 射 损 伤 会 很 快 表 现 出 来, 细 胞 以 活 跃 增 殖 来 维 持 组 织 中 细 胞 数 量 稳 定, 并 进 而 使 组 织 损 伤 得 以 修 复 晚 反 应 组 织 的 特 点 是, 受 照 射 后 细 胞 更 新 很 慢, 放 射 损 伤 很 晚 才 会 出 现 研 究 说 明, 晚 反 应 组 织 比 早 反 应 组 织 对 分 次 剂 量 的 大 小 变 化 更 敏 感, 加 大 分 次 剂 量, 晚 反 应 组 织 损 伤 会 加 重, 相 反, 减 小 分 次 剂 量, 晚 反 应 组 织 损 伤 可 以 减 轻 这 是 当 前 采 用 超 分 次 ( 割 ) 放 射 治 疗 的 原 因 之 一 晚 反 应 组 织 对 总 治 疗 时 间 的 变 化 不 敏 感, 而 早 反 应 组 织 对 总 治 疗 时 间 的 变 化 很 敏 感, 也 就 是 说, 缩 短 总 治 疗 时 间, 早 反 应 组 织 损 伤 加 重 而 晚 反 应 组 织 的 损 伤 一 般 不 会 加 重, 而 且 有 利 于 克 服 肿 瘤 组 织 加 速 再 增 殖 带 来 的 不 良 影 响, 这 是 当 前 采 用 超 分 次 ( 割 ) 和 加 速 超 分 次 ( 割 ) 放 射 治 疗 的 另 一 个 原 因 ( 五 ) 生 物 剂 量 生 物 剂 量 是 反 映 生 物 体 受 电 离 辐 射 照 射 后 反 应 程 度 的 剂 量, 它 和 物 理 剂 量 不 等 同 现 在 所 知 道 的, 生 物 剂 量 和 放 射 治 疗 的 分 次 量 分 次 方 法 总 剂 量 放 射 治 疗 的 总 时 间 甚 至 剂 量 率 都 有 关 三 不 同 肿 瘤 的 根 治 剂 量 和 不 同 正 常 组 织 的 耐 受 量 不 同 肿 瘤 的 放 射 敏 感 性 不 同, 根 治 这 些 肿 瘤 所 需 要 的 放 射 剂 量 也 很 不 一 样, 小 到 20Gy/(2 周 ), 大 到 80Gy/(8~9 周 ), 不 同 正 常 组 织 的 放 射 敏 感 性 不 同, 它 们 对 电 离 辐 射 的 耐 受 程 度 也 很 不 一 样 四 治 疗 比 不 同 肿 瘤 的 根 治 剂 量 不 同, 不 同 正 常 组 织 的 耐 受 剂 量 也 不 同, 如 何 才 能 在 控 制 肿 瘤 的 同 时 又 能 保 护 正 常 组 织 不 出 现 并 发 症, 由 此 引 入 了 治 疗 比 (therapeutic ratio) 的 概 念, 也 就 是 治 疗 获 得 系 数 (therapeutic gain factor,tcf) 治 疗 比 = 某 一 放 射 治 疗 对 肿 瘤 组 织 的 影 响 程 度 : 某 一 放 射 治 疗 对 正 常 组 织 的 影 响 程 度 显 然, 治 疗 比 应 大 于 1 时 才 有 治 疗 应 用 的 可 能, 越 大 越 好 放 射 治 疗 的 基 本 策 略 主 要 是 通 过 各 种 方 法 提 高 放 射 治 疗 的 治 疗 比, 以 下 是 一 些 提 高 治 疗 比 的 措 施 : (1) 肿 瘤 放 射 增 敏 (2) 正 常 组 织 放 射 保 护 (3) 各 种 超 分 次 放 射 治 疗 技 术 每 天 照 射 一 次, 每 次 照 射 1.8~2.0Gy, 每 周 照 射 五 次 的 分 次 照 射 方 法 沿 用 了 几 十 年, 已 经 成 为 现 在 的 常 规 放 射 治 疗 模 式 近 十 9

10 年 来, 国 内 外 研 究 较 多 并 已 逐 渐 推 广 的 各 种 超 分 次 放 射 治 疗 (hyperfractionation radiotheraphy) 和 各 种 加 速 超 分 次 放 射 治 疗 (accelerated hyperfractionation radiotheraphy ) 方 法, 其 理 论 基 础 正 是 LQ 模 式, 减 少 分 次 剂 量 ( 小 于 1.6Gy), 增 加 每 天 照 射 的 次 数 (2-3 次 ), 可 以 提 高 总 的 放 射 剂 量, 缩 短 总 的 治 疗 时 间, 克 服 肿 瘤 组 织 经 放 射 后 加 速 再 增 殖 带 来 的 不 良 影 响, 因 而 可 以 提 高 对 肿 瘤 的 控 制 率, 又 不 会 增 加 对 正 常 组 织 的 损 害, 实 际 上 就 提 高 了 治 疗 比 (4) 改 进 放 射 治 疗 技 术 及 选 用 具 有 放 射 生 物 学 优 势 的 辐 射 类 型 是 提 高 治 疗 比 的 重 要 途 径 第 三 节 放 射 治 疗 的 分 类 放 射 治 疗 主 要 分 为 远 距 离 放 射 治 疗 和 近 距 离 放 射 治 疗 两 大 类 一 远 距 离 放 射 治 疗 远 距 离 放 射 治 疗 是 放 射 治 疗 最 主 要 的 方 式, 通 常 提 及 放 射 治 疗 时 多 指 远 距 离 放 射 治 疗 远 距 离 放 射 治 疗 (teleradiotheerapy) 亦 称 外 射 束 治 疗 (external beam therapy), 是 指 辐 射 源 至 皮 肤 间 距 离 大 于 50cm 的 放 射 治 疗 远 距 离 放 射 治 疗 的 特 点 除 了 治 疗 距 离 外, 主 要 采 用 辐 射 束 形 式 进 行 治 疗 ( 一 ) 远 距 离 放 射 治 疗 的 临 床 用 途 1. 深 部 放 射 治 疗 (deep radiotherapy) 对 位 于 人 体 内 部 并 可 能 为 健 康 组 织 包 围 的 靶 区 所 进 行 的 放 射 治 疗 2. 表 浅 放 射 治 疗 (superficial radiotherapy) 对 人 体 表 浅 组 织 ( 通 常 不 超 过 1cm 深 度 ) 所 进 行 的 放 射 治 疗 3. 全 身 放 射 治 疗 (total body radiotherapy) 对 人 体 全 身 所 进 行 的 放 射 治 疗, 主 要 用 于 骨 髓 移 植 或 外 周 血 干 细 胞 移 植 前 的 须 处 理 4. 全 身 皮 肤 电 子 束 治 疗 (total body electron beam radiotherapy) 用 低 能 (4~6MeV) 电 子 束 对 全 身 皮 肤 病 变 进 行 的 放 射 治 疗 5. 术 中 放 射 治 疗 (intraoperative radiotherapy,iort) 在 经 外 科 手 术 切 除 肿 瘤 后 或 暴 露 不 能 切 除 的 肿 瘤, 对 术 后 瘤 床 残 存 灶 淋 巴 引 流 区 或 原 发 灶, 在 直 视 下 避 开 正 常 组 织 和 重 要 器 官, 一 次 给 予 大 剂 量 电 子 束 照 射 的 放 射 治 疗 术 中 放 射 治 疗 必 需 配 备 不 同 尺 寸 和 形 状 的 术 中 限 束 器, 实 现 装 置 有 下 列 几 种 : 10

11 (1) 固 定 式 术 中 放 射 治 疗 装 置 可 产 生 电 子 辐 射 的 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 可 兼 做 术 中 放 射 治 疗 使 用, 但 要 配 备 术 中 限 束 器, 另 外 要 注 意 治 疗 室 的 消 毒 问 题 (2) 移 动 式 术 中 放 射 治 疗 装 置 专 门 设 计 的 移 动 式 装 置, 可 以 在 手 术 室 进 行 术 中 放 射 治 疗 (3)C 形 臂 式 术 中 放 射 治 疗 装 置 专 门 的 术 中 放 射 治 疗 装 置, 因 为 术 中 放 射 治 疗 只 需 要 电 子 辐 射, 束 流 负 载 轻, 可 以 减 轻 电 源 负 担, 同 时 辐 射 头 重 量 较 轻, 采 用 c 形 臂 结 构 比 较 方 便 ( 二 ) 远 距 离 放 射 治 疗 装 置 ( 根 据 辐 射 来 源 划 分 ) 1. 放 射 性 核 素 远 距 离 放 射 治 疗 机 (1) 60 Co 远 距 离 治 疗 机 60 Co 发 射 1.17Mev 和 1.33MeV 两 种 能 量 的 γ 辐 射, 平 均 能 量 为 1.25MeV, 相 当 于 MV 的 X 辐 射 源 (2) 137 Cs 远 距 离 治 疗 机 137 Cs 发 射 0.662MeV 的 γ 辐 射 2. 医 用 加 速 器 (1) 医 用 电 子 加 速 器 医 用 电 子 加 速 器 可 以 为 放 射 治 疗 提 供 直 接 产 生 的 电 子 辐 射 和 间 接 产 生 的 X 辐 射 根 据 加 速 方 法 又 分 以 下 几 种 : a. 医 用 电 子 直 线 加 速 器 利 用 射 频 场 加 速 电 子, 电 子 束 中 心 轨 道 为 一 条 直 线 b. 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 利 用 射 频 场 加 速 电 子, 轨 道 为 半 径 不 断 增 加 的 圆 c. 医 用 电 子 感 应 加 速 器 利 用 磁 通 变 化 产 生 的 感 应 电 场 加 速 电 子, 当 在 整 个 加 速 过 程 中, 电 子 运 动 轨 道 上 的 磁 通 密 度 为 所 包 面 积 的 平 均 磁 通 密 度 的 一 半 时, 电 子 轨 道 半 径 就 可 保 持 不 变, 因 而 其 电 子 束 中 心 轨 道 为 圆 形 (2) 医 用 质 子 加 速 器 质 子 是 有 一 定 射 程 (finite range) 的 粒 子, 为 了 能 到 达 人 体 深 部, 需 要 能 量 范 围 在 50~250Mev, 为 达 到 2Gy/min 的 剂 量 率, 需 要 加 速 流 强 在 20nA 左 右 根 据 加 速 方 法, 分 为 以 下 几 种 类 型 : a. 医 用 质 子 回 旋 加 速 器 恒 定 磁 场, 螺 旋 线 轨 道 b. 医 用 质 子 等 时 性 回 旋 加 速 器 恒 定 磁 场, 但 磁 场 强 度 从 中 心 沿 半 径 增 加, 以 保 证 谐 振 加 速, 仍 是 螺 旋 线 轨 道 c. 医 用 质 子 同 步 回 旋 加 速 器 ( 稳 相 加 速 器 ) 恒 定 磁 场, 加 速 电 场 频 率 随 质 子 质 量 一 同 增 加, 轨 道 仍 是 螺 旋 线 d. 医 用 质 子 同 步 加 速 器 磁 场 随 质 子 能 量 一 同 增 长, 保 持 轨 道 半 径 固 定, 环 形 轨 道 (3) 医 用 重 离 子 加 速 器 在 加 速 器 技 术 中, 称 氦 以 后 的 离 子 为 重 离 子, 如 4 He 12 C 14 N 16 O 20 Ne 40 Ar 等, 重 离 子 是 有 明 显 射 程 的 粒 子, 为 了 能 到 达 人 体 深 部, 11

12 需 要 能 量 范 围 在 50~450MeV/n(n 为 被 加 速 离 子 的 粒 子 数 ), 相 同 能 量, 不 同 种 类 的 重 离 子, 其 射 程 不 同 加 速 重 离 子 的 方 法 与 加 速 质 子 基 本 相 同 主 要 有 : a. 医 用 重 离 子 等 时 性 回 旋 加 速 器 b. 医 用 重 离 子 同 步 加 速 器 (4) 医 用 中 子 发 生 器 中 子 不 能 直 接 加 速, 因 此 是 间 接 产 生 的 粒 子 a. 以 密 封 中 子 管 为 基 础 的 医 用 中 子 治 疗 装 置 利 用 (d,t) 反 应 产 生 单 能 中 子 辐 射 (14MeV) b. 以 回 旋 加 速 器 为 基 础 的 医 用 中 子 治 疗 装 置 利 用 加 速 的 p d 打 靶 产 生 中 子 二 近 距 离 放 射 治 疗 近 距 离 放 射 治 疗 (brachy radiotherapy) 是 用 一 个 或 多 个 辐 射 源 在 患 者 腔 内 组 织 间 或 表 浅 部 位 进 行 的 放 射 治 疗 亦 称 内 射 束 治 疗 (intenai beam therapy) 近 距 离 放 射 治 疗 一 般 作 为 远 距 离 放 射 治 疗 的 辅 助 治 疗 手 段 ( 一 ) 近 距 离 放 射 治 疗 的 临 床 用 途 1. 腔 内 放 射 治 疗 (intracavitapmdio 山 empy) 用 施 源 器, 将 一 个 ( 也 可 以 是 多 个 ) 辐 射 源 通 过 自 然 的 或 人 造 的 开 口 引 人 人 体 腔 内 的 放 射 治 疗 2. 组 织 间 放 射 治 疗 (intentitialmdiodhempy) 用 密 封 辐 射 源 植 入 患 者 靶 区 体 积 内 的 放 射 治 疗 3. 管 内 放 射 治 疗 (in 创 u 此 ndmdi06empy) 血 管 腔 内 近 距 离 治 疗 用 于 防 止 血 管 成 形 手 术 后 再 狭 窄 等 4. 表 面 敷 贴 治 疗 (mould) 将 辐 射 源 按 规 定 排 列 ( 有 一 定 的 距 离, 如 1cm) 放 置 在 病 灶 表 面, 进 行 放 射 治 疗 5. 放 射 性 粒 子 植 入 治 疗 (implantedmdioactive seds bdch6empy) 将 多 个 短 半 衰 期 放 射 性 核 素 种 子 永 久 性 植 入 病 变 部 位 进 行 放 射 治 疗 ( 二 ) 近 距 离 放 射 治 疗 与 远 距 离 放 射 治 疗 的 主 要 不 同 点 (1) 近 距 离 放 射 治 疗 的 放 射 源 活 度 小 ( 一 般 不 大 于 10Ci) 治 疗 距 离 短 ( 一 般 不 大 于 1cm); (2) 近 距 离 放 射 治 疗 的 辐 射 能 量 大 部 分 被 组 织 吸 收, 而 外 照 射 的 能 量 只 有 很 少 一 部 分 进 入 组 织 ; 12

13 (3) 远 距 离 放 射 治 疗 因 必 须 穿 过 正 常 组 织 才 可 到 达 病 变, 为 防 止 正 常 组 织 超 过 耐 受 量, 必 须 选 择 多 野 或 旋 转 照 射 等 复 杂 技 术, 而 近 距 离 照 射 则 不 一 样 ; (4) 远 距 离 放 射 治 疗 可 以 做 到 靶 区 剂 量 均 匀, 但 近 距 离 放 射 治 疗 因 在 近 距 离 内 辐 射 强 度 受 平 方 反 比 定 律 的 影 响 很 大, 靶 区 剂 量 常 常 很 不 均 匀, 所 以 必 须 慎 重 选 择 剂 量 参 考 点 和 放 射 源 的 布 置 ( 三 ) 近 距 离 放 射 治 疗 装 置 现 代 近 距 离 放 射 治 疗 技 术 常 使 用 遥 控 后 装 技 术 (afterloading), 用 手 动 或 自 动 的 驱 动 方 式 将 一 个 或 多 个 密 封 辐 射 源 从 储 源 器 传 送 到 予 定 位 置 的 施 源 器 进 行 腔 内 放 射 治 疗 有 以 下 几 类 : 1. 遥 控 自 动 驱 动 式 γ 辐 射 后 装 机 目 前 遥 控 自 动 驱 动 式 Y 辐 射 后 装 机 常 用 辐 射 源 有 137 Cs(γ 辐 射 源 活 度 40mCi 左 右 ) 60 Co(γ 辐 射 源 活 度 12Ci 左 右 ) 及 192 Ir(γ 辐 射 源 活 度 10-12Ci) 等 按 辐 射 强 度 分 为 : (1) 低 剂 量 率 (LDR)(0.4-2Gy/h) (2) 中 剂 量 率 (MDR)(2-12Gy/h) (3) 高 剂 量 率 (HDR)( 大 于 12Gy/h) 2. 遥 控 自 动 驱 动 式 中 子 辐 射 后 装 机 中 子 辐 射 源 有 252 Cf, 人 工 放 射 性 核 素, 中 子 平 均 能 量 2.35MeV, 半 衰 期 2.65 年 3. 放 射 性 粒 子 植 入 治 疗 机 用 于 粒 子 植 入 治 疗 的 放 射 性 核 素 有 125 I 103 Pd 192 Ir 等 第 四 节 放 射 治 疗 的 辐 射 性 能 辐 射 不 是 单 个 的 粒 子, 而 是 粒 子 的 集 合 ; 粒 子 的 种 类 可 以 是 单 一 的, 也 可 以 是 不 同 的 ; 粒 子 的 静 止 质 量 可 以 为 零 ( 光 子 ) 也 可 不 为 零 ( 其 他 粒 子 ); 粒 子 的 运 动 方 向 可 以 相 同 也 可 不 同 ; 粒 子 的 能 量 可 以 相 同 也 可 不 同 不 是 所 有 电 离 辐 射 都 适 合 用 于 放 射 治 疗, 放 射 治 疗 对 电 离 辐 射 阶 性 能 有 一 定 的 要 求 一 电 离 辐 射 类 型 辐 射 类 型 (radiation type) 是 表 征 辐 射 或 粒 子 性 质 的 方 式 之 一, 不 同 类 型 具 有 不 同 的 性 能 放 射 治 疗 常 关 心 辐 射 的 放 射 生 物 学 性 能 和 放 射 物 理 学 性 能 对 于 所 使 用 的 每 一 种 类 型 的 电 离 辐 射, 希 望 这 种 类 型 电 离 辐 射 不 要 杂 有 其 他 类 13

14 型 的 电 离 辐 射 ( 一 ) 放 射 生 物 学 性 能 从 放 射 生 物 学 角 度, 辐 射 的 生 物 学 效 应 除 依 赖 于 吸 收 剂 量 外, 还 依 赖 于 吸 收 剂 量 的 分 次 给 予 吸 收 剂 量 率 及 电 离 辐 射 在 微 观 体 积 内 局 部 授 予 的 能 量, 即 与 传 能 线 密 度 (1inear energy transfer,let) 有 关 用 于 放 射 治 疗 的 辐 射 由 LET 的 大 小 分 为 两 大 类 1. 低 LET 辐 射 (1)X 辐 射 医 用 电 子 加 速 器 间 接 产 生 的 电 离 辐 射, 放 射 生 物 学 性 能 与 电 子 辐 射 相 同, 但 剂 量 分 布 方 式 不 同, 在 人 体 中 穿 透 性 好, 使 用 得 最 多 (2) 电 子 辐 射 医 用 电 子 加 速 器 直 接 产 生 的 电 离 辐 射 (3) 质 子 辐 射 属 于 低 LETY 辐 射,RBE=1.1, 但 在 接 近 射 线 射 程 的 末 端 有 Bragg 剂 量 高 峰, 可 以 使 高 剂 量 集 中 在 靶 区, 另 外 质 子 辐 射 的 侧 散 射 小, 质 子 辐 射 束 边 缘 比 较 锋 利 常 用 的 X 辐 射 γ 辐 射 和 电 子 辐 射 都 属 于 低 传 能 线 密 度 2. 高 LET 辐 射 (1) 中 子 辐 射 采 用 这 种 射 线 可 能 获 得 好 的 治 疗 效 果 (2) 重 离 子 辐 射 4 He 12 C 14 N 16 O 等 重 离 子 在 射 程 末 端 能 量 损 失 突 然 增 加 形 成 Bragg 峰, 对 放 射 治 疗 是 比 较 有 利 的 虽 然 理 论 上 高 LET 辐 射 的 生 物 效 应 优 于 低 LET 辐 射, 但 高 LET 辐 射 的 装 置 复 杂 庞 大, 因 此 实 际 使 用 的 主 要 是 低 LET 辐 射 ( 二 ) 放 射 物 理 学 性 能 从 放 射 物 理 学 角 度, 辐 射 射 人 人 体 后 的 剂 量 分 布 影 响 它 们 的 效 果 从 深 度 剂 量 分 布, 可 分 为 有 射 程 和 无 明 显 射 程 的 两 大 类 1. 具 有 一 定 射 程 的 辐 射 带 电 粒 子 如 电 子 β 粒 子 质 子 α 粒 子 等 具 有 一 定 射 程 (finite range) 粒 子 的 射 程 是 指 粒 子 沿 入 射 方 向 所 能 达 到 的 最 大 直 线 距 离 带 电 粒 子 与 物 质 相 互 作 用 由 于 电 离 损 失 辐 射 损 失 等 引 起 粒 子 动 能 的 损 失, 最 终 被 该 物 质 所 阻 止 吸 收 2. 没 有 一 定 射 程 的 辐 射 电 磁 辐 射 如 X γ, 中 性 粒 子 如 中 子 等, 在 物 质 中 逐 渐 衰 减, 没 有 一 定 的 射 程 中 子 辐 射 的 深 度 剂 量 曲 线 与 60 Co 的 γ 辐 射 的 深 度 剂 量 曲 线 相 似 电 磁 辐 射 虽 然 没 有 明 显 的 射 程 但 具 有 剂 量 建 成 现 象 ( 三 ) 根 据 电 离 辐 射 类 型 对 医 用 加 速 器 的 划 分 14

15 1. 低 LET 电 离 辐 射 装 置 (1) 医 用 电 子 加 速 器 (2) 医 用 质 子 加 速 器 2. 高 LET 电 离 辐 射 装 置 (1) 医 用 重 离 子 加 速 器 (2) 医 用 中 子 发 生 器 (3) 医 用 π - 介 子 发 生 器 二 电 离 辐 射 能 量 及 加 速 器 的 划 分 远 距 离 放 射 治 疗 中 常 用 的 是 X 辐 射 及 电 子 辐 射, 同 时 提 供 X 辐 射 及 电 子 辐 射 的 装 置 是 医 用 电 子 加 速 器, 电 子 辐 射 和 X 辐 射 的 能 量 均 取 决 于 电 子 加 速 能 量, 加 速 器 输 出 的 电 子 束 能 量 不 可 能 完 全 是 单 一 的, 而 是 具 有 一 定 的 能 谱 分 布 范 围, 放 射 治 疗 希 望 加 速 器 输 出 的 电 子 束 有 尽 可 能 窄 的 能 谱 一 般 讲,1~50MeV 都 是 放 射 治 疗 的 适 用 能 量 范 围 临 床 应 用 的 最 佳 能 量 范 围 必 须 具 体 分 析 对 于 高 能 物 理 用 电 子 直 线 加 速 器,1~50MeV 属 于 低 能 范 围, 但 对 临 床 使 用, 能 量 为 50MeV 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 属 于 高 能 范 围 常 根 据 需 要 分 挡 制 造, 习 惯 上 将 医 用 电 子 直 线 加 速 器 按 电 子 辐 射 的 最 大 能 量, 亦 即 最 大 加 速 能 量 分 为 三 挡, 即 低 能 中 能 及 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 三 挡 医 用 电 子 直 线 加 速 器 产 生 的 X 辐 射 能 量 都 是 相 近 的, 不 同 的 是 电 子 辐 射 能 量 范 围 它 们 都 既 可 用 于 常 规 放 射 治 疗 也 可 用 于 精 确 放 射 治 疗, 主 要 视 其 配 置 而 定 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 能 量 分 挡 : 1. 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 (1) 只 提 供 一 挡 X 辐 射, 用 于 治 疗 深 部 肿 瘤,X 辐 射 能 量 4~6MV, 采 用 驻 波 方 式 时 加 速 管 总 长 只 有 30cm 左 右, 无 需 偏 转 系 统, 同 时 还 可 省 去 聚 焦 系 统 及 束 流 导 向 系 统, 加 速 管 可 直 立 于 辐 射 头 上 方, 称 为 直 束 式 直 束 式 的 一 个 优 点 是 靶 点 对 称 (2) 加 速 管 输 出 剂 量 率 经 过 在 大 面 积 范 围 均 整 后 一 般 为 2.3Gy/(min m), 设 计 良 好 时 可 达 4~5Gy/(min m), 一 次 治 疗 时 间 仅 约 需 1min 由 于 只 有 一 挡 X 辐 射, 整 机 结 构 简 单, 操 作 简 便 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 一 种 经 济 实 用 的 放 射 治 疗 装 置, 可 以 满 足 约 85% 需 进 行 放 射 治 疗 的 肿 瘤 患 者 的 需 要 2. 中 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 (1) 提 供 一 挡 或 两 挡 X 辐 射 (6~8MV) 供 治 疗 深 部 肿 瘤 外, 还 提 供 4~5 挡 不 同 能 量 的 电 子 辐 射 (5~15MeV) 供 治 疗 表 浅 肿 瘤 使 用, 扩 大 了 应 用 范 围 (2) 加 速 管 较 长, 需 要 水 平 放 置 于 机 架 的 支 臂 上 方, 束 流 需 经 偏 转 系 统 后 打 靶 产 生 X 辐 射 或 直 接 将 电 子 束 从 引 出 窗 引 出 使 用 系 统 大 都 采 用 2700 消 色 差 偏 转 系 统, 使 偏 转 后 的 靶 点 保 持 对 称, 偏 转 系 统 比 较 复 杂 (3) 辐 射 头 内 除 一 挡 用 于 均 整 X 辐 射 的 均 整 过 滤 器 外, 还 采 用 多 挡 使 电 子 辐 射 分 布 均 匀 的 散 射 过 滤 器 为 了 调 节 电 子 辐 射 野, 在 电 子 辐 射 治 疗 时 需 附 加 不 同 尺 寸 和 15

16 不 同 形 状 的 限 束 器 中 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 除 能 治 疗 深 部 肿 瘤 外, 还 可 以 治 疗 大 部 分 表 浅 肿 瘤, 表 浅 治 疗 深 度 可 在 2~5cm 范 围 内, 由 于 中 能 治 疗 范 围 较 低 能 扩 大, 是 大 中 型 肿 瘤 医 院 和 综 合 医 院 的 放 射 肿 瘤 科 需 要 的 主 要 放 射 治 疗 装 置 3. 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 (1) 提 供 两 挡 X 辐 射, 商 业 上 称 为 双 光 子 方 式, 个 别 产 品 甚 至 可 以 提 供 三 挡 X 辐 射, 称 为 三 光 子 方 式, 多 档 设 置 目 的 是 适 应 不 同 体 厚 病 人 不 同 肿 瘤 深 度 治 疗 的 需 要 和 实 现 X 辐 射 深 度 剂 量 特 性 的 调 节, 因 为 采 用 高 低 两 挡 能 量 X 辐 射 组 合 照 射 相 当 于 调 节 能 量 (2) 可 提 供 更 高 能 量 的 电 子 辐 射, 一 般 电 子 辐 射 分 5~9 挡, 最 高 能 量 可 达 20~25MeV, 扩 大 了 对 表 浅 肿 瘤 的 治 疗 深 度 范 围 (2~7cm) 近 代 医 用 电 子 直 线 加 速 器 还 可 以 提 供 更 多 的 功 能 选 择, 如 动 态 楔 形 过 滤 系 统, 独 立 准 直 器 系 统, 弧 形 治 疗 系 统 等 另 外 控 制 系 统 方 面 具 有 计 算 机 控 制 计 算 机 故 障 巡 检 计 算 机 参 数 调 节 验 证 记 录 等 功 能 三 电 离 辐 射 强 度 由 于 辐 射 强 度 即 发 射 量 率 直 接 与 吸 收 剂 量 率 有 关, 而 吸 收 剂 量 率 又 直 接 与 每 次 治 疗 的 时 间 有 关, 故 常 用 吸 收 剂 量 率 表 征 辐 射 强 度 ( 一 ) X 辐 射 强 度 对 于 不 同 肿 瘤, 放 射 治 疗 要 求 在 肿 瘤 靶 区 给 予 50~70Gy 的 剂 量 放 射 生 物 学 要 求 采 用 分 次 疗 法 常 规 放 射 治 疗 一 个 疗 程 一 般 分 为 25~35 次, 每 次 给 予 1.8~2Gy 以 每 次 治 疗 时 间 1min 计, 吸 收 剂 量 率 在 2~3Gy/min 范 围 即 可 在 全 身 放 射 治 疗 时, 一 般 要 求 用 低 剂 量 率, 在 SSD=350~400cm 处, 吸 收 剂 量 率 以 低 于 0.05Gy/min 为 佳 精 确 放 射 治 疗 往 往 采 用 低 分 次 疗 法, 每 次 要 求 给 予 较 高 的 剂 量, 故 希 望 有 较 高 的 剂 量 要 求 剂 量 率 在 5~8Gy/min ( 二 ) 电 子 辐 射 强 度 常 规 放 射 治 疗 电 子 辐 射 剂 量 率 在 2~4Gy/min 范 围, 过 高 的 剂 量 率 有 不 安 全 的 隐 患, 最 大 剂 量 率 常 限 制 在 10Gy/min 以 下 采 用 全 身 电 子 束 放 射 治 疗, 因 为 治 疗 距 离 往 往 要 延 长 到 350~400cm, 要 求 有 高 剂 量 率 四 辐 射 野 轮 廓 16

17 远 距 离 放 射 治 疗 所 用 辐 射 野 形 状 分 为 规 则 辐 射 野 和 适 形 辐 射 野 两 大 类 ( 一 ) X 辐 射 1. 规 则 辐 射 野 常 规 放 射 治 疗 常 用 可 调 矩 形 辐 射 野, 必 要 时 加 挡 块, 立 体 定 向 放 射 外 科 治 疗 常 用 圆 形 辐 射 野 2. 适 形 辐 射 野 三 维 适 形 放 射 治 疗 及 调 强 适 形 放 射 治 疗 需 要 采 用 适 形 辐 射 野, 可 以 通 过 不 规 则 形 状 挡 块 或 多 叶 准 直 器 来 产 生 ( 二 ) 电 子 辐 射 采 用 不 同 尺 寸 的 矩 形 及 圆 形 限 束 器 获 得 矩 形 或 圆 形 辐 射 野, 必 要 时 加 挡 块 五 辐 射 野 强 度 分 布 远 距 离 放 射 治 疗 所 用 X 辐 射 强 度 分 布 有 三 种 方 式 (1) 均 匀 分 布 均 匀 分 布 指 在 辐 射 野 内 最 高 与 最 低 吸 收 剂 量 之 比 不 超 过 一 定 范 围 的 分 布, 均 匀 分 布 是 基 本 方 式, 用 于 常 规 放 射 治 疗 三 维 适 形 放 射 治 疗 (2) 楔 形 分 布 用 于 常 规 放 射 治 疗, 配 合 均 匀 分 布 的 辐 射 野 使 用 (3) 调 强 分 布 不 规 则 的 变 化 的 强 度 分 布, 由 逆 向 放 射 治 疗 计 划 求 得, 用 于 调 强 放 射 治 疗 远 距 离 放 射 治 疗 对 电 子 辐 射 强 度 分 布 要 求 是 均 匀 分 布 根 据 本 节 对 电 离 辐 射 性 能 的 要 求, 不 难 总 结 出 远 距 离 放 射 治 疗 用 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 基 本 性 能 特 征 第 五 节 远 距 离 放 射 治 疗 技 术 医 用 加 速 器 技 术 的 发 展 促 进 了 放 射 治 疗 技 术 的 发 展, 反 过 来 放 射 治 疗 技 术 的 发 展 又 促 使 医 用 加 速 器 不 断 改 进 和 提 高 远 距 离 放 射 治 疗 技 术 正 逐 渐 由 常 规 放 射 治 疗 向 精 确 放 射 治 疗 发 展, 所 谓 精 确 放 射 治 疗 是 指 采 用 立 体 定 向 定 位 技 术 适 形 照 射 技 术 和 调 强 技 术 的 放 射 治 疗, 或 者 说 是 采 用 精 确 定 位 摆 位 精 确 计 划 精 确 照 射 的 放 射 治 疗 17

18 一 常 规 放 射 治 疗 (conventional radiotherapy) ( 一 ) 常 规 放 射 治 疗 的 用 途 常 规 放 射 治 疗 的 照 射 区 (irradiation volume,iv)(50% 等 剂 量 面 包 围 的 区 域 ) 是 由 2~3 个 共 面 的 直 角 锥 形 束 相 交 而 成 的 照 射 体 积, 往 往 还 会 加 上 铅 挡 块, 能 将 肿 瘤 全 部 包 围 住, 由 于 大 多 数 肿 瘤 形 状 是 不 规 则 的, 所 以 不 可 能 与 靶 区 形 状 大 小 一 致, 特 别 是 当 肿 瘤 附 近 有 要 害 器 官 时, 不 易 躲 开, 照 射 区 与 靶 区 差 别 更 大, 正 常 组 织 及 要 害 器 官 的 耐 受 剂 量 往 往 限 制 了 靶 区 内 治 疗 剂 量 的 提 高, 影 响 局 部 控 制 率 但 常 规 放 射 治 疗 每 次 照 射 所 需 时 间 短 (1~2min), 摆 位 操 作 比 较 简 单, 是 目 前 最 常 用 的 治 疗 方 法, 通 常 所 说 放 射 治 疗 就 是 指 常 规 放 射 治 疗 ( 二 ) 常 规 放 射 治 疗 的 特 点 (1) 以 X 辐 射 治 疗 深 部 肿 瘤 为 主, 有 时 采 用 电 子 辐 射 治 疗 表 浅 肿 瘤, 符 合 国 际 电 工 委 员 会 (International Electrlcal Commission,IEC) 标 准 的 低 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 都 可 用 于 常 规 放 射 治 疗 (2) 采 用 均 匀 分 布 辐 射 野, 在 X 辐 射 时 用 均 整 过 滤 器 (flatting filter), 在 电 子 辐 射 时 用 散 射 过 滤 器 (scatter filter) IEC 规 定 了 允 许 的 X 辐 射 与 电 子 辐 射 均 整 度 (3) 采 用 规 则 形 状 辐 射 野,X 辐 射 野 轮 廓 是 由 上 下 两 对 矩 形 准 直 器 产 生, 最 大 辐 射 野 的 面 积 40cm 40cm, 辐 射 束 为 锥 形 束, 截 面 为 可 调 矩 形, 有 时 附 加 挡 块 (shadow block 以 保 护 要 害 器 官 ; 电 子 辐 射 野 则 由 用 不 同 形 状 和 尺 寸 的 矩 形 或 圆 形 限 束 器 (beam applicator) 来 获 得 矩 形 或 圆 形 辐 射 野, 最 大 辐 射 野 面 积 的 直 径 在 20cm 左 右, 附 加 低 熔 点 合 金 块 以 保 护 正 常 组 织 (4) 采 用 楔 形 过 滤 器, 在 X 辐 射 时 有 时 补 充 采 用 由 楔 形 过 滤 器 (wedge filter) 产 生 深 部 剂 量 的 楔 形 分 布 和 用 补 偿 过 滤 器 (compensating filter) 来 补 偿 由 于 被 照 组 织 表 面 形 状 不 规 则 而 引 起 的 辐 射 分 布 不 均 匀 (5) 采 用 放 射 治 疗 模 拟 机 (radiothempy simulator) 进 行 治 疗 前 的 模 拟 定 位 工 作 (6) 治 疗 计 划 设 计 采 用 手 工 或 计 算 机 辅 助 二 维 治 疗 计 划 系 统 进 行, 主 要 计 算 剖 面 内 的 剂 量 分 布 ( 三 ) 常 规 放 射 治 疗 的 方 法 1. 固 定 放 射 治 疗 (stationary radiothempy) 辐 射 源 相 对 于 患 者 没 有 位 移 的 放 射 治 疗 分 为 源 皮 距 (SSD) 照 射 ( 等 中 心 在 皮 肤 18

19 表 面 ) 源 轴 距 (SAD) 照 射 ( 等 中 心 在 肿 瘤 中 心 ) 2. 交 叉 放 射 治 疗 (cross fire radiothempy) 辐 射 束 从 不 同 方 向 会 聚 到 靶 区 内 的 固 定 放 射 治 疗 3. 移 动 束 放 射 治 疗 (moving beam radiotherapy) 辐 射 源 相 对 于 患 者 连 续 移 动 的 放 射 治 疗 4. 旋 转 放 射 治 疗 (rotation radiothempy) 相 对 于 一 轴 线 作 旋 转 运 动 的 移 动 束 放 射 治 疗, 如 弧 形 (arc) 旋 转 照 射 常 规 放 射 治 疗 每 次 只 用 2~4 个 不 同 照 射 角 度 固 定 束 治 疗 ( 对 野 交 叉 野 或 四 野 ), 较 少 采 用 单 野, 必 要 时 采 用 固 定 截 面 的 常 规 弧 形 移 动 束 治 疗 (conventional arc therapy) 二 定 向 放 射 治 疗 (stereotactic radiosurgery,srs) ( 一 ) 立 体 定 向 放 射 治 疗 的 用 途 立 体 定 向 放 射 治 疗 是 由 立 体 定 向 放 射 外 科 (stereotactic radiosurgery,srs) 发 展 而 来 的 立 体 定 向 放 射 外 科 是 放 射 神 经 外 科 方 法, 主 要 用 于 治 疗 功 能 性 神 经 疾 病 及 脑 动 静 脉 畸 形 等 立 体 定 向 放 射 治 疗 (SRT) 属 于 适 形 放 射 治 疗 范 畴, 主 要 以 医 用 电 子 加 速 器 ( 电 子 直 线 加 速 器 电 子 回 旋 加 速 器 ) 为 辐 射 源, 采 用 分 次 照 射, 用 于 治 疗 颅 内 肿 瘤 等 虽 然 SRT 和 SRS 的 装 置 基 本 相 同, 但 定 位 框 架 和 治 疗 方 法 不 完 全 相 同 ( 二 ) 立 体 定 向 放 射 治 疗 的 特 点 (1) 采 用 X 辐 射 进 行 照 射, 必 需 采 用 CT 或 MR 定 位 (2) 采 用 均 匀 分 布 辐 射 野, 要 求 野 外 剂 量 迅 速 下 降, 半 影 区 小 (3) 采 用 圆 锥 形 限 束, 形 成 圆 锥 形 辐 射 野, 最 大 X 辐 射 野 一 般 在 直 径 5cm 左 右 (4) 对 于 较 大 肿 瘤 采 用 微 形 多 叶 准 直 器, 最 大 辐 射 野 范 围 10cm 10cm 左 右 (5) 采 用 多 个 非 共 面 (non-coplannar) 弧 形 照 射, 形 成 类 球 形 或 不 规 则 形 照 射 区 (6) 采 用 可 重 复 的 立 体 定 向 框 架 ( 头 架 或 体 架 ) 定 位 (7) 采 用 分 次 治 疗, 而 不 像 SRS 那 样 采 用 一 次 性 照 射 立 体 定 向 放 射 治 疗 的 照 射 区 较 小, 不 适 合 用 于 治 疗 体 部 较 大 肿 瘤 ( 三 ) 立 体 定 向 放 射 治 疗 的 方 法 19

20 1. 辅 助 等 中 心 机 架 支 掉 头 架 法 (isocentric subsytem) 辅 助 等 中 心 机 架, 由 旋 转 支 臂 辅 助 圆 锥 形 准 直 器 转 盘 组 成 圆 锥 形 准 直 器 通 过 万 向 接 头 与 加 速 器 辐 射 头 相 连, 并 随 加 速 器 机 架 一 起 旋 转 2. 治 疗 床 转 盘 支 撑 头 架 法 (pedestal mounted frame techniques) 患 者 头 架 通 过 三 维 可 调 固 定 系 统 直 接 支 撑 在 地 面 上, 患 者 身 体 也 是 躺 在 治 疗 床 上, 头 架 和 床 面 一 起 随 治 疗 床 转 动 3. 治 疗 床 面 支 撑 头 架 法 (couch mounted frame system) 将 头 架 通 过 可 调 系 统 固 定 在 床 面 上 这 种 方 法 的 优 点 是 运 动 自 由 度 增 加, 加 速 器 辐 射 头 可 以 旋 转 到 床 面 以 下, 如 果 治 疗 过 程 中 可 使 机 架 与 治 疗 床 同 时 旋 转, 称 之 为 动 态 立 体 定 向 放 射 外 科 治 疗 技 术 (dynamic stereotactic radiosurgical technique) 4.C 形 臂 立 体 定 向 放 射 治 疗 装 置 C 形 臂 立 体 定 向 放 射 治 疗 装 置 的 治 疗 头 可 以 沿 C 形 臂 移 动,C 形 臂 机 架 可 以 旋 转, 而 治 疗 床 在 治 疗 过 程 中 不 用 旋 转, 降 低 了 对 治 疗 床 运 动 精 度 的 要 求 5. 无 定 位 架 立 体 定 向 放 射 外 科 治 疗 系 统 (frameless stereotatic radiosurgery system) 没 有 旋 转 机 架, 而 是 用 多 自 由 度 的 机 器 人 控 制 治 疗 头 的 照 射 方 向 和 距 离, 该 系 统 可 随 时 对 患 者 在 治 疗 过 程 中 的 微 小 位 置 移 动 进 行 补 偿 三 三 维 适 形 放 射 治 疗 (3D conformal radiotherapy,3d CRT) ( 一 ) 三 维 适 形 放 射 治 疗 的 用 途 适 形 放 射 治 疗 (conformal radiotherapy,crt) 分 为 经 典 适 形 放 射 治 疗 (classical conformal radiotherapy,ccrt) 与 调 强 适 形 放 射 治 疗 (intensity modulation conformal radiotherapy) 两 种 虽 然 经 典 适 形 放 射 治 疗 和 调 强 适 形 放 射 治 疗 都 属 于 三 维 适 形 放 射 治 疗 范 畴, 由 于 经 典 适 形 放 射 治 疗 是 适 形 放 射 治 疗 的 主 要 方 式, 临 床 界 通 常 称 经 典 适 形 放 射 治 疗 为 三 维 适 形 放 射 治 疗 (3D CRT) 近 十 几 年 来, 在 计 算 机 技 术 飞 速 发 展 的 同 时, 计 算 机 的 成 本 也 不 断 降 低, 这 就 促 进 了 功 能 强 大 的 U 模 拟 机 和 三 维 放 射 治 疗 计 划 系 统 的 迅 速 发 展 在 这 个 基 础 上, 放 射 治 疗 界 逐 步 推 广 了 三 维 适 形 放 射 治 疗 技 术 治 疗 计 划 上 的 进 步 也 促 使 医 用 加 速 器 生 产 厂 家 使 用 先 进 的 电 子 与 计 算 机 技 术 来 生 产 复 杂 的 治 疗 传 输 系 统 最 先 进 的 加 速 器 能 通 过 计 算 机 控 制 多 叶 准 直 器 (MLC) 对 束 流 强 度 进 行 调 制, 由 此 产 生 复 杂 而 精 确 的 剂 量 分 布 这 就 给 开 展 三 维 适 形 放 射 治 疗 和 调 强 适 形 放 射 治 疗 提 供 了 有 利 条 件 三 维 适 形 放 射 治 疗 技 术 是 采 用 多 个 共 面 或 非 共 面 照 射 野 对 患 者 进 行 治 疗, 各 照 20

21 射 野 在 它 的 入 射 方 向 上 与 靶 区 形 状 一 致, 从 而 减 少 了 靶 区 周 围 正 常 组 织 所 受 的 剂 量, 达 到 保 护 重 要 器 官 的 目 的 三 维 适 形 放 射 治 疗 所 用 的 每 个 照 射 野 内 的 剂 量 分 布 是 均 匀 的, 适 用 于 具 有 凸 形 轮 廓 的 靶 区 三 维 适 形 放 射 治 疗 产 生 的 照 射 区 不 仅 能 全 部 将 肿 瘤 包 围, 而 且 轮 廓 形 状 更 能 与 肿 瘤 轮 廓 形 状 一 致, 但 无 法 避 免 被 肿 瘤 包 围 的 要 害 器 官 ( 二 ) 三 维 适 形 放 射 治 疗 的 特 点 (1) 主 要 采 用 X 辐 射 治 疗 (2) 辐 射 野 的 剂 量 分 布 仍 用 均 匀 分 布 (3) 采 用 多 叶 准 直 器 (multi-1ef collimator,mlc) 或 不 规 则 形 状 铅 挡 块 等, 使 不 同 照 射 角 度 的 辐 射 野 截 面 轮 廓 与 靶 区 轮 廓 一 致 (4) 最 大 辐 射 野 面 积 在 20cm 20cm 左 右 (5) 采 用 立 体 定 向 定 位 框 架 (6) 采 用 CT 模 拟 定 位 系 统 (7) 采 用 正 向 三 维 治 疗 计 划 系 统 ( 三 ) 三 维 适 形 放 射 治 疗 的 方 法 1. 多 叶 准 直 器 法 通 过 手 动 或 自 动 调 节 多 叶 准 直 器 叶 片 位 置 来 实 现 2. 循 迹 扫 描 法 将 肿 瘤 轴 线 放 在 机 架 旋 转 轴 线 上, 准 直 器 开 成 一 定 宽 度 长 度 可 调 的 窄 条 野, 机 架 绕 肿 瘤 旋 转 照 射 一 周 后 令 治 疗 床 沿 轴 线 移 动 一 段 相 当 于 窄 条 野 宽 度 的 距 离 再 进 行 照 射 3. 挡 决 法 在 机 架 不 同 照 射 角 度 同 步 改 变 挡 块 的 位 置 和 形 状 以 改 变 辐 射 野 截 面 四 调 强 放 射 治 疗 (intensity modulation radiotherapy, IMRT) ( 一 ) 调 强 放 射 治 疗 的 用 途 调 强 放 射 治 疗 适 用 肿 瘤 附 近 或 内 部 有 要 害 器 官 ( 如 主 动 脉 旁 的 肿 瘤 和 淋 巴 结 转 移 瘤 ) 的 情 况, 需 要 产 生 凹 形 (concave) 或 包 绕 (wrap) 剂 量 分 布 时, 为 使 轮 廓 不 规 则 ( 包 21

22 括 凹 形 截 面 ) 组 织 不 均 匀 的 靶 区 获 得 预 期 的 剂 量 分 布, 不 仅 要 求 各 个 不 同 照 射 角 度 辐 射 野 的 轮 廓 形 状 与 靶 区 相 一 致, 而 且 要 求 各 个 辐 射 野 内 的 强 度 分 布 不 是 均 匀 的, 而 是 按 一 定 函 数 要 求 变 化 的 这 种 要 求 不 同 照 射 角 度 的 辐 射 野 有 不 同 强 度 分 布 的 方 法 称 为 调 强 分 布 ( 二 ) 调 强 放 射 治 疗 的 特 点 (1) 医 用 电 子 直 线 加 速 器 主 要 使 用 X 辐 射, 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 同 时 采 用 X 辐 射 与 电 子 辐 射 (2) 要 用 多 个 不 同 照 射 角 度, 每 个 辐 射 野 的 截 面 轮 廓 均 与 靶 区 轮 廓 相 一 致 (3) 每 个 辐 射 野 内 剂 量 强 度 分 布 不 是 均 匀 的, 而 是 按 一 定 要 求 调 节 的 (4) 最 大 辐 射 野 面 积 在 20cm 20cm 左 右 (5) 要 求 对 多 叶 准 直 器 的 位 置 移 动 速 度 及 剂 量 率 进 行 精 确 控 制 (6) 采 用 逆 向 三 维 治 疗 计 划 系 统 实 施 调 强 放 疗 的 关 键 在 于 实 现 由 逆 向 三 维 治 疗 计 划 系 统 所 要 求 的 调 强 分 布, 现 在 尚 无 统 一 的 方 法 22

23 第 二 章 放 射 源 和 放 射 治 疗 机 第 一 节 放 射 源 的 种 类 及 照 射 方 式 放 射 治 疗 使 用 的 放 射 源 主 要 有 三 类 : 1 放 出 α β γ 射 线 的 放 射 性 同 位 素 ; 2 产 生 不 同 能 量 的 X 射 线 的 X 射 线 治 疗 机 和 各 类 加 速 器 ; 3 产 生 电 子 束 质 子 束 中 子 束 负 π 介 子 束, 以 及 其 他 重 粒 子 束 的 各 类 加 速 器 这 些 放 射 源 以 两 种 基 本 照 射 方 式 进 行 治 疗 : 1 位 于 体 外 一 定 距 离, 集 中 照 射 人 体 某 一 部 位, 叫 体 外 远 距 离 照 射, 简 称 外 照 射 ; 2 将 放 射 源 密 封 直 接 放 人 被 治 疗 的 组 织 内 或 放 人 人 体 的 天 然 腔 内, 如 舌 鼻 咽 食 管 宫 颈 等 部 位 进 行 照 射, 叫 组 织 间 照 射 和 腔 内 照 射, 简 称 近 距 离 照 射 另 外 一 种 治 疗 方 式 是 利 用 人 体 某 种 器 官 对 某 种 放 射 性 同 位 素 的 选 择 性 吸 收, 将 该 种 放 射 性 同 位 素 通 过 口 服 或 静 脉 注 入 人 体 内 进 行 治 疗, 如 用 碘 -131 治 疗 甲 状 腺 癌 磷 -32 治 疗 癌 性 胸 水 等, 称 为 内 用 同 位 素 治 疗 由 于 内 用 同 位 素 是 开 放 性 的, 与 组 织 间 及 腔 内 治 疗 时 同 位 素 为 封 闭 型 不 同, 剂 量 计 算 方 法 也 有 区 别, 因 此 应 该 区 别 开 来 第 一 类 放 射 源 可 以 作 体 内 近 距 离 体 外 远 距 离 两 种 照 射 ; 第 二 三 类 放 射 源 只 能 做 体 外 照 射 近 距 离 照 射 与 体 外 照 射 相 比 有 四 个 基 本 区 别 : 1 近 距 离 照 射, 其 放 射 源 活 度 较 小, 由 几 十 个 MBq( 几 个 mci) 到 大 约 400GBq(10Ci), 而 且 治 疗 距 离 较 短, 约 在 5mm 到 5cm 之 间 2 体 外 照 射, 其 放 射 线 的 能 量 大 部 分 被 准 直 器 限 束 器 等 屏 蔽, 只 有 少 部 分 能 达 到 组 织 近 距 离 照 射 则 相 反, 大 部 分 能 量 被 组 织 吸 收 3 体 外 照 射, 其 放 射 线 必 须 经 过 皮 肤 和 正 常 组 织 才 能 到 达 肿 瘤, 肿 瘤 剂 量 受 到 皮 肤 和 正 常 组 织 耐 受 量 的 限 制, 为 得 到 高 的 均 匀 的 肿 瘤 剂 量, 需 要 选 择 不 同 能 量 的 射 线 和 采 用 多 野 照 射 技 术 4 由 于 距 离 平 方 反 比 定 律 的 影 响, 在 腔 内 组 织 间 近 距 离 照 射 中, 离 放 射 源 近 的 组 织 剂 量 相 当 高, 距 放 射 源 远 的 组 织 剂 量 较 低, 靶 区 剂 量 分 布 的 均 匀 性 远 比 外 照 射 的 差, 故 在 取 处 方 剂 量 归 一 点 时 必 须 慎 重, 防 止 靶 区 部 分 组 织 剂 量 过 高 或 部 分 组 织 剂 量 过 低 的 情 况 发 生 第 二 节 近 距 离 治 疗 用 放 射 性 同 位 素 源 放 射 性 同 位 素 放 射 α β γ 三 种 射 线 放 疗 主 要 使 用 β γ 两 种 射 线, 而 且 应 用 γ 射 线 多 于 应 用 β 射 线 除 镭 以 外, 放 疗 中 使 用 的 放 射 性 同 位 素 均 为 人 工 放 射 性 同 位 素, 而 且 除 钴 -60 铯 -137 外, 所 有 这 些 同 位 素 只 用 于 近 距 离 照 射 一 镭 -226 源 23

24 镭 -226 是 一 种 天 然 放 射 性 同 位 素, 不 断 衰 变 为 放 射 性 气 体 氡, 后 者 继 续 衰 变, 经 一 系 列 衰 变 产 物 最 后 变 成 铅 的 稳 定 同 位 素 镭 的 半 衰 期 为 1590 a, 氡 为 3.8d, 在 衰 变 的 过 程 中 放 出 α β γ 三 种 射 线 临 床 应 用 的 镭 是 它 的 硫 酸 盐, 装 在 各 种 形 状 的 铂 铱 合 金 封 套 内 铂 铱 封 套 具 有 密 封 及 滤 过 α β 射 线 的 作 用 1mg 镭, 经 0.5mm 铂 铱 滤 过 后, 距 离 镭 源 1cm 处 每 小 时 的 照 射 量 为 C/kg(8.25R) 一 般 应 用 镭 的 γ 射 线 进 行 治 疗, 仅 有 少 数 情 况 应 用 镭 的 γ 射 线 镭 γ 射 线 能 谱 复 杂, 平 均 能 量 为 0.83MeV, 远 比 一 般 深 部 X 射 线 能 量 高 由 于 镭 获 得 困 难, 实 际 应 用 的 镭 量 很 小, 放 射 性 活 度 低, 只 能 作 近 距 离 照 射 虽 然 镭 的 γ 射 线 有 很 强 的 穿 透 力, 但 短 距 离 所 形 成 的 剂 量 衰 减, 使 它 产 生 的 深 部 剂 量 很 低, 约 与 接 触 X 射 线 相 似, 所 以 临 床 上 多 用 来 作 腔 内 或 组 织 间 照 射 用 镭 作 放 射 源, 在 防 护 方 面 有 四 大 缺 点 :1 镭 的 能 谱 复 杂, 最 高 能 量 达 3.8MeV, 需 要 厚 的 防 护 层 ;2 半 衰 期 长, 遇 战 争 或 其 他 意 外, 会 造 成 严 重 污 染, 且 影 响 时 间 长, 若 一 个 局 部 地 区 污 染, 数 十 年 乃 至 数 百 年 都 不 能 肯 定 是 否 能 允 许 居 民 居 住 ;2 衰 变 过 程 中 产 生 氡 气, 如 操 作 过 程 中 不 小 心 或 发 生 其 他 意 外, 镭 管 破 损, 氡 气 逸 出, 则 会 造 成 环 境 污 染 ;4 镭 的 生 物 半 衰 期 长, 体 内 停 留 时 间 长, 短 时 间 不 能 消 除, 特 别 是 使 骨 髓 损 伤 严 重 因 此 原 则 上 镭 在 医 学 上 应 该 禁 用 目 前 已 被 钴 -60 铯 -137 铱 -192 等 人 工 放 射 性 同 位 素 代 替 二 铯 -137 源 铯 -137 是 人 工 放 射 性 同 位 素, 它 是 从 原 子 核 反 应 堆 的 副 产 物 经 化 学 提 纯 加 工 而 得 到 的 铯 -137 的 γ 射 线 能 量 是 单 能, 为 0.662MeV, 半 衰 期 为 33a, 平 均 每 年 衰 变 2% 铯 -137 在 组 织 内, 具 有 和 镭 相 同 的 穿 透 力, 同 等 镭 当 量 的 铯 -137 和 镭 具 有 类 似 的 剂 量 分 布 无 论 从 源 本 身 的 物 理 特 点 或 从 放 射 防 护 的 观 点 上 看, 铯 -37 比 镭 优 越, 它 是 取 代 镭 且 优 于 镭 的 较 好 同 位 素 之 一 铯 -137 的 化 学 提 纯 主 要 存 在 两 个 问 题 :1 放 射 性 比 活 度 ( 单 位 质 量 的 放 射 性 活 度 ) 不 可 能 做 得 太 高, 铯 -137 源 很 少 用 做 远 距 离 治 疗 机 的 放 射 源, 而 多 做 成 柱 状 或 球 形 放 射 源, 用 于 中 低 剂 量 率 腔 内 照 射 放 射 源 ;2 铯 -137 是 从 原 子 核 反 应 堆 的 裂 变 物 中 提 取 的, 其 中 混 有 铯 -134 同 位 素 近 十 多 年 来, 铯 -137 源 的 结 构 有 新 的 设 计, 以 适 应 许 多 低 剂 量 率 (LDR) 后 装 机 的 要 求, 如 球 形 粒 形 或 粒 条 形 等 三 钴 -60 源 钴 -60 也 是 一 种 人 工 放 射 性 同 位 素, 它 是 由 无 放 射 性 的 金 属 钴 -59 在 原 子 核 反 应 堆 中 经 过 热 中 子 照 射 轰 击 而 生 成 的 不 稳 定 的 放 射 性 同 位 素 核 内 的 中 子 不 断 转 变 为 质 子 并 放 出 能 量 为 0.3l MeV 的 β 射 线, 核 中 过 剩 的 能 量 以 γ 辐 射 的 形 式 释 出, 包 括 能 量 为 1.17MeV 及 1.33MeV 两 种 γ 射 线 衰 变 的 最 终 产 物 是 镍 的 稳 定 同 位 素 镍 -60 钴 -60 的 半 衰 期 为 5.27a 即 每 月 衰 减 1.1% 钴 -60 放 出 的 β 射 线 能 量 低, 易 于 被 容 器 吸 收 ;γ 射 线 平 均 能 量 为 1.25MeV, 比 镭 略 高, 因 此 钴 -60 也 可 用 作 镭 的 代 用 品, 如 制 成 钴 管 钴 针 等 比 较 起 来, 钴 -60 因 半 衰 期 短 且 能 量 高, 作 腔 内 照 射 放 射 源 不 如 铯 -137, 但 可 作 外 照 射 四 铱 -192 源 24

25 铱 -192 也 是 一 种 人 工 放 射 性 同 位 素, 它 是 由 铱 -191 在 原 子 核 反 应 堆 中 经 热 中 子 轰 击 而 生 成 的 铱 -192 能 谱 比 较 复 杂,β 射 线 平 均 能 量 为 360keV, 由 于 铱 -192 的 γ 射 线 能 量 范 围 使 其 在 水 中 的 指 数 衰 减 率 恰 好 被 散 射 建 成 所 补 偿, 在 距 源 5cm 范 围 内 任 意 点 的 剂 量 率 与 距 离 平 方 的 乘 积 近 似 不 变 ; 另 外, 铱 -192 粒 状 源 可 以 做 得 很 小, 使 其 点 源 的 等 效 性 好, 便 于 剂 量 计 算, 加 之 半 衰 期 为 74d 37~370 GBq(1-10Ci) 高 活 度 的 铱 -192 源 普 遍 用 于 高 剂 量 率 (HDR) 的 后 装 治 疗 目 前 大 约 有 600 多 台 HDR 后 装 机 在 世 界 各 地 医 院 使 用, 但 关 于 铱 -192 源 的 二 维 剂 量 分 布 的 出 版 数 据 仍 然 不 多 铱 -192 仍 是 替 代 镭 -226, 钴 -60, 铯 -137 用 于 高 低 剂 量 率 近 距 离 治 疗 的 较 好 的 同 位 素 五 碘 -125 源 由 于 金 -198 的 γ 射 线 能 量 为 412keV, 半 衰 期 为 2.7d 与 氡 相 近, 历 史 上 曾 由 它 代 替 氡 使 用 碘 -125 源 通 常 做 成 粒 状 源, 用 于 高 低 剂 量 率 的 临 时 性 或 永 久 性 插 植 治 疗 尽 管 组 织 不 均 匀 性 对 插 植 剂 量 分 布 有 影 响, 只 要 处 理 好 下 述 两 个 因 素, 临 床 反 而 从 中 可 得 到 治 疗 增 益 :1 充 分 利 用 现 代 影 像 设 备, 了 解 插 植 部 位 的 组 织 结 构 的 细 节 ;2 要 有 较 好 的 剂 量 计 算 模 型, 以 表 达 组 织 边 界 的 剂 量 分 布 的 特 征 六 新 型 近 距 离 治 疗 用 放 射 源 近 十 多 年 来, 近 距 离 治 疗 的 较 大 进 展 是 开 发 使 用 光 子 能 量 位 于 23~100 kev 范 围 内 的 放 射 性 同 位 素 源, 如 钯 -103( 103 Pd) 镅 -241( 241 Am) 钐 -145( 145 Sm) 镱 -l 69( 169 Yb) 等 与 镭 的 替 代 同 位 素 钴 铂 铱 不 同 的 是, 此 能 量 范 围 内 的 γ 射 线 与 铅 及 其 他 防 护 材 料 的 相 互 作 用 主 要 是 光 电 效 应, 只 需 用 较 薄 的 高 原 子 序 数 的 金 属 实 现 治 疗 中 的 组 织 防 护 例 如, 若 要 产 生 2 倍 的 剂 量 衰 减, 铯 -137 铱 -192 约 需 2-5mm 厚 钨 片, 而 镅 -241 镱 -169 只 需 大 约 0.5mm 厚 钨 片 显 然 此 类 新 放 射 源, 可 实 现 临 床 治 疗 的 个 体 化, 得 到 更 好 的 治 疗 效 果 第 三 节 近 距 离 后 装 治 疗 机 近 距 离 后 装 治 疗 机 就 是 采 用 近 距 离 治 疗 用 放 射 性 同 位 素 源 来 治 疗 肿 瘤 的 医 疗 设 备 目 前 国 产 的 后 装 机 中,98% 以 上 都 使 用 高 剂 量 率 铱 -192 源 现 代 后 装 机 将 微 型 铱 源 焊 接 在 细 钢 丝 ( 直 径 约 1mm 图 2-3-1) 的 一 端, 另 一 端 连 至 步 进 马 达, 按 计 算 机 程 序 控 制 方 式 运 行, 各 驻 留 位 置 的 照 射 时 间 可 任 意 设 置, 从 而 产 生 千 变 万 化 的 剂 量 分 布 模 式, 这 种 灵 活 度 是 以 往 单 调 的 旧 型 机 所 不 具 备 的 ( 图 2-3-2) 一 外 照 射 与 内 照 射 剂 量 学 基 本 概 念 的 异 同 25

26 外 照 射 (teletheraphy) 是 指 放 射 源 位 于 人 体 外 部, 射 线 需 用 经 人 体 正 常 组 织 并 殃 及 邻 周 器 官 照 射 肿 瘤 ; 而 近 距 离 照 射 照 射 (brachytherapy) 是 指 将 放 射 源 连 同 施 用 器 置 图 铱 源 结 构 示 意 图 放 于 人 体 天 然 腔 管 内 或 将 细 针 管 植 入 瘤 体 内 再 导 入 放 射 源 的 放 疗 技 术 多 年 来 近 距 离 照 射 在 国 内 主 要 限 于 妇 科 肿 瘤 领 域, 剂 量 学 相 对 而 言 比 较 薄 弱 近 年 来 随 着 近 距 离 照 射 在 放 射 源 后 装 机 和 治 疗 计 划 系 统 的 发 展, 治 疗 范 围 已 扩 展 到 全 身 各 类 肿 瘤 如 : 鼻 咽 食 管 乳 腺 直 肠 支 气 管 肺 膀 胱 胆 管 胰 腺 前 列 腺 等 癌 瘤 治 疗 技 术 可 归 纳 为 腔 内 管 内 组 织 间 植 入 模 板 敷 贴 及 术 中 置 管 术 后 放 疗 五 大 类 本 节 将 综 合 介 绍 国 际 辐 射 单 位 及 测 量 委 员 会 (ICRU) 在 其 第 38 号 出 版 物 推 荐 的 剂 量 学 术 语 和 临 床 剂 量 学 概 念, 并 着 重 比 较 两 者 的 异 同, 旨 在 协 调 规 范 放 疗 医 护 技 人 员 及 物 理 人 员 的 专 业 术 语, 加 深 对 近 距 离 治 疗 剂 量 学 有 关 概 念 和 定 义 的 理 解 ( 一 ) 靶 区 及 剂 量 分 布 模 式 式 术 语 1. 靶 区 (target volume) 外 照 射 靶 区 指 接 受 特 定 吸 收 剂 量 和 剂 量 时 间 模 式 照 射 的 组 织 区 域 对 根 治 方 案, 靶 区 不 仅 包 括 显 在 的 瘤 体 ( 如 果 看 得 到 的 话 ), 还 应 包 括 潜 在 的 可 能 受 肿 瘤 侵 犯 的 亚 临 床 灶 靶 区 可 能 不 止 一 个, 靶 区 需 独 立 地 凭 借 临 床 资 料, 如 解 剖 结 构 各 种 诊 断 手 段 确 定 的 瘤 体 范 围 等 独 立 确 定, 不 受 治 疗 方 案 及 剂 量 分 布 的 制 约 近 距 离 治 疗 的 靶 区 定 义 与 外 照 射 类 同, 但 在 内 外 组 合 照 射 中, 各 自 的 靶 区 要 分 别 描 述, 并 需 指 出 该 靶 区 仅 接 受 单 纯 外 照 射 还 是 组 合 照 射 同 时, 还 应 给 出 内 照 射 靶 区 图 后 装 机 主 机 的 物 理 尺 寸, 以 便 进 行 体 积 剂 量 ( 率 ) 的 计 算 和 直 方 图 表 示 2. 治 疗 区 (treatment volume) 外 照 射 的 治 疗 区 由 特 定 的 等 剂 量 面, 即 靶 区 剂 量 最 小 值 对 应 的 等 值 面 来 描 述, 治 疗 区 应 能 够 包 罗 整 个 靶 区 近 距 离 放 疗 的 治 疗 区 是 由 放 疗 医 生 指 定 的 剂 量 等 值 面 包 含 的 范 围, 通 常 采 用 绝 对 吸 收 剂 量 ( 率 ) 值, 而 不 用 百 分 相 对 剂 量 ( 率 ) 来 定 义 原 因 是 源 周 围 剂 量 梯 度 变 化 大, 肿 瘤 位 置 形 体 和 大 小 的 千 差 万 别, 很 难 选 择 普 遍 认 可 的 归 一 点 不 过 也 有 例 外, 例 如 妇 癌 腔 内 放 疗 的 曼 彻 斯 特 传 统 剂 量 学 系 统 中 的 A 点 是 大 多 数 放 疗 单 位 公 认 并 采 纳 的 剂 量 参 考 点, 剂 量 等 值 线 可 选 其 剂 量 值 做 归 一 处 理 3. 照 射 区 (irradiated volume) 外 照 射 的 照 射 区 要 比 治 疗 区 范 围 广, 它 接 受 的 照 射 剂 量 用 于 评 估 组 织 耐 受 程 度 及 方 案 的 优 劣, 通 常 用 事 先 约 定 好 的 某 等 剂 量 面 ( 如 26

27 50% 等 值 面 ) 包 罗 的 区 域 来 定 义 4. 参 考 体 积 (reference volume) 外 照 射 无 参 考 体 积 的 概 念 对 腔 内 照 射 有 必 要 确 定 参 考 区 的 ( 尺 寸 ) 大 小, 参 考 体 积 定 义 为 由 参 考 剂 量 值 面 包 罗 的 范 围, 参 考 剂 量 是 为 便 于 各 放 疗 部 门 之 间 相 互 比 较 而 约 定 的 剂 量 值, 治 疗 区 对 应 的 处 方 剂 量 值 与 上 述 参 考 剂 量 值 可 以 相 等 亦 可 不 同 5. 危 及 器 官 (organs at risk) 指 邻 近 及 位 于 靶 区 内 的 敏 感 器 官, 它 们 对 射 线 的 耐 受 程 度 将 直 接 影 响 治 疗 方 案 及 处 方 剂 量 的 选 定 内 照 射 范 围 的 定 义 与 外 照 射 类 同, 例 如 在 宫 颈 癌 腔 内 照 射 中, 邻 周 敏 感 器 官 有 直 肠 膀 肮 等 ( 二 ) 吸 收 剂 量 分 布 的 特 点 外 照 射 治 疗 计 划 要 求 靶 区 内 剂 量 变 化 维 持 在 ±5% 以 内, 精 度 误 差 控 制 5% 近 距 离 照 射 则 不 同, 施 源 器 表 面 剂 量 最 高, 离 开 放 射 源 越 远, 剂 量 将 迅 速 减 小, 梯 度 落 差 逐 步 减 缓, 换 言 之, 近 距 离 治 疗 是 在 不 均 匀 剂 量 ( 率 ) 模 式 下 的 照 射 在 做 内 外 组 合 照 射 时, 由 于 射 线 的 生 物 效 应 与 剂 量 率 治 疗 分 次 (fraction) 及 分 次 剂 量 等 参 数 密 切 相 关, 故 显 示 内 外 照 射 合 成 效 果 时, 应 在 线 性 二 次 模 型 (IQ 公 式 ) 理 论 基 础 上, 换 算 成 等 效 生 物 剂 量 (EBD) 显 示 ; 用 叠 加 物 理 剂 量 方 式 处 理 是 没 有 意 义 的 二 近 距 离 放 疗 临 床 剂 量 学 步 骤 和 外 照 射 一 样, 近 距 离 治 疗 也 需 要 一 组 专 业 人 员, 包 括 放 疗 医 生 护 士 技 术 员 及 物 理 师 职 责 分 明, 配 合 默 契, 有 条 不 紊 地 进 行 ( 一 ) 疗 前 准 备 施 用 器 置 放 及 护 理 措 施 适 合 于 做 近 距 离 放 疗 的 肿 瘤 患 者 需 按 照 治 疗 病 种 及 技 术 充 分 做 好 疗 前 准 备 : 准 备 工 作 主 要 由 近 距 离 治 疗 室 的 护 土 负 责, 他 们 除 了 要 了 解 肿 瘤 病 人 的 基 础 护 理 知 识 外, 还 需 掌 握 近 距 离 放 疗 中 腔 内 管 内 组 织 间 插 植 术 中 置 管 及 模 板 敷 贴 等 各 具 特 点 的 技 术 操 作 ( 二 ) 靶 区 定 位 施 源 器 及 解 剖 结 构 的 空 间 重 建 施 用 器 置 放 后, 下 一 步 是 拍 摄 定 位 片, 确 定 靶 区, 选 择 源 活 性 驻 留 位 (active dwell positions), 进 行 空 间 重 建 (reconstruiction), 这 是 非 常 重 要 的, 必 不 可 少 的 临 床 剂 量 学 环 节 定 位 片 的 拍 摄 和 诊 断 片 不 同, 它 们 是 在 空 间 两 个 不 同 方 位 拍 摄 到 的 最 能 清 晰 无 误 地 反 映 施 源 器 与 靶 区 邻 周 解 剖 结 构 相 互 关 系 的 两 张 X 线 片 靶 区 是 根 据 临 床 资 料, 即 直 视 窥 镜 所 见,CT MRI 影 像 X 线 诊 断 片 及 解 剖 结 构 确 定 的 治 疗 范 围 靶 区 和 施 源 器 位 置 一 旦 确 定, 源 的 活 性 驻 留 位 置 即 可 依 据 靶 区 范 围 选 定, 原 则 是 所 形 成 的 剂 量 分 布 不 应 存 在 肿 瘤 漏 照 欠 剂 量 或 过 量 照 射 健 康 组 织 的 情 况 源 活 性 驻 留 位 又 是 借 助 拍 定 位 片 时, 放 在 施 源 器 内 模 拟 源 位 的 X 线 标 尺 (X-ray ruler) 在 定 位 片 上 的 投 影 来 选 定 的 27

28 1. 重 建 概 念 与 方 法 重 建 的 概 念 是 从 两 组 不 同 视 角 投 影 定 位 片, 经 数 学 重 建 处 理 后 获 取 施 源 器 放 射 源 或 解 剖 结 构 的 三 维 空 间 位 置 坐 标 的 过 程 数 学 重 建 方 法 有 : 正 交 投 影 重 建 法 不 完 全 正 交 投 影 重 建 法 同 中 心 投 影 重 建 法 立 体 平 移 投 影 重 建 法 变 角 投 影 重 建 法 等 2. 柔 性 塑 管 施 源 器 的 特 殊 重 建 方 法 下 面 针 对 柔 细 治 疗 塑 管, 介 绍 两 种 灵 活 准 确 快 捷 的 重 建 法 : 描 迹 法 (cather tracking) 和 描 点 法 (points describing) 这 两 种 方 法 都 是 把 治 疗 管 空 间 曲 线 的 重 建 先 用 折 线 近 似, 再 用 平 滑 函 数 (smoothing fuction) 拟 合 ; 不 同 之 处 是 勾 画 折 线 的 方 式 不 一 样 (1) 描 迹 法 : 首 先 按 正 交 或 变 角 重 建 法 拍 摄 治 疗 管 定 位 片, 然 后 借 助 数 字 化 仪 (digitizer) 输 入 折 线 段 做 近 似 处 理 描 迹 法 不 要 求 两 视 图 的 输 入 逐 点 对 应, 也 就 是 说 用 鼠 标 器 输 入 定 位 片 l 上 的 投 影 点 与 输 入 定 位 片 2 上 的 投 影 点 是 完 全 独 立 的, 折 线 段 的 长 短 数 目 均 不 做 硬 性 规 定 ; 不 过, 只 要 求 : 治 疗 管 在 图 2-3-3[1] 上 的 第 一 描 迹 点 必 须 是 该 治 疗 管 在 图 2-3-3[2] 上 的 投 影 对 应 点 ( 如 端 点 或 源 的 第 一 活 性 驻 留 位 置 ), 见 图 其 次, 重 建 程 序 对 两 定 位 片 拍 摄 过 程 中 的 位 移 做 校 正 : 由 于 治 疗 管 第 一 描 迹 点 在 两 投 影 图 上 必 须 是 治 疗 管 上 的 同 一 点, 理 论 上 它 们 与 X 线 球 管 焦 点 F 图 描 迹 法 重 建 过 程 示 意 图 连 线 在 空 间 必 交 于 一 点 C, 但 实 际 拍 摄 过 程 中 患 者 会 由 于 呼 吸 或 不 自 主 的 移 动 造 成 CˊFˊ 和 C F 不 相 交, 这 时 程 序 将 按 照 Nelder 和 MMd 所 谓 Downhill Simplex 方 法 对 两 个 定 位 片 做 小 范 围 的 调 整, 使 两 条 连 线 相 交 于 C, 程 序 在 监 视 器 上 还 显 示 两 个 定 位 片 位 移 调 整 幅 度 和 患 者 移 动 的 距 离 空 间 重 建 过 程 如 下 : 定 位 片 [1] 上 每 一 折 线 段 首 先 被 等 分 成 100 份 并 分 别 与 焦 点 Fˊ 连 线 构 成 扇 形 幕 (beam ray cutain), 欲 求 定 位 片 [2] 上 某 点 P 的 空 间 重 建 位 置 及 在 定 位 片 [1] 上 的 对 应 点 只 须 连 接 P F, 程 序 将 在 扇 形 幕 上 找 出 与 P F 连 线 相 交 或 最 接 近 的 射 线 PˊFˊ,Pˊ 即 为 点 P 的 对 应 点,P 即 为 空 间 重 建 点 (2) 描 点 法 : 描 点 法 的 核 心 是 把 曲 线 重 建 转 换 为 折 线 重 建, 再 转 换 成 一 系 列 折 点 28

29 的 重 建, 因 此 要 求 在 数 字 化 仪 上 输 入 折 线 段 时 必 须 一 一 对 应, 程 序 的 测 距 功 能 及 时 显 示 重 建 结 果 与 实 际 距 离 的 偏 差, 偏 差 大 表 明 折 点 不 对 应 为 减 小 误 差, 输 入 折 线 段 时, 可 选 上 述 X 线 尺 的 标 记 点 (marker) 中 心 做 折 点 第 四 节 X 射 线 治 疗 机 一 X 射 线 的 产 生 及 其 能 谱 X 射 线 是 由 高 速 运 动 的 电 子 突 然 受 到 物 体 的 阻 滞 而 产 生 的 高 速 电 子 撞 击 靶 物 质 时, 产 生 碰 撞 和 辐 射 两 种 损 失, 前 者 主 要 产 生 热, 后 者 主 要 产 生 X 射 线 二 者 之 比 为 : 碰 撞 损 失 MeV 800 辐 射 损 失 T Z 式 中 T 为 高 速 运 动 的 电 子 的 动 能 (MeV),Z 为 靶 物 质 的 原 子 序 数 此 可 见, 对 250 kv 低 能 X 射 线 治 疗 机, 假 定 为 钨 靶 (Z=74;, 由 于 电 子 动 能 (T=250keV= 0.25MeV) 很 小, 辐 射 损 失 只 占 电 子 能 量 损 失 的 2%, 绝 大 部 分 的 电 子 能 量 (98%) 以 热 量 形 式 出 现, 所 以 一 般 X 射 线 治 疗 机 要 有 靶 的 冷 却 装 置 ; 相 反 对 能 量 较 高 的 加 速 器 X 射 线, 由 于 电 子 动 能 很 高, 电 子 能 量 大 部 分 产 生 X 射 线, 一 小 部 分 产 生 热, 故 一 般 不 需 要 冷 却 装 置 X 射 线 的 能 谱 指 的 是 X 射 线 的 光 子 强 度 与 光 子 能 量 的 关 系 X 射 线 有 两 种 成 分, 特 征 辐 射 和 纫 致 辐 射 韧 致 辐 射 形 式 的 谱 是 连 续 的, 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, 而 在 某 些 特 定 能 量 处 强 度 最 大 X 射 线 管 的 加 速 电 压 越 高, 线 谱 越 向 高 能 方 向 移 动, 治 疗 越 是 有 利 但 增 加 管 电 压 总 有 一 定 困 难, 因 此 为 获 得 满 意 的 能 谱 分 布, 往 往 要 加 一 些 滤 过, 把 低 能 的 谱 线 去 掉 临 床 治 疗 用 的 X 射 线 机 根 据 能 量 高 低 分 为 : 临 界 X 射 线 (6~10 kv); 接 触 X 射 线 (10~60 kv); 浅 层 X 射 线 (60~160 kv); 深 部 X 射 线 (180~400kV); 高 压 X 射 线 (400 kv`1 MV) 以 及 高 能 X 射 线 (2~50 MV), 后 者 主 要 由 各 种 形 式 的 加 速 器 产 生 低 能 X 射 线 机 与 钴 -60 加 速 器 相 比 由 于 百 分 深 度 剂 量 低 能 量 低 易 于 散 射 剂 量 分 布 差 等 缺 点, 逐 渐 被 后 者 取 代 二 X 射 线 质 的 改 进 滤 过 板 的 作 用 从 X 射 线 机 中 产 生 的 X 射 线 有 从 零 到 蜂 值 (X 射 线 机 管 电 压 ) 的 一 系 列 能 量, 而 低 能 部 分 对 治 疗 毫 无 用 处 且 产 生 高 的 皮 肤 剂 量 为 了 适 应 治 疗 的 需 要, 必 须 对 X 射 线 的 能 谱 进 行 改 进, 设 法 去 掉 低 能 部 分, 而 保 留 较 高 能 量 的 X 射 线, 滤 过 板 可 以 起 到 这 样 的 作 用, 适 当 地 选 择 滤 过 板 可 以 使 低 能 部 分 比 高 能 部 分 吸 收 得 多 显 然, 经 过 这 种 改 进 后 产 生 的 X 射 线 比 原 来 的 平 均 能 量 要 高, 即 半 价 层 高 使 用 滤 过 板 时 应 注 意 以 下 几 点 :1 不 同 X 射 线 能 量 范 围 用 不 同 的 滤 过 板,140 kv 以 下 的 用 铝,140 kv 以 上 的 用 铜 或 铜 加 铝 或 复 合 滤 过 2 同 一 管 电 压 的 X 射 线, 滤 过 板 不 同, 所 得 X 射 线 半 价 层 也 不 同 2 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 的, 后 放 原 子 序 数 小 的 这 样 放 置 的 主 要 目 的 是 为 了 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 4 从 理 论 上 讲, 29

30 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 三 X 射 线 机 的 一 般 构 造 产 生 X 射 线 一 般 需 要 以 下 几 个 条 件 :1 电 子 源 ;2 真 空 盒 ;3 加 速 电 场 ;4 靶 根 据 这 些 条 件, 可 把 X 射 线 机 简 化 成 如 下 模 型 ( 图 2-4-1): X 射 线 管 靶 灯 丝 灯 丝 电 源 管 电 流 射 线 高 压 发 生 器 KV ma 图 X 射 线 机 简 化 成 如 下 模 型 X 线 治 疗 机 由 球 管 机 架 治 疗 床 控 制 台 高 压 发 生 器 及 整 流 电 路 和 循 环 冷 却 装 置 等 组 成, 其 核 心 部 分 是 X 线 球 管 图 X 射 线 球 管 相 对 于 诊 断 用 的 X 线 球 管 而 言, 放 射 治 疗 所 用 的 X 线 球 管 的 特 点 是 瞬 时 功 率 小 ( 约 为 前 者 的 l/l0), 但 长 时 间 平 均 功 率 大 ( 大 概 为 前 者 的 l0~l00 倍 ), 球 管 的 焦 点 也 较 大, 为 5~7mm 1. 球 管 整 个 球 管 密 封 于 玻 璃 壳 中, 由 阳 极 ( 靶 ) 和 阴 极 ( 灯 丝 ) 组 成 ; 玻 璃 壳 内 须 抽 成 真 空, 真 空 度 为 10-6 ~10-7 Torr(1Torr=13Pa) 抽 真 空 有 两 个 目 的 : 一 是 减 少 乃 至 消 除 电 子 在 球 管 内 加 速 过 程 中 与 空 气 分 子 发 生 碰 撞 而 损 失 能 量 ; 二 是 防 止 被 加 热 到 高 温 的 灯 丝 在 空 气 中 会 很 快 氧 化 并 熔 断, 从 而 提 高 球 管 的 使 用 寿 命 30

31 真 空 被 破 坏 则 X 射 线 管 被 破 坏 为 了 防 止 X 射 线 管 真 空 破 坏, 应 恒 温 恒 湿 保 存, 另 外 要 注 意 训 练, 即 从 低 ma 低 kv 逐 渐 往 上 升, 不 要 一 开 机 就 突 然 加 到 高 kv 高 ma 特 别 对 新 X 射 线 管, 这 种 训 练 更 为 重 要, 它 往 往 可 以 使 得 轻 微 漏 气 的 管 于 得 到 挽 救 2. 阴 极 球 管 的 阴 极 由 灯 丝 聚 焦 极 和 金 属 罩 组 成 灯 丝 经 电 流 加 热 到 高 温 后 会 有 电 子 蒸 发 出 来, 故 它 通 常 用 钨 ( 熔 点 3370 ) 做 成 灯 丝 旁 的 聚 焦 极 起 聚 焦 电 子 的 作 用 阴 极 与 阳 极 间 加 有 由 高 压 发 生 器 产 生 的 高 电 压, 其 产 生 的 电 场 用 以 加 速 电 子 从 高 压 发 生 器 输 出 的 电 压 是 正 弦 交 流 电, 需 通 过 一 个 整 流 器 将 它 改 成 直 流 电 以 保 持 阴 阳 极 间 电 场 方 向 的 恒 定, 否 则 反 向 加 速 的 电 子 会 熔 断 灯 丝 并 无 法 形 成 极 间 电 流 以 产 生 X 线 用 钨 作 灯 丝, 发 射 电 子 的 能 力 强 调 节 灯 丝 电 流 可 以 改 变 X 射 线 管 电 流 ma 一 般 X 射 线 机 均 有 稳 流 装 置 X 射 线 机 的 管 电 流 是 指 由 阳 极 通 向 阴 极 的 电 流, 用 ma 表 示, 它 代 表 X 射 线 的 强 度 ( 输 出 剂 量 率 ) 3. 阳 极 阳 极 是 在 罩 壳 内 固 定 于 铜 质 底 座 前 的 钨 靶, 经 电 场 加 速 后 具 有 相 当 动 能 的 电 子 在 靶 上 急 剧 减 速 而 产 生 韧 致 辐 射 X 线 采 用 钨 作 为 靶 材 料 除 了 它 熔 点 高 外, 更 主 要 是 因 为 它 是 高 原 子 序 数 材 料 (Z=74) 阳 极 角 度 : 钨 靶 的 表 面 一 般 与 入 射 电 子 方 向 成 26~30 度 角, 这 是 根 据 入 射 电 子 的 能 量 和 它 所 产 生 的 X 线 的 角 分 布 关 系 为 使 治 疗 方 向 上 有 最 大 输 出 而 设 计 的 铜 底 座 : 由 于 加 速 电 子 能 量 的 绝 大 部 分 ( 约 98%) 仍 是 通 过 碰 撞 以 热 量 释 放, 球 管 工 作 时 在 靶 上 产 生 的 约 几 千 瓦 的 热 量 须 通 过 后 面 导 热 良 好 的 铜 底 座 传 递 出 去 铜 底 座 内 含 有 供 散 热 油 循 环 的 管 道 冷 却 叶 片 : 整 个 球 管 浸 在 循 环 的 冷 却 油 中 冷 却 油 在 外 面 的 热 交 换 器 中 与 水 循 环 交 换 热 量, 因 此 整 个 X 线 球 管 通 过 油 水 两 组 循 环 散 发 热 量 X 射 线 管 中 电 子 撞 击 靶 时 绝 大 部 分 能 量 不 产 生 X 射 线 而 产 生 热, 只 有 极 少 部 分 能 量 产 生 X 射 线 了 解 了 这 一 点, 就 会 懂 得 X 射 线 机 的 冷 却 是 非 常 重 要 的 有 经 验 的 X 射 线 机 技 术 员 会 经 常 注 意 X 射 线 管 的 发 热 情 况, 发 现 问 题 及 时 处 理, 避 免 X 射 线 管 烧 坏 罩 壳 : 阴 极 和 阳 极 外 的 罩 壳 是 为 了 防 止 电 子 束 散 到 靶 外 X 射 线 机 的 阳 极 加 有 几 百 kv 的 高 压 作 为 电 子 的 加 速 电 场, 这 个 电 压 一 般 通 过 自 耦 变 压 器 调 节, 高 压 用 kv 表 示, 它 代 表 X 射 线 的 峰 值 能 量 4. 管 压 管 流 通 常, 我 们 把 加 在 阴 极 与 阳 极 之 间 的 电 位 差 称 为 极 间 电 压, 简 称 管 压 ; 把 真 空 中 从 阴 极 射 向 阳 极 的 电 子 所 形 成 的 电 流 而 不 是 加 热 灯 丝 的 电 流 ) 称 为 极 间 电 流, 简 称 管 流 管 流 的 大 小 正 比 于 所 产 生 的 X 线 的 量, 因 而 影 响 X 线 的 强 度, 即 剂 量 串 或 治 疗 时 间 但 管 流 强 度 与 X 线 的 穿 透 能 力 ( 俗 称 射 线 的 硬 度 ) 无 关 从 理 论 上 讲, 极 间 电 压 仅 影 响 电 子 的 能 量, 因 此 影 响 X 线 的 穿 透 能 力 而 与 X 线 的 强 度 无 关 但 实 际 上, 由 于 灯 丝 发 射 的 热 电 子 会 在 阴 极 附 近 形 成 一 层 电 子 云, 这 层 电 子 云 反 过 来 会 阻 碍 电 子 的 发 射 和 加 速, 但 电 子 云 随 着 加 速 电 场 增 大 很 快 消 失, 所 以 在 低 管 压 时 (<100 kv)x 线 强 度 会 随 管 压 的 增 加 而 呈 平 方 正 比 地 增 加, 这 种 现 象 随 着 管 压 的 进 一 步 增 加 而 消 失 5. 控 制 系 统 控 制 系 统 可 以 理 解 为 一 系 列 的 开 关 X 线 治 疗 机 的 剂 量 由 操 纵 台 上 的 计 时 器 控 制 因 此 在 临 床 治 疗 前, 须 对 每 一 管 压 管 流 及 滤 片 的 组 合 测 量 照 射 条 件 下 的 剂 量 率 31

32 四 X 线 治 疗 机 的 分 类 和 特 点 按 照 管 压 的 大 小, 当 然 也 是 根 据 临 床 治 疗 的 深 度 不 同,X 线 治 疗 机 的 分 类 如 下 : 1. 接 触 X 线 : 15~50 kv,2ma 左 右, 靶 一 皮 肤 距 离 为 2~10 cm; 2. 浅 表 X 线 : 把 50~100 kv,8~10ma, 靶 至 皮 肤 距 离 为 10~15cm; 3. 常 规 X 线 :>200 kv,20 ma 左 右 X 线 治 疗 机 的 特 点 1. 管 电 压 较 高 2. 管 电 流 甚 小 3.X 线 质 硬 4. 穿 透 力 强 第 五 节 钴 -60 治 疗 机 钴 -60 远 距 离 治 疗 机 自 1951 年 加 拿 大 第 一 台 建 成 以 来,40 多 年 间 得 到 了 迅 速 的 发 展 和 广 泛 的 应 用 我 国 的 放 疗 设 备 近 十 几 年 也 有 很 大 的 发 展 和 提 高, 目 前 已 能 批 量 生 产 性 能 较 好 的 旋 转 式 钴 -60 治 疗 机 一 钴 -60 γ 射 线 的 特 点 钴 -60 源 的 γ 射 线 半 衰 期 为 5.27a, 平 均 每 月 约 衰 变 1%, 例 如 原 有 钴 源 活 度 为 3700 GBq(100Ci), 经 过 一 个 月 后 剩 下 3663GBq(99Ci), 再 经 过 一 个 月 变 为 GBq(98.01Ci), 余 下 类 推 钴 -60 的 照 射 量 率 常 数 为 13.1R cm 2 mci -1.H -1 或 空 气 比 释 动 能 率 常 数 为 0.309μGy m 2 /MBq h 外 照 射 用 的 钴 -60 源 通 常 由 1mm 1mm 的 柱 状 源 集 合 在 一 个 不 锈 钢 的 圆 筒 形 的 源 套 内, 其 源 套 直 径 一 般 在 2.0~2.6cm 范 围, 其 高 度 决 定 于 整 个 源 的 总 活 度 由 于 钴 源 本 身 的 自 吸 收 以 及 准 直 器 的 限 束, 致 使 一 定 活 度 的 钴 -60 源 在 治 疗 距 离 处 的 照 射 量 率 (R/min) 比 由 照 射 量 率 常 数 按 距 离 平 方 反 比 定 律 推 算 的 照 射 量 率 要 低, 为 便 于 临 床 剂 量 计 算, 建 议 用 距 源 1m 处 每 分 钟 或 每 小 时 的 照 射 量 Rmm 或 Rhm 表 示 治 疗 机 钴 -60 源 的 活 度 钴 -60γ 射 线 平 均 能 量 为 125MeV, 和 一 般 深 部 X 射 线 机 (200~400kV) 相 比, 除 去 能 量 高 外, 还 具 有 下 列 独 特 的 优 点 : 穿 透 力 强 高 能 射 线 通 过 吸 收 介 质 时 的 衰 减 率 比 低 能 X 射 线 低 因 此 高 能 射 线 剂 量 随 深 度 变 化 比 低 能 X 射 线 慢, 即 是 说 比 低 能 X 射 线 有 较 高 的 百 分 深 度 剂 量, 由 于 百 分 深 度 剂 量 高, 所 以 钴 -60 治 疗 时 射 野 设 计 比 低 能 X 射 线 简 单, 剂 量 分 布 也 比 较 均 匀 保 护 皮 肤 钴 -60γ 射 线 最 大 能 量 吸 收 发 生 在 皮 肤 下 4~5mm 深 度, 皮 肤 剂 量 相 对 较 小 因 此 给 予 同 样 的 肿 瘤 剂 量, 钴 -60 引 起 的 皮 肤 反 应 比 X 射 线 轻 得 多 如 果 在 皮 肤 表 面 放 一 薄 层 吸 收 体, 则 钴 -60γ 射 线 的 这 一 优 点 将 随 之 失 去 因 此 在 治 疗 摆 32

33 位 时 或 设 计 准 直 器 或 挡 块 时, 应 充 分 保 证 铅 块 或 准 直 器 底 端 离 开 皮 肤 一 定 距 离 ( 一 般 为 15cm 以 上 ), 使 得 最 大 剂 量 的 吸 收 不 发 生 在 皮 肤 上 骨 和 软 组 织 有 同 等 的 吸 收 剂 量 低 能 X 射 线, 由 于 光 电 吸 收 占 主 要 优 势, 骨 中 每 伦 琴 剂 量 吸 收 比 软 组 织 大 得 多 而 对 钴 -60γ 射 线, 康 普 顿 吸 收 占 主 要 优 势, 因 此 每 单 位 剂 量 的 吸 收 在 每 克 骨 中 与 软 组 织 近 似 相 同 钴 -60γ 射 线 的 这 一 优 点 保 证 了 当 射 线 穿 过 正 常 骨 组 织 时, 不 致 引 起 骨 损 伤 ; 另 一 方 面, 由 于 骨 和 软 组 织 有 同 等 吸 收 能 力, 在 一 些 组 织 交 界 面 处, 等 剂 量 曲 线 形 状 变 化 较 小, 治 疗 剂 量 比 较 精 确 这 些 特 点 是 低 能 X 射 线 所 没 有 的 旁 向 散 射 小 钴 -60γ 射 线 的 次 级 射 线 主 要 向 前 散 射, 射 线 几 何 线 束 以 外 的 旁 向 散 射 比 X 射 线 小 得 多, 剂 量 下 降 快 因 此 保 护 了 射 野 边 缘 外 的 正 常 组 织 和 减 低 了 全 身 积 分 剂 量 但 是 如 果 设 计 钴 -60 机 时, 几 何 和 穿 射 半 影 很 大 的 话, 这 种 优 点 也 会 失 去 经 济 可 靠 钴 -60γ 射 线 和 低 能 X 射 线 相 比 有 上 述 许 多 独 特 优 点 实 际 上 钴 -60γ 射 线 和 2~4MV 高 能 X 射 线 相 似 超 高 压 X 射 线 机 加 速 器 与 钴 -60 治 疗 机 相 比, 它 们 的 优 点 是 源 焦 点 很 小, 不 存 在 几 何 半 影 问 题 线 束 边 缘 更 加 清 晰, 等 剂 量 曲 线 更 加 扁 平 相 反, 钴 -60γ 射 线 治 疗 机 与 超 高 压 X 射 线 机 加 速 器 相 比, 虽 存 在 半 影 半 衰 期 短 以 及 防 护 等 问 题, 但 具 有 经 济 可 靠 结 构 简 单 维 护 方 便 等 优 点 由 于 这 个 特 点, 使 得 钴 -60 治 疗 机 比 其 他 放 疗 设 备 发 展 快, 仍 然 是 发 展 中 国 家 特 别 是 我 国 目 前 放 射 治 疗 中 的 主 要 放 疗 设 备 二 钴 -60 治 疗 机 的 一 般 结 构 钴 -60 治 疗 机 一 般 由 以 下 部 分 组 成 :1 一 个 密 封 的 钴 -60 放 射 源 ;2 一 个 源 容 器 及 防 护 机 头 ;3 具 有 开 关 的 遮 线 器 装 置 ;4 具 有 定 向 限 束 的 准 直 器 ;5 支 持 机 头 的 治 疗 机 架, 用 以 调 节 线 束 方 向 ;6 治 疗 床 ;7 计 时 器 及 运 动 控 制 系 统 ;8 辐 射 安 全 及 联 锁 系 统 下 面 阐 述 与 钴 -60 治 疗 机 结 构 有 关 的 几 个 问 题 钴 -60 源 防 护 根 据 国 际 放 射 防 护 委 员 会 (ICRP) 推 荐, 任 何 远 距 离 钴 -60 治 疗 机, 当 钴 60 源 处 于 关 闭 位 置 时, 距 离 钴 -60 源 1m 处, 各 方 向 的 平 均 照 射 量 应 小 于 2mR /h 在 此 距 离 处 不 应 有 超 过 10 mr/h 的 地 方 根 据 这 种 要 求 对 干 居 里 级 钴 -60 治 疗 机, 需 要 大 约 衰 减 到 10-6 或 近 似 20 个 半 价 层 一 般 防 护 材 料 用 铅, 也 有 用 钨 或 铀 的 合 金 通 常 源 容 器 用 钨 或 铀 合 金, 源 容 器 周 围 用 铅, 外 面 用 钢 作 套 遮 线 器 所 谓 遮 线 器 就 是 截 断 钴 -60 源 γ 射 线 的 装 图 气 动 式 钴 机 结 构 置 当 遮 线 器 处 于 开 位 时, 射 线 束 通 过 一 定 方 向 射 出 进 行 治 疗 ; 当 遮 线 器 处 于 关 闭 位 时, 射 线 束 被 截 断, 只 有 少 部 分 射 线 漏 出 遮 线 器 有 许 多 不 同 形 式, 最 为 常 用 为 图 所 示 的 (a) 型 气 动 式 钴 机 结 构 和 图 所 示 的 (b) 型 轮 动 式 钴 机 结 构 (b) 型 遮 线 器 的 缺 点 是, 每 关 闭 一 次 遮 线 器 都 要 旋 转 半 周, 但 为 选 择 使 用 和 设 计 限 束 系 统 提 供 了 较 大 的 灵 活 性 ;(a) 型 遮 线 器 为 (b) 型 遮 线 器 的 变 形, 以 钴 -60 源 的 直 线 运 动 ( 源 抽 屉 运 动 ) 代 替 了 钴 -60 源 的 33

34 旋 转 钴 -60 源 抽 屉 运 动 靠 气 动 或 机 械 推 动 实 现 不 论 那 一 种 设 计, 均 要 使 得 操 作 安 全 可 靠 图 轮 动 式 钴 机 结 构 准 直 器 系 统 准 直 器 的 目 的 是 限 定 照 射 野 大 小 以 适 应 治 疗 需 要 根 据 国 际 放 射 防 护 委 员 会 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, 钴 -60 准 直 器 的 最 少 吸 收 厚 度 应 为 4.5 个 半 价 层 例 如 铅,HVL=1.27c61, 准 直 器 所 需 铅 厚 为 5.7cm, 一 般 取 6cm 摆 位 时, 挡 铅 厚 度 也 应 该 等 于 6cm 实 际 治 疗 机 中, 多 数 准 直 器 厚 度 比 此 厚 度 大, 使 漏 射 线 剂 量 不 超 过 有 用 射 线 剂 量 的 1%, 以 减 少 穿 射 半 影 准 直 器 的 理 想 设 计, 应 使 钴 -60 半 影 最 小 准 直 器 一 般 设 计 成 一 级 准 直 器 和 二 级 准 直 器 一 级 准 直 器 用 来 限 定 钴 -60 机 的 最 大 照 射 野, 不 能 调 节 二 级 准 直 器 有 固 定 可 切 换 式 和 可 调 式 两 种, 前 者 很 笨 重, 不 利 于 摆 位, 已 弃 用 ; 可 调 式 准 直 器 较 方 便, 并 采 用 复 式 结 构 ( 图 2-4-1) 采 用 复 式 结 构 的 准 直 器 的 主 要 目 的 是 减 少 几 何 半 影 该 准 直 器 的 末 端 的 两 对 叶 片 设 计 制 成 伸 缩 式, 改 变 源 至 准 直 器 末 端 的 距 离 (SDD) 一 般 治 疗 时, 该 叶 片 处 于 标 准 位 置 (SDD l ), 特 殊 治 疗 时, 处 于 下 拉 位 置 (SDD 2 ) 由 于 SDD 2 大 于 SDD l, 几 何 半 影 进 一 步 减 少, 故 称 此 叶 片 为 消 半 影 装 置 (trimmer) 当 射 野 邻 近 重 要 器 官 如 鼻 咽 癌 治 疗 用 钴 -60 鼻 前 野 时, 建 议 用 此 装 置 减 少 半 影 以 降 低 双 侧 眼 球 晶 体 的 剂 量 治 疗 机 种 类 钴 -60 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 以 分 为 百 居 里 治 疗 机 和 千 居 里 治 疗 机 两 种 前 者 治 疗 距 离 在 40 cm 至 60cm 范 围 ; 后 者 一 般 在 75cm 以 上 由 于 百 居 里 治 疗 机 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 34

35 至 万 居 里 级 治 疗 机 较 普 遍, 治 疗 距 离 可 到 100cm, 百 分 深 度 剂 量 可 与 加 速 器 低 能 X 射 线 的 相 比 直 立 型 治 疗 机 要 求 机 头 能 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 机 头 不 能 升 降, 只 能 作 360 旋 转 随 着 制 造 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 为 80 cm 或 100cm 三 回 转 式 钴 -60 治 疗 机 结 构 与 特 点 图 为 某 型 回 转 式 钴 -60 治 疗 机 的 一 般 结 构 设 有 回 转 固 定 摆 动 间 歇 等 四 种 治 疗 方 式, 可 供 治 疗 中 选 用 其 主 要 结 构 有 (1) 机 架 (2) 回 转 臂 (3) 机 头 (4) 准 直 器 (5) 治 疗 床 (6) 光 学 测 距 器 (7) 平 衡 块 (8) 回 转 指 示 装 置 (9) 底 座 (10) 手 控 器 (11) 摄 像 机 (12) 控 制 台 (13) 钴 源 (14) 钴 源 容 器 等 旋 转 机 架 机 头 立 式 机 架 准 直 器 机 架 旋 转 角 度 手 控 器 治 疗 床 ( 一 ) 机 头 及 回 转 臂 图 钴 -60 的 一 般 结 构 机 头 是 该 机 主 要 部 件 之 一, 钴 源 装 于 其 中, 由 钨 合 金 和 铅 严 密 保 护, 机 头 外 壳 由 铸 钢 成, 有 足 够 的 强 度 内 部 结 构 与 图 相 似 钴 源 装 在 不 锈 钢 制 成 的 源 筒 内 ( 图 2-5-4), 由 旋 塞 将 钴 源 紧 闭 源 筒 孔 中, 不 会 松 动 脱 落, 牢 固 可 靠, 每 台 钴 机 备 有 二 根 钴 源 筒, 两 者 可 以 互 相 调 换,( 作 为 装 源 或 换 源 使 用 ), 不 锈 钢 源 简 两 端 灌 有 足 够 厚 度 的 铅, 防 护 较 好, 在 装 源 或 换 源 时, 方 便 可 靠 钴 源 采 用 气 动 机 构 来 推 动, 治 疗 时, 只 要 使 电 磁 伐 通 电, 将 气 源 接 通, 气 缸 活 塞 推 杆 使 将 钴 源 筒 推 出 300 毫 米, 停 留 在 图 源 抽 屉 放 射 口 处, 进 行 照 射 当 定 时 照 射 结 束 ( 是 用 定 时 钟 控 制 治 疗 时 间 ), 钳 源 简 便 出 动 退 回, 将 钴 源 稳 定 可 靠 地 停 放 在 贮 藏 位 置, 治 疗 过 程 中 当 突 然 发 生 断 电 时, 钴 源 筒 能 自 动 返 回 原 位, 以 确 保 治 疗 安 全 机 头 装 于 由 铸 钢 制 成 的 回 转 臂 上, 结 构 坚 固, 转 动 灵 活, 钴 头 自 身 的 转 动 由 电 35

36 动 机 涡 轮 减 速 器 齿 轮 组 传 动, 可 做 顺 反 向 90 回 转 钴 头 颈 部 装 有 360 的 回 转 刻 度 指 示 ( 二 ) 模 拟 灯 模 似 光 是 作 为 校 正 放 射 部 位 用 的, 它 放 出 一 个 近 似 钴 源 辐 射 的 光 野 由 100( 瓦 )12 伏 的 溴 钨 灯 作 光 源, 通 过 光 学 系 统, 聚 集 到 钴 源 筒 端 部 的 反 射 镜 上, 经 90 转 折 射, 射 出 准 直 器 的 放 射 口, 在 校 正 部 位 时, 借 此 光 野 确 定 照 射 野 ( 三 ) 准 直 器 : 遮 线 器 准 直 器 图 准 直 部 件 (1) 图 准 直 器 部 件 (2) 准 直 器 ( 见 图 和 2-5-6) 上 的 翼 形 状 防 护 体 与 钨 合 金 防 护 套, 按 装 在 由 可 锻 镕 铁 制 成 的 支 架 上, 支 架 由 固 定 圈 支 撑, 中 间 导 槽 装 有 滚 动 钢 球, 文 架 可 在 固 定 圈 中 转 动, 翼 形 状 防 护 体 构 成 的 射 野 由 二 只 微 型 电 机 传 动, 使 其 射 野 按 X 轴 或 夕 轴 方 向 张 大 或 缩 小, 射 野 可 调 节 成 40 40~ 毫 米 的 正 或 长 方 形 准 直 器 可 绕 中 心 轴 线 做 ± 90 转 动, 当 转 动 方 位 确 定 后, 将 紧 定 螺 钉 拧 紧 即 被 固 定 钨 合 金 防 半 影 条 可 由 A 位 拉 到 B 位 A 位 照 射 野 按 源 皮 距 600 毫 米 标 称 刻 度 值 选 取, B 位 按 源 皮 距 750 毫 米, 标 称 刻 度 值 选 取, 托 架 上 装 有 一 块 有 机 玻 璃 板, 供 治 疗 特 殊 病 症 时, 放 置 铅 或 钨 块, 以 构 成 特 殊 形 状 的 照 射 野, 满 足 治 疗 和 防 护 的 需 要 ( 四 ) 治 疗 床 : 主 要 有 床 面 升 降 筒 和 床 座 组 成 床 面 在 电 磁 制 动 器 松 开 时, 可 用 手 拉 动 作 前 后 左 右 的 平 面 移 动 和 绕 升 降 筒 的 轴 心 线 作 左 右 0~90 的 回 转 床 面 升 降 是 由 电 动 机 经 皮 带 传 动 和 驱 动 涡 杆, 涡 轮 减 速 器, 带 动 中 心 螺 杆 传 动 36

37 来 升 降 的, 床 座 在 脚 踏 制 动 器 松 开 时, 可 绕 床 座 固 定 轴 心 线 作 左 右 0~90 的 转 动 床 面 中 间 有 一 个 孔, 盖 板 可 以 去 掉, 在 反 向 照 射 或 定 位 时, 可 以 将 此 盖 板 拿 掉, 以 便 使 用 床 面 上 装 有 安 全 保 护 装 置 在 床 面 受 到 意 外 的 压 迫 时 可 使 机 头 作 短 时 间 的 反 向 运 动 后, 切 断 电 源, 保 证 使 用 安 全 四 钴 60 半 影 半 影 为 射 野 边 缘 剂 量 随 离 开 中 心 轴 距 离 增 加 而 急 剧 变 化 的 范 围, 用 P 90% ~10% 或 P 80% ~20% 表 示 有 下 列 三 种 原 因 造 成 钴 60 治 疗 机 有 半 影 几 何 半 影 源 具 有 一 定 尺 寸, 被 准 直 器 限 束 后, 射 野 边 缘 诸 点 分 别 受 到 面 积 不 等 的 源 的 照 射, 因 而 产 生 由 高 到 低 的 剂 量 渐 变 分 布 穿 射 半 影 即 使 是 点 状 源, 由 于 准 直 器 端 面 与 边 缘 线 束 不 平 行, 使 线 束 穿 透 厚 度 不 等, 也 造 成 剂 量 渐 变 分 布 显 然, 使 用 球 面 聚 焦 式 准 直 器 原 则 上 可 以 消 除 穿 射 半 影 散 射 半 影 即 使 用 点 状 源 和 球 面 准 直 器 使 几 何 半 影 和 穿 射 半 影 消 失, 组 织 中 的 剂 量 分 布 仍 有 渐 变, 这 主 要 是 由 于 组 织 中 的 散 射 线 造 成 在 射 野 边 缘, 到 达 边 缘 的 散 射 线 主 要 由 射 野 内 的 散 射 线 造 成 显 然 边 缘 的 散 射 线 的 总 量 低 于 射 野 内 任 意 一 点 的 散 射 线 的 量 射 野 边 缘 离 射 野 中 心 越 远, 散 射 线 剂 量 越 少 由 此 可 知, 组 织 中 的 散 射 半 影 是 无 法 消 除 的, 但 散 射 半 影 的 大 小 随 入 射 线 的 能 量 增 大 而 减 少 高 能 X 射 线 或 γ 射 线, 散 射 线 主 要 往 前, 散 射 半 影 小 ; 低 能 X 射 线, 散 射 线 呈 各 向 同 性, 散 射 半 影 比 较 大 上 述 三 种 原 因, 造 成 射 野 边 缘 剂 量 的 不 均 匀 性, 这 种 剂 量 不 均 匀 性 对 给 予 高 的 均 匀 的 肿 瘤 剂 量, 减 少 周 围 正 常 组 织 的 总 剂 量 都 是 不 利 的 因 此 应 该 设 法 尽 量 减 少 半 影 减 少 几 何 半 影 有 两 个 方 法 一 是 缩 小 放 射 源 直 径, 但 不 能 太 小, 主 要 受 放 射 源 的 放 射 性 比 活 度 的 限 制, 否 则 射 线 输 出 剂 量 率 太 低, 不 经 济 另 一 办 法 是 加 大 准 直 器 距 离, 即 减 少 准 直 器 到 患 者 皮 肤 间 距 离 若 SSD-SDD=0, 则 皮 肤 半 影 等 于 0 如 前 所 述, 这 样 做 虽 然 减 少 了 几 何 半 影, 但 是 由 于 减 少 了 准 直 器 至 患 者 间 的 距 离, 却 增 加 了 钴 -60γ 射 线 中 的 电 子 污 染, 破 坏 了 钴 -60γ 射 线 的 剂 量 建 成 效 应, 从 而 增 加 了 皮 肤 反 应, 这 是 得 不 偿 失 的 为 了 保 护 钴 -60γ 射 线 的 剂 量 建 成 效 应 的 优 点, 一 般 SSD-SDD 至 少 等 于 l 5cm 目 前 设 计 的 新 型 钴 -60 治 疗 机 均 采 用 带 有 半 影 消 除 装 置 的 复 式 球 面 形 准 直 器 ( 图 2-4-5) 综 上 所 述, 整 个 半 影 既 依 赖 于 机 器 设 计 ( 几 何 半 影 穿 射 半 影 ), 又 依 赖 于 射 线 的 能 量 ( 散 射 半 影 ) 对 给 定 的 组 织 深 度, 半 影 随 射 野 增 大 而 增 加 因 几 何 半 影 与 射 野 面 积 无 关, 因 此, 变 化 量 主 要 由 散 射 半 影 造 成, 其 中 有 少 部 分 由 穿 射 半 影 造 成 ; 对 给 定 的 照 射 野, 半 影 随 深 度 增 加 而 增 加 五 钴 -60 源 更 换 钴 -60 源 因 不 断 衰 变, 放 射 性 活 度 逐 渐 减 少, 致 使 患 者 的 治 疗 时 间 不 断 加 长, 需 要 更 换 新 钴 -60 源 ( 如 图 2-5-7) 换 钴 源 是 一 项 细 致 慎 重 的 工 作, 需 要 在 专 业 技 术 人 员 指 导 下 进 行 1. 检 查 容 器 漏 射 线 量, 是 否 符 合 允 许 范 围 2. 检 查 源 活 度 是 否 符 合 机 器 设 计 要 求 37

38 3. 确 定 两 个 源 抽 屉 中 新 源 位 置 4. 将 钴 源 容 器 放 在 一 个 可 升 降 的 铲 车 上, 送 入 治 疗 室 内 机 头 旁 5. 将 机 头 与 源 容 器 的 抽 屉 对 接, 注 意 位 置 6. 连 接 抽 屉 7. 用 特 制 的 铁 钩 钩 住 模 拟 源 后 的 环 形 螺 栓, 准 备 把 旧 源 推 进 模 拟 源 抽 屉 此 时 机 房 内 只 留 1-2 人, 其 余 人 撤 离 至 到 底 8. 出 旧 源, 一 定 要 小 心, 轻 轻 地 推, 如 遇 卡 壳 应 轻 轻 往 回 调 整, 不 可 硬 推 直 9. 进 新 源 ; 调 整 位 置, 重 复 上 一 步 10. 工 作 人 员 应 在 身 体 多 处 佩 带 剂 量 仪, 最 多 不 能 工 作 超 过 4 小 时 ; 并 应 及 时 送 检 剂 量 仪 11. 参 加 换 源 地 人 员 应 在 换 源 之 前 与 之 后 检 查 血 象 12. 此 项 工 作 一 定 要 有 一 定 地 技 术 条 件 与 物 质 条 件, 不 可 蛮 干, 不 能 有 丝 毫 大 意 比 如, 在 换 源 时 由 于 大 意 源 不 慎 掉 落 地 上, 那 就 是 一 个 很 大 的 安 全 事 故 13. 钴 源 换 好 后, 应 对 新 源 进 行 一 系 列 的 剂 量 测 量 如 输 出 剂 量 剂 量 分 布 情 况 半 影 问 题 安 全 防 护 问 题 等 等 一 切 检 验 合 格 后, 临 床 方 可 使 用 新 钴 -60 源 的 规 格 应 尽 量 与 旧 钴 -60 源 的 规 格 相 近, 特 别 是 钴 源 的 直 径 至 少 要 等 于 或 小 于 旧 源 的 直 径 新 源 换 上 后, 由 于 源 的 物 理 几 何 参 数 发 生 变 化, 需 要 对 新 换 钴 源 进 行 一 系 列 剂 量 学 测 量 临 床 上 特 别 重 要 的 项 目 如 输 出 剂 量 的 测 量, 射 野 平 坦 度 和 对 称 性 的 测 定, 半 影 的 测 定 以 及 机 器 本 身 ( 特 别 是 机 头 ) 的 防 护 等, 要 一 一 检 查, 获 得 实 图 换 源 示 意 图 际 数 据 后 方 可 交 付 临 床 使 用 一 历 史 回 顾 第 六 节 医 用 电 子 加 速 器 在 放 疗 发 展 史 中, 加 速 器 应 用 于 放 疗 早 于 钴 -60 治 疗 机 本 世 纪 30 年 代 初, 人 们 想 用 共 振 变 压 器 (resonance transformers) 产 生 l~2mv X 射 线, 很 快 受 到 了 R.Van de Graaff 1932 年 提 出 的 范 德 格 喇 夫 静 电 加 速 器 的 挑 战 1937 年 第 一 台 l MV 范 德 格 喇 夫 加 速 器 安 装 于 美 国 波 士 顿 Huntington 纪 念 医 院 ;1940 年 第 二 台 1.25MV 的 范 德 格 38

39 喇 夫 静 电 加 速 器 安 装 在 波 士 顿 的 麻 省 总 医 院 1946 年 美 国 高 压 工 程 公 司 生 产 出 2~2.5MV 加 速 器 开 创 了 范 德 格 喇 夫 加 速 器 使 用 的 时 代, 共 生 产 和 安 装 了 40 台 加 速 器,1959 年 停 产 其 中 12 台 一 直 用 到 1983 年 1943 年 D.W.Kerst 提 出 用 电 子 感 应 加 速 器 (betatron) 作 放 射 治 疗 1949 年 在 美 国 Urbana 安 装 了 一 台 20 MV Kerst 型 电 子 感 应 加 速 器 (betatron), 治 疗 了 第 一 例 患 者, 后 来 Allis Chambers 公 司 开 始 生 产 20~25MV 电 子 感 应 加 速 器 (betatron) 到 1977 年 全 美 国 生 产 电 子 感 应 加 速 器 共 45 台 在 欧 洲, 将 电 子 感 应 加 速 器 用 于 放 疗 开 始 于 1948 年, 首 台 为 6MV 1951 年 瑞 士 BBC 生 产 出 31MV 电 子 感 应 加 速 器, 到 1966 年 共 生 产 了 40 多 台, 同 时 德 国 西 门 子 公 司 生 产 了 70 多 台 到 二 十 世 纪 70 年 代 初, 全 世 界 约 有 200 台 电 子 感 应 加 速 器 在 使 用 我 国 于 二 十 世 纪 70 年 代 初 期 开 始 试 制 25MV 电 子 感 应 加 速 器, 共 安 装 了 3 台 电 子 感 应 加 速 器 在 放 疗 历 史 上 的 重 要 作 用, 在 于 首 次 为 放 疗 提 供 了 高 能 X 射 线 和 高 能 电 子 束, 它 们 的 剂 量 分 布 特 点 如 百 分 深 度 剂 量 高, 皮 肤 剂 量 低, 能 谱 分 布 好 等 为 钴 -60γ 射 线 所 不 能 及 但 终 因 它 的 体 积 大, 输 出 剂 量 率 低, 射 野 范 围 小 等 缺 点, 在 二 十 世 纪 70 年 代 中 期 被 直 线 加 速 器 替 代 V.I.Veksler 于 1944 年 提 出 使 用 电 子 回 旋 加 速 方 法, 直 到 60 年 代 才 得 到 首 次 应 用, 瑞 典 Scanditronix 公 司 于 70 年 代 初 生 产 出 医 用 22MeV 的 MM22 型 机 在 欧 美 国 家 安 装 使 用 二 战 时 期 用 于 雷 达 通 讯 的 磁 控 管 技 术 的 发 展, 促 进 射 频 直 线 加 速 器 的 发 展 1946 年 D.W.Fry 介 绍 了 行 波 直 线 加 速 器 以 它 为 基 础,C.W.Miller 与 Vickers 公 司 原 子 能 研 究 开 发 部 合 作 制 造 了 首 台 8MV 固 定 型 射 频 微 波 直 线 加 速 器,1952 年 安 装 在 英 国 Hammersmith 医 院,1953 年 治 疗 了 第 一 例 患 者 与 此 同 时, 美 国 加 紧 了 同 样 的 研 究 与 开 发,H.S.Kaplan 与 加 州 高 能 物 理 实 验 室 合 作, 建 造 了 5MV 原 型 直 线 加 速 器,1955 年 安 装 在 斯 坦 福 大 学,l 956 年 初 开 始 收 治 患 者 不 久,Varian 设 计 制 造 了 原 型 等 中 心 型 直 线 加 速 器,1962 年 安 装 于 UCLA 医 学 中 心, 首 台 商 售 的 直 线 加 速 器 安 装 于 斯 坦 福 大 学 医 学 院 60 年 代 中 期 以 后, 放 疗 开 始 了 直 线 加 速 器 的 时 代 我 国 首 台 医 用 10 MV 直 线 加 速 器 于 1978 年 诞 生 直 线 加 速 器 保 留 了 电 子 感 应 加 速 器 的 优 点, 克 服 了 它 的 缺 点, 成 为 目 前 放 疗 中 的 主 流 设 备 二 电 子 感 应 加 速 器 图 电 子 感 应 加 速 器 (a) 基 本 结 构 (b) 电 子 击 靶 产 生 X 射 线 的 角 分 布 39

40 电 子 感 应 加 速 器 的 基 本 结 构 是 一 个 抽 有 高 真 空 (10-7 Torr) 的 环 形 真 空 盒, 位 于 上 下 两 个 电 磁 铁 构 成 的 磁 极 内, 电 磁 铁 上 的 激 励 线 圈 通 以 公 频 或 三 倍 频 的 正 弦 波 电 压 被 加 速 的 电 子 以 几 十 kev 的 初 始 能 量 进 入 轨 道 交 变 的 磁 通 在 其 周 围 产 生 交 变 的 电 场, 这 些 电 场 的 电 力 线 是 一 些 封 闭 圆, 如 图 所 示, 这 种 电 场 称 为 涡 旋 电 场 电 子 在 这 一 电 场 中 受 到 加 速, 其 能 量 随 中 心 部 分 磁 通 由 的 增 加 而 增 加 随 着 电 子 能 量 的 增 加, 电 子 轨 道 半 径 本 应 逐 渐 扩 大, 但 由 于 在 电 子 轨 道 上 也 有 磁 场, 该 磁 场 是 使 电 子 弯 曲 的 如 果 中 心 磁 场 增 大 使 电 子 轨 道 扩 张 的 量, 正 好 等 于 轨 道 上 磁 场 的 增 长 使 电 子 弯 曲 的 量, 那 么 电 子 将 在 不 变 的 轨 道 半 径 上 运 动 而 同 时 被 加 速 要 满 足 这 一 条 件, 必 须 使 轨 道 中 心 部 分 的 平 均 磁 场 与 轨 道 上 磁 场 之 比 为 2:1, 称 为 2:1 条 件 这 是 电 子 感 应 加 速 器 得 以 实 现 的 基 本 理 论 电 子 的 加 速 和 引 出 无 非 是 利 用 保 持 或 破 坏 这 一 条 件 来 得 到 电 子 感 应 加 速 器 中 最 重 要 的 部 分 是 真 空 盒 ( 图 2-6-2) 它 是 由 玻 璃 或 陶 瓷 做 成 的 环 状 管, 内 部 抽 成 真 空 ( 达 Pa) 其 中 有 一 支 管 装 有 电 子 枪, 当 磁 场 刚 刚 过 零 时, 通 过 加 在 枪 上 的 高 压, 把 电 子 喷 射 至 盒 内, 从 而 由 涡 旋 电 场 加 速, 至 B 点 时, 有 一 脉 冲 磁 场 加 于 轨 道 的 内 部, 破 坏 2:1 条 件, 以 使 电 子 偏 离 轨 道 打 靶 或 引 出 在 盒 引 出 窗 口 附 近 置 有 引 出 线 圈 和 准 直 线 圈, 前 者 把 电 子 从 盒 内 引 出 来, 后 者 使 电 子 方 向 得 到 改 变 ; 在 盒 上 有 另 一 支 管, 装 有 钛 泵, 以 保 持 高 真 空 如 图 所 示, 从 电 子 感 应 加 速 器 里 出 来 的 X 射 线, 角 分 布 很 尖 锐, 一 般 半 价 角 只 有 几 度, 为 适 应 临 床 治 疗 的 需 要, 应 加 以 均 整 均 整 器 一 般 用 铅 粒 粘 合 而 成, B 图 电 子 感 应 加 速 器 真 空 盒 示 意 图 形 状 呈 旋 转 对 称 的 高 斯 形 分 布, 以 吸 收 中 心 部 分 的 射 线 显 然, 欲 使 射 野 增 加, 必 须 采 用 较 大 的 均 整 器, 但 因 此 放 射 线 强 度 受 到 损 失, 临 床 上 应 在 满 足 一 定 强 度 的 基 础 上 考 虑 尽 可 能 扩 大 射 野 范 围 同 样, 为 使 电 子 束 在 一 定 的 射 野 范 围 内 均 匀, 采 用 了 散 射 片 它 可 以 由 铜 铝 组 等 制 成, 对 于 不 同 能 量 采 用 不 同 的 厚 度 电 子 经 散 射 后, 其 强 度 也 相 应 受 到 了 损 失 由 于 电 子 在 感 应 加 速 器 内 的 整 个 加 速 过 程 中 要 旋 转 100 万 圈, 电 子 数 损 失 很 多, 同 时 由 于 注 入 时 刻 电 子 俘 获 效 率 较 低, 所 以 输 出 量 较 低 另 外 各 个 系 统 必 须 随 时 调 整 以 使 剂 量 率 达 到 最 大 的 状 态, 因 此 剂 量 输 出 稳 定 性 不 高 这 两 个 缺 点 为 电 子 直 线 40

41 加 速 器 所 克 服 三 电 子 直 线 加 速 器 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 一 般 使 用 的 频 率 为 3000MHz( 波 长 A=l0cm), 因 此 其 加 速 管 实 际 上 是 一 个 微 波 波 导 管 波 导 管 由 一 组 圆 柱 形 谐 振 腔 组 成, 每 个 谐 振 腔 的 直 径 为 10 cm, 长 度 为 2.5~5cm 波 导 管 内 由 微 波 建 立 的 电 磁 场 为 TM010 波, 形 成 沿 轴 向 分 布 的 电 场 和 沿 横 向 分 布 的 磁 场 电 子 直 线 加 速 器 是 目 前 医 学 肿 瘤 放 疗 最 主 要 的 放 疗 设 备, 被 大 多 数 医 院 所 采 用, 我 们 将 在 随 后 的 章 节 重 点 讲 解 它 的 结 构 与 原 理 以 及 维 护 事 项 四 电 子 回 旋 加 速 器 (cyclotron) V.I.Veksler 于 1944 年 提 出 的 电 子 回 旋 加 速 方 法, 因 电 子 在 位 于 电 磁 铁 磁 极 间 的 圆 形 真 空 盒 内 作 圆 周 运 动 而 得 名 电 子 由 电 子 源 注 入 到 加 速 谐 振 腔, 它 被 磁 控 管 通 过 隔 离 器 和 波 导 送 来 的 微 波 功 率 激 励 而 产 生 超 高 频 电 场 微 波 功 率 源 的 工 作 频 率 为 3000MHz, 波 长 为 10 cm 在 电 场 作 用 下, 电 子 穿 过 谐 振 腔 上 加 速 缝 时 获 得 能 量 Δμ 由 于 均 匀 直 流 磁 场 的 作 用, 电 子 作 圆 周 运 动 如 果 电 子 作 圆 周 运 动 的 时 间 和 谐 振 腔 上 高 频 场 的 周 期 能 配 合 好, 使 电 子 每 通 过 腔 时 都 在 同 一 加 速 相 位 上, 那 么 电 子 每 次 通 过 谐 振 腔 时 将 不 断 地 被 加 速, 只 是 随 能 量 增 加 其 轨 道 也 不 断 地 扩 大 而 已 这 样, 电 子 就 沿 着 如 图 2-6-3(a) 所 示 的 一 系 列 具 有 一 个 公 共 切 点 的 圆 周 运 动 电 子 每 通 过 谐 振 腔 一 次, 大 约 获 得 0.5~1.0MeV 的 能 量 若 电 子 回 旋 加 速 器 的 能 量 范 围 设 计 为 5~50 MeV, 则 电 子 在 真 空 盒 内 作 圆 周 运 动 数 不 会 超 过 50 圈 电 子 回 旋 加 速 器 的 平 均 束 流 强 度 约 为 微 安 级, 位 于 电 子 感 应 加 速 器 和 直 线 加 速 器 之 间, 但 能 谱 特 性 特 别 好 电 子 达 到 最 后 一 个 轨 道 时, 通 过 磁 屏 蔽 的 通 道 从 真 空 盒 中 引 出 引 出 的 电 子 通 过 电 子 传 输 系 统 送 人 一 至 两 个 具 有 等 中 心 旋 转 功 能 的 治 疗 机 头 内, 击 靶 产 生 X 射 线 或 直 接 被 利 用 作 高 能 电 子 束 治 疗, 图 2-6-3(c) 为 放 疗 用 电 子 回 旋 加 速 器 示 意 图 通 过 移 动 屏 蔽 管 就 可 以 引 出 不 同 轨 道 的 电 子, 得 到 不 同 的 电 子 能 量 屏 蔽 管 必 须 随 不 同 能 量 移 动 位 置, 以 使 所 有 能 量 的 电 子 束 从 同 一 引 出 窗 口 引 出, 但 精 度 不 能 确 保 新 型 设 计 是 将 上 下 环 形 电 磁 铁 分 成 两 半 ( 图 (b)), 每 对 磁 铁 使 电 子 束 偏 转 180, 变 电 子 圆 形 轨 道 为 跑 道 形, 控 制 引 出 磁 铁 的 位 置, 能 较 易 确 保 所 有 能 量 的 电 子 均 从 同 一 窗 口 引 出 由 于 变 成 了 跑 道 式, 原 单 节 微 波 谐 振 腔 可 用 小 型 直 线 加 速 波 导 管 代 替, 将 电 子 的 单 圈 能 量 提 高 到 5MeV 或 更 高 MM50 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 就 是 根 据 这 种 原 理 设 计 的 MM50 不 仅 具 有 直 线 加 速 器 的 一 切 特 点, 而 且 因 采 取 磁 偏 转 控 制 电 子 束 击 靶 方 向, 产 生 方 向 不 同 强 度 各 异 的 X 射 线 笔 形 束 ; 或 采 用 电 子 束 扫 描 产 生 强 度 各 异 的 电 子 射 线 笔 形 束, 使 该 机 既 具 有 X 射 线 电 子 束 的 强 度 调 制 功 能, 而 且 具 有 X 射 线 电 子 束 的 能 量 调 制 功 能, 可 同 时 作 X 射 线 和 电 子 束 的 三 维 调 强 适 形 治 疗 因 此, 从 功 能 上 讲,MM50 电 子 回 旋 加 速 器 代 表 了 新 一 代 的 三 维 适 形 放 射 治 疗 机 41

42 图 电 子 回 旋 加 速 器 42

43 思 考 题 1. 放 射 源 和 放 射 治 疗 机 23 第 一 节 放 射 源 的 种 类 及 照 射 方 式 23 第 二 节 近 距 离 治 疗 用 放 射 性 同 位 素 源 23 一 镭 -226 源 24 二 铯 -137 源 24 三 钴 -60 源 24 四 铱 -192 源 25 五 碘 -125 源 25 六 新 型 近 距 离 治 疗 用 放 射 源 25 第 三 节 近 距 离 后 装 治 疗 机 25 一 外 照 射 与 内 照 射 剂 量 学 基 本 概 念 的 异 同 25 二 近 距 离 放 疗 临 床 剂 量 学 步 骤 27 第 四 节 X 射 线 治 疗 机 29 一 X 射 线 的 产 生 及 其 能 谱 29 二 X 射 线 质 的 改 进 滤 过 板 的 作 用 29 三 X 射 线 机 的 一 般 构 造 30 四 X 线 治 疗 机 的 分 类 和 特 点 32 43

44 第 三 章 电 子 直 线 加 速 器 第 二 节 电 子 直 线 加 速 器 的 基 本 结 构 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 结 构 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 一 种 比 较 复 杂 的 大 型 医 用 设 备, 涉 及 到 诸 多 学 科 和 技 术, 如 加 速 器 物 理 核 物 理 无 线 电 电 工 学 电 子 学 自 动 化 控 制 电 磁 学 微 波 技 术 电 真 空 机 械 耦 密 加 工 电 子 计 算 机 制 冷 流 体 力 学 等 作 为 放 射 治 疗 摆 位 技 术 员 讲 义, 只 简 单 介 绍 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 一 般 结 构 不 论 是 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 还 是 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 不 论 是 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 还 是 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 尽 管 在 结 构 上 各 有 千 秋, 但 基 本 组 成 是 一 致 的 其 主 要 由 加 速 管 微 波 功 率 源 微 波 传 输 系 统 电 子 枪 束 流 系 统 真 空 系 统 恒 温 水 冷 却 系 统 电 源 及 控 制 系 统 照 射 头 治 疗 床 等 组 成 加 速 管 是 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 核 心 部 分, 电 子 在 加 速 管 内 通 过 微 波 电 场 加 速 加 速 管 主 要 有 两 种 基 本 结 构 盘 荷 波 导 加 速 管 ( 图 3 4 1) 和 边 耦 合 ( 轴 耦 合 ) 加 速 管 ( 图 3 4 2) 图 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 示 意 图 盘 荷 波 导 加 速 管 是 由 在 一 段 光 滑 的 圆 形 波 导 上 周 期 性 地 放 置 具 有 中 心 孔 的 圆 形 膜 片 而 组 成, 应 用 于 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 盘 荷 波 导 实 际 是 通 过 膜 片 给 波 导 增 加 负 载, 使 通 过 的 微 波 速 度 减 慢 下 来, 是 一 种 慢 波 结 构, 是 直 线 加 速 器 发 展 的 关 键 技 术 边 耦 合 加 速 管 是 由 一 系 列 相 互 耦 合 的 谐 振 腔 链 组 成, 应 用 于 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 边 耦 合 结 构 是 把 不 能 加 速 电 子 的 腔 移 到 轴 线 两 侧, 轴 线 上 的 腔 都 是 加 速 腔, 缩 短 了 加 速 距 离 由 于 驻 波 在 加 速 管 内 所 建 立 的 电 场 强 度 提 高, 能 达 到 140kV/cm, 提 高 了 加 速 效 率 微 波 功 率 源 主 要 有 两 种, 磁 控 管 和 速 调 管 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 和 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 使 用 磁 控 管 作 为 微 波 功 率 源 中 高 能 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 使 用 速 调 管 作 为 功 率 源 微 波 传 输 系 统 主 要 包 括 隔 离 器 波 导 窗 波 导 取 样 波 导 输 入 输 出 耦 合 器 三 端 或 四 端 环 流 器 终 端 吸 收 负 载 频 率 自 动 稳 频 等 组 成 电 子 枪 为 医 用 电 子 直 线 加 速 器 提 供 被 加 速 的 电 子 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 电 子 枪 的 阴 极 采 用 钨 或 钍 钨 制 成, 有 直 热 式 间 接 式 和 轰 击 式 三 种 加 热 方 式 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 电 子 枪 由 氧 化 物 制 成 束 流 系 统 有 偏 转 线 圈, 聚 焦 线 圈 等 组 成 控 制 束 流 的 运 动 方 向, 提 高 束 流 的 品 质 真 空 系 统 为 被 加 速 的 电 子 不 因 与 空 气 中 的 分 子 相 碰 而 损 失 掉 提 供 保 证 一 般 使 用 离 子 泵 保 持 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 运 行 真 空 恒 温 水 冷 却 系 统 带 走 微 波 源 等 发 热 部 件 产 生 的 热 量 为 保 证 整 个 系 统 恒 温, 恒 温 水 冷 却 系 统 需 要 一 定 水 流 压 力 和 流 量 照 射 头 和 治 疗 床 属 于 应 用 部 分 图 给 出 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 一 般 结 构 示 意 图 (SL75 20 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 ), 图 给 出 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 一 般 结 构 示 意 图 (CL600C 驻 波 医 用 电 子

45 直 线 加 速 器 ) 第 三 节 电 子 直 线 加 速 器 的 加 速 原 理 3.1 加 速 电 场 及 电 子 能 量 的 获 得 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 为 粒 子 加 速 器, 简 称 加 速 器 依 据 加 速 粒 子 种 类 的 不 同, 加 速 电 场 形 态 的 不 同, 粒 子 加 速 过 程 所 遵 循 的 轨 道 不 同, 被 分 为 各 种 类 型 加 速 器 电 子 直 线 加 速 器 是 利 用 微 波 电 磁 场 加 速 电 子 并 且 具 有 直 线 运 动 轨 道 的 加 速 装 置 目 前 国 际 上, 在 放 射 治 疗 中 使 用 最 多 的 是 电 子 直 线 加 速 器 电 子 直 线 加 速 器 有 两 种 加 速 方 式 : 行 波 加 速 方 式 和 驻 波 加 速 方 式 一 行 波 加 速 方 式 图 2 1 的 模 型 是 电 子 直 线 加 速 最 基 本 原 理 很 显 然, 电 子 只 能 在 加 速 缝 隙 D 中 得 到 加 速 若 平 均 电 场 强 度 为 E=Va/D, 则 通 过 加 速 缝 所 获 得 的 能 量 为 eva 电 子 经 过 加 速 缝 后, 进 入 没 有 电 场 的 金 属 筒 内, 便 不 能 被 加 速 如 何 使 加 速 得 以 持 续, 一 种 直 观 的 想 法 是 : 如 果 能 将 图 2 l 的 系 统 能 以 与 电 子 相 同 的 速 度 前 进 运 动, 电 子 一 直 处 于 加 速 缝 中, 即 一 直 能 感 受 到 加 速 电 场, 则 加 速 能 持 续 根 据 狭 义 相 对 论, 现 实 中 不 可 能 建 造 这 种 系 统 由 于 电 子 很 轻, 经 过 几 十 kev 的 加 速 之 后, 速 度 就 可 与 光 速 相 比 拟, 而 一 个 宏 观 的 系 统 ( 加 速 缝 ) 是 不 可 能 做 到 与 光 速 可 比 拟 的 速 度 前 进 的 不 过 这 种 想 法 却 启 发 人 们 去 寻 找 某 种 形 态 电 场, 它 能 与 光 速 相 比 拟 的 速 度 向 前 运 动 二 次 大 战 一 结 束, 英 美 两 国 一 些 在 二 战 中 曾 搞 过 雷 达 的 科 技 人 员, 组 成 七 八 个 小 组, 思 索 这 个 问 题, 他 们 不 少 人 都 不 约 而 同 地 想 到 在 雷 达 技 术 中 广 泛 使 用 的 圆 波 导 管 ( 如 直 径 约 10cm 的 圆 管 ), 在 其 中 可 以 激 励 起 一 种 具 有 纵 向 分 量 的 电 场 (TM 01 模 ), 它 可 以 用 来 加 速 电 子 其 电 磁 场 分 布 如 图 2 2 所 示, 可 惜 它 在 圆 波 导 管 内 传 播 时, 波 的 相 速 度 大 于 光 速 要 想 利 用 这 种 电 场 来 同 步 加 速 电 子, 保 证 电 子 加 速 到 哪 里, 加 速 电 场 就 跟 着 到 哪 里, 即 加 速 电 场 可 以 不 断 推 着 电 子 向 前 走, 就 必 须 把 在 圆 波 导 中 传 播 的 这 种 TM 01 模 的 电 磁 场 的 传 播 速 度 ( 相 速 度 ) 慢 下 来 在 圆 波 导 中 周 期 性 插 入 带 中 孔 的 圆 形 膜 片, 依 靠 这 些 膜 片 的 反 射 作 用, 使 中 孔 部 分 中 传 播 的 电 磁 场 相 位 传 播 速 度 慢 下 来, 甚 至 光 速 以 下, 以 实 现 对 电 子 的 同 步 加 速 这 种 波 导 管, 人 们 称 其 为 盘 荷 波 导 (disk-loaded wavegide) 加 速 管, 取 圆 形 膜 片 对 波 导 管 加 载 之 意 此 结 构 如 图 2 3 所 示 : 图 2 3 中 绘 画 出 工 作 于 π 模 时, 电 磁 场 的 分 布 从 图 中 可 以 看 到, 在 轴 线 附 近, 能 提 供 一 个 沿 z 轴 直 线 加 速 电 子 的 电 场 只 要 此 形 态 电 场 沿 z 轴 传 播 速 度 始 终 与 电 子 速 度 同 步, 该 电 场 就 能 不 断 推 着 电 子 沿 z 轴 前 进 这 种 盘 荷 波 导 加 速 管 工 作 原 理 简 单, 但 很 实 用, 结 构 也 不 复 杂, 自 20 世 纪 40 年 代 中 期 问 世 以 来, 一 直 沿 用 至 今 人 们 把 这 种 加 速 原 理 称 为 行 波 加 速 原 理 假 设 行 波 加 速 电 场 的 强 度 为 E z, 电 子 一 直 处 于 电 场 的 波 峰 上, 则 经 过 长 度 为 L 的 加 速 管 之 后, 电 子 所 获 得 的 能 量 W 为 W=eE z L (2 1) 二 驻 波 加 速 方 式 图 24 给 出 了 另 一 种 模 型 : 在 一 系 列 双 圆 筒 电 极 之 间, 分 别 接 上 频 率 相 同 的 交

46 变 电 源, 如 果 该 频 率 f a 和 双 圆 筒 电 极 缝 隙 之 间 距 离 D 满 足 式 (2 2) 的 关 系, 则 电 子 可 以 得 以 持 续 加 速 D=v/2f a (2 2) 式 中,v 为 电 子 运 动 速 度 增 加 加 速 单 元 的 数 目, 则 电 子 的 加 速 能 量 可 以 线 性 增 加 在 加 速 缝 中, 加 速 电 场 的 幅 值 随 时 间 是 交 变 的, 沿 z 轴 也 是 变 化 的, 在 缝 中 央 幅 值 最 高, 而 在 圆 筒 中 央 电 场 为 零 当 然 这 只 是 一 个 模 型, 在 工 程 上 是 很 难 实 现 的, 也 不 合 适 因 为 若 D 取 5cm,v 近 似 为 光 速, 则 f a 等 于 3000MHz, 这 样 高 频 率 的 高 压 是 不 可 能 用 电 线 传 输 的 要 实 现 这 种 加 速 的 模 型 只 能 在 一 个 谐 振 腔 列 ( 链 ) 中 完 成 图 2 3 所 示 的 加 速 管 在 左 右 两 端 适 当 位 置 放 置 短 路 板 ( 面 ), 形 成 一 种 电 磁 振 荡 的 驻 波 状 态, 其 电 场 的 分 布 如 图 2 5 所 示 加 速 管 结 构 中 所 有 的 腔 体 都 谐 振 在 一 个 频 率 上, 相 邻 两 腔 间 的 距 离 为 D, 而 腔 间 电 场 相 位 差 刚 好 为 180º, 即 腔 间 电 场 刚 好 方 向 相 反 接 近 光 速 c 的 电 子 在 一 个 腔 的 飞 ( 渡 ) 越 时 间 t=d/c, 等 于 管 中 电 磁 场 振 荡 的 半 周 期, 因 此 电 子 的 飞 越 时 间 刚 好 和 加 速 电 场 更 换 方 向 时 间 一 致, 从 而 能 持 续 加 速 这 种 加 速 模 型 被 称 为 驻 波 加 速 由 于 电 子 的 静 止 质 量 很 轻, 仅 有 g 它 的 动 能 很 小 时, 速 度 就 可 以 很 快, 譬 如 1MeV 的 电 子, 它 的 速 度 就 达 到 光 速 的 94% 而 动 能 为 20MeV 的 电 子, 其 速 度 为 光 速 的 99.97% 可 见 电 子 能 量 从 1MeV 增 加 至 20MeV, 而 速 度 才 约 增 加 6% 因 此 讲 电 子 加 速 器 不 如 讲 电 子 加 能 器, 更 确 切 一 些 综 上 所 述, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 利 用 微 波 电 磁 场 的 行 波 加 速 方 式 或 驻 波 加 速 方 式, 加 速 电 子 到 高 能 的 装 置, 目 前 一 般 能 量 范 围 为 4-50MeV 电 子 是 由 电 子 枪 产 生 的, 为 了 避 免 电 子 在 加 速 过 程 中 横 向 散 开, 常 常 需 要 聚 焦 磁 场 来 约 束 电 子 束 流 的 横 向 运 动 ; 另 外 为 了 避 免 电 子 在 加 速 过 程 与 加 速 管 中 残 余 气 体 分 子 碰 撞, 加 速 还 必 须 在 真 空 条 件 下 进 行 ; 为 加 速 电 子 而 需 在 加 速 管 中 激 励 起 的 电 磁 场 要 由 专 门 的 微 波 功 率 源 系 统 产 生, 并 经 微 波 功 率 传 输 系 统 馈 入 加 速 管 内 图 2 6 给 出 了 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 组 成 的 方 块 图 医 用 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 组 成 和 行 波 的 大 同 小 异, 这 里 不 再 图 示 ( 分 别 加 图 ) 3.2 行 波 加 速 原 理 纵 向 运 动 及 相 运 动 一 行 波 电 场 的 同 步 加 速 条 件 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 的 核 心 是 行 波 加 速 管, 它 之 所 以 能 加 速 电 子, 是 因 为 它 不 但 具 有 电 场 的 纵 向 分 量, 而 且 它 是 慢 波, 能 把 TM 01 模 的 电 磁 波 的 相 位 传 播 速 度 慢 到 光 速, 甚 至 光 速 以 下 1946 年 英 国 科 学 家 Walkinshaw 等 人 想 到 在 圆 波 导 管 中 周 期 性 地 插 入 带 中 孔 的 金 属 膜 片 来 慢 波, 人 们 称 这 种 慢 波 结 构 为 盘 荷 波 导 在 盘 荷 波 导 中, 微 波 电 磁 场 以 波 的 形 式 沿 轴 线 方 向 (z 轴 ) 向 前 传 播, 如 图 2-7 所 示, 此 行 波 电 场 在 轴 线 附 近 具 有 轴 向 分 量, 可 对 电 子 施 加 轴 向 作 用 力, 电 子 若 处 于 轴 线 附 近 时, 并 相 位 合 适, 就 可 不 断 受 到 行 波 电 场 的 加 速 作 用, 而 增 加 能 量 这 就 是 电 子 直 线 加 速 器 的 行 波 加 速 原 理 行 波 加 速 原 理 的 核 心 是 电 子 速 度 和 行 波 相 速 之 间 必 须 满 足 同 步 条 件 : v(z)=v p (z) (2-3) 电 子 在 行 波 电 场 作 用 下, 速 度 不 断 增 加, 要 求 行 波 电 场 的 传 播 速 度 也 同 步 增 加, 以 对 电 子 施 加 有 效 的 作 用 显 然, 若 同 步 条 件 遭 到 破 坏, 电 场 就 不 能 对 电 子

47 施 加 有 效 的 加 速, 如 果 电 子 落 入 减 速 相 位, 电 子 还 会 受 到 减 速 电 子 刚 注 入 到 直 线 加 速 器 时, 动 能 约 为 10-40keV, 电 子 速 度 约 为 = c; 当 加 速 到 1-2MeV 时, 电 子 速 度 就 达 到 v= c, 如 前 所 述, 其 后 能 量 再 增 加, 电 子 速 度 也 不 再 增 加 多 少 了 由 于 这 一 特 点, 加 速 能 量 大 于 2MeV 的 电 子 时, 行 波 电 场 的 波 速 可 以 不 变, 等 于 光 速, 即 用 结 构 均 匀 的 盘 荷 波 导 就 可 持 续 加 速 电 子, 从 而 大 大 简 化 了 盘 荷 波 导 加 速 管 的 设 计 和 加 工 行 波 电 场 的 强 度 和 方 向 都 是 随 时 间 和 轴 上 位 置 交 变 的 在 同 一 时 刻, 沿 加 速 管 轴 线 不 同 地 方, 电 场 方 向 有 的 与 加 速 运 动 方 向 一 致, 有 的 则 相 反 电 场 随 时 间 以 波 的 形 式 向 前 传 播 ( 图 2 9) 图 中 λ g 为 导 波 波 长, 行 波 加 速 就 是 在 行 波 电 场 不 断 向 前 传 播 的 过 程 中, 行 波 电 场 不 断 给 电 子 以 加 速 力 这 时 波 在 前 进, 电 子 也 在 前 进 在 这 动 态 过 程 中, 并 不 是 在 任 何 情 况 下, 电 子 都 能 受 到 电 场 的 加 速 作 用, 只 有 当 电 子 落 入 加 速 相 位, 才 能 受 到 加 速 若 电 子 相 对 行 波 场 的 相 位 关 系 不 合 适, 落 入 减 速 相 位, 电 子 反 而 会 被 减 速, 失 去 能 量 因 此 在 讨 论 同 步 加 速 时, 常 常 引 用 一 个 相 位 图 来 表 达 电 子 在 加 速 过 程 中, 电 子 相 对 于 行 波 电 场 的 相 位 关 系 ( 如 图 2 10) 我 们 记 0 <φ 严 <180 范 围 为 加 速 相 位,φ=90 为 加 速 的 波 峰,-180 <φ <0 范 围 为 减 速 相 位 我 们 必 须 指 出 电 子 受 行 波 电 场 加 速, 不 能 简 单 地 理 解 为 行 波 像 一 节 车 厢, 电 子 像 旅 客, 火 车 速 度 加 快 了, 旅 客 前 进 的 速 度 也 就 加 快, 车 厢 必 定 带 着 旅 客 一 道 走 行 波 和 电 子 之 间 不 是 这 种 简 单 的 关 系, 没 有 什 么 东 西 把 电 子 绑 在 行 波 的 波 峰 上 在 加 速 过 程 中, 波 在 前 进, 电 子 也 在 前 进, 在 这 个 意 义 上, 他 们 之 间 是 独 立 的, 但 又 是 相 互 联 系 着 的, 当 同 步 条 件 得 到 满 足 时, 场 给 电 子 以 加 速 力, 电 子 从 场 中 获 得 能 量, 反 之, 同 步 加 速 条 件 受 到 破 坏, 电 子 落 入 减 速 相 位, 则 电 子 会 把 自 身 具 有 的 动 能 交 换 给 场 在 同 步 加 速 过 程 中, 电 子 在 行 波 场 的 作 用 下 速 度 越 来 越 快, 而 行 波 场 传 播 速 度 按 着 人 们 的 设 计 也 越 来 越 快, 当 电 子 速 度 逐 渐 接 近 光 速 时, 波 的 速 度 可 设 计 为 等 于 光 速, 维 持 电 子 一 直 处 于 波 峰 附 近 在 这 个 意 义 上, 电 子 好 像 骑 在 波 峰 附 近 前 进, 不 断 获 得 能 量 二 相 运 动 及 纵 向 运 动 同 步 条 件 要 求 v p (z)=v(z), 是 在 一 般 意 义 上 讲 的, 实 际 上 在 行 波 加 速 过 程 中, 始 终 严 格 保 持 v p (z)=v(z) 是 不 可 能 的 即 使 从 电 子 枪 注 入 到 加 速 管 的 电 子, 其 初 始 速 度 v(0) 就 很 难 保 证 做 到 和 设 计 加 工 好 的 加 速 管 的 初 始 相 速 度 v p (0) 绝 对 相 等 ; 另 一 方 面 从 电 子 枪 注 入 到 加 速 管 的 电 子, 其 注 入 时 刻 是 有 先 后 的, 不 可 能 注 入 到 同 一 相 位 上 更 不 用 讲 在 加 速 过 程 中, 也 不 可 能 严 格 保 持 v p (z)=v(z) 此 时, 无 论 是 电 子 比 波 快, 还 是 电 子 跟 不 上 波, 电 子 相 对 于 波 的 相 位 就 存 在 滑 动, 我 们 称 之 为 滑 相, 这 种 滑 相 运 动 也 就 被 称 为 相 运 动 由 于 电 子 速 度 和 波 速 不 同 步, 就 会 引 起 相 运 动 因 此 讲 相 运 动 是 绝 对 的, 具 有 不 可 避 免 的 性 质 问 题 不 在 于 使 相 运 动 不 产 生, 而 是 能 否 将 相 运 动 控 制 在 允 许 的 范 围 内, 使 电 子 在 这 相 位 范 围 内 往 返 地 滑 动, 并 在 这 往 返 滑 动 过 程 中, 基 本 上 处 于 某 一 个 加 速 相 位 ( 平 衡 相 位 ) 附 近, 而 受 到 加 速, 而 不 至 于 单 方 向 滑 动, 滑 入 减 速 相 位 而 丢 失 我 们 把 能 够 实 现 这 种 相 运 动 状 态 称 为 存 在 相 运 动 稳 定 性 相 运 动 稳 定 性 问 题 实 质 上 就 是 电 子 纵 向 加 速 运 动 的 稳 定 性, 只 有 相 运 动 是 稳 定 的, 才 能 对 电 子 进 行 有 效 的 纵 向 加 速 运 动 相 运 动 稳 定 性 是 电 子 能 持 续 加 速 的 前 提 三 相 位 会 聚 任 务 的 提 出 及 聚 束 器 的 作 用

48 如 何 使 注 入 到 加 速 管 的 电 子 大 多 数 能 够 稳 定 加 速, 不 致 丢 掉, 而 另 一 方 面 又 同 时 具 有 较 高 的 加 速 效 率? 如 何 使 注 入 到 加 速 管 的 大 多 数 电 子 在 相 位 上 都 能 会 聚 到 波 峰 之 前 一 个 较 小 的 相 位 范 围 内? 为 了 回 答 这 个 问 题, 首 先 具 体 看 看 从 电 子 枪 注 入 的 电 子 和 加 速 电 子 的 电 磁 波 之 间 相 位 关 系 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 脉 冲 工 作 的, 脉 冲 宽 度 一 般 约 为 τ 2~4μs 在 这 脉 冲 的 时 间 内 微 波 功 率 持 续 通 到 加 速 管 内, 并 在 加 速 管 中 激 励 起 加 速 电 子 的 行 波 电 场 电 子 也 在 这 期 间 内 从 电 子 枪 连 续 注 入 到 加 速 管, 如 图 2 13 所 示 在 这 τ 2~4μs 内 加 速 管 里 的 电 磁 场 已 经 完 成 了 上 万 次 振 荡 因 此 如 果 让 电 子 枪 的 电 子 直 接 进 入 加 速 管 的 话, 电 子 会 均 匀 分 布 在 每 一 个 行 波 场 相 位 上 有 一 半 电 子 会 遇 到 加 速 电 场, 另 一 半 电 子 会 遇 到 减 速 电 场 如 何 使 均 布 在 360 相 位 范 围 的 电 子 多 数 能 集 中 到 波 峰 之 前 某 一 个 平 衡 相 位 附 近 呢? 这 就 提 出 相 位 会 聚 任 务 的 问 题 为 此, 要 在 电 子 枪 和 主 加 速 管 之 间 加 入 一 个 聚 束 器 或 一 聚 束 段, 通 过 聚 束 器 ( 或 聚 束 段 ) 把 注 入 时 均 匀 分 布 在 -180 ~+180 之 间 电 子 多 数 能 会 聚 到 加 速 电 场 的 波 峰 附 近 可 以 有 各 种 不 同 型 式 的 聚 束 器 ( 或 聚 束 段 ) 实 现 相 位 会 聚 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 为 了 结 构 紧 凑, 常 常 把 聚 束 器 和 主 加 速 管 制 作 在 一 起, 成 为 整 根 加 速 管 的 一 部 分, 称 其 为 聚 束 段 3.4 驻 波 加 速 原 理 一 电 子 驻 波 加 速 原 理 发 展 概 述 尽 管 20 世 纪 60 年 代 后 期, 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 获 得 了 迅 速 的 发 展, 然 而 其 原 理 并 不 新 颖 早 在 20 世 纪 40 年 代 中 期, 在 开 始 研 究 行 波 电 子 直 线 加 速 器 的 同 时, 不 少 小 组 就 已 经 注 意 到 利 用 驻 波 电 场 加 速 电 子 前 面 已 经 介 绍 了 行 波 工 作 方 式, 至 于 驻 波 工 作 方 式, 就 是 加 速 管 的 末 端 不 接 匹 配 负 载, 而 接 短 路 面, 使 微 波 在 终 端 反 射, 所 反 射 的 微 波 沿 电 子 加 速 的 反 方 向 前 进, 如 果 加 速 结 构 的 始 端 也 放 置 短 路 面, 那 上 述 的 反 射 功 率 在 始 端 再 次 被 反 射, 如 果 加 速 管 的 长 度 合 适, 则 反 射 波 和 入 射 波 相 位 一 致, 加 强 了 入 射 波, 在 加 速 管 内 形 成 驻 波 状 态 美 国 麻 省 理 工 学 院 斯 拉 特 (Slater) 等 人 在 年 间 就 注 意 到 这 一 点, 并 指 出, 当 加 速 管 比 较 短 时, 驻 波 加 速 方 式 是 比 较 有 利 的, 在 相 同 的 微 波 功 率, 相 同 的 加 速 结 构 下, 可 使 电 子 获 得 较 高 的 能 量 其 后, 他 们 于 1951 年 建 成 了 一 台 π 模 工 作 的 驻 波 直 线 加 速 器, 把 电 子 能 量 加 速 到 18MeV 然 而, 在 此 以 后 的 漫 长 的 十 二 三 年 间, 一 直 找 不 到 一 种 既 适 合 驻 波 加 速 工 作 方 式, 而 又 具 有 竞 争 力 的 理 想 的 驻 波 加 速 管 结 构 诚 然, 用 两 金 属 板 短 接 盘 荷 波 导 而 构 成 的 驻 波 结 构 最 简 单, 但 分 流 阻 抗 低 而 且 工 作 在 倔 模 时, 有 半 数 腔 只 起 辊 合 作 用, 对 加 速 没 有 贡 献, 加 速 效 率 很 低 ; 而 工 作 在 2π 模, 又 由 于 模 式 分 隔 窄, 腔 数 不 能 太 多, 以 及 群 速 度 很 低 不 利 稳 定 工 作, 因 此 这 种 单 周 期 驻 波 加 速 结 构 没 有 竞 争 力 20 世 纪 60 年 代 初, 美 国 洛 斯 阿 拉 莫 斯 国 家 实 验 室 (Los Alamos National Laboratory,LANL) 为 了 建 造 800MeV 的 介 子 工 厂 时, 曾 经 研 究 过 多 种 驻 波 加 速 结 构, 后 在 E.A.Knapp 等 人 领 导 下 终 于 发 展 了 一 种 新 颖 的 驻 波 加 速 结 构 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 它 的 基 本 思 想 是, 把 工 作 在 驻 波 工 作 状 态 π/2 模 时 只 起 耦 合 作 用 的 腔, 从 束 流 轴 线 上 移 开, 移 到 加 速 腔 的 边 上, 耦 合 腔 留 下 来 的 空 间 为 加 速 腔

49 所 扩 展 占 有, 加 速 腔 通 过 边 孔 和 辊 合 腔 耦 合, 相 邻 两 个 加 速 腔 相 差 此 结 构 既 具 有 πr 模 的 效 率, 又 具 有 π/2 模 的 工 作 稳 定 性 由 于 这 种 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 分 流 阻 抗 高, 工 作 稳 定 性 好, 尺 寸 加 工 公 差 要 求 松, 因 此 很 快 就 被 美 国 瓦 里 安 公 司 按 比 例 缩 小, 把 原 来 加 速 质 子 的 加 速 结 构 改 成 适 合 加 速 电 子 的 结 构, 于 1968 年 先 后 成 功 地 把 边 耦 合 结 构 应 用 于 医 用 和 无 损 检 测 用 的 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 该 成 果 在 电 子 直 线 加 速 器 发 展 史 上 具 有 里 程 碑 性 意 义, 使 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展 进 入 了 一 个 崭 新 的 阶 段 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 的 提 出, 也 推 动 了 其 他 各 种 类 型 驻 波 加 速 结 构 的 发 展, 这 包 括 磁 轴 耦 合 的 双 周 期 结 构, 三 周 期 结 构, 环 腔 耦 合 双 周 期 结 构, 电 轴 耦 台 双 周 期 三 周 期 结 构, 交 叉 式 高 梯 度 驻 波 加 速 的 发 展 在 我 国 从 20 世 纪 70 年 代 起, 各 种 驻 波 加 速 结 构, 诸 如 箭 形 环 腔 耦 合 双 周 期 结 构, 边 辊 合 驻 波 加 速 结 构, 磁 轴 辊 合 驻 波 结 构, 也 得 到 迅 速 的 发 展 国 际 上 自 边 耦 合 驻 波 加 速 器 问 世 以 来, 无 论 是 医 用 的 还 是 无 损 检 测 用 的 电 子 直 线 加 速 器 都 纷 纷 采 用 驻 波 加 速 结 构, 目 前 在 世 界 低 能 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 约 有 6000 台 以 上, 约 占 低 能 电 子 直 线 加 速 器 的 80-90% 以 上 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 之 所 以 能 获 得 如 此 发 展, 其 原 因 不 单 是 由 于 找 到 了 具 有 良 好 性 能 的 驻 波 加 速 结 构, 而 且 很 重 要 的 是 由 于 激 波 技 术 和 无 线 电 电 子 学 技 术 等 方 面 的 成 就 提 供 了 各 种 性 能 良 好 的 辅 助 系 统, 保 证 驻 波 bd 速 结 构 的 稳 定 工 作 譬 如 工 作 可 靠, 正 向 衰 减 少, 反 向 隔 离 度 高, 能 承 受 大 功 率 反 射 的 环 流 器 ( 高 功 率 隔 离 部 件 ) 的 研 制 成 功, 保 证 了 微 波 功 率 源, 如 磁 控 管 的 稳 定 工 作, 而 不 受 负 载 高 Q 驻 波 谐 振 腔 工 作 状 态 的 影 响, 保 证 了 在 场 建 立 过 程 中 从 驻 波 结 构 反 射 回 来 殉 大 量 微 波 功 率, 能 被 环 流 器 的 吸 收 负 载 所 吸 收, 而 不 致 反 射 到 功 率 源 中, 损 坏 功 率 管 ; 又 如 高 灵 敏 度 的 锁 相 式 自 动 频 率 稳 定 系 统 的 研 制 成 功, 保 证 了 磁 控 管 的 振 荡 频 率 耦 确 地 和 驻 波 加 速 腔 联 锁, 频 率 偏 离 控 制 在 ±20kHz 范 围 内, 从 而 使 工 作 频 带 很 窄 ( 100kHz) 的 驻 波 加 速 结 构 能 稳 定 工 作 没 有 这 些 性 能 良 好 的 辅 助 系 统 的 配 合, 驻 波 结 构 的 优 越 性 能 是 无 法 实 现 的 二 驻 波 加 速 原 理 ( 一 ) 驻 波 观 点 分 析 无 论 哪 种 驻 波 加 速 结 构, 都 可 看 成 是 一 系 列 以 一 定 方 式 耦 合 起 来 的 谐 振 腔 链, 在 谐 振 腔 轴 线 上 有 可 让 电 子 通 过 的 中 孔, 在 腔 中 建 立 起 随 时 间 振 荡 的 轴 向 电 场, 轴 上 电 场 的 大 小 和 方 向 是 随 时 间 交 变 的, 而 这 种 振 荡 的 包 络 线 都 是 原 地 不 动 的, 故 称 为 驻 波 图 2 28 画 出 了 工 作 在 л 模 的 典 型 驻 波 结 构 的 场 分 布 图 如 图 2 28 所 示, 轴 线 上 的 中 孔 既 是 束 流 通 道, 又 是 实 现 腔 间 耦 合 的 耦 合 孔 从 图 可 知, 每 一 个 腔 内 场 大 小 及 方 向 是 随 时 间 交 变 的, 而 出 现 场 强 最 大 值 和 零 值 的 地 方 是 不 随 时 间 变 化 的 场 是 位 置 和 时 间 的 函 数, 在 每 一 个 腔 中 电 场 强 度 可 表 示 成 E z (z,t)=e z (z)cosωtπ (2 44a) 式 中 E z (z) 为 场 的 包 络 线 当 图 2 28 中 1 # 腔 的 电 场 随 时 间 渐 渐 从 小 到 大, 而 方 向 又 正 好 合 适 加 速 电 子 时,2 # 腔 的 电 场 方 向 却 是 减 速 的, 但 过 一 会, 当 1 # 腔 的 场 值 随 时 间 变 成 减 速 方 向 时, 则 2 # 腔 电 场 的 方 向 变 得 正 好 能 加 速 电 子 因 此 可 以 设 想, 如 果 让 电 子 在 1 # 腔 的 场 正 好 由 负 变 正 那 一 瞬 间 ( 场 强 正 是 加 速 方 向 ) 注 入 其 中, 电 子 在 前 进 时, 场 强 不 断 增 加, 电 子 不 断 获 得 能 量, 场 强 到 达 峰 值 时, 电 子 也 正 好 到 达 腔 的 中 央 其 后 场 强 开 始 下 降, 电 子 在 后 半 腔 中 飞 行, 当 场 强 开 始 由 正 变 负 时, 电 子 正 好 飞 出 1 # 腔 进 入 下 一 个 腔 这 时 2 # 腔 的 场 强 又 正 好 由 负 变 正 电 子 在 2 # 腔 中 又 能 继 续 加 速 获

50 得 能 量 如 果 这 种 安 排 能 得 到 满 足, 电 子 就 可 不 断 获 得 能 量 这 就 是 驻 波 加 速 原 理 驻 波 加 速 能 得 以 持 续 进 行, 必 须 满 足 同 步 加 速 条 件 同 步 加 速 条 件 可 表 为 D/c=T/2 (2 45) 即 电 子 渡 越 腔 体 ( 腔 长 为 D) 的 时 间 正 好 等 于 微 波 振 荡 的 半 周 期 T/2 ( 二 ) 行 波 观 点 分 析 其 实 驻 波 加 速 也 不 是 从 原 则 上 区 别 于 行 波 加 速 的 另 外 一 种 新 的 加 速 原 理 驻 波 加 速 也 可 以 用 行 波 观 点 来 分 析 因 为 任 何 驻 波 都 可 以 分 解 为 无 数 个 沿 两 个 反 方 向 传 播 的 行 波 的 组 合 式 (2-44) 的 E z (z,t) 可 表 成 E z (z,t)=e zf (z,t)+ E zb (z,t) E zf (z,t) E zb (z,t) 分 别 表 示 向 前 和 向 后 传 播 的 行 波 图 2 30 给 出 了 一 个 向 前 行 波 和 一 个 向 后 行 波 叠 加 成 一 个 驻 波 的 示 意 图 可 见, 电 子 在 驻 波 加 速 结 构 中 的 加 速 过 程 也 可 以 用 行 波 观 点 分 析 然 而 这 并 不 是 说 驻 波 加 速 结 构 和 行 波 结 构 的 效 果 就 不 一 样 了, 更 不 能 讲 两 种 结 构 的 性 质 也 就 相 同 了, 事 实 上, 两 种 加 速 结 构 各 有 不 同 的 特 点 和 优 点 三 驻 波 加 速 管 结 构 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 在 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 中 占 有 重 要 地 位, 它 是 驻 波 加 速 器 的 核 心, 它 的 性 能 很 大 程 度 上 决 定 了 整 机 的 性 能 在 30 年 的 发 展 进 程 中, 出 现 过 各 种 各 样 的 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 根 据 不 同 的 特 点, 它 们 有 不 同 的 分 类 : 一 种 是 按 每 一 个 腔 的 平 均 相 移 来 划 分, 分 为 л 模 2л /3 模 0 模 ; 一 种 是 按 结 构 包 括 的 周 期 数 来 划 分, 分 为 单 周 期 双 周 期 三 周 期 ; 一 种 是 按 耦 合 孔 位 置 来 划 分, 分 为 轴 耦 合 边 耦 合 环 腔 耦 合 ; 一 种 按 电 磁 场 耦 合 方 式 来 划 分, 分 为 电 耦 合 磁 耦 合 目 前 在 国 际 上 广 泛 采 用 的 是 磁 边 耦 合 及 磁 轴 耦 合 的 双 周 期 结 构 美 国 中 国 日 本 俄 罗 斯 有 相 应 的 商 品 ( 一 ) 单 周 期 驻 波 加 速 结 构 最 简 单 的 驻 波 加 速 结 构 是 双 端 短 路 的 均 匀 盘 荷 波 导, 各 腔 体 通 过 膜 片 的 中 心 孔 之 间 电 场 相 互 耦 合 在 一 起 当 然, 单 周 期 结 构 也 可 以 用 磁 耦 合 方 法 来 相 互 耦 台 根 据 短 路 条 件 的 不 同, 可 以 形 成 0 模 л/2 模 л 模 等 图 2 31 画 出 了 单 周 期 驻 波 结 构 的 0 模 л/2 模 л 模 场 分 布 的 示 意 图 单 周 期 结 构 是 一 种 均 匀 结 构, 构 成 驻 波 腔 链 的 每 一 个 腔 体 的 振 荡 频 率 都 相 同, 由 N+1 个 固 有 频 率 相 同 的 腔 组 成 的 稳 合 腔 链 可 以 有 N 十 1 个 振 荡 频 率 从 上 述 对 单 周 期 结 构 分 析 可 知,π/2 模 具 有 最 大 的 模 式 间 隔, 具 有 最 大 的 群 速 度 因 此 工 作 稳 定 性 最 好 不 过 它 有 半 数 腔 不 激 励, 它 只 起 功 率 耦 合 的 作 用, 因 此 整 个 结 构 的 分 流 阻 抗 很 低 ( 二 ) 双 周 期 驻 波 加 速 结 构 为 了 保 持 π/2 模 的 优 点, 又 能 提 高 分 流 阻 抗, 人 们 研 究 了 许 多 改 进 驻 波 加 速 结 构 的 方 法 有 人 提 出 把 工 作 在 π/2 模 腔 链 中 的 耦 合 腔 加 以 压 缩, 而 延 长 加 速 腔, 只 要 两 者 谐 振 频 率 保 持 一 致, 则 腔 链 仍 显 示 π/2 模 工 作 特 性, 如 图 2 33(b) 所 示 而 由 于 加 速 腔 得 以 延 长, 分 流 阻 抗 提 高 了 腔 链 由 两 种 结 构 周 期 不 同 的 腔 体 组 成, 而 变 成 双 周 期 结 构

51 美 国 IASL 的 E.A.Knapp 等 人 进 一 步 提 出 把 耦 合 腔 从 束 流 轴 线 上 移 开, 放 在 加 速 腔 的 外 边, 加 速 腔 的 外 壁 上 有 耦 台 孔 和 耦 合 腔 ( 称 为 边 腔 ) 耦 合, 相 邻 的 加 速 腔 通 过 耦 合 ( 边 ) 腔 相 互 耦 合 在 一 起 ; 而 相 邻 的 加 速 腔 之 间 的 中 孔 只 起 束 流 通 道 作 用, 而 不 起 功 率 耦 合 作 用, 如 图 2 33(c) 所 示 这 样 加 速 腔 长 度 扩 展 了 一 倍, 从 而 有 可 能 获 得 最 大 的 分 流 阻 抗 这 是 有 名 的 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 其 后 他 们 对 腔 体 不 断 加 以 优 化, 在 束 流 通 道 上 增 加 了 鼻 锥, 以 提 高 时 间 渡 越 因 子 把 圆 筒 型 加 速 腔 变 成 圆 拱 型, 把 加 速 腔 的 腔 型 优 化 设 计 成 ( 图 2 34) 的 样 子 图 2 35 给 出 双 周 期 边 耦 合 驻 波 加 速 管 的 示 意 图 由 于 双 周 期 驻 波 加 速 结 构 是 由 两 种 几 何 结 构 不 同 的 腔 链 相 互 耦 合 在 一 起 组 成 的, 因 此 该 系 统 存 在 两 条 通 频 带 ( 两 条 分 立 的 色 散 关 系 曲 线 ) 加 速 腔 通 频 带 及 耦 合 腔 通 频 带, 如 图 2 36 所 示 两 条 通 频 带 之 间 不 相 交, 存 在 禁 带 工 作 于 π/2 模 的 双 周 期 结 构 一 经 出 现, 马 上 受 到 全 世 界 广 泛 注 意 和 青 睐, 其 原 因, 是 因 为 它 具 有 一 系 列 优 越 的 微 波 特 性 : (1) π/2 模 工 作 在 通 频 带 中 央, 与 其 他 模 式 相 比, 模 式 分 隔 最 大, 群 速 度 最 大, 工 作 稳 定 ; (2) 储 能 集 中 在 加 速 腔, 而 且 结 构 具 有 最 高 的 分 流 阻 抗 ; (3) 在 一 级 近 似 下, 任 何 腔 体 的 频 率 误 差 不 导 致 加 速 场 的 幅 值 误 差 ; (4) 在 腔 体 无 频 率 误 差 下, 损 耗 和 束 流 负 载 不 引 起 加 速 场 的 相 移, 显 示 出 零 相 移 特 性 ; (5) 耦 合 腔 中 的 场 和 耦 合 腔 本 身 的 频 率 误 差 无 关, 它 是 由 损 耗 引 起 的, 是 二 级 小 量 ; (6) 禁 带 端 腔 失 谐 腔 体 频 率 误 差 损 耗 束 流 负 载 等 对 加 速 场 的 幅 值 或 相 移 的 影 响 都 是 二 级 小 量 这 些 特 点 汇 合 在 一 起, 使 得 π/2 模 双 周 期 结 构 具 有 分 流 阻 抗 高, 加 工 公 差 要 求 松, 频 率 稳 定 性 好, 相 移 对 束 流 负 载 不 敏 感, 调 谐 方 便 等 优 点, 从 而 推 动 该 结 构 的 迅 速 发 展 具 有 优 良 阶 性 能 的 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 在 国 际 上 得 到 广 泛 的 应 用 不 过 边 耦 合 结 构 加 工 较 复 杂, 较 焊 接 麻 烦, 自 20 世 纪 70 年 代 中 后 期, 加 拿 大 中 国 俄 罗 斯 印 度 都 在 发 展 磁 轴 耦 合 双 周 期 驻 波 加 速 结 构 图 2 37 给 出 了 磁 轴 耦 合 的 驻 波 加 速 结 构 示 意 图 它 最 大 的 特 点 是 把 边 耦 合 腔 放 回 到 轴 线 上 加 速 腔 和 耦 合 腔 通 过 偏 离 开 轴 线 的 肾 形 孔 利 用 磁 场 相 互 耦 合 在 一 起, 如 图 2 38 所 示 它 最 大 的 优 点 是 整 个 结 构 保 持 了 轴 对 称 性 性 质, 利 于 加 工 调 谐, 简 化 了 腔 链 焊 接 工 艺 它 的 缺 点 是, 轴 耦 合 腔 又 在 轴 线 上 占 据 一 定 的 位 置, 加 速 腔 的 长 度 要 缩 短, 使 结 构 的 分 流 阻 抗 稍 有 下 降, 但 上 述 的 优 点 常 常 会 弥 补 其 不 足, 而 保 持 大 体 相 同 的 整 体 性 能 四 电 子 在 驻 波 电 场 中 的 纵 向 运 动 及 横 向 运 动 电 子 在 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 中 的 纵 向 及 横 向 运 动 与 在 行 波 加 速 ( 管 ) 结 构 中 的 横 纵 向 运 动 有 很 多 相 同 的 地 方, 也 有 自 身 具 有 的 特 点 在 纵 向 运 动 方 面, 相 同 的 地 方 是, 同 样 存 在 不 同 相 位 注 入 的 电 子, 也 是 均 匀 地 分 布 在 不 同 相 位 的 电 磁 场 中, 有 半 个 周 期 注 入 的 电 子 会 遇 到 加 速 相 位, 半 个 周 期 遇 到 的 是 减 速 相 位, 因 此, 也 存 在 一 个 俘 获 的 过 程 ( 即 需 要 相 位 会 聚 ) 为 了 提 高 俘 获 系 数 以 及 使 电 子 束 团 以 较 窄 的 相 位 宽 度 注 入 到 主 加 速 腔 链 中, 一 般 也 需 要 聚 束 器 ( 段 ) 不 同 的 地 方 是 由 于 驻 波 加 速 管 加 速 场 强 都 很 高, 用 1~3 个 腔 就 可 完 成 相 聚 ( 相 俘 获 ) 过 程, 因 此, 相 振 荡 不 充 分, 致 使 俘 获 系 数 比 较 低, 一 般 只 有 30%, 而 不 像 行 波 加 速 结 构 那

52 样, 可 达 70%~80% 在 横 向 运 动 方 面, 由 于 从 电 子 枪 注 入 的 束 流 具 有 径 向 尺 寸 及 散 角 ( 即 具 有 一 定 的 初 始 发 射 度 ), 对 那 些 离 轴 的 电 子, 驻 波 腔 中 的 电 场 径 向 分 量 E r, 和 磁 场 轴 向 分 量 B 0 要 对 其 施 加 作 用 力 类 似 于 行 波 加 速 管, 为 了 减 少 电 子 在 加 速 过 程 的 发 散, 顺 利 通 过 各 腔 的 束 流 孔 道 ( 一 般 小 于 10mm), 同 时 获 得 较 小 的 靶 点, 常 常 也 需 要 外 加 纵 向 聚 焦 磁 场 但 通 过 对 驻 波 加 速 腔 的 腔 型 ( 即 场 型 ) 的 优 化 和 利 用 相 位 聚 焦 等 技 术, 在 驻 波 加 速 管 中 实 现 利 用 驻 波 电 磁 场 来 完 成 束 流 的 聚 焦, 也 可 以 不 需 要 外 加 的 纵 向 聚 焦 磁 场 3.5 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 一 电 子 直 线 加 速 器 工 作 特 性 的 分 类 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 是 指 输 出 参 数 随 输 人 参 数 变 化 的 关 系 了 解 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 对 于 指 导 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 运 行 维 护 十 分 重 要 电 子 直 线 加 速 器 的 输 出 参 数 有 : 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 ; 电 子 直 线 加 速 器 的 输 入 参 数 有 : 电 子 束 流 负 载 输 入 微 波 功 率 输 入 微 波 频 率 因 此 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 可 分 为 : 负 载 特 性 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 与 电 子 束 流 负 载 的 关 系 功 率 特 性 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 与 输 入 微 波 功 率 的 关 系 频 率 特 性 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 与 输 入 微 波 频 率 的 关 系 不 管 是 行 波 加 速 管 还 是 驻 波 加 速 管, 都 有 这 些 输 出 参 数 和 输 入 参 数 加 速 管 的 工 作 温 度 一 般 不 作 为 输 人 参 数 调 节, 但 它 与 加 速 管 的 工 作 频 率 有 直 接 联 系, 它 的 波 动 亦 影 响 输 出 参 数 的 波 动, 为 此 亦 须 稳 定 在 一 定 的 范 围 二 对 运 行 中 出 现 问 题 的 分 析 医 用 电 子 直 线 加 速 器 运 行 中 最 关 心 的 是 输 出 参 数 是 否 正 常, 其 中 最 直 接 的 问 题 是 : 输 出 x 辐 射 剂 量 率 和 电 子 辐 射 剂 量 率 是 否 正 常, 深 度 吸 收 剂 量 特 性 是 否 变 化 输 出 参 数 的 变 化 是 由 输 入 参 数 变 化 引 起 的, 而 每 项 输 人 参 数 又 是 由 许 多 因 素 所 决 定, 运 用 工 作 特 性 可 以 帮 助 分 析 是 哪 些 因 素 影 响 了 工 作 的 正 常 1. 影 响 输 入 参 数 的 因 素 (1) 加 速 电 流 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 加 速 电 流 是 由 电 子 枪 供 给 的, 对 于 已 设 计 好 的 电 子 直 线 加 速 器, 影 响 加 速 电 流 的 主 要 因 素 有 : a. 电 子 枪 阴 极 灯 丝 ( 热 子 ) 加 热 电 源 参 数 的 变 化, 电 源 参 数 包 括 灯 丝 电 压 灯 丝 电 流 b. 电 子 枪 阳 极 电 压, 电 子 枪 阳 极 有 两 种 供 电 方 式, 独 立 的 直 流 高 压 或 与 磁 控 管 共 用 脉 冲 变 压 器 供 电 c. 电 子 枪 栅 极 电 压, 对 于 栅 控 电 子 枪, 栅 极 脉 冲 电 压 直 接 影 响 发 射 电 流 d. 电 子 枪 阴 极 变 形 引 起 电 子 光 学 特 性 变 坏, 使 注 人 加 速 管 的 电 子 束 的 光 学 质 量 变 坏 (2) 输 入 功 率 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 输 入 功 率 是 由 微 波 功 率 源 ( 磁 控 管 或 速 调 管 ) 产 生 的, 高 压 脉 冲 调 制 器 供 给 磁 控 管 或 速 调 管 的 脉 冲 高 压, 微 波 功 率

53 源 和 高 压 脉 冲 调 制 器 的 任 何 故 障 都 影 响 输 入 功 率 微 波 功 率 源 的 脉 冲 电 流 与 脉 冲 电 压 是 微 波 功 率 的 指 标, 它 们 的 变 化 直 接 反 映 微 波 功 率 的 变 化 脉 冲 高 压 是 由 脉 冲 调 制 器 产 生 的, 它 的 变 动 将 直 接 影 响 磁 控 管 或 速 调 管 的 功 率 高 压 脉 冲 调 制 器 有 专 门 的 低 9 电 路 控 制 高 压 (3) 工 作 频 率 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 频 率 是 由 自 动 稳 频 系 统 控 制 的, 自 动 稳 频 系 统 的 任 何 故 障 都 影 响 工 作 频 率 2. 输 出 参 数 若 干 不 正 常 表 现 的 原 因 分 析 低 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 都 有 x 辐 射 输 出,x 辐 射 剂 量 率 是 反 映 医 用 电 子 直 线 加 速 器 工 作 是 否 正 常 的 主 要 指 标, 由 式 (2 124) 得 知,x 辐 射 剂 量 率 与 加 速 流 强 及 输 入 功 率 及 工 作 频 率 有 关, 能 量 流 强 的 变 化 都 要 在 x 辐 射 剂 量 率 上 反 映 出 来 (1) 出 束 中 断, 开 机 后 或 在 开 机 过 程 中 x 辐 射 剂 量 率 突 然 中 断, 可 能 的 因 素 有 : a, 加 速 器 连 锁 保 护, 正 常 工 作 的 任 何 条 件 的 破 坏, 会 切 断 高 压 甚 至 全 部 电 源, 使 出 束 中 断 ; b. 自 动 稳 频 系 统 失 灵, 微 波 频 率 严 重 偏 离 正 常 工 作 频 率 ; c. 电 子 枪 灯 丝 烧 断, 电 子 枪 发 射 电 流 下 降 为 0; d. 磁 控 管 老 化 不 能 起 振 或 速 调 管 主 振 器 损 坏, 功 率 下 降 为 0 e. 脉 冲 调 制 器 故 障 ( 闸 流 管 脉 冲 变 压 器 低 Q 电 路 或 其 他 零 部 件 损 坏 ), 脉 冲 高 压 下 降 为 0; f. 偏 转 磁 铁 电 源 故 障, 对 于 有 偏 转 系 统 的 中 高 能 医 用 加 速 器, 偏 转 线 圈 电 流 对 正 常 值 的 偏 离 都 将 使 电 子 束 无 法 引 出 和 打 靶 (2)X 辐 射 剂 量 率 下 降 可 能 的 因 素 有 : a. 自 动 稳 频 系 统 设 置 不 正 确, 微 波 频 率 偏 离 正 常 工 作 频 率 ; b. 磁 控 管 或 速 调 管 的 电 压 电 流 偏 低 ; c. 电 子 枪 发 射 电 流 设 置 不 正 确 (3)X 辐 射 剂 量 率 不 稳 定 可 能 的 因 素 有 : a. 自 动 稳 频 系 统 设 置 不 正 确, 不 能 稳 定 于 工 作 频 率 ; b. 电 子 枪 发 射 电 流 不 稳 定 ; c. 磁 控 管 内 打 火 ; d. 波 导 内 打 火 (4) 电 子 辐 射 剂 量 率 过 大 可 能 的 因 素 有 : a. 电 子 枪 发 射 电 流 过 大 ; b. 低 Q 电 路 失 灵, 磁 控 管 脉 冲 电 压 过 高 (5) 电 子 辐 射 剂 量 率 不 稳 定 可 能 的 因 素 有 : a, 电 子 枪 发 射 电 流 不 稳 定 ; b. 自 动 频 率 稳 定 系 统 工 作 不 正 常 ; c. 低 Q 电 路 工 作 不 正 常 (6) 能 量 不 足 可 能 的 因 素 有 : 能 量 不 足 大 多 是 因 功 率 不 够 引 起, 能 量 不 足 必 然 影 响 到 x 辐 射 剂 量 率 的 下 降, 能 量 不 足 的 表 现 主 要 是 辐 射 质 指 数 达 不 到 要 求 以 上 分 析 不 可 能 将 全 部 因 素 包 括, 需 要 根 据 具 体 情 况 判 断 3.6 行 波 与 驻 波 结 构 的 比 较

54 医 用 电 子 直 线 加 速 器 有 两 种 加 速 管 结 构, 即 行 波 加 速 管 与 驻 波 加 速 管 从 临 床 使 用 角 度, 所 要 关 心 的 是 输 出 辐 射 的 性 能, 并 不 需 要 关 心 是 哪 种 加 速 管 但 从 操 作 及 维 护 角 度, 这 两 种 加 速 管 不 仅 结 构 与 长 度 不 同, 整 机 的 配 置 和 部 件 不 同, 还 是 需 要 了 解 它 们 之 间 的 差 别 一 加 速 管 结 构 与 长 度 1. 驻 波 结 构 中 可 利 用 的 微 波 功 率 有 所 提 高 在 行 波 结 构 中, 终 端 的 微 波 剩 余 功 率 白 白 消 耗 在 终 端 吸 收 负 载 上, 如 果 将 相 同 的 结 构 卒 为 驻 波 结 构, 即 在 终 端 加 短 路 金 属 板, 由 于 终 端 短 路, 剩 余 功 率 全 部 反 射, 并 转 向 输 入 端, 在 这 过 程 中 微 波 功 率 受 到 进 一 步 衰 减, 其 衰 减 系 数 为 e -2α L, 这 个 反 射 波 对 加 速 电 子 是 率 专 用 的, 但 是 这 个 波 在 输 入 端 又 受 到 全 反 射 如 果 加 速 结 构 的 长 度 是 波 导 半 波 长 的 整 数 借, 则 输 入 端 的 反 射 波 又 将 在 输 出 端 反 射, 这 样 的 过 程 将 继 续 下 去, 直 至 达 到 平 衡 为 止 由 于 来 回 反 射, 驻 波 加 速 结 构 等 效 的 输 入 功 率 提 高 了 等 效 的 输 入 功 率 等 于 多 次 来 回 反 射 功 率 的 级 数 和 2. 能 量 增 益 上 的 比 较 (1) 如 果 采 用 相 同 的 结 构, 当 加 速 管 很 长, 两 种 结 构 的 能 量 增 益 差 别 很 小 ; 当 加 速 管 很 短 时, 两 种 结 构 的 能 量 增 益 差 别 很 大 (2) 如 果 采 用 不 同 的 结 构, 例 如 将 束 流 孔 道 与 耦 合 孔 道 分 开 的 驻 波 加 速 结 构 本 身 就 比 束 流 孔 道 与 耦 合 孔 道 合 在 一 起 的 盘 荷 波 导 效 率 高, 这 样 两 种 结 构 的 能 量 增 益 差 别 就 更 大 对 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 两 种 加 速 结 构 能 量 增 益 的 差 别 十 分 重 要, 例 如 同 样 是 6AfeV 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 采 用 驻 波 加 速 结 构, 加 速 管 仅 长 30 cm 左 右, 可 以 做 成 直 立 式, 无 需 偏 转 系 统, 而 采 用 行 波 加 速 结 构, 长 度 在 100cm 以 上, 只 能 水 平 安 装 于 机 架 上. 必 需 采 用 偏 转 系 统 把 电 子 束 引 向 下 方 对 于 中 高 能 量 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 尽 管 驻 波 加 速 管 要 比 行 波 加 速 管 短 些, 但 无 论 足 行 被 还 是 驻 波 方 式, 加 速 管 长 度 都 在 100 cm 以 上, 都 需 要 配 备 偏 转 系 统, 此 时 采 用 哪 一 种 加 速 方 式, 在 长 度 方 面 的 差 别 已 无 关 紧 要 二 建 场 时 间 行 波 加 速 管 中 电 磁 场 的 建 立 只 要 一 次 传 输 就 可 完 成, 驻 波 加 速 管 中 电 磁 场 的 建 立 是 通 过 波 在 加 速 管 内 来 回 反 射 建 立 的, 驻 波 建 场 时 间 要 比 行 波 建 场 时 间 长 倍 在 建 场 时 间 内, 不 能 正 常 加 速, 输 入 的 微 波 功 率 被 浪 费 掉 了, 微 波 功 率 利 用 效 率 要 求 微 波 脉 冲 宽 度 必 须 远 大 于 建 场 时 间 行 波 容 许 较 短 的 脉 冲 宽 度, 驻 波 希 望 有 较 宽 的 脉 冲 宽 度 目 前 驻 波 加 速 管 一 般 采 用 τ=4μs, 重 复 频 率, F=250/s, 而 行 波 加 速 管 采 用 τ=2μs, 重 复 频 率,F= 500/s 从 微 波 功 率 源 及 脉 冲 调 制 器 角 度, 脉 冲 愈 宽, 难 度 愈 大 三 频 率 稳 定 系 统 行 波 加 速 管 与 驻 波 加 速 管 的 负 载 特 性 与 功 率 特 性 具 有 相 同 的 形 式, 但 两 者 频 率 特 性 不 同, 频 率 稳 定 要 求 也 不 同 (1) 行 波 加 速 管 (1) 原 则 上, 经 过 调 试, 在 微 波 功 率 发 生 器 的 频 率 范 围 内, 微 波 功 率 都 可 顺 利 进 入 加 速 管, 不 产 生 严 重 的 反 射 对 于 磁 控 管 微 波 功 率 发 生 器, 这 个 频 率 范 围 约 7 8MHz (2) 行 波 加 速 管 频 率 稳 定 性 的 要 求 与 行 波 加 速 管 的 色 散 特 性 有 关, 在 工 作 频 率 附 近, 当 频 率 偏 离 工 作 频 率 时, 会 引 起 电 子 相 对 于 波 的 滑 相, 位 能 谱 变 坏, 能

55 量 降 低, 为 此 要 求 采 用 频 率 稳 定 系 统, 对 于 工 作 频 率 为 3000MHz 左 右 的 行 波 加 速 管, 行 波 加 速 管 要 求 频 率 稳 定 度 为 160 khz 左 右 (3) 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 要 求 x 辐 射 方 式 有 2 3 挡 能 量, 电 子 辐 射 方 式 有 多 档 能 量 在 X 辐 射 方 式 时, 因 能 谱 要 求 较 高, 通 常 采 用 调 节 输 入 功 率 方 式 调 节 能 量, 频 率 有 时 也 要 微 调 ; 在 电 子 辐 射 方 式, 因 流 强 非 常 低, 能 谱 要 求 不 高, 通 常 采 用 调 节 频 率 方 式 调 节 能 量, 因 此 行 波 加 速 管 容 许 有 数 个 不 同 的 工 作 频 率, 每 个 工 作 频 率 对 应 不 同 的 能 量 ( 二 ) 驻 波 加 速 管 (1) 进 入 驻 波 加 速 管 的 微 波 容 许 频 率 变 化 范 围 由 驻 波 加 速 管 的 品 质 因 素 (2) 驻 波 加 速 管 自 动 稳 频 系 统 的 稳 定 度 由 容 许 的 x 辐 射 剂 量 率 稳 定 度 决 定, 对 于 工 作 频 率 为 3000MHz 左 右 的 驻 波 加 速 管, 当 要 求 剂 量 率 稳 定 度 为 ±3% 时, 由 前 面 计 算, 要 求 频 率 稳 定 度 在 ±20 khz 左 右 (3) 驻 波 加 速 管 虽 然 有 多 个 分 立 的 谐 振 频 率, 但 满 足 电 子 动 力 学 设 计 要 求 的 只 有 一 个 工 作 频 率 当 微 波 功 率 发 生 器 的 频 率 偏 离 工 作 频 率 约 ±200kHz 时, 微 波 功 率 根 本 不 能 进 入 驻 波 加 速 管, 因 此 驻 波 加 速 管 自 动 稳 频 系 统 只 容 许 有 一 个 工 作 点 四 偏 转 系 统 ( 一 ) 能 谱 的 影 响 行 波 与 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 一 个 重 要 差 别 是 它 们 的 能 谱, 使 用 者 可 能 并 不 能 直 接 感 觉 到 它 们 的 差 别, 因 为 设 计 者 已 采 取 一 些 措 施 来 弥 补 电 子 直 线 加 速 器 输 出 的 电 子 束 流 并 不 是 单 一 能 量 的, 能 谱 是 指 流 强 随 能 量 的 分 布, 见 图 2 6 能 谱 定 义 为 峰 值 流 强 一 半 处 的 能 谱 宽 度 (FWHM)δV 与 峰 值 流 强 处 能 量 V 0 之 比 S=ΔV/V 0 显 然 S 愈 小, 能 谱 愈 好 行 波 加 速 管 由 于 相 振 荡 比 较 充 分, 相 聚 较 好, 因 此 输 出 电 子 束 的 能 谱 较 窄 (1% 3%), 驻 波 加 速 管 场 强 较 高, 电 子 很 快 达 到 光 速, 相 振 荡 不 充 分, 加 之 场 建 成 时 间 较 长, 所 以 能 谱 较 宽 (10% 20%) 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 采 取 直 束 式, 不 同 能 量 电 子 均 可 打 靶, 驻 波 加 速 管 产 生 的 X 辐 射 含 低 能 成 分 较 多 ( 二 ) 偏 转 系 统 的 色 差 偏 转 系 统 对 不 同 能 量 粒 子 的 敏 感 程 度 称 为 色 差 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 采 用 偏 转 磁 铁 系 统, 有 两 种 形 式, 一 类 是 简 单 的 90 单 偏 转 磁 铁 系 统, 另 一 类 是 270 复 合 偏 转 磁 铁 系 统 90 单 偏 转 磁 铁 系 统 是 色 差 系 统, 对 电 子 束 的 能 谱 极 为 敏 感, 不 同 能 量 的 电 子 将 沿 不 同 曲 率 半 径 散 开, 散 开 的 宽 度 正 比 于 能 谱 宽 度 能 谱 愈 宽, 愈 不 对 称, 打 靶 后 产 生 的 x 辐 射 分 布 愈 不 对 称, 为 下 一 步 均 整 工 作 带 来 困 难 行 波 加 速 管 因 能 诺 较 好, 早 期 大 都 采 用 简 单 的 90 单 偏 转 磁 铁 系 统 随 着 消 色 差 偏 转 系 统 的 出 现, 现 代 行 波 电 子 直 线 加 速 器 亦 都 采 用 消 色 差 偏 转 系 统 ( 三 ) 驻 波 加 速 管 对 偏 转 系 统 的 要 求 驻 波 加 速 管 出 现 后 由 于 能 谱 较 差, 遇 到 偏 转 的 困 难, 不 得 不 采 用 具 有 消 色 差 功 能 的 270 复 合 偏 转 磁 铁 系 统 消 色 差 偏 转 系 统 的 特 点 是 对 于 能 散 度 不 敏 感, 也 对 入 射 散 角 不 敏 感 偏 转 以 后 束 斑 仍 能 保 持 圆 形 五 微 波 传 输 系 统

56 驻 波 传 输 系 统 与 行 波 传 输 系 统 在 要 求 上 有 所 不 同 ( 一 ) 驻 波 传 输 系 统 传 输 系 统 上 的 微 波 器 件 要 求 承 受 较 高 的 电 场 强 度, 要 插 入 能 吸 收 全 部 反 射 功 率 的 环 流 器 作 为 隔 离 器 件, 以 防 微 波 功 率 返 回 造 成 对 微 波 功 率 发 生 器 的 破 坏 实 际 驻 波 传 输 系 统 可 分 为 两 类 : (1) 隔 离 式 驻 波 传 输 系 统 驻 波 加 速 管 与 磁 控 管 之 间 有 隔 离 器 件 进 行 隔 离, 隔 离 器 件 由 四 端 环 流 器 或 四 端 环 流 器 与 隔 离 器 的 组 合 构 成 隔 离 式 传 输 系 统 的 优 点 是 磁 控 管 的 工 作 基 本 上 不 受 加 速 管 工 作 的 影 响, 缺 点 是 对 于 脉 冲 内 及 脉 冲 间 的 快 速 频 率 变 化 无 法 补 偿, 因 为 自 动 稳 频 系 统 的 伺 服 机 构 只 能 跟 踪 慢 变 化, 来 不 及 响 应 快 变 化 另 外 要 求 隔 离 器 件 的 隔 离 度 较 高, 隔 离 器 件 的 插 入 损 耗 较 大 (2) 牵 引 式 驻 波 传 输 系 统 牵 引 式 传 输 系 统 不 将 加 速 管 完 全 隔 离, 反 而 用 来 控 制 磁 控 管 的 频 率, 优 点 是 可 以 补 偿 频 率 阶 快 速 变 化, 由 一 只 三 瑞 环 流 器 构 成, 在 三 端 环 流 器 的 第 三 支 臂 插 入 一 个 调 相 器 (phase wand), 调 相 器 的 作 用 是 使 磁 控 管 的 输 出 频 率 恰 好 和 加 速 管 的 频 率 相 等 牵 引 式 的 缺 点 是 调 整 工 作 费 事 ( 二 ) 行 波 传 输 系 统 行 波 加 速 管 可 视 为 阻 抗 不 变 化 的 负 载, 并 且 可 认 为 是 一 个 匹 配 的 负 载 (1) 行 波 加 速 管 是 一 种 带 通 器 件, 在 一 定 频 率 范 围 内, 微 波 功 率 反 射 很 少 为 防 止 加 速 管 内 或 波 导 内 打 火 引 起 的 功 率 反 射, 仍 须 在 行 波 传 输 系 统 中 插 入 能 吸 收 大 部 功 率 的 隔 离 器 作 为 隔 离 器 件 (2) 每 次 脉 冲 从 开 始 到 结 束, 微 波 功 率 都 是 单 向 流 通 的 (3) 行 波 传 输 系 统 沿 传 输 波 导 电 场 分 布 是 均 匀 分 布 的, 除 非 因 严 重 打 火 造 成 反 射 使 传 输 系 统 形 成 驻 波 状 态 六 电 子 枪 驻 波 加 速 管 的 加 速 场 强 较 高, 所 需 电 子 初 始 能 量 较 低, 设 计 得 好 的 驻 波 加 速 管 注 入 电 压 在 1~10kV 即 可, 电 子 枪 的 高 度 较 小, 高 度 只 有 3cm 左 右 行 波 加 速 管 由 于 加 速 场 强 较 低, 所 需 注 入 电 压 在 40~100kV, 电 子 枪 的 高 度 较 高 高 度 在 10~20cm 左 右 七 温 控 系 统 由 于 同 样 的 温 度 变 化 对 行 波 加 速 管 和 驻 波 加 速 管 产 生 几 乎 同 样 的 工 作 频 率 波 动, 大 约 为 50kHz/, 而 驻 波 加 速 管 要 求 频 差 比 行 波 加 速 管 要 求 频 差 要 小 得 多, 如 果 不 采 用 自 动 稳 频 系 统, 则 驻 波 加 速 管 对 温 控 系 统 的 要 求 很 高, 约 为 ± 0.4, 行 波 加 速 管 采 用 双 腔 自 动 稳 频 系 统, 这 种 双 腔 自 动 稳 频 系 统 的 稳 定 点 对 温 度 很 敏 感, 因 此 要 求 稳 在 ±1 左 右, 驻 波 加 速 管 采 用 锁 相 自 动 稳 频 系 统, 这 种 锁 相 自 动 稳 频 系 统 对 温 度 不 敏 感, 采 用 温 控 系 统 主 要 为 了 使 微 波 功 率 源 的 频 率 不 致 过 分 偏 离 中 心 点 综 合 以 上 各 点 可 以 看 出, 驻 波 加 速 管 具 有 较 高 的 效 率, 加 速 管 与 电 子 枪 较 短, 结 构 紧 凑, 但 对 脉 冲 调 制 器 自 动 稳 频 系 统 偏 转 系 统 微 波 传 输 系 统 等 都 有 较 高 的 要 求, 而 行 波 加 速 管 虽 然 效 率 较 低, 但 能 谱 较 好, 能 量 调 节 较 容 易

57 第 三 章 电 子 直 线 加 速 器 第 一 节 医 用 电 子 直 线 加 速 器 概 况 一 什 么 是 医 用 电 子 直 线 加 速 器 医 用 电 子 直 线 加 速 器 有 几 种 内 涵, 首 先 是 加 速 器, 加 速 器 乃 是 提 高 某 种 物 质 速 度 和 能 量 的 装 置, 直 线 加 速 器 是 沿 直 线 加 速 物 质 的 加 速 器, 电 子 直 线 加 速 器 阐 明 了 所 加 速 的 物 质 是 电 子, 而 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 应 用 于 医 学 领 域, 用 于 治 疗 患 者 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 利 用 微 波 电 场, 沿 直 线 加 速 电 子 到 较 高 的 能 量 应 用 于 医 学 临 床 的 装 置 应 用 于 临 床 就 要 求 医 用 电 子 直 线 加 速 器 ( 图 3-1-1) 有 安 全 的 束 流 监 测 系 统 和 方 便 的 治 疗 功 能, 易 于 使 用 在 临 床 上 还 有 其 它 类 型 加 速 器, 如 医 用 电 子 感 应 加 速 器 和 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 等 由 于 加 速 电 子 的 微 波 电 场 不 同, 形 成 了 不 同 的 加 速 原 理 和 加 速 结 构 按 加 速 场 不 同, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 可 分 为 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 和 医 用 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 是 由 一 段 段 盘 荷 波 导 组 成 加 速 管, 外 加 微 波 功 率 在 各 个 盘 荷 波 导 内 激 励 起 高 频 振 荡 电 磁 场, 电 磁 场 在 加 速 管 的 轴 向 上 有 轴 向 电 场, 这 个 轴 向 电 场 在 各 个 盘 荷 波 导 内 是 不 断 变 化, 以 波 的 形 式 沿 加 速 管 图 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 轴 向 向 前 传 播 利 用 相 位 关 系, 经 过 技 术 处 理, 使 电 子 骑 在 向 前 不 断 行 进 的 微 波 上, 与 波 的 传 波 速 度 相 同, 让 轴 向 电 场 不 断 加 速, 以 便 获 得 最 终 的 高 能 量 飞 利 浦 公 司 生 产 的 SL 系 列 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 利 用 行 波 电 场 加 速 原 理 加 速 电 子 医 用 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 是 由 一 系 列 以 一 定 方 式 耦 合 起 来 的 谐 振 腔 链 组 成 的 加 速 管, 微 波 功 率 馈 入 谐 振 腔 内, 经 过 来 回 反 射 形 成 驻 波 电 磁 场, 驻 波 电 磁 场 在 各 个 腔 内 的 轴 向 上 形 成 轴 向 电 场, 幅 值 不 断 变 化, 但 不 向 前 传 播 选 择 合 适 的 相 位, 当 电 子 通 过 每 个 谐 振 腔 时, 利 用 轴 向 电 场 加 速, 以 便 获 得 最 终 高 能 量 美 国 瓦 里 安 公 司 生 产 的 CL600C 系 列 和 CL2100C 系 列 还 有 CL2300C 系 列 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 美 国 GE 公 司 生 产 的 土 星 系 列 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 德 国 西 门 子 公 司 生 产 的 MD 系 列 和 KD 系 列 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 威 达 医 疗 器 械 公 司 生 产 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 和 北 京 医 疗 器 械 研 究 所 生 产 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 都 是 利 用 驻 波 电 场 加 速 原 理 加 速 电 子 二 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展 概 况 1933 年 和 1934 年 有 人 成 功 地 利 用 传 输 线 传 输 脉 冲 行 波 电 场 直 线 地 加 速 电 子, 能 量 达 到 1.3 兆 电 子 伏 由 于 技 术 上 的 困 难, 此 种 加 速 电 子 方 法 没 有 得 到 发 展 30 年 代 以 后, 又 有 人 进 行 利 用 微 波 加 速 电 子 的 实 验, 进 展 不 大 第 二 次 世 界 大 战 的 爆 发, 促 进 了 雷 达 技 术 的 迅 速 发 展,3000 兆 赫 频 段, 兆 瓦 级 的 脉 冲 大 功 率 振 荡 管 磁 控 管 研 制 成 功, 使 科 技 人 员 对 微 波 的 认 识 不 断 加 深, 控 制 技 术 不 断 完 善 在 这 种 情 况 下, 人 们 充 分 注 意 到 电 子 加 速 本 身 具 有 很 鲜 明 的 特 点, 即 一 经 加 速, 电 子 的 速 度 很 快 就 达 到 光 速, 而 电 磁 波 在 真 空 中 的 传 播 速 度 也 是 光 速, 二 者 达 到 一 致, 这 就 为 利 用 直 线 传 播 的 微 波 电 场 加 速 电 子 提 供 可 能 为 了 加 速 电 子, 首 先 要 使 微 波 电 场 的 行 进 速 度 与 电 子 的

58 行 进 速 度 一 致, 即 慢 波 技 术 同 时 要 保 证 电 子 正 好 运 动 在 加 速 电 场 上, 始 终 保 持 加 速 状 态, 要 对 微 波 功 率 源 的 相 位 进 行 控 制 以 满 足 上 述 要 求, 即 调 相 技 术 英 国 和 美 国 的 科 研 机 构 经 过 多 年 的 研 究, 在 慢 波 技 术 和 调 相 技 术 方 面 有 了 重 大 突 破, 取 得 了 满 意 的 结 果 1947 年, 英 国 电 气 通 讯 研 究 所 和 美 国 斯 坦 福 大 学 的 行 波 电 子 直 线 加 速 器 先 后 研 制 成 功, 从 而 为 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展 和 应 用 开 辟 了 崭 新 的 阶 段 电 子 直 线 加 速 器 的 迅 速 发 展 是 与 各 个 方 面 的 要 求 和 需 要 分 不 开 的, 特 别 是 核 物 理 医 疗 卫 生 工 农 业 等 方 面 的 急 切 需 要 这 里 可 以 举 一 个 例 子, 在 英 国, 电 子 直 线 加 速 器 刚 刚 研 制 成 功, 就 马 上 应 用 于 临 床 实 验,1953 年 就 在 Harmersmith 医 院 安 装 了 一 台 8MeV 的 电 子 直 线 加 速 器, 对 恶 性 肿 瘤 进 行 治 疗 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 较 行 波 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展 要 晚 一 些, 并 不 是 利 用 驻 波 加 速 电 子 的 想 法 和 理 论 提 出 来 晚, 而 是 稳 定 地 加 速 电 子 的 结 构 和 技 术 始 终 不 成 熟 1964 年 美 国 Los Alamos 科 学 实 验 室 在 EA Knapp 等 人 领 导 下 研 制 成 功 了 一 种 新 的 驻 波 加 速 结 构 边 耦 合 加 速 结 构, 这 为 驻 波 加 速 原 理 的 应 用 提 供 了 技 术 基 础 美 国 瓦 里 安 公 司 首 先 将 边 耦 合 加 速 结 构 应 用 于 制 造 小 型 电 子 直 线 加 速 器,1968 年 10 月 4 兆 电 子 伏 医 用 电 子 直 线 加 速 器 原 形 机 制 造 成 功 从 此 以 后 医 用 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 得 到 迅 速 地 发 展, 有 多 家 公 司 采 用 此 项 技 术 生 产 驻 波 电 子 直 线 加 速 器, 并 把 此 项 技 术 应 用 于 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 四 十 年 来, 随 着 电 子 直 线 加 速 器 的 迅 速 发 展, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 也 得 到 了 突 飞 猛 进 的 发 展, 且 技 术 不 断 完 善, 运 行 更 加 可 靠 从 4~8MeV 中 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 发 展 到 18~25MeV 高 能 电 子 直 线 加 速 器 ; 从 生 产 单 一 的 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 发 展 到 行 波 和 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 同 时 生 产 特 别 是 近 十 几 年 来, 电 子 计 算 机 的 飞 速 发 展 已 深 入 到 生 产 和 生 活 的 各 个 方 面, 其 也 广 泛 地 应 用 于 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 进 一 步 提 高 了 电 子 直 线 加 速 器 的 运 行 可 靠 性 和 治 疗 的 准 确 性, 使 操 作 进 一 步 简 单 和 安 全, 同 时 使 更 先 进 的 技 术 应 用 于 电 图 新 型 医 用 电 子 直 线 加 速 器 子 直 线 加 速 器, 如 验 证 系 统, 适 形 治 疗 系 统, 故 障 检 索 系 统, 远 程 通 讯 系 统 等 我 国 第 一 台 电 子 直 线 加 速 器 是 在 1956 年 由 谢 家 麟 教 授 领 导, 在 中 国 科 学 院 原 子 能 研 究 所 开 始 研 制 的,1964 年 建 成, 能 量 为 30MeV 二 十 世 纪 70 年 代 初 期 我 国 电 子 直 线 加 速 器 有 了 较 大 的 发 展,1977 年 北 京 地 区 和 上 海 地 区 研 制 成 功 了 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 随 后 又 研 制 成 功 了 低 能 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 由 于 我 国 的 工 艺 水 平 和 工 业 水 平 比 较 落 后, 阻 碍 了 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展 但 是 近 几 年 来, 改 革 开 放 进 一 步 加 深, 也 促 进 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展, 现 在 已 能 够 小 批 量 生 产 中 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 随 着 技 术 和 工 艺 水 平 的 进 一 步 提 高, 我 国 医 用 电 子 直 线 加 速 器 一 定 能 赶 上 国 际 先 进 水 平 三 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 治 疗 肿 瘤 中 的 地 位 从 1953 年 第 一 台 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 英 国 使 用 以 来, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 治 疗 肿 瘤 中 已 应 用 了 近 半 个 世 纪, 在 我 国 也 应 用 了 二 十 多 年 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 治 疗 肿 瘤 中 取 得 相 当 可 观 的 疗 效, 是 治 疗 肿 瘤 的 重 要 武 器 现 在 放 射 治 疗 中, 主 要 利 用 电 子 线 和 X 射 线 ( 中 子 和 质 子 等 粒 子 也 在 使 用 中 ), 但 这 两 种 射 线 与 生 物 组 织 作 用 的 机 制 是 不 同 的, 所 以 在 治 疗 中 也 各 有 特 点 放 射 线 对 正 常 组 织 细 胞 和 肿 瘤 组 织 细 胞 都 有 损 害, 但 二 者 存 在 着 生 物 学 差 异, 通 过 调 节 放 射 剂 量, 造 成 正 常 细 胞 组 织 和 肿 瘤 细 胞 组 织 对 放 射 线 吸 收 的 差 异, 从 而 杀 伤 肿 瘤 细 胞 组 织

59 电 子 线 是 通 过 电 离 效 应 破 坏 生 物 组 织, 并 在 此 过 程 中 损 失 其 能 量 电 子 线 特 点 之 一 是 能 量 在 35~45 兆 电 子 伏 以 下 时 有 明 显 的 射 程, 射 程 随 能 量 增 加 而 加 深 治 疗 中 使 用 电 子 线, 可 根 据 肿 瘤 位 置 深 浅, 调 节 电 子 线 的 能 量, 使 电 子 线 射 程 恰 好 超 过 肿 瘤 的 范 围, 电 子 线 的 大 部 分 能 量 也 就 消 耗 在 肿 瘤 细 胞 组 织 上 而 病 灶 后 面 及 表 层 正 常 细 脑 组 织 受 到 的 损 害 很 小 电 子 线 特 点 之 二 是 穿 透 本 领 弱, 造 成 射 程 短, 因 此 电 子 线 只 适 合 治 疗 浅 部 肿 瘤 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 可 提 供 连 续 可 调 的 电 子 线, 一 般 把 能 量 定 在 4~25MeV 兆 电 子 伏 级 的 X 射 线 主 要 依 靠 康 普 顿 散 射 效 应 与 生 物 组 织 发 生 作 用, 并 损 失 其 能 量 X 射 线 穿 透 力 很 强, 没 有 明 显 的 射 程, 适 合 用 于 治 疗 深 部 肿 瘤 医 用 电 子 直 线 加 速 器 可 提 供 单 一 光 子 或 双 光 子 能 量 一 般 选 在 4~18MV 现 在 临 床 使 用 的 治 疗 机 主 要 有 钴 -60 机 深 部 X 线 机 医 用 电 子 感 应 加 速 器 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 医 用 电 子 直 线 加 速 器 等 由 于 医 用 电 子 直 线 加 速 器 有 很 多 优 点, 所 以 近 一 二 十 年 来, 其 发 展 越 来 越 快, 数 量 也 越 来 越 多, 在 放 射 治 疗 中 起 主 导 作 用 下 面 简 单 地 用 医 用 电 子 直 线 加 速 器 与 钴 -60 机 作 比 较 钴 -60 机 使 用 永 久 性 放 射 源, 钴 源 有 半 衰 期, 大 约 5~10 年 需 要 更 换 一 次 源, 废 源 处 理 很 困 难, 维 修 工 程 师 和 操 作 技 术 员 不 可 避 免 地 受 到 辐 射 ; 而 医 用 电 子 直 线 加 速 器 无 需 永 久 放 射 源, 设 备 在 不 加 高 压 时 无 放 射 线 产 生, 避 免 维 修 工 程 师 和 操 作 技 术 员 受 到 辐 射 钴 -60 机 射 野 半 影 较 大, 射 野 内 剂 量 分 布 均 匀 性 和 对 称 性 较 差, 而 医 用 电 子 直 线 加 速 器 射 野 半 影 小, 射 野 内 剂 量 分 布 均 匀 性 和 对 称 性 相 当 好, 一 般 X 射 线 均 匀 性 和 对 称 性 达 到 ±3% 以 内, 电 子 线 均 匀 性 和 对 称 性 达 到 ±5% 以 内 ; 钴 -60 机 所 产 生 的 γ 射 线 能 量 较 低, 只 有 1.25MeV 仅 相 当 于 医 用 电 子 直 线 加 速 器 产 生 的 2.8MeV 的 X 射 线, 且 不 能 产 生 电 子 线, 而 医 用 电 子 直 线 加 速 器 可 提 供 单 一 或 多 档 X 射 线, 同 时 可 提 供 连 续 可 调 能 量 的 电 子 线, 射 线 能 量 高 ; 钴 -60 机 剂 量 率 低, 治 疗 时 间 长, 随 时 间 越 来 越 长, 其 源 强 越 来 越 弱, 使 治 疗 时 间 进 一 步 加 长, 而 医 用 电 子 直 线 加 速 器 剂 量 率 高, 束 流 稳 定, 剂 量 计 算 准 确, 治 疗 时 间 短, 剂 量 率 一 般 可 达 到 200~500rad/ 分 ; 钴 -60 机 设 备 简 单, 运 行 费 用 低, 而 医 用 电 子 直 线 加 速 器 设 备 复 杂, 涉 及 面 广, 维 修 复 杂, 运 行 费 用 较 高 正 是 由 于 医 用 电 子 直 线 加 速 器 具 有 明 显 的 优 点, 使 其 受 到 肿 瘤 治 疗 专 家 的 普 遍 欢 迎 又 由 于 电 子 计 算 机 在 医 用 电 子 直 线 加 速 器 和 治 疗 计 划 系 统 等 附 属 设 备 中 的 广 泛 应 用, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 剂 量 计 算 的 精 确 性 明 显 提 高, 治 疗 方 法 更 加 多 样 化, 治 疗 效 果 显 著 提 高 所 以 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 肿 瘤 治 疗 中 广 泛 应 用, 发 挥 着 巨 大 的 作 用

60 第 二 节 电 子 直 线 加 速 器 的 基 本 结 构 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 一 种 比 较 复 杂 的 大 型 医 用 设 备, 涉 及 到 诸 多 学 科 和 技 术, 如 加 速 器 物 理 核 物 理 无 线 电 电 工 学 电 子 学 自 动 化 控 制 电 磁 学 微 波 技 术 电 真 空 机 械 精 密 加 工 电 子 计 算 机 制 冷 流 体 力 学 加 速 管 偏 转 系 统 等 不 论 是 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 还 是 驻 电 子 枪 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 不 论 是 低 能 医 用 电 子 微 波 功 率 源 直 线 加 速 器, 还 是 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 尽 管 在 结 构 上 各 有 千 秋, 但 基 本 组 成 是 一 致 的 其 主 要 由 加 速 管 微 波 功 率 源 微 波 传 输 系 统 照 射 头 电 子 枪 束 流 系 统 真 空 系 统 恒 温 水 冷 却 系 微 波 传 输 系 统 统 电 源 及 控 制 系 统 偏 转 系 统 照 射 头 治 疗 床 等 组 成 射 野 影 像 系 统 加 速 管 是 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 核 心 部 分, 电 子 在 加 速 管 内 通 过 微 波 电 场 加 速 加 速 管 主 要 有 两 种 基 本 结 构 盘 荷 波 导 加 速 管 和 边 耦 合 加 速 管 盘 荷 波 导 加 速 管 是 由 在 一 段 光 滑 的 圆 形 波 导 上 周 期 性 地 放 置 具 有 中 心 孔 的 圆 形 膜 片 而 组 图 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 结 构 图 成, 应 用 于 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 盘 荷 波 导 实 际 是 通 过 膜 片 给 波 导 增 加 负 载, 使 通 过 的 微 波 速 度 减 慢 下 来, 是 一 种 慢 波 结 构, 是 直 线 加 速 器 发 展 的 关 键 技 术 边 耦 合 加 速 管 是 由 一 系 列 相 互 耦 合 的 谐 振 腔 链 组 成, 应 用 于 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 ( 图 3-2-1) 边 耦 合 结 构 是 把 不 能 加 速 电 子 的 腔 移 到 轴 线 两 侧, 轴 线 上 的 腔 都 是 加 速 腔, 缩 短 了 加 速 距 离 由 于 驻 波 在 加 速 管 内 所 建 立 的 电 场 强 度 提 高, 能 达 到 140kV/cm, 提 高 了 加 速 效 率 微 波 功 率 源 主 要 有 两 种, 磁 控 管 和 速 调 管 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 和 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 使 用 磁 控 管 作 为 微 波 功 率 源 中 高 能 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 使 用 速 调 管 作 为 功 率 源 微 波 传 输 系 统 主 要 包 括 隔 离 器 波 导 窗 波 导 取 样 波 导 输 入 输 出 耦 合 器 三 端 或 四 端 环 流 器 终 端 吸 收 负 载 频 率 自 动 稳 频 等 组 成 电 子 枪 为 医 用 电 子 直 线 加 速 器 提 供 被 加 速 的 电 子 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 电 子 枪 的 阴 极 采 用 钨 或 钍 钨 制 成, 有 直 热 式 间 接 式 和 轰 击 式 三 种 加 热 方 式 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 电 子 枪 由 氧 化 物 制 成 束 流 系 统 有 偏 转 线 圈, 聚 焦 线 圈 等 组 成 控 制 束 流 的 运 动 方 向, 提 高 束 流 的 品 质 真 空 系 统 为 被 加 速 的 电 子 不 因 与 空 气 中 的 分 子 相 碰 而 损 失 掉 提 供 保 证 一 般 使 用 离 子 泵 保 持 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 运 行 真 空 恒 温 水 冷 却 系 统 带 走 微 波 源 等 发 热 部 件 产 生 的 热 量 为 保 证 整 个 系 统 恒 温, 恒 温 水 冷 却 系 统 需 要 一 定 水 流 压 力 和 流 量 照 射 头 和 治 疗 床 属 于 应 用 部 分

61 第 三 节 电 子 直 线 加 速 器 的 加 速 原 理 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 为 粒 子 加 速 器, 简 称 加 速 器 其 基 本 原 理 如 图 所 示 电 子 束 加 速 管 高 能 电 子 束 微 波 源 图 加 速 器 加 速 原 理 依 据 加 速 粒 子 种 类 的 不 同, 加 速 电 场 形 态 的 不 同, 粒 子 加 速 过 程 所 遵 循 的 轨 道 不 同, 被 分 为 各 种 类 型 加 速 器 电 子 直 线 加 速 器 是 利 用 微 波 电 磁 场 加 速 电 子 并 且 具 有 直 线 运 动 轨 道 的 加 速 装 置 目 前 国 际 上, 在 放 射 治 疗 中 使 用 最 多 的 是 电 子 直 线 加 速 器 电 子 直 线 加 速 器 有 两 种 加 速 方 式 : 行 波 加 速 方 式 和 驻 波 加 速 方 式 一 行 波 加 速 方 式 图 的 模 型 是 电 子 直 线 加 速 最 基 本 原 理 很 显 然, 电 子 只 能 在 加 速 缝 隙 D 中 得 到 加 速 若 平 均 电 场 强 度 为 E=Va/D, 则 通 过 加 速 缝 所 获 得 的 能 量 为 eva 电 子 经 过 加 速 缝 后, 进 入 没 有 电 场 的 金 属 筒 内, 便 不 能 被 加 速 如 何 使 加 速 得 以 持 续, 一 种 直 观 的 想 法 是 : 如 果 能 将 图 的 系 统 能 以 与 电 子 相 同 的 速 度 前 进 运 动, 电 子 一 直 处 于 加 速 缝 中, 即 一 直 能 感 受 到 加 速 电 场, 则 加 速 能 持 续 加 速 缝 隙 D Z - + Va 图 简 化 的 同 步 加 速 电 子 模 型 根 据 狭 义 相 对 论, 现 实 中 不 可 能 建 造 这 种 系 统 由 于 电 子 很 轻, 经 过 几 十 kev 的 加 速 之 后, 速 度 就 可 与 光 速 相 比 拟, 而 一 个 宏 观 的 系 统 ( 加 速 缝 ) 是 不 可 能 做 到 与 光 速 可 比 拟 的 速 度 前 进 的 不 过 这 种 想 法 却 启 发 人 们 去 寻 找 某 种 形 态 电 场, 它 能 与 光 速 相 比 拟 的 速 度 向 前 运 动 二 次 大 战 一 结 束, 英 美 两 国 一 些 在 二 战 中 曾 搞 过 雷 达 的 科 技 人 员, 组 成 七 八 个 小 组, 思 索 这 个 问 题, 他 们 不 少 人 都 不 约 而 同 地 想 到 在 雷 达 技 术 中 广 泛 使 用 的 圆 波 导 管 ( 如 直 径 约 10cm 的 圆 管 ), 在 其 中 可 以 激 励 起 一 种 具 有 纵 向 分 量 的 电 场 (TM 01 模 ), 它 可 以 用 来 加 速 电 子 其 电 磁 场 分 布 如 图 所 示, 可 惜 它 在 圆 波 导 管 内 传 播 时, 图 圆 波 导 管 中 传 播 的 TM 01 模 电 磁 波

62 波 的 相 速 度 大 于 光 速 要 想 利 用 这 种 电 场 来 同 步 加 速 电 子, 保 证 电 子 加 速 到 哪 里, 加 速 电 场 就 跟 着 到 哪 里, 即 加 速 电 场 可 以 不 断 推 着 电 子 向 前 走, 就 必 须 把 在 圆 波 导 中 传 播 的 这 种 TM 01 模 的 电 磁 场 的 传 播 速 度 ( 相 速 度 ) 慢 下 来 在 圆 波 导 中 周 期 性 插 入 带 中 孔 的 圆 形 膜 片, 依 靠 这 些 膜 片 的 反 射 作 用, 使 中 孔 部 分 中 传 播 的 电 磁 场 相 位 传 播 速 度 慢 下 来, 甚 至 光 速 以 下, 以 实 现 对 电 子 的 同 步 加 速 这 种 波 导 管, 人 们 称 其 为 盘 荷 波 导 (disk-loaded waveguide) 加 速 管, 取 圆 形 膜 片 对 波 导 管 加 载 之 意 此 结 构 如 图 图 TM 01 型 盘 荷 波 导 加 速 管 示 意 图 所 示 : 图 中 绘 画 出 工 作 于 π 模 时, 电 磁 场 的 分 布 从 图 中 可 以 看 到, 在 轴 线 附 近, 能 提 供 一 个 沿 z 轴 直 线 加 速 电 子 的 电 场 只 要 此 形 态 电 场 沿 z 轴 传 播 速 度 始 终 与 电 子 速 度 同 步, 该 电 场 就 能 不 断 推 着 电 子 沿 z 轴 前 进 这 种 盘 荷 波 导 加 速 管 工 作 原 理 简 单, 但 很 实 用, 结 构 也 不 复 杂, 自 20 世 纪 40 年 代 中 期 问 世 以 来, 一 直 沿 用 至 今 人 们 把 这 种 加 速 原 理 称 为 行 波 加 速 原 理 假 设 行 波 加 速 电 场 的 强 度 为 E z, 电 子 一 直 处 于 电 场 的 波 峰 上, 则 经 过 长 度 为 L 的 加 速 管 之 后, 电 子 所 获 得 的 能 量 W 为 W=eE z L 二 驻 波 加 速 方 式 图 24 给 出 了 另 一 种 模 型 : 在 一 系 列 双 圆 筒 电 极 之 间, 分 别 接 上 频 率 相 同 的 交 变 电 源, 如 果 该 频 率 f a 和 双 圆 筒 电 极 缝 隙 之 间 距 离 D 满 足 式 :D=v/2f a 的 关 系, 则 电 子 可 以 得 以 持 续 加 速 式 中,v 为 电 子 运 动 速 度 增 加 加 速 单 元 的 数 目, 则 电 子 的 加 速 能 量 可 以 线 性 增 加 在 加 速 缝 中, 加 速 电 场 的 幅 值 随 时 间 是 交 变 的, 沿 z 轴 也 是 变 化 的, 在 缝 中 央 幅 值 最 高, 而 在 圆 筒 中 央 电 场 为 零 当 然 这 只 是 一 个 模 图 时 变 电 场 沿 直 线 加 速 电 子 的 一 种 模 型 型, 在 工 程 上 是 很 难 实 现 的, 也 不 合 适 因 为 若 D 取 5cm,v 近 似 为 光 速, 则 f a 等 于 3000MHz, 这 样 高 频 率 的 高 压 是 不 可 能 用 电 线 传 输 的 要 实 现 这 种 加 速 的 模 型 只 能 在 一 个 谐 振 腔 列 ( 链 ) 中 完 成 图 所 示 的 加 速 管 在 左 右 两 端 适 当 位 置 放 置 短 路 板 ( 面 ), 形 成 一 种 电 磁 振 荡 的 驻 波 状 态, 其 电 场 的 分 布

63 如 图 所 示 加 速 管 结 构 中 所 有 的 腔 体 都 谐 振 在 一 个 频 率 上, 相 邻 两 腔 间 的 距 离 为 D, 而 腔 间 电 场 相 位 差 刚 好 为 180º, 即 腔 间 电 场 刚 好 方 向 相 反 接 近 光 速 c 的 电 子 在 一 个 腔 的 飞 ( 渡 ) 越 时 间 t=d/c, 等 于 管 中 电 磁 场 振 荡 的 半 周 期, 因 此 电 子 的 飞 越 时 间 刚 好 和 加 速 电 场 更 换 方 向 时 间 一 致, 从 而 能 持 续 加 速 这 种 加 速 模 型 被 称 为 驻 波 加 速 由 于 电 子 的 静 止 质 量 很 轻, 仅 有 g 它 的 动 能 很 小 时, 速 度 就 可 以 很 快, 譬 如 1MeV 的 电 子, 它 的 速 度 就 达 到 光 速 的 94% 而 动 能 为 20MeV 的 电 子, 其 速 度 为 光 速 的 99.97% 可 见 电 子 能 量 从 1MeV 增 加 至 20MeV, 而 速 度 才 约 增 加 6% 因 此 讲 电 子 加 速 器 不 如 讲 电 子 图 盘 荷 波 导 形 成 的 驻 波 电 场 分 布 加 能 器, 更 确 切 一 些 综 上 所 述, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 利 用 微 波 电 磁 场 的 行 波 加 速 方 式 或 驻 波 加 速 方 式, 加 速 电 子 到 高 能 的 装 置, 目 前 一 般 能 量 范 围 为 4-50MeV 电 子 是 由 电 子 枪 产 生 的, 为 了 避 免 电 子 在 加 速 过 程 中 横 向 散 开, 常 常 需 要 聚 焦 磁 场 来 约 束 电 子 束 流 的 横 向 运 动 ; 另 外 为 了 避 免 电 子 在 加 速 过 程 与 加 速 管 中 残 余 气 体 分 子 碰 撞, 加 速 还 必 须 在 真 空 条 件 下 进 行 ; 为 加 速 电 子 而 需 在 加 速 管 中 激 励 起 的 电 磁 场 要 由 专 门 的 微 波 功 率 源 系 统 产 生, 并 经 微 波 功 率 传 输 系 统 馈 入 加 速 管 内 图 给 出 了 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 组 成 的 方 块 图 图 为 医 用 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 组 成 方 框 图 图 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 组 成 的 方 块 图 电 子 枪 注 入 器 调 制 器 驾 驶 线 圈 加 速 管 透 镜 线 圈 电 源 钛 泵 四 端 环 流 器 稳 频 磁 控 管 图 医 用 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 组 成 方 框 图 偏 转 磁 铁 靶 均 整 器 电 离 室 上 下 准 直 器

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65 第 四 节 加 速 管 加 速 原 理 一 加 速 原 理 概 述 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 一 般 使 用 的 频 率 为 3000 MHz( 波 长 A=10 cm), 因 此 其 加 速 管 实 际 上 是 一 个 微 波 波 导 管 波 导 管 由 一 组 圆 柱 形 谐 振 腔 组 成, 每 个 谐 振 腔 的 直 径 为 10cm, 长 度 为 2.5~5cm( 图 3-4-1) 波 导 管 内 由 微 波 建 立 的 电 磁 场 为 TM010 波, 形 成 沿 轴 向 分 布 的 电 场 ( 图 中 实 线 箭 头 所 示 ), 和 沿 横 向 分 布 的 磁 场 ( 图 中 圆 点 圆 圈 所 示 ) 其 加 速 的 基 本 原 理 如 下 行 波 加 速 假 设 有 一 电 子 e 在 t 1 时 刻 处 于 A 点, 此 时 波 导 管 内 的 电 场 如 图 3-4-1(a) 所 示 此 时 电 子 正 好 处 于 电 场 加 速 力 的 作 用 下, 开 始 加 速 向 前 运 动 至 t 2 时 刻 电 子 到 达 B 点, 此 时 由 于 电 波 也 在 向 前 移 动 ( 实 际 上 是 电 场 在 各 点 的 幅 值 随 时 间 变 化 ), 电 子 正 好 在 t 2 时 刻, 又 处 于 加 速 场 的 作 用 下 如 果 波 的 速 度 和 电 子 运 动 速 度 一 致, 那 么 电 子 将 持 续 受 到 加 速 但 由 于 这 种 波 的 传 播 速 度 ( 相 速 度 ) 大 于 光 速, 即 永 远 大 于 电 子 运 动 的 速 度, 因 此 必 须 将 波 速 减 慢 为 此, 在 波 导 管 内 加 上 许 多 圆 盘 状 光 栏, 改 变 圆 盘 间 的 间 距 可 以 改 变 波 的 传 播 速 度 ( 相 速 ) 这 种 以 圆 盘 光 栏 为 负 荷 来 减 慢 行 波 相 速 的 波 导 管 称 为 盘 荷 波 导 管 在 开 始 阶 段 由 于 电 子 速 度 较 小, 因 此 间 距 小 些, 使 波 的 传 播 加 速 管 加 速 原 理 (a) 行 波 管 加 速 (b) 驻 波 管 加 速 速 度 慢 些, 随 着 电 子 速 度 的 增 加, 慢 慢 增 加 其 间 距, 使 波 速 也 随 之 很 快 到 达 光 速 后, 间 距 可 保 持 不 变, 即 波 速 也 以 近 于 光 速 的 速 度 而 传 播 这 种 波 称 为 行 波 利 用 这 种 波 加 速 电 子 的 直 线 加 速 器 称 为 行 波 电 子 直 线 加 速 器 驻 波 加 速 适 当 调 节 反 射 波 的 相 位 和 速 度, 可 以 产 生 驻 波 利 用 驻 波 来 加 速 电 子 的 直 线 加 速 器 称 为 驻 波 电 子 直 线 加 速 器, 其 基 本 原 理 如 图 3-4-1(b) 所 示 t 1 时 刻 电 子 受 电 场 的 作 用 向 前 加 速 运 动 ;t 2 时 刻 电 场 处 处 为 零, 电 子 此 时 并 不 加 速 ;t 3 时 刻 电 场 正 好 反 向, 但 电 子 已 经 运 动 到 它 的 后 半 周, 又 处 于 加 速 场 作 用 下 得 到 加 速 ;t 4 时 刻 电 场 由 反 向 恢 复 到 零, 电 子 不 被 加 速 ; 直 到 t 5 时 刻 电 场 恢 复 到 与 t 1 时 刻 一 样, 电 子 也 正 好 运 动 到 它 的 加 速 场, 在 其 作 用 下 得 到 加 速 在 t 1 与 t 2 时 刻 之 间, 由 于 电 场 由 正 向 零 变 化 ( 即 幅 值 变 小 ) 而 相 位 不 变, 此 时 位 于 t 1 与 t 2 间 的 电 子 仍 然 受 着 加 速 场 的 作 用 而 累 增 其 能 量, 在 其 他 时 刻 的 电 子 与 此 类 似 下 面 详 细 叙 述 行 波 管 及 驻 波 管 的 加 速 原 理

66 二 行 波 加 速 管 加 速 原 理 纵 向 运 动 及 相 运 动 ( 一 ) 行 波 电 场 的 同 步 加 速 条 件 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 的 核 心 是 行 波 加 速 管, 它 之 所 以 能 加 速 电 子, 是 因 为 它 不 但 具 有 电 场 的 纵 向 分 量, 而 且 它 是 慢 波, 能 把 TM 01 模 的 电 磁 波 的 相 位 传 播 速 度 慢 到 光 速, 甚 至 光 速 以 下 1946 年 英 国 科 学 家 Walkinshaw 等 人 想 到 在 圆 波 导 管 中 周 期 性 地 插 入 带 中 孔 的 金 属 膜 片 来 慢 波, 人 们 称 这 种 慢 波 结 构 为 盘 荷 波 导 在 盘 荷 波 导 中, 微 波 电 磁 场 以 波 的 形 式 沿 轴 线 方 向 (z 轴 ) 向 前 传 播, 如 图 所 示, 此 行 波 电 场 在 轴 线 附 近 具 有 轴 向 分 量, 可 对 电 子 施 加 轴 向 作 用 力, 电 子 若 处 于 轴 线 附 近 时, 并 相 位 合 适, 就 可 不 断 受 到 行 波 电 场 的 加 速 作 用, 而 增 加 能 量 这 就 是 电 子 直 线 加 速 器 的 行 波 加 速 原 理 行 波 加 速 原 理 的 核 心 是 电 子 速 图 行 波 电 场 分 布 与 电 子 相 对 于 波 的 位 置 示 意 图 度 和 行 波 相 速 之 间 必 须 满 足 同 步 条 件 : v(z)=v p (z) 电 子 在 行 波 电 场 作 用 下, 速 度 不 断 增 加, 要 求 行 波 电 场 的 传 播 速 度 也 同 步 增 加, 以 对 电 子 施 加 有 效 的 作 用 显 然, 若 同 步 条 件 遭 到 破 坏, 电 场 就 不 能 对 电 子 施 加 有 效 的 加 速, 如 果 电 子 落 入 减 速 相 位, 电 子 还 会 受 到 减 速 电 子 刚 注 入 到 直 线 加 速 器 时, 动 能 约 为 10~40keV, 电 子 速 度 约 为 v =0.17~ 0.37c; 当 加 速 到 1~2MeV 时, 电 子 速 度 就 达 到 v=0.94~0.98c, 如 前 所 述, 其 后 能 量 再 增 加, 电 子 速 度 也 不 再 增 加 多 少 了 由 于 这 一 特 点, 加 速 能 量 大 于 2MeV 的 电 子 时, 行 波 电 场 的 波 速 可 以 不 变, 等 于 光 速, 即 用 结 构 均 匀 的 盘 荷 波 导 就 可 持 续 加 速 电 子, 从 而 大 大 简 化 了 盘 荷 波 导 加 速 管 的 设 计 和 加 工 行 波 电 场 的 强 度 和 方 向 都 是 随 时 间 和 轴 上 位 置 交 变 的 在 同 一 时 刻, 沿 加 速 管 轴 线 不 同 地 方, 电 场 方 向 有 的 与 加 速 运 动 方 向 一 致, 有 的 则 相 反 电 场 随 时 间 以 波 的 形 式 沿 轴 向 向 前 传 播 ( 图 3-4-3) 图 中 λ g 为 导 波 波 长, 行 波 加 速 就 是 在 行 波 电 场 不 断 向 前 传 播 的 过 程 中, 行 波 电 场 不 断 给 电 子 以 加 速 力 这 时 波 在 前 进, 电 子 也 在 前 进 在 这 动 态 过 程 ν p λ g = 图 T 行 波 电 场 在 加 速 管 中 沿 轴 向 变 化 的 规 律

67 中, 并 不 是 在 任 何 情 况 下, 电 子 都 能 受 到 电 场 的 加 速 作 用, 只 有 当 电 子 落 入 加 速 相 位, 才 能 受 到 加 速 若 电 子 相 对 行 波 场 的 相 位 关 系 不 合 适, 落 入 减 速 相 位, 电 子 反 而 会 被 减 速, 失 去 能 量 因 此 在 讨 论 同 步 加 速 时, 常 常 引 用 一 个 相 位 图 来 表 达 电 子 在 加 速 过 程 中, 电 子 相 对 于 行 波 电 场 的 相 位 关 系 ( 如 图 3-4-4) 我 们 记 0 <φ<180 范 围 为 加 速 相 位,φ=90 为 加 速 的 波 峰, -180 <φ<0 范 围 为 减 速 相 位 图 电 子 相 对 于 行 波 电 场 的 相 位 关 系 图 我 们 必 须 指 出 电 子 受 行 波 电 场 加 速, 不 能 简 单 地 理 解 为 行 波 像 一 节 车 厢, 电 子 像 旅 客, 火 车 速 度 加 快 了, 旅 客 前 进 的 速 度 也 就 加 快, 车 厢 必 定 带 着 旅 客 一 道 走 行 波 和 电 子 之 间 不 是 这 种 简 单 的 关 系, 没 有 什 么 东 西 把 电 子 绑 在 行 波 的 波 峰 上 在 加 速 过 程 中, 波 在 前 进, 电 子 也 在 前 进, 在 这 个 意 义 上, 他 们 之 间 是 独 立 的, 但 又 是 相 互 联 系 着 的, 当 同 步 条 件 得 到 满 足 时, 场 给 电 子 以 加 速 力, 电 子 从 场 中 获 得 能 量, 反 之, 同 步 加 速 条 件 受 到 破 坏, 电 子 落 入 减 速 相 位, 则 电 子 会 把 自 身 具 有 的 动 能 交 换 给 场 在 同 步 加 速 过 程 中, 电 子 在 行 波 场 的 作 用 下 速 度 越 来 越 快, 而 行 波 场 传 播 速 度 按 着 人 们 的 设 计 也 越 来 越 快, 当 电 子 速 度 逐 渐 接 近 光 速 时, 波 的 速 度 可 设 计 为 等 于 光 速, 维 持 电 子 一 直 处 于 波 峰 附 近 在 这 个 意 义 上, 电 子 好 像 骑 在 波 峰 附 近 前 进, 不 断 获 得 能 量 ( 二 ) 相 运 动 及 纵 向 运 动 同 步 条 件 要 求 v p (z)=v(z), 是 在 一 般 意 义 上 讲 的, 实 际 上 在 行 波 加 速 过 程 中, 始 终 严 格 保 持 v p (z)=v(z) 是 不 可 能 的 即 使 从 电 子 枪 注 入 到 加 速 管 的 电 子, 其 初 始 速 度 v(0) 就 很 难 保 证 做 到 和 设 计 加 工 好 的 加 速 管 的 初 始 相 速 度 v p (0) 绝 对 相 等 ; 另 一 方 面 从 电 子 枪 注 入 到 加 速 管 的 电 子, 其 注 入 时 刻 是 有 先 后 的, 不 可 能 注 入 到 同 一 相 位 上 更 不 用 讲 在 加 速 过 程 中, 也 不 可 能 严 格 保 持 v p (z)=v(z) 此 时, 无 论 是 电 子 比 波 快, 还 是 电 子 跟 不 上 波, 电 子 相 对 于 波 的 相 位 就 存 在 滑 动, 我 们 称 之 为 滑 相, 这 种 滑 相 运 动 也 就 被 称 为 相 运 动 由 于 电 子 速 度 和 波 速 不 同 步, 就 会 引 起 相 运 动 因 此 讲 相 运 动 是 绝 对 的, 具 有 不 可 避 免 的 性 质 问 题 不 在 于 使 相 运 动 不 产 生, 而 是 能 否 将 相 运 动 控 制 在 允 许 的 范 围 内, 使 电 子 在 这 相 位 范 围 内 往 返 地 滑 动, 并 在 这 往 返 滑 动 过 程 中, 基 本 上 处 于 某 一 个 加 速 相 位 ( 平 衡 相 位 ) 附 近, 而 受 到 加 速, 而 不 至 于 单 方 向 滑 动, 滑 入 减 速 相 位 而 丢 失 我 们 把 能 够 实 现 这 种 相 运 动 状 态 称 为 存 在 相 运 动 稳 定 性 相 运 动 稳 定 性 问 题 实 质 上 就 是 电 子 纵 向 加 速 运 动 的 稳 定 性, 只 有 相 运 动 是 稳 定 的, 才 能 对 电 子 进 行 有 效 的 纵 向 加 速 运 动 相 运 动 稳 定 性 是 电 子 能 持 续 加 速 的 前 提 ( 三 ) 相 位 会 聚 任 务 的 提 出 及 聚 束 器 的 作 用 如 何 使 注 入 到 加 速 管 的 电 子 大 多 数 能 够 稳 定 加 速, 不 致 丢 掉, 而 另 一 方 面 又 同 时 具 有 较 高 的 加 速 效 率? 如 何 使 注 入 到 加 速 管 的 大 多 数 电 子 在 相 位 上 都 能 会 聚 到 波 峰 之 前 一 个 较 小

68 的 相 位 范 围 内? 为 了 回 答 这 个 问 题, 首 先 具 体 看 看 从 电 子 枪 注 入 的 电 子 和 加 速 电 子 的 电 磁 波 之 间 相 位 关 系 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 脉 冲 工 作 的, 脉 冲 宽 度 一 般 约 为 τ 2~4μs 的 矩 形 脉 冲 在 这 脉 冲 的 时 间 内 微 波 功 率 持 续 通 到 加 速 管 内, 并 在 加 速 管 中 激 励 起 加 速 电 子 的 行 波 电 场 电 子 也 在 这 期 间 内 从 电 子 枪 连 续 注 入 到 加 速 管 在 这 τ 2~4μs 内 加 速 管 里 的 电 磁 场 已 经 完 成 了 上 万 次 振 荡 因 此 如 果 让 电 子 枪 的 电 子 直 接 进 入 加 速 管 的 话, 电 子 会 均 匀 分 布 在 每 一 个 行 波 场 相 位 上 有 一 半 电 子 会 遇 到 加 速 电 场, 另 一 半 电 子 会 遇 到 减 速 电 场 如 何 使 均 布 在 360 相 位 范 围 的 电 子 多 数 能 集 中 到 波 峰 之 前 某 一 个 平 衡 相 位 附 近 呢? 这 就 提 出 相 位 会 聚 任 务 的 问 题 为 此, 要 在 电 子 枪 和 主 加 速 管 之 间 加 入 一 个 聚 束 器 或 一 聚 束 段, 通 过 聚 束 器 ( 或 聚 束 段 ) 把 注 入 时 均 匀 分 布 在 -180 ~+180 之 间 电 子 多 数 能 会 聚 到 加 速 电 场 的 波 峰 附 近 可 以 有 各 种 不 同 型 式 的 聚 束 器 ( 或 聚 束 段 ) 实 现 相 位 会 聚 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器 为 了 结 构 紧 凑, 常 常 把 聚 束 器 和 主 加 速 管 制 作 在 一 起, 成 为 整 根 加 速 管 的 一 部 分, 称 其 为 聚 束 段 三 驻 波 加 速 管 加 速 原 理 ( 一 ) 电 子 驻 波 加 速 原 理 发 展 概 述 尽 管 20 世 纪 60 年 代 后 期, 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 获 得 了 迅 速 的 发 展, 然 而 其 原 理 并 不 新 颖 早 在 20 世 纪 40 年 代 中 期, 在 开 始 研 究 行 波 电 子 直 线 加 速 器 的 同 时, 不 少 小 组 就 已 经 注 意 到 利 用 驻 波 电 场 加 速 电 子 前 面 已 经 介 绍 了 行 波 工 作 方 式, 至 于 驻 波 工 作 方 式, 就 是 加 速 管 的 末 端 不 接 匹 配 负 载, 而 接 短 路 面, 使 微 波 在 终 端 反 射, 所 反 射 的 微 波 沿 电 子 加 速 的 反 方 向 前 进, 如 果 加 速 结 构 的 始 端 也 放 置 短 路 面, 那 上 述 的 反 射 功 率 在 始 端 再 次 被 反 射, 如 果 加 速 管 的 长 度 合 适, 则 反 射 波 和 入 射 波 相 位 一 致, 加 强 了 入 射 波, 在 加 速 管 内 形 成 驻 波 状 态 美 国 麻 省 理 工 学 院 斯 拉 特 (Slater) 等 人 在 年 间 就 注 意 到 这 一 点, 并 指 出, 当 加 速 管 比 较 短 时, 驻 波 加 速 方 式 是 比 较 有 利 的, 在 相 同 的 微 波 功 率, 相 同 的 加 速 结 构 下, 可 使 电 子 获 得 较 高 的 能 量 其 后, 他 们 于 1951 年 建 成 了 一 台 π 模 工 作 的 驻 波 直 线 加 速 器, 把 电 子 能 量 加 速 到 18MeV 然 而, 在 此 以 后 的 漫 长 的 十 二 三 年 间, 一 直 找 不 到 一 种 既 适 合 驻 波 加 速 工 作 方 式, 而 又 具 有 竞 争 力 的 理 想 的 驻 波 加 速 管 结 构 诚 然, 用 两 金 属 板 短 接 盘 荷 波 导 而 构 成 的 驻 波 结 构 最 简 单, 但 分 流 阻 抗 低 而 且 工 作 在 π/2 模 时, 有 半 数 腔 只 起 耦 合 作 用, 对 加 速 没 有 贡 献, 加 速 效 率 很 低 ; 而 工 作 在 2π 模, 又 由 于 模 式 分 隔 窄, 腔 数 不 能 太 多, 以 及 群 速 度 很 低 不 利 稳 定 工 作, 因 此 这 种 单 周 期 驻 波 加 速 结 构 没 有 竞 争 力 20 世 纪 60 年 代 初, 美 国 洛 斯 阿 拉 莫 斯 国 家 实 验 室 (Los Alamos National Laboratory,LANL) 为 了 建 造 800MeV 的 介 子 工 厂 时, 曾 经 研 究 过 多 种 驻 波 加 速 结 构, 后 在 E.A.Knapp 等 人 领 导 下 终 于 发 展 了 一 种 新 颖 的 驻 波 加 速 结 构 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 它 的 基 本 思 想 是, 把 工 作 在 驻 波 工 作 状 态 π/2 模 时 只 起 耦 合 作 用 的 腔, 从 束 流 轴 线 上 移 开, 移 到 加 速 腔 的 边 上, 耦 合 腔 留 下 来 的 空 间 为 加 速 腔 所 扩 展 占 有, 加 速 腔 通 过 边 孔 和 辊 合 腔 耦 合, 相 邻 两 个 加 速 腔 相 差 180 º 此 结 构 既 具 有 π 模 的 效 率, 又 具 有 π/2 模 的 工 作 稳 定 性 由 于 这 种 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 分 流 阻 抗 高, 工 作 稳 定 性 好, 尺 寸 加 工 公 差 要 求 松, 因 此 很 快 就 被 美 国 瓦 里 安 公 司 按 比 例 缩 小, 把 原 来 加 速 质 子 的 加 速 结 构 改 成 适 合 加 速 电 子 的 结 构, 于 1968 年 先 后 成 功 地 把 边 耦 合 结 构 应 用 于 医 用 和 无 损 检 测 用 的 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 该 成 果 在 电 子 直 线 加 速 器 发 展 史 上 具 有 里 程 碑 性 意 义, 使 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 发 展 进 入 了 一 个 崭 新 的 阶 段 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 的 提 出, 也 推 动 了 其 他 各 种 类 型 驻 波 加 速 结 构 的 发 展, 这 包 括 磁 轴

69 耦 合 的 双 周 期 结 构, 三 周 期 结 构, 环 腔 耦 合 双 周 期 结 构, 电 轴 耦 台 双 周 期 三 周 期 结 构, 交 叉 式 高 梯 度 驻 波 加 速 的 发 展 在 我 国 从 20 世 纪 70 年 代 起, 各 种 驻 波 加 速 结 构, 诸 如 箭 形 环 腔 耦 合 双 周 期 结 构, 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构, 磁 轴 耦 合 驻 波 结 构, 也 得 到 迅 速 的 发 展 国 际 上 自 边 耦 合 驻 波 加 速 器 问 世 以 来, 无 论 是 医 用 的 还 是 无 损 检 测 用 的 电 子 直 线 加 速 器 都 纷 纷 采 用 驻 波 加 速 结 构, 目 前 在 世 界 低 能 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 约 有 6000 台 以 上, 约 占 低 能 电 子 直 线 加 速 器 的 80~90% 以 上 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 之 所 以 能 获 得 如 此 发 展, 其 原 因 不 单 是 由 于 找 到 了 具 有 良 好 性 能 的 驻 波 加 速 结 构, 而 且 很 重 要 的 是 由 于 微 波 技 术 和 无 线 电 电 子 学 技 术 等 方 面 的 成 就 提 供 了 各 种 性 能 良 好 的 辅 助 系 统, 保 证 驻 波 导 窗 波 加 速 结 构 的 稳 定 工 冷 却 水 管 作 譬 如 工 作 可 靠, 正 加 速 管 向 衰 减 少, 反 向 隔 离 度 偏 转 系 统 高, 能 承 受 大 功 率 反 射 的 环 流 器 ( 高 功 率 隔 离 部 件 ) 的 研 制 成 功, 保 证 了 微 波 功 率 源, 如 磁 控 钛 泵 图 医 用 驻 波 加 速 管 电 子 枪 管 的 稳 定 工 作, 而 不 受 负 载 高 Q 驻 波 谐 振 腔 工 作 状 态 的 影 响, 保 证 了 在 场 建 立 过 程 中 从 驻 波 结 构 反 射 回 来 的 大 量 微 波 功 率, 能 被 环 流 器 的 吸 收 负 载 所 吸 收, 而 不 致 反 射 到 功 率 源 中, 损 坏 功 率 管 ; 又 如 高 灵 敏 度 的 锁 相 式 自 动 频 率 稳 定 系 统 的 研 制 成 功, 保 证 了 磁 控 管 的 振 荡 频 率 精 确 地 和 驻 波 加 速 腔 联 锁, 频 率 偏 离 控 制 在 ±20kHz 范 围 内, 从 而 使 工 作 频 带 很 窄 ( 100kHz) 的 驻 波 加 速 结 构 能 稳 定 工 作 没 有 这 些 性 能 良 好 的 辅 助 系 统 的 配 合, 驻 波 结 构 的 优 越 性 能 是 无 法 实 现 的 图 所 示 为 边 耦 合 医 用 驻 波 一 体 加 速 管 ( 二 ) 驻 波 加 速 原 理 1. 驻 波 观 点 分 析 无 论 哪 种 驻 波 加 速 结 构, 都 可 看 成 是 一 系 列 以 一 定 方 式 耦 合 起 来 的 谐 振 腔 链, 在 谐 振 腔 轴 线 上 有 可 让 电 子 通 过 的 中 孔, 在 腔 中 建 立 起 随 时 间 振 荡 的 轴 向 电 场, 轴 上 电 场 的 大 小 和 方 向 是 随 时 间 交 变 的, 而 这 种 振 荡 的 包 络 线 都 是 原 地 不 动 的, 故 称 为 驻 波 图 画 出 了 工 作 在 π 模 的 典 型 驻 波 结 构 的 场 分 布 图 如 图 所 示, 轴 线 上 的 中 孔 既 是 束 流 通 道, 又 是 实 现 腔 间 耦 合 的 耦 合 孔 从 图 可 知, 每 一 个 腔 内 场 大 小 及 方 向 是 随 时 间 交 变 的, 而 出 现 场 强 最 大 值 和 零 值 的 地 方 是 不 随 时 间 变 化 的 场 是 位 置 和 时 间 的 函 数, 在 每 一 个 腔 中 电 场 强 度 可 表 示 成 E z (z,t)=e z (z)cosωt 式 中 E z (z) 为 场 的 包 络 线 当 图 中 1 # 腔 的 电 图 π 模 工 作 的 驻 波 腔 链 场 分 布 示 意 图 场 随 时 间 渐 渐 从 小 到 大, 而 方

70 向 又 正 好 合 适 加 速 电 子 时,2 # 腔 的 电 场 方 向 却 是 减 速 的, 但 过 一 会, 当 1 # 腔 的 场 值 随 时 间 变 成 减 速 方 向 时, 则 2 # 腔 电 场 的 方 向 变 得 正 好 能 加 速 电 子 因 此 可 以 设 想, 如 果 让 电 子 在 1 # 腔 的 场 正 好 由 负 变 正 那 一 瞬 间 ( 场 强 正 是 加 速 方 向 ) 注 入 其 中, 电 子 在 前 进 时, 场 强 不 断 增 加, 电 子 不 断 获 得 能 量, 场 强 到 达 峰 值 时, 电 子 也 正 好 到 达 腔 的 中 央 其 后 场 强 开 始 下 降, 电 子 在 后 半 腔 中 飞 行, 当 场 强 开 始 由 正 变 负 时, 电 子 正 好 飞 出 1 # 腔 进 入 下 一 个 腔 这 时 2 # 腔 的 场 强 又 正 好 由 负 变 正 电 子 在 2 # 腔 中 又 能 继 续 加 速 获 得 能 量 如 果 这 种 安 排 能 得 到 满 足, 电 子 就 可 不 断 获 得 能 量 这 就 是 驻 波 加 速 原 理 驻 波 加 速 能 得 以 持 续 进 行, 必 须 满 足 同 步 加 速 条 件 同 步 加 速 条 件 可 表 为 D/c=T/2 即 电 子 渡 越 腔 体 ( 腔 长 为 D) 的 时 间 正 好 等 于 微 波 振 荡 的 半 周 期 T/2 2. 行 波 观 点 分 析 其 实 驻 波 加 速 也 不 是 从 原 则 上 区 别 于 行 波 加 速 的 另 外 一 种 新 的 加 速 原 理 驻 波 加 速 也 可 以 用 行 波 观 点 来 分 析 因 为 任 何 驻 波 都 可 以 分 解 为 无 数 个 沿 两 个 反 方 向 传 播 的 行 波 的 组 合 E z (z,t) 可 表 成 E z (z,t)=e z F(z,t)+ E z B(z,t) E z F(z,t) E z B(z,t) 分 别 表 示 向 前 和 向 后 传 播 的 行 波 即 一 个 向 前 行 波 和 一 个 向 后 行 波 可 叠 加 成 一 个 驻 波 可 见, 电 子 在 驻 波 加 速 结 构 中 的 加 速 过 程 也 可 以 用 行 波 观 点 分 析 然 而 这 并 不 是 说 驻 波 加 速 结 构 和 行 波 结 构 的 效 果 就 不 一 样 了, 更 不 能 讲 两 种 结 构 的 性 质 也 就 相 同 了, 事 实 上, 两 种 加 速 结 构 各 有 不 同 的 特 点 和 优 点 ( 三 ) 驻 波 加 速 管 结 构 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 在 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 中 占 有 重 要 地 位, 它 是 驻 波 加 速 器 的 核 心, 它 的 性 能 很 大 程 度 上 决 定 了 整 机 的 性 能 在 30 年 的 发 展 进 程 中, 出 现 过 各 种 各 样 的 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 根 据 不 同 的 特 点, 它 们 有 不 同 的 分 类 : 一 种 是 按 每 一 个 腔 的 平 均 相 移 来 划 分, 分 为 π 模 2π/3 模 0 模 ; 一 种 是 按 结 构 包 括 的 周 期 数 来 划 分, 分 为 单 周 期 双 周 期 三 周 期 ; 一 种 是 按 耦 合 孔 位 置 来 划 分, 分 为 轴 耦 合 边 耦 合 环 腔 耦 合 ; 一 种 按 电 磁 场 耦 合 方 式 来 划 分, 分 为 电 耦 合 磁 耦 合 目 前 在 国 际 上 广 泛 采 用 的 是 磁 边 耦 合 及 磁 轴 耦 合 的 双 周 期 结 构 美 国 中 国 日 本 俄 罗 斯 有 相 应 的 商 品 1. 单 周 期 驻 波 加 速 结 构 最 简 单 的 驻 波 加 速 结 构 是 双 端 短 路 的 均 匀 盘 荷 波 导, 各 腔 体 通 过 膜 片 的 中 心 孔 之 间 电 场 相 互 耦 合 在 一 起 当 然, 单 周 期 结 构 也 可 以 用 磁 耦 合 方 法 来 相 互 耦 台 根 据 短 路 条 件 的 不 同, 可 以 形 成 0 模 π/2 模 π 模 等 单 周 期 结 构 是 一 种 均 匀 结 构, 构 成 驻 波 腔 链 的 每 一 个 腔 体 的 振 荡 频 率 都 相 同, 由 N+1 个 固 有 频 率 相 同 的 腔 组 成 的 稳 合 腔 链 可 以 有 N+1 个 振 荡 频 率 单 周 期 结 构 中,π/2 模, 如 图 3-4-7(a) 所 示, 具 有 最 大 的 模 式 间 隔, 具 有 最 大 的 群 速 度 因 此 工 作 稳 定 性 最 好 不 过 它 有 半 数 腔 不 激 励, 它 只 起 功 率 耦 合 的 作 用, 因 此 整 个 结 构 的 分 流 阻 抗 很 低 2. 双 周 期 驻 波 加 速 结 构 图 双 周 期 驻 波 加 速 管 结 构 演 变 示 意 图

71 为 了 保 持 π/2 模 的 优 点, 又 能 提 高 分 流 阻 抗, 人 们 研 究 了 许 多 改 进 驻 波 加 速 结 构 的 方 法 有 人 提 出 把 工 作 在 π/2 模 腔 链 中 的 耦 合 腔 加 以 压 缩, 而 延 长 加 速 腔, 只 要 两 者 谐 振 频 率 保 持 一 致, 则 腔 链 仍 显 示 π/2 模 工 作 特 性, 如 图 3-4-7(b) 所 示 而 由 于 加 速 腔 得 以 延 长, 分 流 阻 抗 提 高 了 腔 链 由 两 种 结 构 周 期 不 同 的 腔 体 组 成, 而 变 成 双 周 期 结 构 美 国 IASL 的 E.A.Knapp 等 人 进 一 步 提 出 把 耦 合 腔 从 束 流 轴 线 上 移 开, 放 在 加 速 腔 的 外 边, 加 速 腔 的 外 壁 上 有 耦 台 孔 和 耦 合 腔 ( 称 为 边 腔 ) 耦 合, 相 邻 的 加 速 腔 通 过 耦 合 ( 边 ) 腔 相 互 耦 合 在 一 起 ; 而 相 邻 的 加 速 腔 之 间 的 中 孔 只 起 束 流 通 道 作 用, 而 不 起 加 速 腔 功 率 耦 合 作 用, 如 图 3-4-7(c) 所 示 这 样 加 速 腔 长 度 扩 展 了 一 倍, 从 而 有 可 能 获 得 最 大 的 分 流 阻 抗 这 是 束 流 轴 有 名 的 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 其 后 他 们 对 腔 体 不 断 加 以 优 化, 在 束 流 通 道 上 增 加 了 鼻 锥, 以 提 高 时 间 渡 越 因 子, 把 圆 筒 型 加 速 腔 变 成 圆 拱 耦 合 腔 型 图 给 出 双 周 期 边 耦 合 驻 波 图 边 耦 合 驻 波 加 速 管 结 构 示 意 图 加 速 管 的 示 意 图 由 于 双 周 期 驻 波 加 速 结 构 是 由 两 种 几 何 结 构 不 同 的 腔 链 相 互 耦 合 在 一 起 组 成 的, 因 此 该 系 统 存 在 两 条 通 频 带 ( 两 条 分 立 的 色 散 关 系 曲 线 ) 加 速 腔 通 频 带 及 耦 合 腔 通 频 带 两 条 通 频 带 之 间 不 相 交, 存 在 禁 带 工 作 于 π/2 模 的 双 周 期 结 构 一 经 出 现, 马 上 受 到 全 世 界 广 泛 注 意 和 青 睐, 其 原 因, 是 因 为 它 具 有 一 系 列 优 越 的 微 波 特 性 : (1) π/2 模 工 作 在 通 频 带 中 央, 与 其 他 模 式 相 比, 模 式 分 隔 最 大, 群 速 度 最 大, 工 作 稳 定 ; (2) 储 能 集 中 在 加 速 腔, 而 且 结 构 具 有 最 高 的 分 流 阻 抗 ; (3) 在 一 级 近 似 下, 任 何 腔 体 的 频 率 误 差 不 导 致 加 速 场 的 幅 值 误 差 ; (4) 在 腔 体 无 频 率 误 差 下, 损 耗 和 束 流 负 载 不 引 起 加 速 场 的 相 移, 显 示 出 零 相 移 特 性 ; (5) 耦 合 腔 中 的 场 和 耦 合 腔 本 身 的 频 率 误 差 无 关, 它 是 由 损 耗 引 起 的, 是 二 级 小 量 ; (6) 禁 带 端 腔 失 谐 腔 体 频 率 误 差 损 耗 束 流 负 载 等 对 加 速 场 的 幅 值 或 相 移 的 影 响 都 是 二 级 小 量 这 些 特 点 汇 合 在 一 起, 使 得 π/2 模 双 周 期 结 构 具 有 分 流 阻 抗 高, 加 工 公 差 要 求 松, 频 率 稳 定 性 好, 相 移 对 束 流 负 载 不 敏 感, 调 谐 方 便 等 优 点, 从 而 推 动 该 结 构 的 迅 速 发 展 具 有 优 良 阶 性 能 的 边 耦 合 驻 波 加 速 结 构 在 国 际 上 得 到 广 泛 的 应 用 不 过 边 耦 合 结 构 加 工 较 复 杂, 较 焊 接 麻 烦, 自 20 世 纪 70 年 代 中 后 期, 加 拿 大 中 国 俄 罗 斯 印 度 都 在 发 展 磁 轴 耦 合 双 周 期 驻 图 电 子 在 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 中 的 纵 向 及 横 向 运 动 波 加 速 结 构 它 最 大 的 特 点 是 把 边 耦 合 腔 放 回 到 轴 线 上 加 速 腔 和 耦 合 腔 通 过 偏 离 开 轴 线 的 肾 形 孔 ( 图 3-4-9) 利 用 磁 场 相 互 耦 合 在 一 起, 整 个 结 构 保 持 了 轴 对 称 性 性 质, 利 于 加 工 调 谐, 简 化 了 腔 链 焊 接 工 艺 它 的 缺 点 是, 轴 耦 合 腔 又 在 轴 线 上 占 据 一 定 的 位 置, 加 速 腔 的 长 度 要 缩 短, 使 结 构 的 分 流 阻 抗 稍 有 下 降, 但 上 述 的 优 点 常 常 会 弥 补 其 不 足, 而 保 持 大 体 相 同 的 整 体 性 能

72 ( 四 ) 电 子 在 驻 波 电 场 中 的 纵 向 运 动 及 横 向 运 动 电 子 在 驻 波 加 速 ( 管 ) 结 构 中 的 纵 向 及 横 向 运 动 与 在 行 波 加 速 ( 管 ) 结 构 中 的 横 纵 向 运 动 有 很 多 相 同 的 地 方, 也 有 自 身 具 有 的 特 点 如 图 所 示, 在 纵 向 运 动 方 面, 相 同 的 地 方 是, 同 样 存 在 不 同 相 位 注 入 的 电 子, 也 是 均 匀 地 分 布 在 不 同 相 位 的 电 磁 场 中, 有 半 个 周 期 注 入 的 电 子 会 遇 到 加 速 相 位, 半 个 周 期 遇 到 的 是 减 速 相 位, 因 此, 也 存 在 一 个 俘 获 的 过 程 ( 即 需 要 相 位 会 聚 ) 为 了 提 高 俘 获 系 数 以 及 使 电 子 束 团 以 较 窄 的 相 位 宽 度 注 入 到 主 加 速 腔 链 中, 一 般 也 需 要 聚 束 器 ( 段 ) 不 同 的 地 方 是 由 于 驻 波 加 速 管 加 速 场 强 都 很 高, 用 1~3 个 腔 就 可 完 成 相 聚 ( 相 俘 获 ) 过 程, 因 此, 相 振 荡 不 充 分, 致 使 俘 获 系 数 比 较 低, 一 般 只 有 30%, 而 不 像 行 波 加 速 结 构 那 样, 可 达 70%~80% 在 横 向 运 动 方 面, 由 于 从 电 子 枪 注 入 的 束 流 具 有 径 向 尺 寸 及 散 角 ( 即 具 有 一 定 的 初 始 发 射 度 ), 对 那 些 离 轴 的 电 子, 驻 波 腔 中 的 电 场 径 向 分 量 E r, 和 磁 场 轴 向 分 量 B0 要 对 其 施 加 作 用 力 类 似 于 行 波 加 速 管, 为 了 减 少 电 子 在 加 速 过 程 的 发 散, 顺 利 通 过 各 腔 的 束 流 孔 道 ( 一 般 小 于 10mm), 同 时 获 得 较 小 的 靶 点, 常 常 也 需 要 外 加 纵 向 聚 焦 磁 场 但 通 过 对 驻 波 加 速 腔 的 腔 型 ( 即 场 型 ) 的 优 化 和 利 用 相 位 聚 焦 等 技 术, 在 驻 波 加 速 管 中 实 现 利 用 驻 波 电 磁 场 来 完 成 束 流 的 聚 焦, 也 可 以 不 需 要 外 加 的 纵 向 聚 焦 磁 场 四 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 ( 一 ) 电 子 直 线 加 速 器 工 作 特 性 的 分 类 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 是 指 输 出 参 数 随 输 入 参 数 变 化 的 关 系 了 解 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 对 于 指 导 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 运 行 维 护 十 分 重 要 电 子 直 线 加 速 器 的 输 出 参 数 有 : 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 ; 电 子 直 线 加 速 器 的 输 入 参 数 有 : 电 子 束 流 负 载 输 入 微 波 功 率 输 入 微 波 频 率 因 此 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 特 性 可 分 为 : 负 载 特 性 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 与 电 子 束 流 负 载 的 关 系 功 率 特 性 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 与 输 入 微 波 功 率 的 关 系 频 率 特 性 输 出 束 流 能 量 输 出 束 流 功 率 输 出 辐 射 强 度 与 输 入 微 波 频 率 的 关 系 不 管 是 行 波 加 速 管 还 是 驻 波 加 速 管, 都 有 这 些 输 出 参 数 和 输 入 参 数 加 速 管 的 工 作 温 度 一 般 不 作 为 输 入 参 数 调 节, 但 它 与 加 速 管 的 工 作 频 率 有 直 接 联 系, 它 的 波 动 亦 影 响 输 出 参 数 的 波 动, 为 此 亦 须 稳 定 在 一 定 的 范 围 ( 二 ) 对 运 行 中 出 现 问 题 的 分 析 医 用 电 子 直 线 加 速 器 运 行 中 最 关 心 的 是 输 出 参 数 是 否 正 常, 其 中 最 直 接 的 问 题 是 : 输 出 X 辐 射 剂 量 率 和 电 子 辐 射 剂 量 率 是 否 正 常, 深 度 吸 收 剂 量 特 性 是 否 变 化 输 出 参 数 的 变 化 是 由 输 入 参 数 变 化 引 起 的, 而 每 项 输 入 参 数 又 是 由 许 多 因 素 所 决 定, 运 用 工 作 特 性 可 以 帮 助 分 析 是 哪 些 因 素 影 响 了 工 作 的 正 常 1. 影 响 输 入 参 数 的 因 素 (1) 加 速 电 流 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 加 速 电 流 是 由 电 子 枪 供 给 的, 对 于 已 设 计 好 的 电 子 直 线 加 速 器, 影 响 加 速 电 流 的 主 要 因 素 有 : a. 电 子 枪 阴 极 灯 丝 ( 热 子 ) 加 热 电 源 参 数 的 变 化, 电 源 参 数 包 括 灯 丝 电 压 灯 丝 电 流 b. 电 子 枪 阳 极 电 压, 电 子 枪 阳 极 有 两 种 供 电 方 式, 独 立 的 直 流 高 压 或 与 磁 控 管 共 用 脉 冲 变 压 器 供 电 c. 电 子 枪 栅 极 电 压, 对 于 栅 控 电 子 枪, 栅 极 脉 冲 电 压 直 接 影 响 发 射 电 流 d. 电 子 枪 阴 极 变 形 引 起 电 子 光 学 特 性 变 坏, 使 注 入 加 速 管 的 电 子 束 的 光 学 质 量 变 坏 (2) 输 入 功 率 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 输 入 功 率 是 由 微 波 功 率 源 ( 磁 控 管 或 速 调 管 ) 产 生 的, 高 压 脉 冲 调 制 器 供 给 磁 控 管 或 速 调 管 的 脉 冲 高 压, 微 波 功 率 源 和 高 压 脉 冲 调 制 器 的 任

73 何 故 障 都 影 响 输 入 功 率 微 波 功 率 源 的 脉 冲 电 流 与 脉 冲 电 压 是 微 波 功 率 的 指 标, 它 们 的 变 化 直 接 反 映 微 波 功 率 的 变 化 脉 冲 高 压 是 由 脉 冲 调 制 器 产 生 的, 它 的 变 动 将 直 接 影 响 磁 控 管 或 速 调 管 的 功 率 高 压 脉 冲 调 制 器 有 专 门 的 低 Q 电 路 控 制 高 压 (3) 工 作 频 率 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 工 作 频 率 是 由 自 动 稳 频 系 统 控 制 的, 自 动 稳 频 系 统 的 任 何 故 障 都 影 响 工 作 频 率 2. 输 出 参 数 若 干 不 正 常 表 现 的 原 因 分 析 低 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 都 有 X 辐 射 输 出,X 辐 射 剂 量 率 是 反 映 医 用 电 子 直 线 加 速 器 工 作 是 否 正 常 的 主 要 指 标,X 辐 射 剂 量 率 与 加 速 流 强 及 输 入 功 率 及 工 作 频 率 有 关, 能 量 流 强 的 变 化 都 要 在 X 辐 射 剂 量 率 上 反 映 出 来 (1) 出 束 中 断, 开 机 后 或 在 开 机 过 程 中 X 辐 射 剂 量 率 突 然 中 断, 可 能 的 因 素 有 : a. 加 速 器 连 锁 保 护, 正 常 工 作 的 任 何 条 件 的 破 坏, 会 切 断 高 压 甚 至 全 部 电 源, 使 出 束 中 断 ; b. 自 动 稳 频 系 统 失 灵, 微 波 频 率 严 重 偏 离 正 常 工 作 频 率 ; c. 电 子 枪 灯 丝 烧 断, 电 子 枪 发 射 电 流 下 降 为 0; d. 磁 控 管 老 化 不 能 起 振 或 速 调 管 主 振 器 损 坏, 功 率 下 降 为 0 e. 脉 冲 调 制 器 故 障 ( 闸 流 管 脉 冲 变 压 器 低 Q 电 路 或 其 他 零 部 件 损 坏 ), 脉 冲 高 压 下 降 为 0; f. 偏 转 磁 铁 电 源 故 障, 对 于 有 偏 转 系 统 的 中 高 能 医 用 加 速 器, 偏 转 线 圈 电 流 对 正 常 值 的 偏 离 都 将 使 电 子 束 无 法 引 出 和 打 靶 (2)X 辐 射 剂 量 率 下 降 可 能 的 因 素 有 : a. 自 动 稳 频 系 统 设 置 不 正 确, 微 波 频 率 偏 离 正 常 工 作 频 率 ; b. 磁 控 管 或 速 调 管 的 电 压 电 流 偏 低 ; c. 电 子 枪 发 射 电 流 设 置 不 正 确 (3)X 辐 射 剂 量 率 不 稳 定 可 能 的 因 素 有 : a. 自 动 稳 频 系 统 设 置 不 正 确, 不 能 稳 定 于 工 作 频 率 ; b. 电 子 枪 发 射 电 流 不 稳 定 ; c. 磁 控 管 内 打 火 ; d. 波 导 内 打 火 (4) 电 子 辐 射 剂 量 率 过 大 可 能 的 因 素 有 : a. 电 子 枪 发 射 电 流 过 大 ; b. 低 Q 电 路 失 灵, 磁 控 管 脉 冲 电 压 过 高 (5) 电 子 辐 射 剂 量 率 不 稳 定 可 能 的 因 素 有 : a, 电 子 枪 发 射 电 流 不 稳 定 ; b. 自 动 频 率 稳 定 系 统 工 作 不 正 常 ; c. 低 Q 电 路 工 作 不 正 常 (6) 能 量 不 足 可 能 的 因 素 有 : 能 量 不 足 大 多 是 因 功 率 不 够 引 起, 能 量 不 足 必 然 影 响 到 X 辐 射 剂 量 率 的 下 降, 能 量 不 足 的 表 现 主 要 是 辐 射 质 指 数 达 不 到 要 求 以 上 分 析 不 可 能 将 全 部 因 素 包 括, 需 要 根 据 具 体 情 况 判 断 五 行 波 与 驻 波 结 构 的 比 较 医 用 电 子 直 线 加 速 器 有 两 种 加 速 管 结 构, 即 行 波 加 速 管 与 驻 波 加 速 管 从 临 床 使 用 角 度, 所 要 关 心 的 是 输 出 辐 射 的 性 能, 并 不 需 要 关 心 是 哪 种 加 速 管 但 从 操 作 及 维 护 角 度, 这 两 种 加 速 管 不 仅 结 构 与 长 度 不 同, 整 机 的 配 置 和 部 件 不 同, 还 是 需 要 了 解 它 们 之 间 的 差 别 ( 一 ) 加 速 管 结 构 与 长 度

74 1. 驻 波 结 构 中 可 利 用 的 微 波 功 率 有 所 提 高 在 行 波 结 构 中, 终 端 的 微 波 剩 余 功 率 白 白 消 耗 在 终 端 吸 收 负 载 上, 如 果 将 相 同 的 结 构 改 为 驻 波 结 构, 即 在 终 端 加 短 路 金 属 板, 由 于 终 端 短 路, 剩 余 功 率 全 部 反 射, 并 转 向 输 入 端, 在 这 过 程 中 微 波 功 率 受 到 进 一 步 衰 减, 其 衰 减 系 数 为 e -2αL, 这 个 反 射 波 对 加 速 电 子 是 没 有 用 的, 但 是 这 个 波 在 输 入 端 又 受 到 全 反 射 如 果 加 速 结 构 的 长 度 是 波 导 半 波 长 的 整 数 倍, 则 输 入 端 的 反 射 波 又 将 在 输 出 端 反 射, 这 样 的 过 程 将 继 续 下 去, 直 至 达 到 平 衡 为 止 由 于 来 回 反 射, 驻 波 加 速 结 构 等 效 的 输 入 功 率 提 高 了 等 效 的 输 入 功 率 等 于 多 次 来 回 反 射 功 率 的 级 数 和 2. 能 量 增 益 上 的 比 较 (1) 如 果 采 用 相 同 的 结 构, 当 加 速 管 很 长, 两 种 结 构 的 能 量 增 益 差 别 很 小 ; 当 加 速 管 很 短 时, 两 种 结 构 的 能 量 增 益 差 别 很 大 (2) 如 果 采 用 不 同 的 结 构, 例 如 将 束 流 孔 道 与 耦 合 孔 道 分 开 的 驻 波 加 速 结 构 本 身 就 比 束 流 孔 道 与 耦 合 孔 道 合 在 一 起 的 盘 荷 波 导 效 率 高, 这 样 两 种 结 构 的 能 量 增 益 差 别 就 更 大 对 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 两 种 加 速 结 构 能 量 增 益 的 差 别 十 分 重 要, 例 如 同 样 是 6MeV 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 采 用 驻 波 加 速 结 构, 加 速 管 仅 长 30 cm 左 右, 可 以 做 成 直 立 式, 无 需 偏 转 系 统, 而 采 用 行 波 加 速 结 构, 长 度 在 100cm 以 上, 只 能 水 平 安 装 于 机 架 上. 必 需 采 用 偏 转 系 统 把 电 子 束 引 向 下 方 对 于 中 高 能 量 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 尽 管 驻 波 加 速 管 要 比 行 波 加 速 管 短 些, 但 无 论 足 行 被 还 是 驻 波 方 式, 加 速 管 长 度 都 在 100 cm 以 上, 都 需 要 配 备 偏 转 系 统, 此 时 采 用 哪 一 种 加 速 方 式, 在 长 度 方 面 的 差 别 已 无 关 紧 要 ( 二 ) 建 场 时 间 行 波 加 速 管 中 电 磁 场 的 建 立 只 要 一 次 传 输 就 可 完 成, 驻 波 加 速 管 中 电 磁 场 的 建 立 是 通 过 波 在 加 速 管 内 来 回 反 射 建 立 的, 驻 波 建 场 时 间 要 比 行 波 建 场 时 间 长 2.5~3.5 倍 在 建 场 时 间 内, 不 能 正 常 加 速, 输 入 的 微 波 功 率 被 浪 费 掉 了, 微 波 功 率 利 用 效 率 要 求 微 波 脉 冲 宽 度 必 须 远 大 于 建 场 时 间 行 波 容 许 较 短 的 脉 冲 宽 度, 驻 波 希 望 有 较 宽 的 脉 冲 宽 度 目 前 驻 波 加 速 管 一 般 采 用 τ=4μs, 重 复 频 率,F=250/s, 而 行 波 加 速 管 采 用 τ=2μs, 重 复 频 率,F=500/s 从 微 波 功 率 源 及 脉 冲 调 制 器 角 度, 脉 冲 愈 宽, 难 度 愈 大 ( 三 ) 频 率 稳 定 系 统 行 波 加 速 管 与 驻 波 加 速 管 的 负 载 特 性 与 功 率 特 性 具 有 相 同 的 形 式, 但 两 者 频 率 特 性 不 同, 频 率 稳 定 要 求 也 不 同 1. 行 波 加 速 管 (1) 原 则 上, 经 过 调 试, 在 微 波 功 率 发 生 器 的 频 率 范 围 内, 微 波 功 率 都 可 顺 利 进 入 加 速 管, 不 产 生 严 重 的 反 射 对 于 磁 控 管 微 波 功 率 发 生 器, 这 个 频 率 范 围 约 7~8MHz (2) 行 波 加 速 管 频 率 稳 定 性 的 要 求 与 行 波 加 速 管 的 色 散 特 性 有 关, 在 工 作 频 率 附 近, 当 频 率 偏 离 工 作 频 率 时, 会 引 起 电 子 相 对 于 波 的 滑 相, 位 能 谱 变 坏, 能 量 降 低, 为 此 要 求 采 用 频 率 稳 定 系 统, 对 于 工 作 频 率 为 3000MHz 左 右 的 行 波 加 速 管, 行 波 加 速 管 要 求 频 率 稳 定 度 为 160 khz 左 右 (3) 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 要 求 X 辐 射 方 式 有 2~3 挡 能 量, 电 子 辐 射 方 式 有 多 档 能 量 在 X 辐 射 方 式 时, 因 能 谱 要 求 较 高, 通 常 采 用 调 节 输 入 功 率 方 式 调 节 能 量, 频 率 有 时 也 要 微 调 ; 在 电 子 辐 射 方 式, 因 流 强 非 常 低, 能 谱 要 求 不 高, 通 常 采 用 调 节 频 率 方 式 调 节 能 量, 因 此 行 波 加 速 管 容 许 有 数 个 不 同 的 工 作 频 率, 每 个 工 作 频 率 对 应 不 同 的 能 量 2. 驻 波 加 速 管 (1) 进 入 驻 波 加 速 管 的 微 波 容 许 频 率 变 化 范 围 由 驻 波 加 速 管 的 品 质 因 素 (2) 驻 波 加 速 管 自 动 稳 频 系 统 的 稳 定 度 由 容 许 的 X 辐 射 剂 量 率 稳 定 度 决 定, 对 于 工 作 频 率

75 为 3000MHz 左 右 的 驻 波 加 速 管, 当 要 求 剂 量 率 稳 定 度 为 ±3% 时, 由 前 面 计 算, 要 求 频 率 稳 定 度 在 ±20 khz 左 右 (3) 驻 波 加 速 管 虽 然 有 多 个 分 立 的 谐 振 频 率, 但 满 足 电 子 动 力 学 设 计 要 求 的 只 有 一 个 工 作 频 率 当 微 波 功 率 发 生 器 的 频 率 偏 离 工 作 频 率 约 ±200kHz 时, 微 波 功 率 根 本 不 能 进 入 驻 波 加 速 管, 因 此 驻 波 加 速 管 自 动 稳 频 系 统 只 容 许 有 一 个 工 作 点 ( 四 ) 偏 转 系 统 1. 能 谱 的 影 响 行 波 与 驻 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 一 个 重 要 差 别 是 它 们 的 能 谱, 使 用 者 可 能 并 不 能 直 接 感 觉 到 它 们 的 差 别, 因 为 设 计 者 已 采 取 一 些 措 施 来 弥 补 电 子 直 线 加 速 器 输 出 的 电 子 束 流 并 不 是 单 一 能 量 的, 能 谱 是 指 流 强 随 能 量 的 分 布 能 谱 (S) 定 义 为 峰 值 流 强 一 半 处 的 能 谱 宽 度 (FWHM)δV 与 峰 值 流 强 处 能 量 V 0 之 比 S=δV/V 0 显 然 S 愈 小, 能 谱 愈 好 行 波 加 速 管 由 于 相 振 荡 比 较 充 分, 相 聚 较 好, 因 此 输 出 电 子 束 的 能 谱 较 窄 (1%~3%), 驻 波 加 速 管 场 强 较 高, 电 子 很 快 达 到 光 速, 相 振 荡 不 充 分, 加 之 场 建 成 时 间 较 长, 所 以 能 谱 较 宽 (10%~20%) 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 采 取 直 束 式, 不 同 能 量 电 子 均 可 打 靶, 驻 波 加 速 管 产 生 的 X 辐 射 含 低 能 成 分 较 多 2. 偏 转 系 统 的 色 差 偏 转 系 统 对 不 同 能 量 粒 子 的 敏 感 程 度 称 为 色 差 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 采 用 偏 转 磁 铁 系 统, 有 两 种 形 式, 一 类 是 简 单 的 90 单 偏 转 磁 铁 系 统, 另 一 类 是 270 复 合 偏 转 磁 铁 系 统 90 单 偏 转 磁 铁 系 统 是 色 差 系 统, 对 电 子 束 的 能 谱 极 为 敏 感, 不 同 能 量 的 电 子 将 沿 不 同 曲 率 半 径 散 开, 散 开 的 宽 度 正 比 于 能 谱 宽 度 能 谱 愈 宽, 愈 不 对 称, 打 靶 后 产 生 的 X 辐 射 分 布 愈 不 对 称, 为 下 一 步 均 整 工 作 带 来 困 难 行 波 加 速 管 因 能 诺 较 好, 早 期 大 都 采 用 简 单 的 90 单 偏 转 磁 铁 系 统 随 着 消 色 差 偏 转 系 统 的 出 现, 现 代 行 波 电 子 直 线 加 速 器 亦 都 采 用 消 色 差 偏 转 系 统 3. 驻 波 加 速 管 对 偏 转 系 统 的 要 求 驻 波 加 速 管 出 现 后 由 于 能 谱 较 差, 遇 到 偏 转 的 困 难, 不 得 不 采 用 具 有 消 色 差 功 能 的 270 复 合 偏 转 磁 铁 系 统 消 色 差 偏 转 系 统 的 特 点 是 对 于 能 散 度 不 敏 感, 也 对 入 射 散 角 不 敏 感 偏 转 以 后 束 斑 仍 能 保 持 圆 形 ( 五 ) 微 波 传 输 系 统 驻 波 传 输 系 统 与 行 波 传 输 系 统 在 要 求 上 有 所 不 同 1. 驻 波 传 输 系 统 传 输 系 统 上 的 微 波 器 件 要 求 承 受 较 高 的 电 场 强 度, 要 插 入 能 吸 收 全 部 反 射 功 率 的 环 流 器 作 为 隔 离 器 件, 以 防 微 波 功 率 返 回 造 成 对 微 波 功 率 发 生 器 的 破 坏 实 际 驻 波 传 输 系 统 可 分 为 两 类 : (1) 隔 离 式 驻 波 传 输 系 统 驻 波 加 速 管 与 磁 控 管 之 间 有 隔 离 器 件 进 行 隔 离, 隔 离 器 件 由 四 端 环 流 器 或 四 端 环 流 器 与 隔 离 器 的 组 合 构 成 隔 离 式 传 输 系 统 的 优 点 是 磁 控 管 的 工 作 基 本 上 不 受 加 速 管 工 作 的 影 响, 缺 点 是 对 于 脉 冲 内 及 脉 冲 间 的 快 速 频 率 变 化 无 法 补 偿, 因 为 自 动 稳 频 系 统 的 伺 服 机 构 只 能 跟 踪 慢 变 化, 来 不 及 响 应 快 变 化 另 外 要 求 隔 离 器 件 的 隔 离 度 较 高, 隔 离 器 件 的 插 入 损 耗 较 大 (2) 牵 引 式 驻 波 传 输 系 统 牵 引 式 传 输 系 统 不 将 加 速 管 完 全 隔 离, 反 而 用 来 控 制 磁 控 管 的 频 率, 优 点 是 可 以 补 偿 频 率 阶 快 速 变 化, 由 一 只 三 瑞 环 流 器 构 成, 在 三 端 环 流 器 的 第 三

76 支 臂 插 入 一 个 调 相 器 (phase wand), 调 相 器 的 作 用 是 使 磁 控 管 的 输 出 频 率 恰 好 和 加 速 管 的 频 率 相 等 牵 引 式 的 缺 点 是 调 整 工 作 费 事 2. 行 波 传 输 系 统 行 波 加 速 管 可 视 为 阻 抗 不 变 化 的 负 载, 并 且 可 认 为 是 一 个 匹 配 的 负 载 (1) 行 波 加 速 管 是 一 种 带 通 器 件, 在 一 定 频 率 范 围 内, 微 波 功 率 反 射 很 少 为 防 止 加 速 管 内 或 波 导 内 打 火 引 起 的 功 率 反 射, 仍 须 在 行 波 传 输 系 统 中 插 入 能 吸 收 大 部 功 率 的 隔 离 器 作 为 隔 离 器 件 (2) 每 次 脉 冲 从 开 始 到 结 束, 微 波 功 率 都 是 单 向 流 通 的 (3) 行 波 传 输 系 统 沿 传 输 波 导 电 场 分 布 是 均 匀 分 布 的, 除 非 因 严 重 打 火 造 成 反 射 使 传 输 系 统 形 成 驻 波 状 态 ( 六 ) 电 子 枪 驻 波 加 速 管 的 加 速 场 强 较 高, 所 需 电 子 初 始 能 量 较 低, 设 计 得 好 的 驻 波 加 速 管 注 入 电 压 在 1~10kV 即 可, 电 子 枪 的 高 度 较 小, 高 度 只 有 3cm 左 右 行 波 加 速 管 由 于 加 速 场 强 较 低, 所 需 注 入 电 压 在 40~100kV, 电 子 枪 的 高 度 较 高 高 度 在 10~20cm 左 右 ( 七 ) 温 控 系 统 由 于 同 样 的 温 度 变 化 对 行 波 加 速 管 和 驻 波 加 速 管 产 生 几 乎 同 样 的 工 作 频 率 波 动, 大 约 为 50kHz/, 而 驻 波 加 速 管 要 求 频 差 比 行 波 加 速 管 要 求 频 差 要 小 得 多, 如 果 不 采 用 自 动 稳 频 系 统, 则 驻 波 加 速 管 对 温 控 系 统 的 要 求 很 高, 约 为 ±0.4, 行 波 加 速 管 采 用 双 腔 自 动 稳 频 系 统, 这 种 双 腔 自 动 稳 频 系 统 的 稳 定 点 对 温 度 很 敏 感, 因 此 要 求 稳 在 ±1 左 右, 驻 波 加 速 管 采 用 锁 相 自 动 稳 频 系 统, 这 种 锁 相 自 动 稳 频 系 统 对 温 度 不 敏 感, 采 用 温 控 系 统 主 要 为 了 使 微 波 功 率 源 的 频 率 不 致 过 分 偏 离 中 心 点 综 合 以 上 各 点 可 以 看 出, 驻 波 加 速 管 具 有 较 高 的 效 率, 加 速 管 与 电 子 枪 较 短, 结 构 紧 凑, 但 对 脉 冲 调 制 器 自 动 稳 频 系 统 偏 转 系 统 微 波 传 输 系 统 等 都 有 较 高 的 要 求, 而 行 波 加 速 管 虽 然 效 率 较 低, 但 能 谱 较 好, 能 量 调 节 较 容 易

77 第 五 节 微 波 系 统 微 波 系 统 是 构 成 电 子 直 线 加 速 器 整 机 的 一 个 基 本 组 成 部 分, 包 括 高 功 率 微 波 源 及 微 波 的 传 输 系 统 波 源 提 供 加 速 管 建 立 加 速 场 所 需 的 射 频 功 率, 绝 大 多 数 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 工 作 于 S 波 段, 标 称 频 率 为 2998MHz 或 2856MHz; 作 为 微 波 源 使 用 的 有 磁 控 管 和 速 调 管 磁 控 管 本 身 是 能 发 射 高 功 率 微 波 的 自 激 振 荡 器, 体 积 小, 重 量 轻, 设 备 比 较 简 单 但 至 今 S 波 段 可 调 谐 的 磁 控 管 最 高 的 脉 冲 功 率 约 5MW, 多 应 用 于 中 低 能 量 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 采 用 速 调 管 为 功 率 源 的 加 速 器 可 得 到 较 高 的 微 波 输 入 功 率, 但 设 备 较 为 庞 大, 且 速 调 管 是 一 种 微 波 功 率 放 大 器, 必 需 配 置 有 低 功 率 的 微 波 激 励 源 驱 动, 才 能 输 出 高 功 率 的 微 波 磁 控 管 和 速 调 管 都 是 微 波 电 子 管, 都 是 高 功 率 的 微 波 有 源 器 件, 它 们 的 工 作 原 理 不 同 于 普 通 无 线 电 技 术 所 用 的 电 子 管 或 晶 体 管 传 输 系 统 是 由 各 种 无 源 的 微 波 元 器 件 组 成 的, 主 要 功 能 是 将 微 波 源 输 出 的 功 率 馈 送 进 加 速 管 中, 用 以 激 励 加 速 电 子 所 需 的 电 磁 场 ; 并 且 在 传 输 过 程 中 还 必 须 能 消 除 或 隔 离 加 速 管 作 为 负 载 对 微 波 源 的 影 响, 以 保 证 系 统 的 稳 定 运 行 ; 同 时 也 能 提 供 系 统 运 行 的 频 率 及 功 率 的 监 控 讯 号 下 面 我 们 先 分 别 介 绍 磁 控 管 与 速 调 管, 然 后 再 介 绍 微 波 传 输 的 基 本 知 识 及 各 种 元 器 件 的 功 能 一 磁 控 管 振 荡 器 普 通 无 线 电 的 三 极 管, 由 栅 极 信 号 控 制 阳 极 电 流, 利 用 器 件 的 非 线 性 放 大 和 反 馈 机 理, 可 制 成 振 荡 器 但 到 了 微 波 波 段, 此 类 电 子 管 的 应 用 却 受 到 了 限 制 首 先, 这 是 因 为 当 频 率 高 到 微 波 波 段 后, 这 些 元 件 的 极 间 电 容 引 线 电 感 已 经 不 能 忽 略 电 子 管 的 极 间 电 C c 大 约 是 几 个 pf 的 量 级, 在 低 频 下 呈 现 的 容 抗 较 大, 如 f 10 6 Hz,1/ωC c =10 6 Ω 并 联 在 极 间, 影 响 可 忽 略 ; 而 在 微 波 频 率 下, 例 如 f Hz,1/ωC c 100Ω, 呈 现 较 小 的 容 抗 并 联 在 相 应 的 电 极 之 间, 作 用 不 可 忽 略 对 于 放 大 器 来 说, 阴 栅 电 容 将 降 低 放 大 器 的 输 入 阻 抗 对 于 振 荡 器 来 说, 又 会 加 大 栅 极 回 路 的 电 容, 而 使 振 荡 频 率 不 可 能 提 高 上 去 其 次, 在 微 波 频 率 范 围, 电 子 从 阴 极 到 达 阳 极 的 渡 越 时 间 τ 约 10-9 s, 再 也 不 能 被 忽 略 了, 因 为 τ 已 和 微 波 振 荡 的 周 期 T 可 相 比 拟, 甚 至 τ>t 灯 丝 这 也 是 造 成 普 通 无 线 电 波 段 的 电 子 管 在 微 波 波 段 不 能 正 常 工 作 的 原 因 之 一 磁 控 管 ( 图 3-5-1) 是 一 种 特 殊 的 二 极 管, 除 了 有 阳 极 和 阴 极 外, 阴 极 还 有 外 加 的 磁 场 它 是 利 用 磁 场 控 阳 极 制 阳 极 电 流, 产 生 微 波 振 荡 的 电 子 调 谐 管, 是 自 激 振 荡 器, 效 率 可 达 30%-60% 由 于 易 受 外 部 回 路 影 响, 一 般 不 加 稳 频 措 施 时 频 率 稳 定 度 为 10-4 量 级 ; 而 通 过 改 善 微 波 传 输 系 统 和 采 用 稳 频 措 施, 可 提 高 稳 频 度, 图 磁 控 管 即 使 医 用 加 速 器 机 架 转 动, 也 能 保 证 高 稳 定 的 剂 量 输 出 要 求 下 面 我 们 介 绍 磁 控 管 的 构 造 及 其 工 作 原 理 ( 一 ) 磁 控 管 的 构 造

78 磁 控 管 按 工 作 方 式 可 分 为 脉 冲 磁 控 管 和 连 续 波 磁 控 管 在 连 续 波 工 作 状 态, 磁 控 管 阳 极 上 加 固 定 直 流 高 压, 使 其 连 续 工 作 ; 在 脉 冲 工 作 状 态, 阳 极 则 加 以 脉 冲 电 压 脉 冲 工 作 时 可 以 得 到 比 平 均 功 率 高 近 千 倍 的 脉 冲 功 率 磁 控 管 结 构 的 种 类 很 多, 这 里 仅 介 绍 应 用 最 广 的 一 种 多 腔 磁 控 管, 其 主 要 组 成 部 分 如 图 所 示, 分 别 说 明 如 下 : 1. 阴 极 及 加 热 灯 丝 灯 丝 引 线 脉 冲 磁 控 管 的 阴 极 一 般 是 圆 筒 形 的 旁 热 式 氧 化 物 阴 极 它 位 于 磁 控 管 的 中 央, 由 灯 丝 通 电 能 量 引 出 流 加 热 而 使 阴 极 发 射 电 子 阴 极 的 面 积 较 大, 因 而 有 很 大 的 发 射 电 流, 脉 冲 值 可 达 数 十 甚 至 数 百 安 培 图 多 腔 磁 控 管 的 结 构 2. 阳 极 及 振 荡 系 统 磁 控 管 的 阳 极 与 普 通 二 极 管 相 似, 相 对 阴 极 处 于 高 电 位, 起 着 收 集 电 子 的 作 用 但 磁 控 管 的 阳 极 又 有 其 特 殊 的 作 用, 它 实 际 上 是 磁 控 管 自 激 振 荡 的 振 荡 系 统 如 图 所 示, 与 阴 极 同 轴 的 阳 极 是 环 绕 阴 极 的 大 铜 块 ( 也 叫 阳 极 块 ), 上 面 开 了 许 多 圆 孔 和 槽 缝 (8~40 个 ), 每 一 个 圆 孔 就 是 一 个 圆 柱 形 谐 振 腔, 各 谐 振 腔 通 过 槽 缝 相 互 耦 合, 其 中 每 一 个 谐 振 腔 可 等 效 为 一 个 LC 振 荡 回 路, 整 个 系 统 则 等 效 为 一 系 列 谐 振 腔 形 成 的 耦 合 腔 链 当 磁 控 管 自 激 振 荡 建 立 起 来 时, 在 阳 极 块 和 阴 极 之 间 的 内 腔 区 域 出 现 交 变 电 磁 场, 阴 极 发 射 的 电 子 在 此 区 域 与 交 变 电 场 相 互 作 用, 交 换 能 量, 称 此 区 域 为 作 用 空 间 与 普 通 低 频 三 极 管 振 荡 器 的 频 率 是 由 比 回 路 固 有 频 率 决 定 的 一 样, 磁 控 管 的 振 荡 频 率 则 由 阳 极 块 多 腔 耦 合 腔 链 的 频 率 特 性 所 确 定, 多 腔 磁 控 管 的 名 称 来 源 就 在 于 此 由 于 目 前 S 波 段 医 用 加 速 器 所 用 磁 控 管 都 是 多 腔 式 的, 因 此 我 们 就 简 称 为 磁 控 管 3. 磁 铁 通 常 中 小 功 率 磁 控 管 采 用 永 久 磁 铁, 大 功 率 磁 控 管 采 用 电 磁 铁, 磁 场 的 方 向 与 磁 控 管 的 阴 极 轴 平 行 4. 能 量 输 出 装 置 由 于 磁 控 管 阳 极 块 的 谐 振 腔 是 通 过 电 磁 场 耦 合 在 一 起 的, 因 此 从 其 中 任 何 一 个 腔 都 可 以 把 微 波 能 量 输 送 出 来 应 用 最 广 泛 的 输 出 耦 合 装 置 有 同 轴 线 和 波 导 两 种 通 常 同 轴 线 输 出 装 置 与 磁 控 管 之 间 采 用 磁 环 耦 合, 用 于 低 功 率 结 构 在 高 功 率 时 则 采 用 槽 缝 耦 合 的 波 导 输 出 装 置 要 求 能 量 输 出 装 置 既 能 保 证 功 率 匹 配 传 输, 又 能 保 证 真 空 密 封 5. 调 频 机 构 某 些 场 合 要 求 磁 控 管 频 率 可 调 ; 例 如 电 子 直 线 加 速 器 整 机 联 调 时, 为 了 得 到 束 流 最 佳 的 输 出 状 态, 则 要 求 磁 控 管 的 工 作 频 率 与 加 速 管 的 频 率 特 性 有 最 好 的 配 合, 对 于 驻 波 加 速 管 来 说, 要 求 更 为 严 格, 因 此, 加 速 器 所 用 的 磁 控 管 都 是 频 率 可 调 谐 的 磁 控 管 振 荡 频 率 的 调 谐 主 要 是 利 用 机 械 调 谐 方 法, 一 般 是 在 阳 极 块 的 谐 振 腔 中 插 入 金 属 杆, 改 变 插 入 深 度, 可 在 数 兆 赫 范 围 内 调 频 6. 冷 却 磁 控 管 工 作 时, 调 制 器 输 出 的 功 率 大 约 有 50% 是 消 耗 在 阳 极 上, 因 此 必 须 有 冷 却 措 施 一 般 据 功 率 大 小 不 同 分 为 自 然 冷 ( 散 热 片 ) 水 冷 和 油 冷 三 种 医 用 电 子 直 线 加 速 器 用 的 磁 控 管 采 用 水 冷 方 式 ( 二 ) 磁 控 管 的 基 本 工 作 原 理 尽 管 磁 控 管 已 经 应 用 了 几 十 年, 发 展 很 快, 但 由 于 物 理 过 程 十 分 复 杂, 对 它 的 工 作 原 理, 迄 今 尚 未 完 全 弄 清 楚 近 年 来, 用 高 速 电 子 计 算 机 对 磁 控 管 工 作 的 复 杂 过 程 进 行 精 确 的 模 拟 计 算, 得 到 一 些 与 实 验 一 致 的 结 果, 对 工 作 原 理 有 了 进 一 步 的 认 识 从 使 用 磁 控 管 的 角 度 来

79 说, 我 们 对 其 基 本 工 作 原 理 作 粗 略 的 说 明 总 的 说 来, 在 磁 控 管 作 用 空 间 的 电 子 同 时 受 到 3 个 场 的 作 用 : 即 恒 定 电 场, 恒 定 磁 场 和 高 频 电 磁 场 恒 定 电 场 将 阳 极 电 源 ( 即 外 加 的 脉 冲 调 制 器 ) 的 能 量 转 化 为 电 子 的 动 能 ; 恒 定 磁 场 使 电 子 运 动 轨 迹 弯 曲, 作 旋 转 运 动 ; 回 转 运 动 的 电 子 流 激 发 耦 合 腔 链, 产 生 微 波 频 段 的 高 频 交 变 电 磁 场 ; 反 过 来 高 频 交 变 场 将 进 一 步 与 电 子 相 互 作 用, 使 电 子 减 速, 将 电 子 的 动 能 转 换 为 微 波 能 可 见 与 驻 波 加 速 管 相 比 较, 磁 控 管 也 是 一 个 驻 波 谐 振 腔 链, 不 过 是 绕 成 环 状, 首 尾 相 接 的 腔 链 ; 电 子 不 是 直 线 运 动, 而 是 回 旋 运 动 ; 更 重 要 的 区 别 在 于 加 速 管 中 电 子 处 于 加 速 相 位, 微 波 能 转 换 为 电 子 的 动 能 ; 而 在 磁 控 管 中 电 子 处 于 减 速 相 位, 将 从 外 加 电 源 处 获 得 的 动 能 转 换 为 微 波 能 了 为 了 正 确 使 用 磁 控 管, 我 们 对 工 作 原 理 有 关 的 几 个 重 要 概 念 进 一 步 说 明 如 下 : 1. 临 界 状 态 在 磁 控 管 中, 阴 极 与 阳 极 块 之 间 的 恒 定 电 压 形 成 径 向 加 速 电 场, 使 阴 极 发 射 的 电 子 沿 半 径 方 向 飞 向 阳 极, 形 成 很 大 的 阳 极 电 流 随 着 外 加 轴 向 磁 场 的 增 加, 电 子 运 动 开 始 偏 离 直 线 轨 迹, 电 子 的 渡 越 时 间 会 增 加, 单 位 时 间 落 到 阳 极 的 电 子 数 就 减 少, 因 而 阳 极 电 流 减 小 当 磁 场 增 强 到 某 一 个 临 界 值 时, 运 动 电 子 与 阳 极 表 面 相 切 而 过, 飞 向 阴 极, 阳 极 电 流 大 幅 度 下 降, 这 种 状 态 叫 做 临 界 状 态 当 磁 场 量 超 过 临 界 磁 场 值 从 以 后, 电 子 轨 迹 将 完 全 离 开 阳 极 表 面, 阳 极 电 流 趋 于 零 一 般 磁 控 管 中 的 磁 场 都 是 在 略 高 于 临 界 磁 场 的 状 态 下 工 作 的 2.π 模 振 荡 如 前 所 述, 多 腔 磁 控 管 的 阳 极 块 是 包 含 付 个 腔 组 成 的 耦 合 腔 链 谐 振 时, 电 磁 场 在 环 型 腔 链 空 间 呈 驻 波 分 布 考 虑 环 型 首 尾 相 连, 从 某 一 点 出 发 的 波, 传 播 一 整 圈 后 回 到 原 出 发 点 的 相 位 应 该 相 同, 或 相 差 为 2nπ(n 为 正 整 数 ), 所 以 谐 振 条 件 就 是 作 用 空 间 环 形 圆 周 长 为 波 长 的 整 数 倍, 相 应 的 Δφ=2nπ/N,(n=0,1,2, ) 可 见 对 应 不 同 的 n, 腔 间 相 差 不 同, 称 为 不 同 的 振 荡 模 式 当 n=n/2 时,Δφ=π, 称 为 π 模 振 荡 或 反 相 型 振 荡 微 波 电 子 学 的 理 论 和 实 验 证 明,π 模 振 荡 是 工 作 最 稳 定 的 模 式, 并 且 是 与 电 子 相 互 作 用 转 换 能 量 效 率 最 高 的 模 式, 因 此 大 多 数 磁 控 管 都 是 工 作 在 π 模 3. 同 步 条 件 在 磁 控 管 中, 要 想 使 电 子 与 高 频 场 交 换 能 量 最 充 分, 就 要 设 法 使 电 子 沿 环 形 空 间 圆 周 运 动 到 每 一 个 谐 振 腔 槽 缝 前 面 都 遇 到 高 频 减 速 场, 这 样 就 会 使 电 子 的 动 能 变 成 高 频 场 的 能 量 对 于 π 型 振 荡 情 况, 则 要 求 电 子 在 两 个 相 邻 槽 缝 之 间 的 渡 越 时 间 t 必 须 等 于 高 频 场 半 周 期 T/2 的 整 数 倍, 即 t=(m+1/2)t,m=0,1,2,, 称 此 为 同 步 条 件, 是 磁 控 管 顺 利 工 作 的 基 本 阳 极 阳 极 阴 极 阴 极 电 子 运 动 电 子 群 聚 轮 辐 旋 转 图 电 子 群 聚 轮 辐 旋 转

80 条 件 4. 电 子 群 聚 磁 控 管 中 从 阴 极 发 射 的 电 子, 在 作 用 空 间 受 到 恒 定 电 场 和 磁 场 的 作 用, 形 成 围 绕 阴 极 旋 转 的 电 子 云 当 高 频 交 变 电 磁 场 激 励 起 来 后, 作 用 空 间 的 高 频 电 场 将 和 电 子 相 互 作 用, 之 间 不 但 有 能 量 交 换, 而 且 由 于 π 模 场 分 布 沿 辐 向 是 非 均 匀 的, 电 子 的 受 力 情 况 随 其 辐 向 位 置 ( 相 应 的 相 位 ) 的 不 同 而 变 化, 因 此 高 频 电 场 作 用 还 会 改 变 电 子 沿 辐 向 密 度 的 分 布 分 析 结 果 认 为, 在 磁 控 管 自 激 振 荡 处 于 稳 定 状 态 后, 磁 控 管 中 的 电 子 经 3 个 场 作 用, 形 成 群 聚 轮 辐 旋 转 状 ( 图 3-5-3) 在 π 模 磁 控 管 中, 轮 辐 状 旋 转 电 子 保 持 与 高 频 场 同 步 作 用, 不 断 从 阳 极 电 源 获 取 能 量, 得 到 加 速, 又 不 断 将 动 能 转 换 为 高 频 场 的 能 量 输 出 阴 极 发 射 的 电 子 在 此 过 程 中, 一 部 分 最 终 到 达 阳 极, 变 为 阳 极 电 流, 也 有 一 部 分 在 群 聚 过 程 中 返 回 阴 极 回 轰 电 子 打 到 阴 极 时, 会 把 动 能 交 给 阴 极, 使 阴 极 加 热, 因 此 磁 控 管 正 常 工 作 时 需 要 降 低 或 取 消 灯 丝 加 热 电 流 以 上 粗 略 介 绍 了 磁 控 管 建 立 自 激 振 荡 过 程 中 的 一 些 物 理 问 题 应 当 注 意, 实 际 从 振 荡 建 立 至 达 到 稳 态 的 过 程 是 非 常 短 暂 的 5. 脉 冲 工 作 方 式 最 后 我 们 简 单 地 说 明 一 下 磁 控 管 的 脉 冲 工 作 由 于 使 用 上 的 需 要 和 实 际 上 的 可 能 性, 大 磁 控 管 都 是 做 成 脉 冲 工 作 的, 也 就 是 加 到 磁 控 管 压 是 脉 冲 的 方 式 在 高 压 脉 冲 内 磁 控 管 振 荡, 在 两 个 脉 冲 中 间 磁 控 管 停 止 振 荡 磁 控 管 的 振 荡 实 际 上 就 是 把 调 制 器 的 脉 冲 能 量 转 变 为 微 波 能 量 的 过 程 ( 三 ) 磁 控 管 的 工 作 特 性 及 负 载 特 性 磁 控 管 振 荡 器 的 基 本 电 性 能 指 标 是 输 出 功 率 效 率 振 荡 频 率 及 其 稳 定 度 这 些 指 标 与 磁 控 管 的 工 作 状 态 有 关, 而 工 作 状 态 是 由 外 加 磁 场 H 阳 极 脉 冲 电 压 幅 值 V am 和 负 载 阻 抗 所 决 定 的 磁 控 管 振 荡 器 在 不 同 工 作 状 态 时, 其 输 出 功 率 P m 效 率 η 和 振 荡 频 率 ƒ 等 都 不 一 样, 它 们 和 磁 场 阳 极 电 压 及 负 载 阻 抗 之 间 的 关 系 还 没 有 简 单 而 又 足 够 准 确 的 计 算 公 式 实 用 中 厂 方 是 通 过 实 验 方 法 测 得, 给 出 两 组 特 性 曲 线, 即 磁 控 管 的 工 作 特 性 和 负 载 特 性 曲 线 1. 磁 控 管 的 工 作 特 性 每 个 管 子 都 有 其 工 作 特 性 因 为 磁 控 管 阳 极 电 流 和 电 压 的 非 线 性 关 系, 一 旦 振 荡 开 始, 在 阳 极 电 流 变 化 很 大 的 范 围 内, 阳 极 电 压 基 本 不 变, 因 此, 用 阳 极 电 流 变 化 来 说 明 工 作 状 态 变 化 较 为 明 显 同 时, 在 磁 控 管 运 行 过 程 中, 监 视 其 工 作 状 态 是 否 正 常, 也 是 监 测 阳 极 电 流 比 监 视 阳 极 电 压 更 为 合 适 对 于 大 多 数 设 备 来 讲, 磁 控 管 采 用 永 久 磁 铁, 磁 场 强 度 量 值 是 固 定 的, 因 此 改 变 阳 极 电 流 ( 电 压 ) 就 可 以 灵 活 地 选 择 其 工 作 点 选 定 工 作 点 后, 输 出 功 率 和 工 作 效 率, 甚 至 频 率 也 同 时 确 定 了 但 应 该 注 意 的 是 工 作 点 不 应 选 在 阳 极 电 流 I am 太 大 或 太 小 的 区 域, 因 为 I am 太 小 时, 磁 控 管 工 作 不 稳 定, 而 且 灯 丝 寿 命 也 短, 因 为 此 时 不 能 利 用 回 轰 功 率 以 减 小 灯 丝 工 作 电 流,I am 太 大 时, 管 内 容 易 出 现 打 火, 而 使 阴 极 损 坏 有 的 磁 控 管 允 许 输 出 功 率 调 变 的 范 围 较 大, 但 要 求 同 时 调 配 磁 场 及 阳 极 电 流, 以 恒 定 磁 控 管 的 阻 抗 并 保 持 良 好 的 射 频 频 谱, 应 按 照 厂 家 说 明 书 中 建 议 的 调 变 输 出 功 率 的 参 数 进 行 调 节 2. 磁 控 管 的 负 载 特 性 磁 控 管 的 负 载 特 性 是 指 磁 控 管 的 磁 场 H 和 阳 极 电 流 I am 保 持 恒 定 的 条 件 下, 磁 控 管 振 荡 频 率 ƒ 及 输 出 功 率 P m 随 外 部 负 载 变 化 的 关 系 曲 线 频 率 牵 引 F 0 是 指 在 负 载 的 驻 波 系 数 VWSR= 1.5( 相 当 于 反 射 系 数 为 0.2) 的 条 件 下, 负 载 反 映 到 磁 控 管 输 出 面 处 的 反 射 相 位 变 化 在 0 到 2π 区 间, 引 起 的 频 率 变 化 的 数 值 我 们 希 望 频 率 牵 引 越 小 越 好, 如 M125 在 VSWR<1.5 时,F 0 < 7MC;M4543 在 VSWR=1.5 时,F 0 为 6MC 考 虑 到 频 率 牵 引, 对 磁 控 管 输 出 端 的 负 载 输 入 驻 波 系 数 VSWR 提 出 要 求, 一 般 为 不 大 于 1.5, 有 的 提 出 要 小 于 1.3, 医 用 加 速 器 对 此 要 求 更 高,

81 为 了 减 少 负 载 对 磁 控 管 振 荡 器 的 影 响, 因 而 在 传 输 系 统 中 设 置 了 对 反 射 波 的 隔 离 器 件 ( 四 ) 磁 控 管 的 使 用 与 维 护 磁 控 管 的 工 作 状 态 对 于 医 用 加 速 器 的 运 行 水 平 是 至 关 重 要 的, 不 但 直 接 影 响 加 速 器 的 稳 定 性 和 输 出 射 线 的 品 质, 而 且 对 磁 控 管 使 用 的 寿 命 也 很 重 要 下 面 我 们 来 讨 论 使 用 与 维 护 磁 控 管 时 应 该 注 意 的 一 些 问 题 1. 阴 极 及 灯 丝 的 供 电 问 题 (1) 碰 控 管 的 寿 命 主 要 是 决 定 于 灯 丝 的 寿 命 阴 极 是 发 射 电 子 的 源 泉, 磁 控 管 对 阴 极 温 度 特 别 灵 敏 ; 灯 丝 加 热 电 流 过 小, 阴 极 发 射 不 足, 磁 控 管 工 作 就 不 稳 定, 但 阴 极 温 度 过 高 又 会 导 致 寿 命 大 大 缩 短, 因 此 必 须 保 证 阴 极 工 作 在 所 规 定 的 温 度 内 在 加 阳 极 电 压 以 前, 灯 丝 必 须 加 到 额 定 的 电 压, 而 且 要 保 证 规 定 的 预 热 时 间 在 工 作 过 程 中, 阳 极 电 压 中 断, 灯 丝 必 须 加 到 满 电 压 在 长 时 间 准 备 工 作 中, 可 以 切 断 灯 丝 电 压, 或 降 低 到 额 定 值 的 50%, 这 样 对 管 子 寿 命 有 好 处, 同 时 也 不 影 响 管 子 的 稳 定 运 行 (2) 电 子 回 轰 阴 极 与 灯 丝 供 电 的 降 压 曲 线 磁 控 管 振 荡 产 生 后, 会 有 一 部 分 电 子 回 轰 阴 极, 使 阴 极 温 度 升 高, 轰 击 阴 极 的 功 率 一 般 约 占 输 入 功 率 的 10%~30%, 因 此 需 要 减 少 或 完 全 去 掉 灯 丝 加 热 功 率 才 能 保 持 阴 极 温 度 不 致 太 高 而 损 坏 随 着 机 器 运 行 的 重 复 频 率 提 高, 回 轰 现 象 越 严 重, 为 防 止 阴 极 温 度 过 高, 应 按 照 厂 家 提 供 的 灯 丝 电 压 降 压 曲 线 来 调 整 灯 丝 电 源 通 常 的 灯 丝 供 电 线 路 采 用 了 阳 极 电 流 为 信 号 来 实 现 灯 丝 电 压 的 自 动 控 制 (3) 旁 路 电 容 防 止 灯 丝 打 火 由 于 多 腔 磁 控 管 结 构 的 特 点, 阳 极 块 是 接 地 的, 因 此 阳 极 和 阴 极 之 间 的 静 电 场, 实 际 上 是 通 过 脉 冲 变 压 器 的 次 极 线 圈 在 阴 极 上 加 负 脉 冲 高 压 形 成 的 因 此 与 阴 极 等 电 位 的 灯 丝 电 源 输 入 端 需 加 一 定 的 旁 路 电 容, 以 防 止 灯 丝 打 火 例 MG5125 等 磁 控 管 说 明 书 中 提 出 旁 路 电 容 不 小 于 4000PF, 某 些 情 况 甚 至 需 达 2μF 沙 的 要 求 (4) 磁 控 管 的 效 率 输 出 的 微 波 功 率 与 调 制 器 输 入 到 磁 控 管 的 功 率 之 比, 一 般 为 30%~60% 是 微 波 电 子 管 中 效 率 最 高 的 一 种, 通 常 按 50% 考 虑, 所 以 要 求 调 制 器 输 出 功 率 比 磁 控 管 输 出 功 率 高 一 倍 2. 防 止 磁 控 管 打 火 的 问 题 磁 控 管 在 实 际 工 作 中, 经 常 遇 到 打 火 的 问 题, 使 磁 控 管 工 作 不 稳 定 可 以 根 据 磁 控 管 阳 极 平 均 电 流 表 指 针 的 猛 烈 偏 转 或 者 用 示 波 器 观 察 脉 冲 波 形 剧 烈 下 拉 来 探 知 打 火 现 象 的 发 生 正 常 工 作 的 磁 控 管, 在 每 一 百 万 个 工 作 脉 冲 内, 顶 多 只 有 一 次 打 火 的 现 象, 偶 尔 1000 个 脉 冲 中 有 3~5 次 打 火 也 还 是 允 许 的 打 火 过 密, 磁 控 管 很 容 易 损 坏, 因 为 打 火 时, 阴 极 和 阳 极 之 间 发 生 剧 烈 的 放 电 现 象, 形 成 短 路, 停 止 振 荡, 同 时 有 强 大 的 离 子 流 轰 击 阴 极, 有 可 能 使 阴 极 发 射 能 力 下 降 以 致 损 坏 并 且 打 火 时 相 当 于 调 制 器 负 载 短 路, 有 可 能 损 坏 调 制 器, 应 严 加 注 意 下 面 简 述 一 下 什 么 情 况 下 容 易 打 火, 以 及 如 何 来 避 免 打 火 发 生 (1) 磁 控 管 的 工 作 状 态 突 然 改 变 时, 经 常 会 产 生 打 火 现 象 例 如, 升 高 阳 极 电 压 提 高 脉 冲 重 复 频 率 或 增 大 脉 冲 宽 度 磁 控 管 的 灯 丝 预 热 不 足 阳 极 电 流 过 大 等 均 可 能 引 起 管 子 工 作 不 稳 定 和 打 火 发 生 快 到 磁 控 管 寿 命 时, 打 火 现 象 会 迅 速 增 长, 直 到 阴 极 完 全 损 坏 磁 控 管 的 打 火 问 题 要 求 限 定 脉 冲 宽 度 和 重 复 频 率, 应 注 意 其 数 值 不 要 超 过 手 册 规 定 的 允 许 值 (2) 磁 控 管 的 老 练 所 谓 老 练 就 是 磁 控 管 的 阳 极 电 压 分 几 个 阶 段 逐 步 地 增 加 到 额 定 值 的 过 程 在 每 一 阶 段 中, 让 磁 控 管 连 续 工 作 一 些 时 候, 若 发 生 打 火 就 要 降 低 阳 极 电 压 到 不 打 火 时 为 止, 只 有 当 磁

82 控 管 稳 定 工 作 一 段 时 间 后, 才 换 到 阳 极 电 压 更 高 的 阶 段 工 作 ; 直 到 阳 极 电 流 比 额 定 值 略 大 2% ~5%( 有 的 管 子 到 10%), 并 保 持 30 分 钟 左 右, 如 果 管 子 能 稳 定 地 工 作, 则 可 认 为 老 练 结 束 磁 控 管 老 练 的 作 用 主 要 是 为 了 改 善 管 内 的 真 空 并 纯 化 阴 极 由 于 在 磁 控 管 制 造 过 程 中, 不 可 能 完 全 排 除 管 内 气 体, 因 此, 在 阳 极 和 阴 极 这 些 金 属 的 内 部 和 表 面 总 会 吸 附 有 微 量 气 体, 存 放 久 了, 这 些 气 体 会 释 放 出 来 使 管 内 真 空 度 下 降, 此 时 如 加 高 压 会 形 成 气 体 放 电, 即 使 磁 控 管 在 规 定 的 工 作 条 件 下 运 行, 也 会 发 生 打 火 这 种 性 质 的 打 火, 可 以 采 用 老 练 的 方 法 来 克 服 根 据 管 内 真 空 度 变 坏 程 度 的 不 同, 老 练 的 时 间 可 能 需 要 几 分 钟 到 几 小 时, 甚 至 十 几 小 时 经 验 证 明, 磁 控 管 存 放 的 时 间 愈 久, 老 练 所 需 的 时 间 也 愈 长, 甚 至 会 因 为 放 得 太 久, 再 也 老 练 不 起 来 了 因 此, 一 般 存 放 的 磁 控 管 应 每 隔 一 定 时 间 老 练 一 次, 一 定 时 间 的 轮 流 使 用 会 相 对 地 延 长 磁 控 管 的 寿 命 如 果 老 练 是 在 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 上 进 行, 则 由 于 加 速 管 的 频 带 窄, 因 此 要 随 时 监 测 并 保 证 磁 控 管 的 频 率 和 加 速 管 的 固 有 频 率 一 致, 否 则 将 由 于 反 射 会 引 起 系 统 的 严 重 打 火 3. 阳 极 电 压 磁 场 和 负 载 对 磁 控 管 工 作 的 影 响 根 据 磁 控 管 的 工 作 特 性 和 负 载 特 性, 很 容 易 理 解 阳 极 电 压 磁 场 和 负 载 的 变 化 会 使 磁 控 管 工 作 不 稳 定, 因 此, 对 阳 极 电 压 和 磁 场 的 稳 定 性 就 有 很 高 的 要 求 (1) 通 常 允 许 的 脉 冲 阳 极 电 压 顶 部 变 化 应 小 于 2%-5%, 有 时 甚 至 要 小 于 1% (2) 磁 控 管 正 常 工 作 允 许 磁 场 强 度 的 变 化 范 围 以 及 磁 场 在 空 间 分 布 的 均 匀 性, 说 明 书 中 均 有 明 确 的 规 定 使 用 中 要 注 意 保 护 磁 场 稳 定, 必 须 小 心 保 护 磁 控 管 的 永 久 磁 铁, 勿 使 受 到 撞 击, 勿 靠 近 铁 磁 性 的 物 体 更 换 分 离 式 磁 铁 的 磁 控 管 时, 要 注 意 磁 铁 安 装 的 位 置 和 方 位 如 N 极 必 须 靠 在 标 有 C 符 号 的 阴 极 一 边, 磁 场 轴 与 阳 极 块 的 轴 一 致, 并 和 矩 形 波 导 系 统 的 且 面 ( 宽 面 ) 垂 直 (3) 为 减 小 负 载 变 化 对 磁 控 管 工 作 的 影 响, 应 力 求 达 到 匹 配 馈 线 系 统 的 VSWR 不 应 超 过 1.5 传 输 系 统 中 的 隔 离 器 或 环 流 器, 就 是 为 了 消 除 负 载 不 匹 配 对 磁 控 管 的 影 响 而 设 置 的, 我 们 将 在 讲 述 微 波 元 件 时 作 进 一 步 的 说 明 4. 保 证 冷 却 系 统 正 常 工 作 的 重 要 性 多 腔 磁 控 管 阳 极 块 的 几 何 尺 寸 随 温 度 升 高 而 膨 胀, 致 使 其 振 荡 系 统 的 自 然 频 率 随 温 度 升 高 而 下 降 S 波 段 的 磁 控 管 阳 极 块 温 度 对 频 率 的 影 响 大 约 是 0.05MHz/ C 磁 控 管 刚 开 始 工 作 时, 温 度 总 是 比 较 低 的, 然 后 才 逐 步 增 高, 只 有 达 到 热 平 衡 状 态, 才 会 保 持 不 变 通 常 磁 控 管 都 采 用 强 迫 冷 却 以 降 低 稳 定 工 作 时 的 温 度 因 此 在 磁 控 管 加 高 压 前, 就 应 保 给 证 冷 却 系 统 的 水 压 流 量 正 常 5. 磁 控 管 振 荡 器 的 频 率 稳 定 问 题 磁 控 管 频 率 偏 移 按 其 性 质 可 分 为 两 类 : (1) 慢 变 化 频 率 慢 变 化 发 生 在 脉 冲 与 脉 冲 之 间, 而 脉 冲 内 的 频 率 基 本 上 是 一 致 且 稳 定 的 引 起 频 率 慢 变 化 的 原 因 很 多, 如 电 源 电 压 不 稳, 以 致 使 调 制 器 输 出 来 的 脉 冲 幅 度 不 均 匀 ; 又 如 负 载 变 化 产 生 频 率 牵 引, 阳 极 块 温 度 变 化 ; 设 备 转 动 使 阴 极 对 阳 极 位 置 发 生 移 动 及 灯 变 形 使 阴 极 温 度 不 均 等 频 率 慢 变 化 可 以 用 自 动 频 率 控 制 系 统 (AFC 系 统 ) 来 稳 定 (2) 快 变 化 在 一 个 脉 冲 内 发 生 的 频 率 变 化, 可 能 是 由 于 阳 极 电 流 波 动 引 起 的 电 子 频 移, 为 此 要 求 脉 冲 电 压 平 顶 变 化 小 于 2%~5%, 有 时 甚 至 要 求 小 于 1%, 这 样 可 以 限 制 电 流 变 化 到 l0% 或 更 小 一 些 此 外, 调 制 器 脉 冲 前 沿 后 沿 的 上 升 和 下 降 的 速 率 太 慢, 可 能 激 励 起 低 压 型 寄 生 振 荡, 也 引 起 脉 冲 内 频 率 变 化, 寄 生 振 荡 可 以 从 磁 控 管 的 高 频 脉 冲 包 络 看 出 因 此 一 般 要 求 脉 冲 电 压 前 沿 为 脉 冲 宽 度 的 (10%~20%), 后 沿 为 脉 冲 宽 度 的 (20%~30%) 6.X 射 线

83 高 功 率 磁 控 管 不 仅 从 阴 极 而 且 从 磁 控 管 的 输 出 波 导 都 能 发 射 很 强 的 X 射 线, 这 是 所 有 磁 控 管 的 特 性,X 射 线 的 强 度 随 阳 极 电 压 增 高 而 加 大 要 求 对 X 射 线 辐 射 有 足 够 的 屏 蔽, 防 止 危 害 人 体 的 健 康 二 速 调 管 放 大 器 大 功 率 速 调 管 在 微 波 电 子 管 中 占 有 重 要 的 地 位 由 于 它 具 有 输 出 功 率 大 增 益 高 寿 命 长 及 稳 定 性 好 等 特 点, 所 以 在 雷 达 通 信 微 波 加 热 以 及 电 子 直 线 加 速 器 等 方 面 获 得 了 广 泛 的 应 用 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 多 采 用 速 调 管 微 波 功 率 源 由 于 速 调 管 的 内 阻 比 磁 控 管 高, 因 此 需 要 调 制 器 提 供 150~200kV 的 高 压 脉 冲 电 压, 整 个 设 备 较 为 庞 大 并 配 有 油 箱, 不 宜 旋 转, 不 能 像 磁 控 管 那 样 可 装 在 回 转 机 架 中, 需 通 过 旋 转 波 导 接 头 与 回 转 机 架 中 的 微 波 传 输 系 统 连 接 速 调 管 价 格 昂 贵, 使 用 和 维 护 的 好 坏 直 接 影 响 其 性 能 及 寿 命, 对 于 使 用 人 员 来 说, 了 解 其 结 构 及 基 本 工 作 原 理 是 非 常 重 要 的 (c) 现 场 实 物 图 图 速 调 管 放 大 器 的 结 构 ( 一 ) 速 调 管 放 大 器 的 结 构 及 基 本 工 作 原 理 如 图 所 示, 速 调 管 是 通 过 电 子 注 与 高 频 场 的 相 互 作 用 将 直 流 能 量 转 换 成 高 频 能 量 的 微 波 放 大 器 件 其 工 作 原 理 简 述 如 下 : 从 阴 极 发 射 的 电 子 经 电 子 枪 高 压 加 速 的 作 用 形 成 均 匀 的 电 子 注, 穿 过 一 系 列 谐 振 腔 到 达 收 集 极 如 果 有 高 频 信 号 馈 送 到 输 入 腔, 并 且 与 腔 谐 振, 则 将 在 输 入 腔 中 激 起 高 频 振 荡 电 子 注 穿 过 腔 的 间 隙 时, 受 到 高 频 场 的 作 用, 在 正 半 周 穿 过 间 隙 的 电 子 受 到 减 速, 而 负 半 周 穿 过 的 电 子 受 到 加 速, 即 受 到 速 度 调 制, 电 子 速 度 变 得 有 快 有 慢 在 漂 移 管 中 继 续 前 进 的 过 程 中, 快 电 子 将 逐 渐 赶 上 慢 电 子, 使 电 子 注 中 的 电 子 分 布 疏 密 不 匀, 这 种 现 象 称 为 群 聚 群 聚 的 电 子 注 穿 过 第 二 腔 时, 将 在 腔 内 感 应 起 高 频 电 流 由 于 第 二 腔 也 调 谐 在 工 作 频 率, 感 应 电 流 将 激 起 比 第 一 腔 更 强 的 高 频 振 荡, 反 过 来, 又 使 电 子 注 受 到 更 强 的 速 度 调 制 如 此 反 复, 当 电 子 注 进 入 第 三 腔 第 四 腔 ( 输 出 腔 ) 时, 激 起 一 次 比 一 次 更 强 的 高 频 振 荡 振 荡 的 能 量 通 过 输 出 腔 的 稠 合 机 构 传 到 输 出 波 导, 再 通 过 输 出 窗 输 出 在 速 调 管 中 电 子 注 经 历 了 速 度 调 制 群 聚 激 励 谐 振 腔 再 调 制 再 群 聚 再 激 励 的 反 复 过 程, 电 子 注 的 一 部 分 能 量 转 换 成 了 高 频 能 量, 而 剩 余 的 能 量 在 最 终 轰 击 收 集 极 时 转 化 为 热 能 被 消 耗

84 整 个 速 调 管 ( 图 3-5-5) 的 组 成 除 了 电 子 枪 RF 射 频 腔 和 收 集 极 以 外, 还 有 维 持 电 子 注 不 发 散 的 聚 焦 系 统, 以 防 止 电 子 注 在 漂 移 过 程 中 打 到 边 壁 上 损 坏 速 调 管 此 外, 因 为 速 调 管 是 作 为 功 率 放 大 器 工 作 的, 还 必 需 有 外 加 的 低 功 率 微 波 输 入, 通 常 是 通 过 波 导 或 同 轴 的 耦 合 方 式 激 励 输 入 腔 聚 焦 线 圈 收 集 极 阴 极 灯 丝 阳 极 射 频 输 入 腔 射 频 输 出 窗 图 速 调 管 放 大 器 工 作 过 程 示 意 图 为 了 保 证 正 常 工 作, 速 调 管 的 各 部 分 ( 收 集 极 管 体 电 磁 线 圈 电 子 枪 及 输 出 窗 等 ) 均 有 必 需 的 冷 却 系 统, 分 别 有 油 冷 和 水 冷 等 方 式 高 功 率 速 调 管 通 常 都 配 带 有 钛 泵, 用 以 维 持 管 内 的 高 真 空, 并 用 作 真 空 度 的 监 测 ( 二 ) 微 波 激 励 源 微 波 激 励 源 是 用 作 高 功 率 速 调 管 放 大 器 的 激 励 级, 具 有 可 靠 性 高 抗 干 扰 能 力 强 及 易 于 操 作 等 优 点 通 常 是 采 用 频 率 稳 定 性 很 高 的 固 态 振 荡 器 输 出 小 功 率 的 连 续 波 信 号, 再 经 PIN 二 极 管 调 制 成 一 定 脉 宽 的 脉 冲 信 号, 最 后 经 几 级 功 率 放 大, 达 到 数 百 瓦 的 功 率 电 平 输 出, 用 于 速 调 管 的 输 入 激 励 源 的 特 性 是 按 照 速 调 管 的 工 作 要 求 来 确 定 的, 主 要 包 括 有 工 作 频 率 及 带 宽 频 率 稳 定 度 输 出 微 波 的 脉 冲 功 率 及 脉 宽 和 脉 冲 重 复 频 率 等 技 术 指 标 速 调 管 调 谐 的 频 率 及 带 宽 和 频 率 的 稳 定 度 主 要 是 由 激 励 源 来 决 定 的 ; 在 一 定 的 增 益 条 件 下, 速 调 管 输 出 的 脉 冲 功 率 则 随 激 励 源 输 出 的 脉 冲 功 率 而 变 化, 激 励 源 的 输 出 功 率 对 速 调 管 来 说, 则 为 输 入 功 率 例 : 激 励 源 输 出 脉 冲 功 率 300W, 输 入 到 增 益 约 为 40dB 的 速 调 管, 则 放 大 后 输 出 的 脉 冲 功 率 约 为 3MW ( 三 ) 速 调 管 的 使 用 及 维 护 速 调 管 放 大 器 的 特 性, 主 要 的 电 气 运 行 指 标 有 输 出 功 率 效 率 增 益 频 宽 及 寿 命 等 结 构 特 性 包 括 尺 寸 重 量 外 形 及 聚 焦 和 冷 却 系 统 等 衡 量 速 调 管 的 寿 命 指 标 有 以 下 几 种 不 同 的 定 义 : 高 压 小 时 是 指 管 子 实 际 工 作 的 总 小 时 数 ( 即 加 有 高 压 和 有 高 频 输 出 ); 灯 丝 小 时 指 加 有 灯 丝 电 压 的 总 小 时 数 ; 贮 存 寿 命 指 管 子 出 厂 后 允 许 存 放 而 不 失 效 的 时 间 速 调 管 非 常 昂 贵, 并 且 任 何 粗 心 都 可 能 导 致 其 损 坏, 速 调 管 使 用 和 维 护 的 好 坏 直 接 影 响 管 子 的 性 能 和 寿 命 医 用 加 速 器 系 统 已 按 照 速 调 管 厂 家 提 供 的 性 能 指 标 工 作 状 态 及 额 定 工 作 参 数 预 定 了 运 行 模 式, 设 置 了 高 压 过 压 过 流 高 频 打 火 真 空 及 温 控 等 各 种 连 锁 保 护 控 制 系 统 工 作 人 员 一 定 要 严 格 遵 守 操 作 规 程 并 履 行 维 护 与 保 养 的 要 求 在 此 对 以 下 几 点 加 以 强 调 说 明 1. 保 护 高 压 绝 缘 (1) 大 功 率 速 调 管 工 作 电 压 高 达 100kV 以 上, 耐 压 是 重 要 的 问 题, 多 采 用 了 将 电 子 枪 灯 丝 及 阴 极 高 压 部 分 浸 泡 在 变 压 器 油 箱 内 以 保 证 高 压 绝 缘 速 调 管 和 磁 场 线 圈 的 安 装 与 拆 卸 时, 必 须 避 免 有 水 进 人 高 压 油 箱, 否 则 将 导 致 所 有 高 压 油 报 废 管 子 安 装 试 水 要 在 与 高 压 系 统 相 接 之 前 进 行 ; 管 子 拆 卸 应 事 先 放 水 或 者 采 用 压 缩 空 气 排 水 (2) 速 调 管 安 装 与 拆 卸 时, 不 要 用 手 触 模 陶 瓷, 保 持 各 个 瓷 件 的 干 净, 避 免 污 染 陶 瓷,

85 否 则 将 引 起 绝 缘 电 阻 下 降, 易 引 起 高 压 放 电 2. 重 视 冷 却 系 统 (1) 高 功 率 速 调 管 的 效 率 一 般 约 30%~50%, 即 电 子 注 的 直 流 功 率 有 很 大 一 部 分 未 转 换 为 微 波 功 率, 而 是 在 速 调 管 内 转 换 为 热 能 了 电 子 剩 余 的 功 率 绝 大 部 分 耗 散 在 收 集 极 上, 必 须 高 度 重 视 收 集 极 的 冷 却 此 外, 尚 有 百 分 之 几 的 散 焦 电 子 打 到 管 体 的 其 他 部 位, 如 果 这 部 分 热 量 不 能 及 时 传 出, 会 使 管 体 温 度 显 著 上 升, 引 起 放 气 频 率 漂 移 输 出 功 率 不 稳 等 问 题, 严 重 的 可 使 漂 移 管 阳 极 头 等 处 烧 熔 因 此 管 体 的 冷 却 也 是 至 关 重 要 的 (2) 开 机 前 必 须 检 查 循 环 水 系 统 是 否 正 常 工 作, 保 证 各 部 分 ( 包 括 收 集 极 管 体 电 磁 线 包 输 出 宙 及 电 子 枪 等 ) 冷 却 所 需 要 的 水 流 量, 进 口 允 许 的 最 高 水 温 最 高 水 压 及 压 头 损 失 等 均 属 正 常 状 态 (3) 在 安 装 和 更 换 速 调 管 以 及 安 装 磁 场 线 圈 时, 一 定 要 防 止 漏 水 事 故 试 水 时 入 水 阀 门 缓 缓 打 开, 首 先 压 力 不 要 太 大, 确 定 无 漏 水 现 象 时 再 加 大 一 些 水 流 量 ( 准 备 一 些 吸 水 棉 纱 围 在 水 嘴 边 上 以 防 万 一 ) 重 复 上 述 过 程 直 到 达 所 需 水 流 量, 保 证 无 漏 水 现 象 3. 维 护 真 空 状 态 (1) 高 功 率 速 调 管 通 常 都 配 带 有 钛 泵, 用 以 维 持 管 内 的 高 真 空, 并 用 作 真 空 度 的 监 测 直 流 高 压 老 练 和 高 频 测 试 前 一 定 先 启 动 钛 泵 电 源, 检 查 钛 泵 是 否 工 作 正 常 通 过 监 视 钛 泵 电 流 的 变 化, 可 以 及 时 发 现 由 于 管 内 打 火 或 散 焦 电 流, 引 起 的 真 空 度 变 化 (2) 管 子 在 不 使 用 时, 必 须 贮 存 在 洁 净, 阴 凉, 干 燥 的 环 境 中, 并 定 期 启 动 一 次 钛 泵, 以 保 证 真 空 度 良 好 三 微 波 传 输 元 件 微 波 元 件 的 功 能 在 于 对 微 波 进 行 各 种 变 换, 以 满 足 微 波 定 向 传 输 系 统 的 各 种 要 求 下 面 我 们 主 要 将 介 绍 与 医 用 电 子 直 线 加 速 器 微 波 系 统 有 关 的 各 种 波 导 元 件 的 功 能 特 性 及 基 本 的 工 作 原 理 然 后 再 举 例 分 析 几 种 典 型 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 微 波 传 输 系 统 ( 一 ) 波 导 元 件 1. 波 导 接 头 波 导 联 接 技 术 是 保 证 微 波 正 常 传 输 的 重 要 环 节, 特 别 是 高 功 率 传 输 系 统 的 连 接, 不 但 要 保 证 良 好 的 电 接 触, 还 要 有 足 够 好 的 气 密 性, 以 保 证 对 系 统 真 空 度 或 充 气 系 统 漏 气 率 的 要 求 如 果 连 接 不 好, 则 可 能 会 引 起 一 些 不 良 的 结 果, 如 可 能 增 加 接 触 损 耗 或 在 接 头 处 发 生 反 射 ; 甚 至 会 在 传 输 大 功 率 时 发 生 放 电 打 火 现 象, 影 响 稳 定 传 输 (1) 矩 形 波 导 接 头 TE 10 型 的 矩 形 波 导 的 宽 边 有 纵 向 电 流, 在 窄 边 没 有 纵 向 电 流, 只 有 横 向 电 流, 因 此 保 证 波 导 宽 边 的 良 好 接 触 是 非 常 重 要 的 对 于 低 功 率 传 输 系 统, 通 常 采 用 接 触 式 法 兰 连 接 即 可 但 在 高 功 率 微 波 传 输 时, 则 法 兰 平 面 必 须 磨 平, 要 有 较 高 的 光 洁 度, 法 兰 的 定 位 孔 也 要 求 准 确, 对 加 工 要 求 非 常 严 格 因 此, 高 功 率 传 输 常 用 到 如 下 图 示 的 法 兰 形 式, 以 便 于 加 工 制 造 (2) 旋 转 接 头 当 连 接 的 两 段 波 导 既 要 保 证 微 波 正 常 传 输, 还 要 允 许 一 端 的 元 件 可 以 转 动 时, 则 不 能 采 用 法 兰 固 定 连 接, 可 采 用 旋 转 接 头 旋 转 接 头 有 同 轴 线 类 型 或 圆 波 导 类 型 2. 弯 曲 波 导 在 组 成 微 波 回 路 时, 有 时 必 须 改 变 回 路 的 方 向, 以 满 足 机 械 结 构 总 体 设 计 的 要 求, 不 同 类 型 的 弯 曲 波 导 可 实 现 各 种 变 换 在 设 计 制 造 这 些 元 件 时 主 要 是 考 虑 变 换 时 防 止 波 的 反 射 或 由 于 不 均 匀 性 产 生 其 他 波 型, 增 加 附 加 的 功 率 损 耗, 为 此 弯 曲 半 径 R 越 大 越 好,L 为 λ g /4 的 奇

86 数 倍 为 好 软 波 导 在 连 接 中 有 一 定 的 柔 性, 便 于 安 装 定 位 3. 定 向 耦 合 器 定 向 耦 合 器 是 一 种 具 有 方 阶 性 的 功 率 分 配 器, 可 以 对 主 传 输 系 统 中 的 入 射 波 和 反 射 波 分 别 取 样, 用 于 监 测 系 统 的 功 率 电 平 频 率 或 频 谱, 也 可 用 来 提 供 自 动 控 制 电 路 所 需 的 信 号 所 以 定 向 耦 合 器 是 一 种 很 有 用 的 微 波 元 件 定 向 耦 合 器 的 种 类 很 多 从 结 构 上 看 有 波 导 型 同 轴 型 或 微 带 元 件, 都 是 通 过 各 种 不 同 的 小 孔 或 窄 缝 来 实 现 主 副 回 路 的 耦 合 定 向 耦 合 器 一 般 安 装 在 取 样 波 导 上 4. 波 导 分 支 及 波 导 桥 在 波 导 传 输 电 路 中, 为 了 实 现 功 率 的 分 配 或 合 成, 采 用 了 T 型 分 支 接 头, E-T 分 支 H-T 分 支 双 T( 魔 T) 接 头 元 件 和 混 合 环 ( 波 导 桥 ) 等 图 为 双 T( 魔 T) 接 头 图, 下 面 我 们 简 要 说 明 它 的 功 能 和 特 性 图 双 T( 魔 T) 接 头 图 魔 T 是 由 E-T 和 H-T 组 合 而 成, 它 不 但 兼 有 二 者 的 某 些 特 性, 同 时 还 具 有 了 不 同 于 二 者 的 新 特 点 微 波 网 络 理 论 推 导 并 为 实 验 所 证 明, 对 于 单 独 的 E-T 或 H-T 接 头, 通 常 从 1 口 (A 臂 ) 输 入 微 波, 共 线 臂 的 2 口 (B 臂 ) 有 功 率 输 出, 反 之 亦 然 但 是 对 于 双 T 接 头,3 口 (E 臂 ) 和 4 口 (H 臂 ) 是 相 互 隔 离 的, 共 线 臂 的 两 端 也 是 相 互 不 通 的 ; 从 1 口 到 2 口 的 传 输 通 常 要 利 用 经 过 3 口 和 4 口 的 反 射 波 才 有 可 能 5. 波 导 窗 直 线 加 速 器 的 微 波 传 输 系 统, 为 了 提 高 功 率 容 量, 防 止 击 穿 打 火, 通 常 波 导 系 统 是 充 气 以 提 高 击 穿 场 强 的, 而 为 了 加 速 电 子, 加 速 管 必 须 是 抽 真 空 的 波 导 窗 的 作 用 就 是 联 接 并 密 封 真 空 和 充 气 部 分, 而 又 能 让 微 波 顺 利 传 输 即 当 微 波 通 过 它 时, 功 率 反 射 小, 损 耗 少 波 导 窗 的 结 构 ( 图 3-5-7) 通 常 采 用 的 盒 形 窗, 一 段 圆 波 导 中 焊 接 了 一 个 介 质 窗 片, 常 用 材 料 是 95 瓷, 厚 度 一 般 约 2~3mm, 保 证 足 够 的 机 械 强 度, 并 减 少 损 耗 与 圆 波 导 ( 窗 体 ) 两 端 连 接 的 是 矩 形 波 导, 便 于 和 其 他 矩 形 波 导 元 件 连 接 因 此 存 在 矩 形 波 导 TE 10 波 和 圆 波 导 TE 11 波 的 转 换 和 匹 配 问 题 例 如 国 产 电 子 直 线 加 速 器 应 用 的 盒 形 窗, 驻 波 比 都 在 1.05 左 右, 并 能 承 受 绝 对 压 力 大 于 三 个 大 气 压, 脉 冲 功 率 高 达 数 MW, 真 空 气 密 性 好 于 Torr L/s 高 功 率 波 导 窗 还 常 在 窗 体 外 加 有 水 套, 供 通 冷 却 水 用 6. 模 式 ( 波 型 ) 转 换 器 组 成 微 波 传 输 系 统 的 各 个 元 件, 结 构 不 同, 其 中 传 输 的 电 磁 波 工 作 波 型 也 是 不 相 同 的 如 同 轴 波 导 转 换 就 是 从 同 轴 图 圆 方 转 换 波 导 线 的 TEM 波 转 换 为 矩 形 波 导 的 TE 10 ; 前 述 的 盒 形 窗 的 圆 波 导 工 作 于 TE 11 与 之 连 接 的 矩 形 波 导 是 TE 10, 又 如 盘 荷 波 导 及 驻 波 加 速 腔 链 是 工 作 于 类 TM 01 型

87 波, 与 之 相 连 的 传 输 波 导 也 存 在 波 型 转 换 问 题 ; 磁 控 管 的 圆 形 输 出 窗 与 矩 形 波 导 连 接 也 必 须 经 过 方 圆 转 换 元 件 如 图 所 示 模 式 转 换 器 主 要 指 标 要 求 是 转 换 中 损 耗 小, 匹 配 性 能 好, 反 射 小 7. 吸 收 负 载 在 微 波 传 输 或 元 件 测 试 系 统 中 常 要 用 到 终 端 匹 配 的 元 件, 称 为 匹 配 负 载 匹 配 负 载 主 要 是 利 用 介 质 吸 收 系 统 输 出 的 功 率, 形 成 终 端 无 反 射 的 匹 配 状 态 用 于 小 功 率 的 吸 收 式 终 端 负 载, 一 般 可 在 10%~15% 的 频 带 内 做 到 驻 波 比 ρ<1.05 的 匹 配 程 度, 其 功 率 容 量 一 般 为 W 级 ( 平 均 功 率 ), 常 用 于 微 波 测 量 中 对 于 直 线 加 速 器 传 输 系 统 常 需 要 的 是 能 吸 收 平 均 功 率 达 几 百 至 几 千 瓦 的 匹 配 负 载 干 式 风 冷 大 功 率 负 载, 采 用 的 是 固 体 吸 收 材 料, 如 碳 化 硅 和 羧 基 铁 等 干 负 载 牢 固 可 靠, 不 需 要 附 加 供 水 系 统, 无 漏 水 隐 患, 功 率 容 量 略 小 于 水 负 载 用 水 作 吸 收 介 质, 微 波 透 入 水 中, 被 水 吸 收 后 转 变 成 热 能, 在 流 动 阶 情 况 下 被 水 带 出, 这 种 体 吸 收 式 的 水 负 载, 适 当 设 计 水 管 形 状, 驻 波 比 可 达 ρ<1.05~1.20 左 右, 使 用 这 种 大 功 率 吸 收 负 载 时 要 注 意 玻 璃 管 内 不 能 有 气 泡, 否 则 会 因 为 局 部 吸 收 功 率 增 加 而 导 致 玻 璃 管 破 裂, 因 此 在 第 一 次 通 水 时 要 注 意 排 气 也 有 用 有 机 玻 璃 做 水 管 的, 其 优 点 是 不 易 破 裂 现 已 发 展 有 干 负 载 吸 收, 外 加 水 冷 系 统 的 大 功 率 负 载 8. 衰 减 器 和 移 相 器 为 了 调 节 传 输 的 微 波 功 率 电 平 或 改 变 微 波 信 号 的 相 位, 在 微 波 电 路 中 常 用 到 衰 减 器 或 移 相 器 元 件 衰 减 器 通 常 是 在 波 导 中 放 置 一 片 与 吸 收 负 载 类 似 的 吸 收 介 质 片, 放 置 的 方 向 与 电 场 方 向 平 行 原 则 上 吸 收 片 离 宽 边 中 心 线 越 近, 由 于 电 场 越 强 则 衰 减 量 越 大 至 于 移 相 器, 由 于 波 的 相 移 等 于 相 移 常 数 与 长 度 的 乘 积 所 以 改 变 波 导 长 度 或 改 变 相 移 常 数 均 可 移 相 一 般 改 变 波 导 长 度 不 方 便, 而 在 波 导 中 类 似 衰 减 器 的 结 构 中 插 入 不 吸 收 微 波 功 率 的 介 质 片, 由 于 介 质 系 数 变 化 改 变 相 移 常 数, 达 到 移 相 目 的 9. 铁 氧 体 隔 离 器 及 环 流 器 为 了 防 止 传 输 系 统 中 产 生 的 反 射 波 进 入 微 波 功 率 源, 影 响 其 工 作 的 稳 定 和 安 全, 通 常 要 用 到 隔 离 去 耦 元 件 隔 离 器 和 环 流 器 就 是 对 传 输 的 入 射 波 和 反 射 波 呈 现 方 向 性 的 元 件, 都 是 从 射 频 来 入 射 波 高 功 率 负 载 反 射 波 取 样 入 射 波 取 样 低 功 率 负 载 连 接 波 导 图 四 端 环 流 图 四 端 环 流 器 各 部 件 应 用 铁 氧 体 材 料 铁 氧 体 材 料 是 微 波 技 术 中 常 用 的 材 料, 它 具 有 各 向 异 性, 是 一 种 黑 褐 色 的 陶 瓷, 性 硬 而 脆, 是 由 氧 化 铁 和 其 他 金 属 氧 化 物 绕 结 而 成 利 用 其 铁 磁 谐 振 效 应 可 制 成 很 多 未 必 器 件, 如 : 谐 振 式 隔 离 器 铁 氧 体 环 流 器 ( 三 端 环 流 器 四 端 环 流 器 ) 及 铁 氧 体 移 相 器

88 图 为 四 端 环 流 器 (4Port-circulator) 实 物 图, 图 为 四 端 环 流 器 各 相 关 部 件, 图 为 四 端 环 流 器 在 直 线 加 速 器 中 安 装 位 置 传 输 波 导 旋 转 组 件 图 四 端 环 流 器 在 直 线 加 速 器 中 安 装 位 置 ( 二 ) 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 微 波 传 输 系 统 对 于 行 波 加 速 器 的 微 波 传 输 系 统, 因 为 医 用 行 波 电 子 直 线 加 速 器, 前 后 有 输 入 和 输 出 稠 合 器, 通 频 带 较 宽, 一 般 耦 合 器 和 行 波 加 速 管 调 配 后, 铁 氧 体 部 件 要 吸 收 的 反 射 功 率 不 会 太 大 ( 如 用 M5125 磁 控 管, 反 射 功 率 平 均 值 仅 达 100~200W), 所 以 行 波 加 速 管 微 波 传 输 系 统 用 一 个 承 受 反 射 功 率 不 大, 反 向 隔 离 也 不 太 大 的 谐 振 式 隔 离 器 就 可 以 了 它 的 结 构 比 环 流 器 简 单, 体 积 小, 价 格 也 较 便 宜 为 了 保 证 行 波 运 行 方 式, 在 输 出 稠 合 器 终 端 配 有 吸 收 高 功 率 的 水 负 载 对 于 驻 波 加 速 器 的 微 波 传 输 系 统, 因 为 驻 波 加 速 管 实 际 是 一 个 高 Q 的 谐 振 腔, 频 带 宽 度 仅 为 200~300kHz, 磁 控 管 或 加 速 管 工 作 稍 不 正 常 就 会 失 谐, 形 成 全 反 射, 反 射 功 率 的 平 均 值 达 kw 量 级, 一 般 谐 振 式 隔 离 器 承 受 不 了 这 样 大 的 反 射 因 此 驻 波 加 速 器 一 般 都 采 用 铁 氧 体 环 流 器 当 隔 离 器 用 因 为 对 于 环 流 器 来 讲 反 射 功 率 被 送 到 另 一 个 大 功 率 水 负 载 吸 收 的, 并 不 消 耗 在 铁 氧 体 上 功 率 源 功 率 小 于 2MW( 脉 冲 功 率 ) 的 驻 波 加 速 器 可 用 三 端 环 流 器, 对 于 能 量 较 高 的 驻 波 加 速 器, 功 率 源 可 输 出 更 高 的 功 率, 则 采 用 以 承 受 更 高 功 率 的 四 端 环 流 器 如 图 所 示 的 西 门 子 公 司 的 Mevatron77,20MeV 的 驻 波 加 速 器 采 用 四 端 环 流 器

89 第 六 节 稳 频 系 统 电 子 直 线 加 速 器 微 波 功 率 源 的 振 荡 频 率 必 须 与 加 速 管 的 工 作 频 率 相 一 致, 才 能 保 证 加 速 器 稳 定 地 工 作, 否 则 就 会 因 为 频 率 的 偏 离, 造 成 电 子 能 量 的 降 低 和 电 子 能 谱 的 增 宽, 从 而 导 致 加 速 器 输 出 剂 量 率 的 降 低, 甚 至 导 致 停 止 出 束 因 此 电 子 直 线 加 速 器 中 都 设 有 自 动 稳 频 系 统 (auto frequency control system,afc) 行 波 加 速 管 是 带 通 器 件, 工 作 频 率 不 止 一 个, 各 个 工 作 频 率 是 根 据 动 力 学 计 算 结 果 选 择 的 ; 驻 波 加 速 管 是 点 频 器 件, 工 作 频 率 就 是 驻 波 加 速 管 的 主 谐 振 频 率 电 子 直 线 加 速 器 使 用 的 自 动 稳 频 系 统 有 四 种 : 晶 振 型 单 腔 型 双 腔 型 和 锁 相 型 前 两 种 已 不 再 使 用 目 前 双 腔 型 用 于 行 波 加 速 管, 锁 相 型 主 要 用 于 驻 波 加 速 管, 后 者 在 行 波 加 速 管 中 也 被 使 用 一 双 腔 自 动 稳 频 系 统 ( 一 ) 双 腔 稳 频 系 统 的 工 作 原 理 1. 单 腔 的 频 率 特 性 双 腔 鉴 频 器 是 用 一 对 一 端 短 路 的 λ/4 同 轴 谐 振 腔 构 成, 在 腔 的 开 路 端 插 入 聚 四 氟 乙 烯 活 塞, 活 塞 与 内 导 体 之 间 形 成 一 个 附 加 电 容, 当 活 塞 向 内 移 动 时, 电 容 增 加, 谐 振 频 率 下 降 ; 反 之, 活 塞 向 外 移 动 时, 电 容 下 降, 谐 振 频 率 增 加 在 同 轴 谐 振 腔 的 侧 壁 还 设 有 调 谐 螺 钉, 用 于 进 行 频 率 微 调 同 轴 谐 振 腔 的 品 质 因 素 Q 与 稳 频 的 灵 敏 度 有 关,Q 高 对 频 偏 反 应 灵 敏, 但 搜 索 范 围 窄, Q 低 则 反 应 迟 钝 但 搜 索 范 围 宽, 一 般 取 Q=1500 左 右 2. 双 腔 鉴 频 器 图 双 腔 AFC 系 统 双 腔 自 动 稳 频 系 统 的 核 心 器 件 是 双 腔 鉴 频 器 它 由 装 在 同 一 个 金 属 壳 体 内 的 两 个 λ/4 同 轴 谐 振 腔 组 成, 两 个 谐 振 腔 的 谐 振 频 率 不 同, 分 别 叫 高 腔 和 低 腔 3. 双 腔 稳 频 原 理

90 双 腔 自 动 稳 频 系 统 的 稳 定 点 是 由 鉴 频 器 决 定 的, 该 稳 定 点 选 择 等 于 行 波 加 速 管 的 一 个 工 作 频 率, 鉴 频 器 的 稳 定 点 始 终 与 加 速 管 的 工 作 频 率 保 持 一 致, 由 鉴 频 器 控 制 微 波 功 率 源 的 输 出 频 率 以 下 将 以 磁 控 管 为 例 作 为 微 波 功 率 源 来 说 明 系 统 的 工 作 原 理 ( 图 3-6-1) 装 在 磁 控 管 与 环 流 器 之 间 的 取 样 波 导 上 的 二 个 定 向 耦 合 器 ( 微 波 探 针 ) 引 出 微 波 功 率, 作 为 频 率 取 样, 激 励 双 腔 从 高 腔 和 低 腔 输 出 的 脉 冲 信 号 由 二 极 管 检 波, 经 过 放 大, 放 大 后 的 脉 冲 信 号 经 峰 值 取 样 电 路 转 换 为 直 流 电 平, 送 至 差 分 放 大 器 差 分 放 大 器 的 输 出 与 高 低 腔 脉 冲 幅 度 的 差 值 成 比 例, 此 输 出 经 电 机 驱 动 电 路 产 生 驱 动 电 压 来 驱 动 磁 控 管 调 谐 杆 的 电 机, 从 而 改 变 磁 控 管 的 振 荡 频 率 当 磁 控 管 的 振 荡 频 率 与 鉴 频 器 设 置 的 工 作 频 率 ƒ n 相 等 时, 高 腔 和 低 腔 的 输 出 相 等, 差 分 放 大 器 的 输 出 为 零, 此 时 不 进 行 调 节 当 磁 控 管 的 振 荡 频 率 大 于 加 速 管 的 工 作 频 率 时, 高 腔 的 输 出 增 大, 低 腔 的 输 出 减 小, 差 分 放 大 器 的 输 出 值 为 正, 此 正 值 输 出 将 驱 动 磁 控 管 的 调 谐 杆, 使 磁 控 管 的 振 荡 频 率 降 低, 直 至 差 分 放 大 器 的 输 出 为 零, 回 到 磁 控 管 的 振 荡 频 率 与 加 速 管 的 工 作 频 率 相 等 的 状 态 当 磁 控 管 的 振 荡 频 率 小 于 加 速 管 的 工 作 频 率 时, 情 况 与 上 述 相 反 双 腔 自 动 稳 频 系 统 内 通 常 有 双 腔 内 活 塞 位 置 的 显 示 和 系 统 偏 差 的 显 示 前 面 所 说 的 取 样 电 位 器 的 电 压, 可 送 到 一 个 仪 表 去 显 示 双 腔 内 活 塞 的 位 置 差 分 放 大 器 的 输 出 电 压, 可 送 到 一 个 仪 表 去 显 示 系 统 的 偏 差 行 波 加 速 管 的 工 作 频 率 会 受 加 速 管 的 温 度 的 影 响 而 波 动, 为 此 双 腔 鉴 频 器 的 金 属 壳 体 内 设 有 水 套, 内 通 恒 温 水, 该 恒 温 水 应 与 加 速 管 的 恒 温 水 相 连 通, 这 样 可 使 鉴 频 器 的 温 度 与 加 速 管 的 温 度 始 终 一 致 4. 双 腔 稳 频 系 统 电 路 双 腔 稳 频 系 统 电 路 如 图 所 示 图 双 腔 稳 频 系 统 电 路

91 从 图 看 到, 在 差 分 放 大 器 的 输 出 端 有 一 个 开 关, 开 关 闭 合 ( 即 在 自 动 位 ), 自 动 稳 频 系 统 工 作 开 关 打 开 ( 即 在 手 动 位 ), 自 动 稳 频 系 统 不 工 作, 但 可 用 两 个 按 钮 分 别 让 磁 控 管 的 调 谐 杆 向 不 同 的 方 向 转 动, 从 而 可 手 动 改 变 磁 控 管 的 振 荡 频 率 这 些 是 为 了 系 统 的 调 整 而 设 置 的 行 波 加 速 管 可 以 依 靠 改 变 工 作 频 率 来 改 变 加 速 能 量, 因 此, 双 腔 型 自 动 稳 频 系 统 应 该 能 在 不 同 能 量 的 模 式 下, 使 磁 控 管 在 不 同 的 振 荡 频 率 下 工 作 亦 即 鉴 频 器 应 有 不 同 的 稳 定 点 ( 二 ) 双 腔 AFC 的 调 整 以 下 在 不 涉 及 具 体 电 路 的 前 提 下 阐 述 一 些 有 关 系 统 调 整 的 要 点 1. 双 腔 自 动 稳 频 系 统 的 调 整 步 骤 (1) 双 腔 鉴 频 器 的 工 作 点 ƒ n 对 水 温 非 常 敏 感, 因 此 在 调 整 前 先 要 检 查 水 温 (2) 在 不 加 高 压 时, 做 各 放 大 器 的 静 态 调 零 (3) 加 高 压 和 电 子 枪, 用 手 动 调 磁 控 管 的 振 荡 频 率, 设 法 得 到 最 大 剂 量 率 如 有 波 长 计, 可 记 下 此 时 的 频 率 值 ƒ n (4) 关 掉 电 子 枪, 继 续 加 着 高 压, 手 动 调 节, 使 高 腔 得 到 最 大 输 出 ( 即 使 其 工 作 在 频 率 ƒ n 十 ƒ), 同 时 调 放 大 器 的 增 益 使 放 大 器 的 输 出 达 最 大 值 Vmax (5) 手 动 调 节, 使 低 腔 得 到 最 大 输 出 ( 即 使 其 工 作 在 频 率 ƒ n - ƒ), 同 时 调 放 大 器 的 增 益 使 放 大 器 的 输 出 达 最 大 值 Vmax (6) 再 次 加 高 压 和 电 子 枪, 手 动 调 磁 控 管 的 振 荡 频 率, 得 到 最 大 剂 量 率, 检 查 系 统 的 误 差 指 示 是 否 为 零, 如 果 不 是, 说 明 调 谐 腔 活 塞 的 位 置 不 正 确, 可 调 节 相 应 能 量 的 设 定 电 位 器, 使 得 系 统 误 差 指 示 为 零 然 后 改 为 自 动 调 节 即 可 2. 波 导 内 微 波 探 针 的 调 整 在 医 用 电 子 直 线 加 速 器 验 收 完 成 后, 微 波 探 针 一 般 不 需 要 调 整, 如 果 由 于 某 种 原 因, 微 波 探 针 被 动 过 了, 这 就 需 要 重 新 调 整 微 波 探 针 在 波 导 管 内 的 深 度 可 以 调 整, 旋 转 微 波 探 针 可 以 改 变 它 在 波 导 管 中 的 角 度 调 整 时, 采 用 手 动 调 节, 当 调 谐 腔 经 检 波 后 的 输 出 达 到 最 大 值 时, 检 查 它 的 幅 值 是 否 符 合 维 修 手 册 的 规 定 如 果 不 符, 可 改 变 探 针 的 深 度 和 角 变, 使 得 此 数 值 符 合 要 求 ( 三 ) 双 腔 AFC 故 障 的 检 查 和 排 除 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 运 行 中, 如 果 发 现 剂 量 率 低 于 正 常 值, 而 其 他 系 统 未 发 现 异 常, 可 怀 疑 自 动 稳 频 系 统, 对 其 进 行 检 查 通 常 的 做 法 是 从 自 动 控 制 改 为 手 动 控 制, 用 手 动 控 制 来 改 变 磁 控 管 的 振 荡 频 率, 根 据 手 动 使 剂 量 率 恢 复 正 常 情 况, 按 步 骤 进 行 检 查 如 果 改 为 手 动 后 剂 量 率 仍 不 能 恢 复 正 常, 应 检 查 磁 控 管 调 谐 杆 的 驱 动 电 机 如 果 电 机 能 转, 则 应 检 查 电 机 与 调 谐 杆 的 传 动 有 时 会 出 现 传 动 部 分 的 故 障, 电 机 不 能 驱 动 调 谐 杆, 系 统 不 能 正 常 工 作 如 果 电 机 不 能 转 动, 则 应 检 查 电 机 及 相 关 的 电 路 有 时 也 会 发 生 电 机 损 坏 ; 电 机 安 装 位 置 不 正 确, 造 成 电 机 运 动 受 阻, 不 能 驱 动 调 谐 杆 ; 电 机 的 电 刷 接 触 不 良, 造 成 电 机 不 转 等 故 障 如 果 改 为 手 动 后 剂 量 率 能 恢 复 正 常, 应 检 查 双 腔 鉴 频 器 的 输 出, 一 般 用 示 波 器 查 看 两 路 放 大 器 输 出 端 ( 图 中 的 TP1 和 TP2) 的 波 形 此 时 剂 量 率 恢 复 为 正 常 值, 说 明 系 统 回 到 了 工 作 频 率 ƒ n, 双 腔 鉴 频 器 两 路 输 出 的 信 号 经 放 大 后 应 该 有 一 定 的 幅 度 且 相 等 根 据 此 两 点 信 号 的 有 无 和 是 否 相 等 分 为 三 种 情 况 : (1) 如 果 无 信 号 或 信 号 很 弱, 则 应 检 查 探 针 的 位 置 如 探 针 松 动, 偏 离 了 验 收 时 的 位 置, 探 针 平 面 不 与 微 波 行 进 方 向 垂 直, 因 而 耦 合 到 双 腔 的 信 号 过 弱, 会 造 成 系 统 工 作 不 正 常 (2) 如 果 TP1 和 TP2 两 点 的 波 形 幅 度 不 相 等, 则 应 检 查 双 腔 内 活 塞 位 置 的 数 值 是 否 正 确 ( 可 根 据 验 收 记 录 查 看 ) 如 果 活 塞 位 置 的 数 值 正 确, 系 统 应 能 工 作 在 ƒ n, 两 路 信 号 应 该 相 等, 现 在 不 相 等, 则 需 从 检 波 二 极 管 放 大 器 和 电 缆 等 方 面 去 查 找 可 用 分 段 交 换 两 路 连 线 的 方

92 法 来 判 断 故 障 所 在 之 处 曾 出 现 过 二 极 管 损 坏 或 一 路 电 缆 开 路 而 造 成 两 路 信 号 不 平 衡 的 故 障 例 如 有 一 台 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 活 塞 位 置 正 确 检 波 二 极 管 放 大 器 电 缆 都 没 有 问 题, 但 就 是 两 路 信 号 不 平 衡, 最 后 才 发 现, 由 于 有 水 进 到 双 腔 内, 虽 然 活 塞 位 置 正 确, 但 双 腔 的 谐 振 频 率 变 了, 造 成 两 路 信 号 不 平 衡 用 吹 风 机 烘 干 水 分 后, 故 障 排 除 当 TP1 和 TP2 两 点 的 波 形 幅 度 不 相 等 时, 如 果 活 塞 位 置 的 数 值 不 正 确, 则 应 在 能 量 选 择 预 置 板 上 调 整 相 应 能 量 的 参 考 电 压 如 果 调 整 了 参 考 电 压 能 使 TP1 和 TP2 两 点 的 波 形 幅 度 相 等, 说 明 这 是 调 整 问 题 而 非 元 件 损 坏 如 果 调 整 无 效, 则 应 检 查 与 双 腔 活 塞 运 动 有 关 的 电 路 部 分 和 机 械 部 分 曾 发 生 双 腔 活 塞 驱 动 电 机 损 坏, 活 塞 不 能 到 位 也 曾 因 取 样 电 位 器 损 坏, 活 塞 位 置 稳 定 不 下 来 还 曾 因 能 量 选 择 预 置 板 上 设 置 参 考 电 压 的 电 位 器 接 触 不 良, 活 塞 不 能 保 持 正 确 位 置 也 有 一 些 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 因 双 腔 鉴 频 器 的 活 塞 受 潮 以 后 体 积 会 膨 胀, 运 动 受 阻, 改 变 能 量 时, 活 塞 不 能 到 位, 造 成 系 统 工 作 不 正 常 (3) 如 果 TP1 和 TP2 两 点 的 波 形 幅 度 相 等, 且 活 塞 位 置 的 数 值 正 确, 则 应 检 查 差 分 放 大 器 的 输 出 端 ( 图 中 的 TP3) 此 时 因 TP1 和 TP2 两 点 的 波 形 幅 度 相 等, 差 分 放 大 器 的 输 出 应 为 零 如 果 TP3 不 为 零, 则 需 检 查 相 关 的 电 路 曾 发 生 差 分 放 大 器 损 坏, 输 出 端 始 终 为 高 电 平, 导 致 系 统 不 能 正 常 工 作 例 如 有 一 台 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 曾 因 差 分 放 大 器 的 热 特 性 不 好, 正 常 工 作 一 段 时 间 以 后, 尽 管 两 端 输 入 相 等, 但 输 出 不 为 零, 系 统 不 能 正 常 工 作 如 果 TP3 为 零, 从 手 动 控 制 改 为 自 动 控 制 后, 系 统 应 能 正 常 工 作 但 如 果 频 率 稍 有 变 化, 系 统 的 频 率 偏 离 越 来 越 大 的 话, 这 往 往 是 由 系 统 中 两 路 信 号 线 或 电 机 电 源 线 接 反 所 造 成 的 又 例 如 有 一 台 行 波 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 一 次 在 更 换 磁 控 管 调 谐 电 机 后, 系 统 仍 不 能 正 常 工 作, 就 是 因 为 调 谐 电 机 电 源 线 正 负 极 接 反 所 致 二 驻 波 锁 相 自 动 频 率 控 制 系 统 ( 一 ) 驻 波 锁 相 AFC 原 理 在 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 中, 只 有 一 个 工 作 频 率, 它 就 是 驻 波 加 速 管 的 谐 振 频 率 ƒ 0, 微 波 功 率 源 的 频 率 ƒ 必 须 等 于 驻 波 加 速 管 的 谐 振 频 率 ƒ 0 当 微 波 功 率 源 的 频 率 ƒ 偏 离 驻 波 加 速 管 的 谐 振 频 率 ƒ 0 时, 不 仅 会 引 起 能 量 及 剂 量 率 的 下 降, 而 且 会 产 生 功 率 反 射, 甚 至 不 能 工 作 锁 相 AFC 系 统 的 作 用 是 使 微 波 功 率 源 的 频 率 ƒ 自 动 跟 踪 驻 波 加 速 管 的 谐 振 频 率 ƒ 0, 令 ƒ 代 表 频 率 绝 对 偏 差 : ƒ=ƒ-ƒ 0, ƒ 的 容 许 范 围 约 为 20kHz 由 于 是 自 动 跟 踪, 当 驻 波 加 速 管 由 于 冷 却 水 温 度 波 动 或 由 于 束 流 负 载 变 化 引 起 工 作 频 率 ƒ 0 发 生 变 化 时, 微 波 功 率 源 的 频 率 ƒ 能 自 动 跟 踪 驻 波 加 速 管 的 谐 振 频 率 ƒ 0 通 常 驻 波 加 速 管 与 磁 控 管 之 间 安 装 有 环 流 器 作 为 隔 离 器 件, 在 磁 控 管 与 环 流 器 之 间 接 入 取 样 波 导 1, 所 耦 合 出 的 信 号 反 映 的 是 入 射 波 状 态, 在 环 流 器 与 环 流 器 的 吸 收 负 载 之 间 接 入 取 样 波 导 2, 所 耦 合 出 的 信 号 反 映 的 是 反 射 波 状 态, 将 两 种 信 号 经 衰 减 器 和 移 相 器 处 理 后 馈 入 微 波 环 形 电 桥 (hybrid)( 亦 称 混 合 环 ), 输 出 两 个 脉 冲 V2 V3, 再 送 入 求 和 电 路, 合 成 一 误 差 信 号 Ve Ve=k(V2+V3) Ve 的 极 性 和 幅 度 反 映 了 频 偏 ƒ 的 正 负 和 大 小 Ve 的 处 理 步 骤 一 般 为 先 经 脉 冲 放 大 器 放 大, 再 经 取 样, 选 通 电 路 选 取 误 差 信 号 波 形 中 最 佳 部 分 送 入 积 分 器 及 高 阻 抗 运 算 放 大 器 从 而 转 换 成 直 流 电 压, 最 后 经 功 率 放 大 器 去 推 动 调 谐 电 机, 控 制 磁 控 管 的 频 率 驻 波 加 速 管 是 一 种 具 有 很 高 品 质 因 数 的 谐 振 结 构, 在 脉 冲 开 始 时 的 驻 波 加 速 管 内 建 场 的 过 程 中 总 有 一 部 分 微 波 功 率 反 射 回 去, 在 脉 冲 结 束 后 储 存 在 驻 波 加 速 管 内 的 能 量 也 会 以 微 波 功 率 方 式 从 驻 波 加 速 管 中 吐 出 来, 如 果 发 生 失 谐, 更 有 大 量 微 波 功 率 反 射 回 来 往 回 射 的 微 波 功 率 形 成 反 射 波 因 此 在 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 传 输 波 导 中 存 在 入 射 波 和 反 射 波 ( 二 ) 驻 波 锁 相 AFC 系 统

93 图 是 一 种 微 波 锁 相 AFC 系 统 原 理 方 框 图 系 统 分 为 两 部 分 : 微 波 部 分, 电 控 部 分 虚 线 内 为 电 路 部 分, 其 他 为 微 波 部 分 图 微 波 锁 相 AFC 系 统 原 理 方 框 图 环 形 电 桥 是 将 微 带 电 路 蒸 发 沉 积 在 一 块 陶 瓷 片 上, 然 后 用 金 属 外 壳 封 装, 配 上 同 轴 接 头 从 取 样 波 导 1 耦 合 出 的 入 射 波 信 号 经 衰 减 器, 移 相 器 馈 入 到 微 波 环 形 电 桥 ( 亦 称 混 合 环 ) 入 口 1 从 取 样 波 导 口 2 耦 合 出 的 反 射 波 信 号 经 衰 减 器 馈 入 混 合 环 的 输 入 口 4 由 混 合 环 出 口 2 和 3 的 信 号 分 别 检 波 馈 出 脉 冲 V2 和 V3 V2 和 V3 之 间 有 个 差 信 号, 其 极 性 和 幅 度 反 映 了 频 偏 ƒ=ƒ-ƒ 0 的 正 负 和 大 小 该 信 号 再 经 过 电 路 部 分 去 驱 动 调 谐 电 机, 控 制 磁 控 管 的 谐 振 频 率 ƒ, 使 系 统 处 于 平 衡 状 态 ( 三 ) 锁 相 AFC 优 点 在 早 期 的 行 波 加 速 器 中, 采 用 晶 振 式 自 动 稳 频 系 统, 它 的 最 大 缺 点 是 把 加 速 管 的 谐 振 频 率 人 为 地 固 定 在 某 一 特 定 温 度 下 的 谐 振 频 率 ƒ t, 当 温 度 发 生 变 化 时, 腔 体 随 之 变 化, 其 谐 振 频 率 必 然 变 化, 而 不 再 是 ƒ t 温 度 每 变 化 1 C, 其 谐 振 频 率 差 数 约 为 50kHz 而 晶 振 式 稳 频 系 统 跟 踪 的 仍 然 是 ƒ t 造 成 大 的 ƒ 使 整 机 物 理 性 能 下 降, 为 了 弥 补 这 一 点, 就 需 严 格 地 控 制 加 速 管 的 温 度 恒 定 其 后, 双 腔 式 自 动 频 率 控 制 系 统 采 用 两 个 腔 体 : 高 腔 低 腔, 其 谐 振 频 率 分 别 为 ƒ 0 + ƒ, ƒ 0 - ƒ, 它 是 跟 踪 加 速 管 随 温 度 变 化 下 的 谐 振 频 率 这 比 晶 振 式 稳 频 合 理 但 是 它 要 求 高 腔

94 低 腔 与 加 速 管 的 温 度 严 格 一 致, 否 则 给 出 的 信 号 就 不 能 如 实 地 反 映 加 速 管 的 谐 振 频 率 而 锁 相 AFC 系 统 就 不 存 在 以 上 缺 点, 不 管 温 度 如 何 变 化, 其 他 外 界 条 件 变 化 如 何, 系 统 始 终 跟 踪 着 变 化 的 最 佳 频 率, 因 而 其 控 制 精 度 高, 跟 随 速 度 快, 从 而 使 整 机 物 理 性 能 指 标 得 以 保 证 ( 四 ) 锁 相 AFC 系 统 调 试 医 院 技 术 人 员 能 独 立 调 试 AFC 系 统 是 很 有 必 要 的 此 处 参 照 锁 相 AFC 系 统 方 框 图 5 13, 锁 相 AFC 系 统 电 路 图 5 20, 对 调 试 过 程 加 以 说 明 在 实 际 工 作 中 所 参 照 步 骤 调 试 医 用 电 子 加 速 器 低 压 高 压 系 统 调 试 正 常 后, 磁 控 管 脉 冲 峰 值 电 流 达 到 工 艺 文 件 要 求 数 值 时, 用 手 动 调 频 找 出 磁 控 管 与 加 速 器 最 佳 谐 振 点, 并 在 磁 控 管 调 谐 振 的 机 构 处 做 出 标 记 调 试 AFC 时 磁 控 管 的 高 压 脉 冲 幅 值 不 能 改 变, 如 果 改 变, 就 必 须 重 新 调 试 AFC 系 统 必 备 仪 器 : 示 波 器 示 波 器 必 须 具 备 以 下 功 能 : (1) 双 通 道 ; (2) 带 宽 :DC 直 至 60MHz 以 上 ; (3) 有 外 触 发 功 能 ; (4) 有 一 个 通 道 波 形 可 以 反 相 ; (5) 两 个 通 道 波 形 可 以 叠 加 1. 调 试 步 骤 (1) 从 衰 减 器 2 的 输 入 口 摘 下 反 射 波 的 信 号 线 ; (2) 将 检 波 晶 体 V2 的 输 出 线 接 到 示 波 器 通 道 1 口 (3) 将 检 波 晶 体 V3 的 输 出 线 接 到 示 波 器 通 道 2 口 (4) 示 波 器 显 示 模 式 开 关 置 于 两 通 道 波 形 同 时 显 示 的 位 置 ; (5) 电 子 加 速 器 预 热 系 统 正 常 启 动 高 压 准 备 状 态 ; (6) 调 整 衰 减 器 1, 使 示 波 器 上 两 通 道 脉 冲 波 形 幅 值 为 0.4V; 记 下 衰 减 器 上 的 刻 度 ; (7) 按 停 束 键, 切 断 调 制 器 高 压 ; (8) 摘 掉 入 射 波 的 信 号 线 ( 在 衰 减 器 1 的 输 入 口 ); (9) 将 反 射 波 的 信 号 线 接 到 衰 减 器 2 的 输 入 口 (10) 按 出 束 键 ; (11) 调 整 衰 减 器 2, 使 示 波 器 两 通 道 脉 冲 波 形 幅 值 为 0.4V, 记 下 衰 减 器 上 的 刻 度 值 ; (12) 按 停 束 键 ; (13) 将 入 射 波 的 信 号 线 接 到 衰 减 器 1 的 输 入 口 上 ; (14) 将 示 波 器 的 II 道 波 形 选 择 开 关 置 于 反 相 位 置 ; (15) 将 示 波 器 显 示 模 式 开 关 置 于 叠 加 状 态 ; (16)AFC 系 统 的 工 作 方 式 置 于 手 动 工 作 模 式 ; (17) 这 时 示 波 器 上 只 有 一 个 波 形 显 示, 我 们 称 之 为 合 成 信 号 ; (18) 用 增 频 和 减 频 按 钮, 以 剂 量 率 最 大 为 依 据 ( 从 剂 量 率 表 头 观 察 ), 手 动 方 式 找 出 加 速 管 最 佳 谐 振 频 率 ; (19) 剂 量 率 最 大 时, 示 波 器 上 波 形 近 似 为 一 条 在 零 线 附 近 的 水 平 线 ; (20) 如 果 剂 量 率 最 大 时, 示 波 器 上 的 波 形 不 是 一 条 近 似 直 线, 而 是 4.2us 的 脉 冲 ( 或 正 或 负 ), 就 应 该 微 调 衰 减 器 1 衰 减 器 2, 使 其 为 近 似 一 条 直 线 ; (21) 按 增 频 按 钮, 增 频 指 示 灯 亮, 改 变 磁 控 管 的 振 荡 频 率, 偏 离 加 速 管 的 最 佳 谐 振 频 率, 剂 量 率 逐 渐 下 降, 示 波 器 上 的 波 形 幅 值 逐 渐 加 大 ; (22) 按 减 频 按 钮, 减 频 指 示 灯 亮, 改 变 磁 控 管 的 振 荡 频 率, 剂 量 率 逐 渐 加 大, 示 波 器 上 的 波 形 逐 渐 回 零 ;

95 (23) 再 继 续 按 减 频 按 钮, 随 着 磁 控 管 振 荡 频 率 下 降, 剂 量 率 逐 渐 下 降, 示 波 器 上 的 波 形 脉 冲 幅 值 变 负, 绝 对 值 逐 渐 增 加 ; (24) 反 复 观 察 3 次, 如 果 满 足 步 骤 21~23 条, 可 以 进 行 下 一 步 调 试 ; 如 果 不 满 足 步 骤 21`23 条, 则 应 改 变 移 相 器 调 节 位 置 来 满 足 21~23 条 步 骤 ; 改 变 移 相 器 调 节 位 置 前, 先 用 手 动 调 谐 把 剂 量 率 调 到 最 大, 再 改 变 移 相 器 调 节 位 置, 使 示 波 器 上 合 成 信 号 为 零, 重 复 调 试 步 骤 21~23 条, 如 果 新 的 点 位 处 仍 不 符 合 步 骤 21~23 条, 再 找 新 的 位 置, 使 其 满 足 步 骤 27~29 条 ; (25) 按 停 束 键 ; (26) 将 接 到 示 波 器 通 道 I 上 的 同 轴 电 缆 线 ( 即 检 波 晶 体 V2 输 出 线 ) 换 接 到 AFC 电 控 部 分 的 微 波 输 入 1 口 上 ; (27) 将 接 到 示 波 器 通 道 H 上 的 同 轴 电 缆 线 ( 即 检 波 晶 体 V3 输 出 线 ) 换 接 到 AFC 电 控 部 分 的 微 波 输 入 2 口 上 ; (28) 示 波 器 触 发 方 式 选 用 外 触 发 方 式, 并 从 AFC 电 控 部 分 引 入 外 触 发 信 号 ; (29) 按 出 束 键 ; (30) 用 示 波 器 通 道 I 探 头 观 测 Ul(LM318) 输 出 管 脚 6 的 波 形 重 复 步 骤 21~23 条, 波 形 应 与 合 成 信 号 相 同, 只 不 过 放 大 而 已 ; (31) 按 停 束 键 ; (32) 用 示 波 器 通 道 H 探 头 观 测 U2(1M398)8 脚 波 形, 应 是 矩 形 方 波, 我 们 称 之 为 门 脉 冲, 调 节 W8, 使 门 脉 冲 宽 度 为 1us; (33) 按 出 束 键 ; (34) 调 节 电 位 器 W9, 使 门 脉 冲 对 准 合 成 信 号 中 间 平 坦 部 分 ;( 注 意 : 此 时 合 成 信 号 基 本 上 是 一 条 直 线, 门 脉 冲 在 合 成 信 号 中 间 平 坦 部 分 剂 量 率 最 大, 手 动 自 动 转 换 开 关 置 于 手 动 状 态 ) (35) 按 增 频 按 钮, 使 磁 控 管 的 振 荡 频 率 与 加 速 管 的 最 佳 工 作 频 率 失 谐, 剂 量 率 下 降 l/3 时, 停 止 按 增 频 按 钮 ; (36) 将 手 动 自 动 转 换 开 关 立 即 由 手 动 状 态 改 成 自 动 状 态 ; (37) 此 时, 减 频 指 示 灯 亮 合 成 信 号 应 逐 渐 向 零 线 靠 近, 变 成 一 条 直 线 而 稳 住, 同 时 剂 量 率 逐 渐 变 大 到 最 大 值 而 稳 住, 减 频 指 示 灯 灭 ; (38) 将 手 动 自 动 转 换 开 关 由 自 动 改 成 手 动 工 作 状 态 ; (39) 按 减 频 按 钮, 使 磁 控 管 振 荡 频 率 与 加 速 管 的 工 作 频 率 失 谐, 剂 量 率 下 降 1/3 时, 停 止 按 减 频 按 钮 ; (40) 将 手 动 自 动 转 换 开 关 立 即 由 手 动 工 作 状 态 改 成 自 动 工 作 状 态 ; (41) 此 时 应 该 : 增 频 指 示 灯 亮, 合 成 信 号 应 逐 渐 向 零 线 靠 近, 而 成 为 一 条 直 线, 剂 量 率 逐 渐 增 大, 达 到 最 大 值 时 稳 住, 增 频 指 示 灯 灭 ; (42) 步 骤 35~41 条 反 复 几 次, 如 果 剂 量 率 都 能 回 到 最 大 值, 并 且 稳 住, 说 明 调 试 成 功 ; (43) 按 停 束 键 ; (44) 按 停 束 键 时, 密 切 注 意 增 频 指 示 灯 和 减 频 指 示 灯 哪 一 个 亮, 快 速 旋 转 预 置 电 位 器, 使 亮 的 灯 灭, 停 止 旋 转 预 置 电 位 器 ; (45) 反 复 数 次 出 束 停 束, 找 出 预 置 的 最 佳 位 置, 使 得 出 束 开 始 到 剂 量 率 最 大 时 所 用 的 时 间 最 短 ; (46) 关 机 2. 说 明 调 试 步 骤 (11) 是 在 全 反 射 情 况 下 调 试 的 数 据 和 波 形 另 一 种 调 试 方 法 是 在 加 速 管 吸 收 微 波 功 率 最 佳 状 态 下 的 调 试 方 法, 波 形 为 下 拉 锯 齿 波,

96 幅 度 0.6V, 宽 度 为 4.2μs; 如 果 按 此 法 调 试, 那 么 调 试 步 骤 6 中 调 试 幅 度 应 该 调 到 0.3V 3. 注 意 (1) 示 波 器 外 壳 接 地 ; (2) 磁 控 管 和 加 速 管 失 谐 时 间 不 宜 太 长

97 第 七 节 电 子 枪 作 为 放 射 治 疗 装 置 的 医 用 电 子 加 速 器, 其 电 离 辐 射 是 由 其 核 心 部 件 加 速 管 所 提 供 的 电 子 束 转 换 产 生 的, 加 速 管 中 电 子 束 是 由 电 子 枪 的 电 子 注 产 生 的, 电 子 枪 的 电 子 注 则 是 由 阴 极 发 射 产 生 的 虽 然 电 子 束 与 电 子 注 都 可 用 来 表 示 在 空 间 占 有 一 定 长 度 其 运 动 轨 迹 近 乎 平 行 的 电 子 群, 但 电 子 枪 也 可 产 生 运 动 轨 迹 不 平 行 或 轨 迹 不 是 直 线 的 电 子 群, 因 此 在 电 子 枪 技 术 中 常 用 电 子 注 这 个 术 语 因 此 本 书 中 对 于 这 些 电 子 群, 在 电 子 枪 部 分 称 为 电 子 注, 在 加 速 管 部 分 称 为 电 子 束, 在 辐 射 头 部 分 称 为 电 子 辐 射 电 子 枪 (Electron Gun) 是 一 台 医 用 电 子 加 速 器 的 心 脏 部 件 之 一, 加 速 管 的 使 用 寿 命 直 接 受 到 电 子 枪 寿 命 的 制 约, 而 电 子 枪 寿 命 又 主 要 取 决 于 它 的 阴 极 当 电 子 枪 阴 极 损 坏 时, 加 速 管 就 停 了 工 作 因 此, 我 们 要 了 解 和 使 用 医 用 电 子 加 速 器, 就 必 须 要 了 解 电 子 枪 及 电 子 枪 其 阴 极 电 子 枪 和 由 它 形 成 的 强 流 电 子 注 是 医 用 电 子 加 速 器 的 基 本 组 成 部 分 电 子 枪 在 其 他 超 高 频 器 件 中 同 样 也 是 不 可 缺 少 的 部 分 图 为 一 体 化 电 子 枪 在 加 速 管 中 的 位 置 一 电 子 枪 的 基 本 知 识 ( 一 ) 电 子 枪 的 基 本 结 构 与 分 类 图 电 子 枪 在 加 速 管 的 位 置 电 子 枪 是 医 用 电 子 加 速 器 的 重 要 部 件 之 一 电 子 注 参 量 的 好 坏, 直 接 影 响 到 加 速 管 质 量 的 高 低 不 同 类 型 的 加 速 管, 对 电 子 枪 发 射 的 电 子 注 参 数 有 不 同 的 要 求, 但 对 电 子 注 的 层 流 性 的 要 求, 在 大 多 数 情 况 下 都 是 必 须 的 而 加 速 管 对 电 子 枪 除 要 求 其 发 射 的 电 子 注 必 须 具 有 很 好 的 层 流 性 外, 还 要 求 其 发 射 的 电 子 注 具 有 一 定 的 注 入 流 强 注 入 电 压 足 够 的 射 程 以 及 一 定 的 注 入 角 和 注 腰 半 径 等 等 在 加 速 管 的 设 计 中, 电 子 枪 的 设 计 是 其 中 一 个 十 分 重 要 的 课 题 1. 按 电 子 注 的 形 状 分 类 电 子 枪, 顾 名 思 义 它 是 一 种 电 子 发 射 器, 不 同 结 构 的 电 子 枪 可 以 提 供 不 同 形 状 的 电 子 注, 根 据 电 子 枪 提 供 电 子 注 的 形 状 的 不 同, 可 将 电 子 枪 分 为 以 下 三 种 类 型 : (1) 平 行 注 电 子 枪 电 子 注 的 横 截 面 不 变 (2) 轴 对 称 收 敛 电 子 注 球 型 电 子 枪 电 子 注 的 横 截 面 为 圆 形, 相 对 于 纵 轴 呈 对 称, 离 开 阴 极 后 横 截 面 逐 渐 收 敛 (3) 平 面 对 称 收 敛 电 子 注 圆 柱 型 电 子 枪 电 子 注 横 截 面 的 厚 度 远 小 于 宽 度, 相 对 于 某 一 平 面 呈 对 称, 离 开 阴 极 后 横 截 面 逐 渐 收 敛 医 用 电 子 加 速 器 所 用 电 子 枪 一 般 为 轴 对 称 收 敛 注 电 子 枪 2. 按 电 极 数 分 类 (1) 二 极 枪 无 论 哪 种 类 型 的 电 子 枪, 它 们 均 由 电 子 的 发 射 极 即 阴 极 电 子 注 形 状 的 限 制 极 即 聚 焦 极 和 电 子 的 加 速 引 出 极 即 阳 极 三 部 分 组 成 不 同 环 境 下 使 用 的 电 子 枪 其 结 构 是 多 种 多 样 的, 但 是 其 基 本 组 成 部 分 是 不 变 的 在 工 作 中 通 常 聚 焦 极 的 电 位 等 于 或 接 近 于 阴 极 电 位, 用 以 限 制

98 电 子 注 的 形 状, 而 在 阴 极 和 阳 极 之 间 加 上 加 速 电 压 ( 阳 极 电 压 ) 当 电 子 从 阴 极 发 射 出 来, 将 与 由 上 述 电 极 和 电 子 注 本 身 的 空 间 电 荷 建 立 的 静 电 场 发 生 作 用, 形 成 具 有 一 定 形 状 的 电 子 注, 并 从 阳 极 孔 射 出 以 供 使 用 这 种 电 子 枪 的 工 作 原 理 与 一 般 二 极 管 相 似, 听 以 人 们 也 称 其 为 二 极 枪, 如 图 所 示 图 二 极 枪 图 三 极 枪 1. 三 极 枪 随 着 驻 波 加 速 管 的 设 计 改 进, 采 用 低 压 注 入 的 技 术 成 为 可 能, 同 时 现 在 的 医 用 电 子 加 速 器, 根 据 放 射 治 疗 的 需 要, 要 求 改 变 注 流 达 到 既 能 输 出 X 辐 射, 亦 能 输 出 电 子 辐 射 的 要 求 这 样 的 电 子 枪 阳 极 电 压 可 降 到 7~15KV, 注 流 在 200~000mA 的 范 围 内 变 化 在 电 子 辐 射 时 注 流 能 降 到 很 低 的 数 值 低 压 注 入 技 术 的 解 决, 为 栅 控 枪 的 使 用 打 下 基 础 低 压 枪 可 以 大 大 缩 小 电 子 枪 的 尺 寸, 降 低 电 极 间 绝 缘 瓷 件 耐 压 的 要 求, 降 低 了 离 子 回 轰 阴 极 的 能 量, 更 重 要 的 是 减 小 了 电 源 的 体 积 重 量 以 及 大 大 提 高 了 效 率 与 普 通 三 极 管 中 利 用 栅 极 控 制 原 理 一 样, 人 们 在 二 极 枪 中 设 置 比 阳 极 更 接 近 阴 极 的 某 个 电 极 来 控 制 阴 极 发 射 电 流, 达 到 以 小 的 功 率 ( 或 电 压 ) 控 制 大 的 注 电 流 的 目 的 这 种 利 用 设 置 栅 极 来 控 制 注 电 流 的 电 子 枪 称 为 栅 控 枪 或 三 极 枪, 如 图 和 图 所 示 对 于 栅 控 枪 ( 图 3-7-4) 的 设 计, 人 们 一 般 是 在 二 极 枪 设 计 的 基 础 上, 增 加 一 个 控 制 极 ( 栅 极 Grid) 在 脉 冲 间 隙 期, 当 栅 极 对 阴 极 (Cathode) 加 上 一 个 不 大 的 负 电 压 ( 截 止 偏 压 V 0 ) 时, 使 阴 极 发 射 截 止 ; 而 脉 冲 的 持 续 期 控 制 极 对 阴 极 加 上 零 或 一 个 不 大 的 正 电 压, 使 阴 极 发 射 电 子, 通 过 对 这 个 正 电 压 的 调 整, 达 到 对 电 子 注 流 的 控 制 而 阳 极 (Anode) 对 阴 极 的 电 压, 可 以 始 终 加 上 一 个 稳 定 的 直 流 高 压 显 然 直 流 电 源 电 压 的 幅 度 稳 定, 比 高 压 脉 冲 调 制 器 的 高 压 脉 冲 幅 度 的 稳 定 容 易 得 多 因 而 也 减 轻 图 栅 控 电 子 枪 描 述 了 对 电 源 设 计 上 的 压 力 图 为 三 极 栅 控 枪 详 细 结 构 示 意 图, 它 包 括 阴 极 (Cathode) 栅 极 ( Grid) 阳 极 (Anode) 阳 极 半 室 (Anode Half Cells) 热 子 (Heater) 束 流 形 成 电 极 (Beam-Forming Electrode) 陶 瓷 绝 缘 体 (Ceramic Insulator) 等 ( 二 ) 电 子 枪 的 基 本 性 能 要 求 电 子 直 线 加 速 器 设 计 中 要 注 入 的 电 子 束 应 具 有 一 定 的 能 量, 一 定 的 流 强 束 流 直 径 和 发

99 散 角, 电 子 枪 的 功 用 在 于 给 出 满 足 要 求 的 电 子 束, 而 电 子 枪 的 工 艺 结 构 和 材 料 又 必 须 考 虑 加 工, 维 修 使 用 的 方 便 因 此 我 们 对 电 子 枪 提 出 以 下 几 点 要 求 : 1. 注 入 电 子 具 有 一 定 的 能 量, 也 即 能 承 受 一 定 的 加 速 电 压, 因 此 结 构 要 有 足 够 的 耐 压 强 度 2. 要 有 足 够 的 发 射 能 力, 即 能 给 出 足 够 的 脉 冲 电 流 3. 电 子 束 径 与 发 射 角 要 求 在 给 定 范 围 内 4. 结 构 简 单 耐 用 易 于 加 工 安 装 检 修 5. 寿 命 长, 至 少 在 半 年 以 上 图 三 极 栅 控 枪 详 细 结 构 示 意 图 二 阴 极 ( 一 ) 热 阴 极 原 理 电 子 注 是 由 电 子 枪 产 生 的, 但 实 际 上 电 子 是 由 电 子 枪 的 阴 极 发 出 的 阴 极 是 一 种 固 体, 研 究 电 子 从 固 体 中 发 射 出 来 的 学 科 是 阴 极 电 子 学 大 家 都 知 道, 固 体 中 包 含 有 大 量 的 电 子 然 而, 它 在 没 有 得 到 外 部 能 量 激 发 阶 情 况 下 是 不 可 能 把 电 子 释 放 出 来 的, 为 了 使 电 子 逸 出 固 体, 就 必 须 设 法 把 障 碍 电 子 逸 出 固 体 的 亲 合 力 消 除 这 就 意 味 着 必 须 给 予 电 子 额 外 的 能 量 当 把 固 体 加 热 到 足 够 高 的 温 度 时, 其 中 一 部 分 电 子 的 能 量 就 足 以 克 服 表 面 势 垒 逃 逸 出 体 外 进 入 真 空 中, 这 样 的 发 射 叫 做 热 电 子 发 射 热 电 子 发 射 体 被 称 为 热 阴 极 1. 热 阴 极 类 型 根 据 电 子 枪 的 基 本 组 成, 我 们 知 道, 在 电 子 枪 制 作 中, 首 先 需 要 解 决 的 问 题 是, 电 子 的 发 射 体 即 阴 极 的 制 作 问 题 近 几 十 年 来 从 事 阴 极 电 子 学 研 究 的 专 家 学 者 对 热 阴 极 的 研 究 做 了 大 量 工 作, 研 制 出 很 多 热 电 子 的 发 射 体, 随 着 真 空 电 子 器 件 的 要 求, 这 种 研 究 仍 在 不 断 地 进 行 着 按 制 备 的 材 料 不 同 它 们 分 成 四 大 类 型 : (1) 纯 金 属 阴 极 如 钨 阴 极, 铼 阴 极 (2) 薄 膜 阴 极 它 是 在 金 属 的 表 面 覆 盖 上 一 种 活 性 物 质 薄 膜 的 阴 极 也 称 它 为 原 子 薄 膜 阴 极, 如 覆 针 钨 阴 极 (3) 氧 化 物 阴 极 它 是 在 一 种 底 金 属 上 涂 敷 一 层 较 厚 的 电 阻 较 大 的 发 射 物 碱 土 金 属 的 氧 化 物 制 成 的 阴 极 (4) 储 备 式 阴 极 如 L 阴 极 钡 钨 阴 极, 它 的 发 射 本 质 是 薄 膜 与 厚 膜 阴 极 的 组 合, 它 是 用 多 孔 的 金 属 基 底 浸 渍 以 活 性 物 质 组 成, 因 此 多 孔 金 属 中 的 活 性 物 质 可 以 源 源 不 断 地 补 给 发 射 物 质 的 损 失, 故 称 储 备 式 阴 极 2. 阴 极 的 必 要 条 件 (1) 足 够 的 发 射 电 流 密 度 通 常 我 们 用 每 平 方 厘 米 阴 极 发 射 表 面 可 以 发 射 电 子 流 的 大 小 来 衡 量 该 阴 极 允 许 使 用 的 阴 极 发 射 电 流 的 数 值 当 然, 加 速 器 电 子 枪 在 设 计 中 选 取 的 阴 极 发 射 电 流 密 度 要 比 允 许 的 极 限 值 小 很 显 然 允 许 发 射 密 度 大 的 阴 极 材 料, 在 电 子 枪 的 设 计 过 程 中, 就 有 可 能 采 用 面 压 缩 比 ( 即 阴 极 发 射 面 与 电 子 注 截 面 积 之 比 ) 较 小 的 电 子 枪 设 计 方 案 面 压 缩 比 较 小 的 电 子 枪 设 计, 更 易 于 实 现 电 子 注 的 层 流 性 ( 即 阴 极 边 缘 与 中 心 发 射 电 流 的 电 子 轨 迹 不 出 现 交 叉 ) 以 及 可 以 获 得 更 长 的 电 子 枪 射 程 ( 一 般 以 注 腰 到 阳 极 口 的 距 离 来 量 度 ) 这

100 一 点 对 加 速 管 电 子 枪 来 说 是 十 分 重 要 的 (2) 较 低 的 工 作 温 度 阴 极 工 作 温 度 是 指 阴 极 在 正 常 工 作 状 态 下 阴 极 发 射 面 的 温 度 这 个 温 度 允 许 值 低, 将 带 来 很 多 好 处, 首 先 是 阴 极 周 围 电 子 枪 零 件 的 结 构 尺 寸 稳 定, 材 料 的 选 取 有 更 广 的 余 地, 更 重 要 的 是 阴 极 温 度 低, 阴 极 活 性 物 质 的 蒸 散 小, 因 而 不 会 污 染 周 围 的 绝 缘 零 件, 这 对 高 压 枪 是 十 分 重 要 的 特 别 是 栅 控 电 子 枪, 阴 极 蒸 散 污 染 栅 极, 将 造 成 较 大 的 栅 发 射, 使 栅 控 枪 失 控 (3) 能 抵 抗 离 子 的 回 轰 任 何 真 空 器 件 的 真 空 度 均 不 可 能 达 到 绝 对 真 空, 必 定 有 残 余 气 体 存 在, 再 加 上 真 空 排 气 过 程 中, 不 可 能 保 证 器 件 中 各 零 件 排 气 彻 底, 排 气 烘 烤 只 能 将 表 面 吸 附 的 气 体 除 去, 而 材 料 深 处 的 残 余 气 体, 在 电 子 轰 击 下, 才 能 释 放 出 来, 气 体 在 电 子 轰 击 下, 电 离 正 离 子 将 在 电 场 力 作 用 下, 回 轰 阴 极 表 面, 将 阴 极 表 面 轰 出 斑 点, 损 坏 阴 极 发 射 表 面 特 别 是 高 压 电 子 枪 或 是 真 空 环 境 难 以 达 到 良 好 状 态 的 可 拆 电 子 枪, 阴 极 经 得 起 离 子 回 轰 尤 为 重 要 显 然 离 子 的 回 轰 对 厚 膜 阴 极 是 很 不 利 的, 它 会 将 氧 化 物 阴 极 的 发 射 涂 层 轰 毁 (4) 在 强 电 场 下 发 射 稳 定 (5) 发 射 的 活 性 物 质, 在 正 常 工 作 温 度 下, 蒸 散 尽 量 小 (6) 抗 中 毒 性 能 强, 且 中 毒 后 易 于 恢 复 所 谓 中 毒 是 器 件 中 有 害 的 残 余 气 体 如 氟 水 气 氯 CO SO 2 等, 当 这 些 气 体 的 分 压 强 足 够 高 时, 就 会 造 成 阴 极 发 射 的 下 降, 轻 度 中 毒 后 经 重 新 激 活, 可 以 使 阴 极 恢 复 到 原 发 射 水 平, 严 重 中 毒 将 永 远 失 去 原 有 的 发 射 能 力 (7) 阴 极 在 冷 状 态 下 暴 露 大 气, 能 够 复 用 这 一 点 对 氧 化 物 阴 极 来 说, 不 采 用 特 殊 的 工 艺 手 段 是 不 易 实 现 的, 而 对 钨 钡 阴 极 来 说, 就 很 容 易 实 现 冷 态 暴 露 大 气 后 再 度 激 活 复 用 (8) 阴 极 寿 命 长 阴 极 发 射 物 质 的 耗 尽 或 损 失 造 成 电 子 注 电 流 的 下 降, 致 使 器 件 失 去 原 有 的 功 能, 或 参 数 的 下 降 为 避 免 这 种 现 象 的 出 现, 延 长 阴 极 的 寿 命, 采 用 储 备 式 阴 极 是 有 利 的 (9) 关 于 阴 极 的 打 火 问 题 阴 极 表 面 发 生 电 火 花 这 一 局 部 瞬 态 过 程, 对 于 氧 化 物 阴 极 来 说 是 一 个 突 出 问 题, 出 现 这 种 现 象 除 了 其 涂 层 结 构 疏 松 表 面 光 洁 度 不 高 存 在 尖 刺 涂 层 表 面 电 子 逸 出 功 不 均 匀 等 原 因 造 成 使 用 过 程 中 出 现 局 部 过 热 外, 尤 其 重 要 的 是 厚 膜 ; 阴 极 的 中 间 层 电 子 造 成 的 当 电 流 过 大 时, 压 降 也 大, 中 间 层 的 热 耗 极 易 引 起 穿 击 打 火 这 种 打 火 现 象 当 阴 极 温 度 比 较 低 时, 更 易 出 现, 因 为 此 时 表 面 电 场 很 强, 表 面 发 射 因 低 温 而 极 不 均 匀, 涂 层 电 阻 很 大 阴 极 是 伴 随 着 真 空 电 子 器 件 的 发 展 而 发 展 的 由 于 器 件 向 大 功 率 高 电 压 的 方 向 发 展, 这 就 要 求 阴 极 具 有 更 优 良 的 性 能 : 如 大 的 发 射 电 流 发 射 密 度 阴 极 不 打 火 耐 高 压 抗 离 子 轰 击 抗 中 毒 以 及 结 构 牢 固 便 于 加 工 制 备 简 单 等 目 前 应 用 最 多 的 一 种 阴 极 是 钡 钨 阴 极 ( 二 ) 热 子 (Heater) 对 于 热 阴 极 电 子 枪, 它 又 分 为 直 热 式 与 间 热 式 两 种 方 式, 对 于 目 前 常 用 的 间 热 式 阴 极, 它 还 需 要 一 个 热 源, 即 热 子 ( 也 称 为 灯 丝 ) 热 子 一 般 都 是 由 芯 金 属 和 外 部 绝 缘 层 组 成 芯 金 属 通 常 都 用 钨 或 用 含 50% 或 20% 钨 的 钨 钼 合 金 丝 做 成, 由 于 纯 钼 在 高 温 下 机 械 强 度 不 够, 所 以 很 少 用 它 钨 钼 和 钨 钼 合 金 的 特 点 是 其 电 阻 随 温 度 的 增 加 近 似 于 直 线 这 点 在 电 子 枪 的 工 作 中 表 现 为 : 对 灯 丝 供 电 时, 不 能 直 接 加 到 工 作 点, 而 应 分 几 次 缓 慢 地 增 加 在 每 挡 预 热 的 过 程 中, 我 们 可 以 清 楚 地 看 到, 增 加 灯 丝 电 压 后, 灯 丝 电 流 先 快 速 增 加 然 后 缓 慢 下 降 到 一 个 稳 定 值 热 子 外 面 的 绝 缘 层 一 般 都 用 金 属 的 氧 化 物, 因 钨 容 易 与 其 他 氧 化 物 起 反 应, 而 不 和 氧 化 铝 和 氧 化 铍 起 化 学 反 应, 所 以 热 子 的 绝 缘 层 几 乎 都 是 用 锻 烧 过 的 氧 化 铝 做 成 热 子 的 结 构 形 状 多 种 多 样, 在 医 用 加 速 器 中 常 用 的 结 构 为 双 绕 螺 旋 形, 这 种 形 状 的 热 子, 可 使 阴 极 的 加 热 很 均 匀, 并 可 消 除 两 分 支 所 产 生 的 磁 场 对 阴 极 电 子 流 的 影 响

101 三 电 子 枪 的 应 用 与 维 护 电 子 枪 在 应 用 过 程 中 应 关 注 的 问 题 包 括 电 子 枪 的 存 放 排 气 阴 极 的 分 解 激 活 以 及 使 用 注 意 事 项 由 浸 渍 钡 钨 阴 极 的 工 作 原 理 可 知, 如 果 将 这 种 阴 极 长 时 间 暴 露 于 大 气 中, 它 将 大 量 吸 附 空 气 中 的 CO 2 O 2 H 2 O 等 气 体, 从 而 损 失 阴 极 中 的 自 由 钡 因 此 对 浸 渍 好 的 阴 极, 在 存 放 运 输 时 最 好 置 于 真 空 或 氮 气 以 及 干 燥 的 环 境 中 进 行 电 子 枪 装 架 时, 必 须 在 干 燥 洁 净 的 环 境 内 尽 快 完 成 特 别 是 对 加 速 管 可 拆 卸 电 子 枪, 这 样 排 气 后 阴 极 的 再 激 活 会 较 容 易 在 电 子 枪 装 架 完 成 后, 就 必 须 对 其 进 行 排 气 阴 极 分 解 激 活 等 工 序, 以 便 得 到 阴 极 发 射 正 常 的 电 子 枪 ( 一 ) 阴 极 除 气 阴 极 的 除 气 一 般 是 由 生 产 厂 家 来 完 成 的, 我 们 知 道, 加 速 管 是 一 种 工 作 在 超 高 真 空 条 件 下 的 电 子 器 件, 对 整 个 加 速 管 都 必 须 经 过 彻 底 除 气, 一 般 情 况 下, 对 阴 极 的 除 气 是 与 加 速 管 除 气 同 时 进 行 的, 其 除 气 方 法 为 热 除 气 在 烘 烤 整 管 的 同 时, 缓 慢 增 加 灯 丝 加 热 功 率, 这 个 过 程 也 可 称 为 阴 极 的 分 解 为 了 保 证 这 个 真 空 度 并 缩 短 这 个 过 程 的 持 续 时 间, 就 要 求 阴 极 在 大 气 中 暴 露 时 间 尽 可 能 短, 而 且 阴 极 周 围 电 子 枪 零 件 除 气 应 彻 底 ( 二 ) 激 活 激 活 过 程 一 般 分 为 电 流 激 活 与 热 激 活 两 种 方 式 : 1. 电 流 激 活 电 流 激 活 是 在 阴 极 加 热 的 同 时, 加 上 阳 极 电 压, 支 取 发 射 电 流 在 工 作 中 对 阴 极 的 电 流 激 活 一 般 要 在 阴 极 温 度 接 近 工 作 温 度 ( 或 略 低 与 工 作 温 度 ) 时 才 开 始, 这 时 铝 酸 盐 被 钨 不 断 还 原 生 成 钡 逐 步 提 高 阳 极 电 压, 在 一 个 阳 极 电 压 下, 发 射 电 流 不 再 增 加 后, 再 提 高 至 下 一 个 阳 极 电 压 2. 热 激 活 经 过 电 流 激 活 后, 如 发 现 发 射 不 足, 可 对 阴 极 进 行 热 激 活, 即 闪 烁, 它 是 将 阴 极 温 度 适 当 提 高, 闪 烁 3~5min, 但 这 个 闪 烁 温 度 最 好 不 要 超 过 1200, 否 则 将 造 成 过 多 的 钡 损 失, 反 而 对 激 活 不 利 特 别 是 对 栅 控 枪, 激 活 温 度 过 高, 阴 极 蒸 散 加 大, 将 会 影 响 枪 的 极 间 绝 缘, 使 栅 网 的 发 射 增 加 这 对 枪 的 正 常 工 作 是 十 分 不 利 的 在 实 际 工 作 中, 一 般 将 灯 丝 功 率 的 增 加 量 控 制 在 正 常 工 作 时 加 热 功 率 的 20% 以 内 在 实 际 生 产 中, 一 般 都 需 要 同 时 进 行 电 流 激 活 和 热 激 活 为 了 得 到 最 好 的 激 活, 需 要 在 一 定 温 度 下, 经 过 一 定 时 间 ( 三 ) 老 练 与 除 气 对 激 活 好 的 阴 极 一 般 还 需 要 经 过 一 段 时 间 的 老 练, 即 将 阴 极 在 工 作 温 度 或 略 高 的 温 度 下 保 持 一 定 的 时 间, 同 时 支 取 电 流, 轰 击 其 他 电 极 使 之 出 气, 所 出 之 气 被 排 除 后, 其 发 射 将 更 加 稳 定 对 于 可 拆 卸 部 件 的 加 速 管, 在 更 换 新 部 件 后, 必 须 用 加 热 带 对 管 体 除 气 但 是, 在 用 加 热 带 对 管 体 进 行 除 气 时, 由 于 受 环 境 条 件 的 限 制, 温 度 不 能 太 高, 因 此, 在 管 内 真 空 达 到 微 波 可 以 建 场 的 情 况 下, 还 必 须 用 微 波 对 加 速 管 管 体 进 行 除 气, 在 保 证 管 内 真 空 度 不 低 于 5x10-4 Pa 的 情 况 下, 再 激 活 阴 极 ( 四 ) 真 空 度 与 中 毒 处 理 加 速 管 真 空 度 的 好 坏, 是 阴 极 正 常 工 作 的 前 提 条 件, 而 对 于 热 子, 同 样 如 此 因 为 在 前 面 我 们 已 经 提 到, 热 于 是 由 外 部 带 有 绝 缘 层 的 细 金 属 丝 绕 制 而 成 的, 它 是 阴 极 的 热 源, 为 了 保 证 阴 极 的 工 作 温 度, 热 子 的 温 度 一 定 要 高 于 阴 极 的 温 度, 在 如 此 高 温 下 工 作 的 热 子, 当 系 统 真 空 度 坏 到 一 定 程 度 时, 将 会 被 烧 毁 由 此 可 见, 在 日 常 的 工 作 中 必 须 密 切 注 意 加 速 管 真 空 度 的 变 化, 以 提 高 加 速 管 的 使 用 寿 命 无 论 是 全 密 封 加 速 管 还 是 有 可 拆 卸 部 件 的 加 速 管, 它 们 均 有 一 钛 泵 作 为 其 真 空 的 维 持 与 检 测 部 件, 钛 泵 离 子 流 的 任 何 非 正 常 现 象 都 应 引 起 我 们 的 重 视, 力 争 将 问 题 解 决 在 最 初 阶 段,

102 以 免 造 成 更 大 的 损 失 在 工 作 中, 每 次 开 机 时, 钛 泵 离 子 流 均 应 有 所 变 化, 并 回 到 一 个 稳 定 的 数 值 如 果 在 每 次 开 机 时 钛 泵 离 子 流 均 没 有 任 何 变 化, 则 应 检 查 钛 泵 是 否 工 作 正 常, 特 别 是 钛 泵 高 压 是 否 加 在 钛 泵 高 压 端 子 上 这 种 情 况 在 工 作 中 时 有 出 现, 值 得 关 注 当 然, 如 果 在 工 作 中 发 现 因 为 真 空 的 问 题 已 使 电 子 枪 出 现 轻 微 中 毒 现 象, 我 们 可 以 在 制 造 厂 家 技 术 人 员 的 指 导 下, 先 找 到 使 电 子 枪 中 毒 的 原 因, 并 将 其 排 除, 然 后 用 前 面 讲 过 的 方 法 对 电 子 枪 进 行 激 活 处 理, 使 其 恢 复 正 常 发 射 而 不 能 一 味 的 提 高 灯 丝 加 热 功 率, 以 防 热 子 烧 坏 或 阴 极 发 射 物 质 损 失 太 多, 造 成 电 子 枪 的 永 久 损 坏 当 然, 在 对 电 子 枪 进 行 激 活 处 理 前, 应 先 检 测 系 统 的 真 空 度, 只 有 真 空 度 达 到 一 定 的 数 值 后, 才 可 对 电 子 枪 进 行 激 活, 如 系 统 真 空 达 不 到 要 求, 则 应 先 从 低 重 复 频 率 开 始 慢 加 微 波, 对 系 统 材 料 进 行 去 气 处 理, 然 后 再 对 电 子 枪 阴 极 进 行 分 解 去 气 处 理 这 两 种 去 气 工 作 有 可 能 需 要 交 替 反 复 进 行 多 次, 才 能 使 系 统 的 真 空 度 达 到 要 求 然 后 才 能 对 电 子 枪 阴 极 进 行 激 活 处 理 电 子 枪 激 活 处 理 完 成 后, 还 不 能 马 上 就 开 机 工 作, 而 应 该 再 次 加 微 波 对 整 管 进 行 去 气, 在 真 空 度 达 到 正 常 工 作 的 范 围 后, 才 能 进 行 枪 管 联 调, 经 过 这 样 的 处 理, 才 有 可 能 使 电 子 枪 恢 复 正 常 发 射 这 一 过 程 有 时 需 要 很 长 时 间 才 能 完 成 ( 五 ) 连 接 根 据 电 子 枪 的 工 作 特 性 及 在 加 速 管 中 的 作 用, 在 枪 管 连 接 中, 总 是 电 子 枪 的 阳 极 与 加 速 腔 列 连 接 在 一 起, 电 子 枪 的 阳 极 与 加 速 腔 列 等 电 势, 在 加 速 器 整 机 上 加 速 管 接 地 由 于 电 子 带 负 电, 为 了 实 现 电 子 从 阳 极 孔 引 出, 必 须 在 阴 极 上 加 负 高 压, 热 子 则 通 过 一 端 与 阴 极 相 连 而 悬 浮 在 阴 极 的 负 高 压 上 阴 极 负 高 压 一 般 在 几 万 伏, 目 前 的 低 压 枪 也 在 一 万 伏 左 右, 所 以 在 对 系 统 进 行 检 修 时, 一 定 要 注 意 : 高 压 危 险 另 外, 在 此 我 还 想 强 调 的 一 点 是 : 在 对 电 子 枪 供 电 接 线 时, 其 阴 极 与 热 子 的 两 个 端 子 一 定 要 严 格 区 分 开, 因 为 如 果 出 现 错 误, 在 高 压 回 路 打 火 时, 就 很 容 易 烧 坏 热 子, 使 电 子 枪 无 法 工 作 ( 六 ) 供 电 根 据 栅 控 枪 的 工 作 原 理, 供 电 时 必 须 首 先 在 栅 极 上 加 上 一 负 偏 压 (bias), 它 的 值 应 该 比 阴 极 负 高 压 还 要 低 在 一 定 的 阴 极 负 高 压 下, 栅 极 偏 压 存 在 一 截 止 偏 压 为 了 栅 极 工 作 的 稳 定 性, 一 般 栅 极 工 作 偏 压 要 低 于 其 截 止 偏 压 由 于 栅 极 负 偏 压 的 存 在, 阴 极 表 面 的 热 电 子, 在 阴 极 负 高 压 的 作 用 下, 就 不 可 能 从 阳 极 口 引 出, 要 引 出 电 子, 必 须 在 栅 极 上 再 加 上 一 正 脉 冲, 通 过 调 节 栅 极 脉 冲 幅 值 的 大 小, 实 现 调 节 电 子 枪 发 射 的 目 的 在 栅 控 枪 的 工 作 中, 应 该 特 别 注 意 的 一 点 是 : 对 于 目 前 常 用 的 网 栅 式 栅 控 枪, 由 于 栅 网 图 三 极 枪 电 路 结 构 及 原 理 示 意 图 的 存 在, 它 必 将 截 获 部 分 电 子, 由 于 栅 网 的 结 构 特 点, 决 定 了 它 不 能 承 受 过 大 的 电 流 轰 击,

103 过 大 的 电 流 将 烧 坏 栅 网 网 丝 这 就 要 求 我 们 在 对 栅 控 枪 供 电 时, 必 须 按 一 定 的 顺 序 进 行, 不 可 随 意 更 改 其 正 确 的 顺 序 为 : 接 通 栅 极 负 偏 压, 开 启 灯 丝 预 热, 预 热 结 束 后, 再 接 通 阴 极 负 高 压, 最 后 接 通 栅 极 脉 冲 只 有 这 样, 才 能 确 保 栅 网 受 损 少, 延 长 栅 控 枪 的 使 用 寿 命 一 般 来 说, 电 子 枪 的 供 电 是 靠 注 入 器 (Injector) 电 路 来 实 现 的, 如 图 所 示, 注 入 器 电 路 有 两 个 重 要 的 参 数 即 注 入 器 电 压 INJ-E 和 电 流 INJ-I, 分 别 控 制 电 子 枪 注 入 到 加 速 管 中 电 子 的 速 度 和 数 量 一 台 加 速 器 安 装 运 行 正 常 后, 注 入 器 电 压 INJ-E 基 本 保 持 不 变, 在 实 际 应 用 中 可 微 调 注 入 器 电 流 INJ-I 的 参 数, 使 其 波 形 符 合 出 厂 要 求 ( 七 ) 安 装 和 使 用 注 意 事 项 1. 安 装 除 某 些 驻 波 直 线 加 速 器 电 子 枪 与 加 速 管 整 体 焊 死 不 需 要 换 灯 丝 之 外, 其 他 绝 大 多 数 加 速 器 因 灯 丝 寿 命 有 限, 为 更 换 灯 丝, 电 子 枪 的 拆 装 是 不 可 避 免 的 在 拆 装 时 要 严 格 按 照 规 程 进 行, 否 则 将 引 起 电 子 光 学 参 数, 乃 至 电 子 束 参 数 的 变 化 2. 使 用 及 注 意 (1) 清 洁 工 作 十 分 重 要, 应 保 护 陶 瓷 部 分 干 净, 干 燥 以 保 证 耐 压 ; (2) 枪 头, 腔 体 更 应 注 意 清 洁, 若 本 身 不 清 洁, 不 但 影 响 发 射 性 能, 而 且 对 加 速 管 本 身 有 影 响, 灯 丝 一 般 经 过 1300~1400 烧 氢 处 理, 起 了 净 化 作 用, 暴 露 大 气 后 应 好 好 保 存 引 腿 焊 后 用 无 水 酒 精 脱 水 洗 净, 热 风 吹 干 ; (3) 灯 丝 加 热 要 在 高 真 空 度 Pa(10-5 乇 ) 下 进 行 新 灯 丝 加 热 要 逐 步 加 电 压 去 气 ; (4) 更 换 灯 丝, 要 注 意 灯 丝 在 聚 焦 极 中 的 位 置, 对 中, 深 度 尽 量 使 灯 丝 少 受 拉 力, 使 热 变 形 小 些 ; (5) 加 速 器 在 运 行 过 程 中 要 留 心 灯 丝 是 否 短 路, 一 旦 发 现 灯 丝 电 压 加 得 很 小 时, 电 子 枪 的 灯 丝 电 流 就 很 大, 这 时 灯 丝 应 停 止 加 压 采 取 更 换 阴 极 方 法 在 加 速 器 运 行 中, 灯 丝 电 流 大 小 直 接 与 灯 丝 寿 命 和 束 流 大 小 和 稳 定 有 关

104 第 八 节 束 流 传 输 系 统 本 节 讨 论 的 是 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 束 流 传 输 系 统, 束 流 传 输 系 统 由 聚 焦 系 统 导 向 系 统 及 偏 转 系 统 组 成 聚 焦 系 统 主 要 是 为 了 使 加 速 束 流 在 加 速 过 程 中, 不 致 因 受 射 频 电 磁 场 作 用 以 及 束 流 内 部 电 子 之 间 的 空 间 电 荷 作 用 力 而 散 开, 或 因 外 部 杂 散 磁 场 作 用 而 偏 离 轨 道, 使 能 最 终 顺 利 地 打 靶 或 引 出 导 向 系 统 用 于 校 正 因 安 装 原 因 或 外 部 磁 场 引 起 的 轨 道 偏 斜 偏 转 系 统 用 于 改 变 运 动 的 方 向 一 聚 焦 系 统 ( 一 ) 聚 焦 原 理 1. 洛 伦 兹 力 Lorentzn force) 实 验 发 现, 若 在 磁 场 中 电 荷 为 e 的 电 子 运 动 速 度 为 ν, 该 点 的 磁 感 应 强 度 为 B, 则 此 运 动 电 荷 受 到 的 磁 场 作 用 力 F 为 F=eν B 该 式 确 定 的 力 称 为 洛 伦 兹 力 由 矢 量 积 的 定 义 可 知 F 的 大 小 为 F=eν Bsinθ F 的 方 向 垂 直 ν 和 B 所 构 成 的 平 面, 并 且 这 三 个 方 向 符 合 右 手 螺 旋 关 系 如 果 运 动 电 子 是 负 电 荷, 则 电 子 所 受 磁 力 方 向 与 ν B 及 的 方 向 相 反, 为 了 使 式 F=eν B 在 运 动 电 子 为 负 电 荷 时 仍 能 确 定 电 荷 所 受 磁 力 方 向,e 应 该 是 代 数 量, 即 正 电 子 的 e 用 正 值, 负 电 子 的 e 用 负 值 因 为 磁 场 对 运 动 电 荷 的 作 用 力 始 终 垂 直 电 荷 的 速 度, 故 磁 场 对 运 动 电 荷 的 作 用 力 不 做 功 即 磁 场 力 只 改 变 电 荷 的 运 动 方 向, 不 改 变 电 荷 运 动 的 快 慢 这 是 洛 伦 兹 力 的 一 个 重 要 特 点 2. 电 子 在 电 场 和 磁 场 中 的 运 动 方 程 如 果 空 间 同 时 存 在 电 场 和 磁 场, 一 个 电 量 为 e 质 量 为 m 的 电 子 将 同 时 受 到 电 场 和 磁 场 的 作 用 力 设 在 空 间 任 一 给 定 点 处 电 场 的 场 强 为 万, 磁 场 的 磁 感 应 强 度 为 B, 电 子 正 以 速 度 ν 通 过 该 点, 则 它 受 到 的 电 场 和 磁 场 的 作 用 力 分 别 为 F E =ee 和 F B =eν B 这 时 电 子 所 受 合 力 F( 忽 略 重 力 ):F= F E + F B 因 此 只 要 知 道 了 电 场 与 磁 场 的 分 布, 以 及 电 子 的 初 始 位 置 和 速 度, 则 电 子 在 任 何 时 刻 的 运 动 速 度 位 置, 均 可 求 得 3. 长 磁 透 镜 聚 焦 一 束 发 散 得 电 子 束 在 磁 场 的 作 用 下, 可 以 在 另 一 点 会 聚 起 来, 就 象 光 束 经 过 透 镜 聚 焦 一 样 这 种 均 匀 磁 场 对 电 子 的 聚 焦 作 用 称 为 长 磁 聚 焦, 也 即 长 磁 透 镜 聚 焦 ( 二 ) 聚 焦 线 圈 根 据 聚 焦 原 理, 在 电 子 直 线 加 速 器 的 聚 束 区 域, 为 克 服 射 频 场 和 空 间 电 荷 力 等 因 素 的 散 焦 作 用, 一 般 采 用 螺 线 管 聚 焦 它 调 整 比 较 容 易, 磁 场 连 续 分 布, 中 间 不 存 在 无 场 区, 对 线 圈 的 准 直 要 求 相 对 较 低 结 构 上 螺 线 管 线 包 有 长 筒 型 线 包 和 短 饼 型 线 包 两 种, 长 筒 型 线 包 对 安 装 的 同 轴 性 要 求 较 高, 图 聚 焦 螺 线 管 要 保 证 加 速 管 的 轴 线 与 磁 场 的 轴 线 重 合, 不 然 电 子 束 流 会 偏 离 中 心 位 置 短 饼 型 线 包 由 于 每 一 个 线 包 很 短, 把 它 们 组 合 连 接 起 来 后, 考 虑 安 装 误 差 的 统 计 效 应 后, 对 线 包 的 同 轴 性 要 求 相 对 较 低

105 线 包 的 绕 制 一 般 采 用 高 强 度 扁 漆 包 线, 它 比 圆 漆 包 线 的 填 充 系 数 高 和 电 流 密 度 大 二 导 向 系 统 ( 一 ) 束 流 导 向 的 必 要 性 导 向 又 称 驾 驶 (Steering) 由 于 电 子 枪 加 速 管 和 偏 转 系 统 等 各 部 件 存 在 加 工 误 差 以 及 部 件 之 间 的 相 互 对 接 存 在 安 装 误 差 等 原 因, 电 子 束 往 往 会 稍 微 偏 离 设 计 的 束 流 中 轴 线 这 将 可 能 使 电 子 枪 发 射 的 电 子 束 在 进 入 加 速 管 入 口 时, 不 在 加 速 管 的 中 心 轴 上 甚 至 电 子 束 无 法 正 常 通 过 加 速 管 微 小 的 孔 道 完 成 有 效 加 速 另 外, 如 果 从 加 速 管 输 出 的 电 子 束 偏 离 设 计 的 中 轴 线, 则 经 偏 转 系 统 偏 转 后, 束 斑 中 心 位 置 会 相 对 于 设 计 的 束 流 中 轴 线 产 生 偏 差, 从 而 使 照 射 野 内 剂 量 的 均 整 度 和 对 称 性 难 以 保 证 ( 如 图 3-8-2) 为 此, 需 要 引 入 束 流 导 向 装 置 来 纠 正 这 种 束 流 的 方 向 和 位 置 偏 离, 以 满 足 整 机 束 流 强 度 和 均 整 等 技 术 指 标 要 求 在 工 程 实 践 中, 一 般 在 电 子 枪 和 加 速 管 入 口 之 间 的 漂 移 管 上 安 放 一 组 输 入 导 向 线 圈, 用 于 引 导 电 子 束 傍 轴 进 入 加 速 管 ; 而 在 加 速 管 出 口 和 偏 转 系 统 之 间 的 漂 移 管 上, 则 安 放 了 一 组 输 出 导 向 线 圈, 用 来 使 束 流 进 入 偏 转 系 统 的 入 射 位 置 和 方 向 落 在 设 计 的 范 围 内 即 前 后 驾 驶 线 圈, 也 可 只 装 前 驾 驶 线 圈 ( 图 3-8-3), 具 体 情 况 根 据 加 速 器 能 量 加 速 管 类 型 而 定 ( 二 ) 导 向 原 理 所 谓 导 向, 是 指 将 束 流 引 向 某 个 指 定 方 向 和 图 驾 驶 线 圈 的 功 能 示 意 图 位 置, 或 者 当 束 流 飞 行 方 向 和 位 置 偏 离 预 定 轨 道 时 把 它 校 正 过 来 束 流 导 向 是 由 中 心 轨 道 的 偏 转 来 实 现 的 对 导 向 线 圈 而 言, 它 所 产 生 的 磁 场 大 小 在 非 磁 饱 和 状 态 下 分 别 与 线 圈 绕 组 的 匝 数 和 所 通 过 的 电 流 大 小 成 近 似 线 性 正 比 关 系 但 由 于 线 圈 两 端 存 在 边 缘 场, 磁 感 应 强 度 B 沿 轴 线 不 是 常 数, 因 而 运 行 时 必 须 调 节 励 磁 电 流 ( 三 ) 导 向 线 圈 如 图 所 示, 每 组 输 入 导 向 线 圈 或 每 组 输 出 导 向 线 圈 由 两 对 螺 线 管 形 线 圈 或 两 对 马 鞍 形 线 圈 组 成 两 对 线 圈 分 别 用 来 在 水 平 面 对 束 流 进 行 左 右 导 向 和 在 垂 直 面 对 束 流 进 行 上 下 导 向 为 增 强 导 向 磁 场, 每 个 螺 线 管 形 线 圈 或 马 鞍 形 线 圈 有 时 整 体 地 套 在 一 个 圆 环 形 的 铁 磁 材 料 ( 如 电 工 纯 铁 ) 芯 架 内 安 装 时, 将 所 有 线 圈 及 其 芯 架 的 中 心 轴 沿 漂 移 管 的 径 向 放 置, 并 且 每 个 线 圈 芯 架 的 一 端 部 紧 贴 于 加 速 管 管 颈 之 外, 另 一 端 部 与 圆 桶 形 导 磁 外 罩 环 的 内 表 面 相 连 导 向 线 圈 也 可 制 成 马 鞍 形, 贴 在 加 速 管 外 壁 上 导 向 线 圈 导 向 线 圈 图 导 向 线 圈 线 圈 的 制 作 过 程 一 般 比 较 简 单, 以 马 鞍 形 导 向 线 圈 为 例, 制 作 方 法 是 先 将 聚 脂 漆 包 扁 铜 线 绕 制 成 线 圈 饼, 再 将 数 十 层 线 圈 饼 串 接 后 一 起 弯 成 马 鞍 形, 并 涂 以 环 氧 树 脂 马 娜 导 向 线 圈 可 看 成 是 由 直 线 导 线 段 与 圆 弧 导 线 段 构 成, 其 中 与 轴 大 体 平 行 的 导 线 电 流 所 产 生 的 磁 场 起 主 要 偏 转 作 用, 圆 弧 段 导 线 电 流 用 以 形 成 电 流 回 路 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 输 入 和 输 出 导 向

106 线 圈 的 轴 向 长 度 一 般 约 为 几 个 厘 米, 采 用 直 流 供 电, 并 根 据 实 际 导 向 需 要, 电 流 可 在 零 和 设 计 最 大 值 之 间 调 节 三 偏 转 系 统 ( 一 ) 偏 转 系 统 概 述 与 导 向 系 统 的 目 的 不 同, 偏 转 系 统 的 任 务 是 应 整 机 应 用 的 需 要, 较 大 角 度 地 改 变 束 流 运 动 的 方 向 为 目 的 因 为 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 加 速 管 放 置 在 一 个 可 以 绕 中 心 旋 转 的 机 架 上, 大 体 成 水 平 方 向 从 加 速 管 引 出 的 水 平 电 子 束 流 必 须 经 偏 转 磁 铁 (Bending Magnet) 变 成 垂 直 方 向 的 束 流 去 轰 击 靶 和 散 射 箔 形 成 所 需 的 X 射 线 和 电 子 线, 才 能 对 平 躺 的 患 者 做 等 中 心 治 疗 由 于 束 流 中 各 个 电 子 的 能 量 和 动 量 存 在 一 定 的 差 别, 即 所 谓 色 差, 在 偏 转 磁 铁 作 用 下 这 些 不 同 能 量 的 电 子 具 有 不 同 的 弯 转 半 径, 即 导 致 电 子 的 运 动 状 况 各 不 相 同, 从 而 使 得 束 流 中 各 个 电 子 的 轨 迹 发 生 变 化, 即 所 谓 色 散, 它 将 使 偏 转 后 的 束 斑 形 状 产 生 畸 变, 影 响 辐 射 品 质 和 效 率 另 外, 当 由 于 某 种 原 因, 束 流 进 入 偏 转 系 统 的 入 射 位 置 角 度 和 能 量 发 生 波 动 时, 输 出 照 射 野 剂 量 的 均 整 度 和 对 称 性 均 难 以 保 证, 需 要 一 套 自 动 均 整 系 统 随 时 进 行 校 正 如 图 所 示 为 此, 在 存 在 束 流 能 散 和 能 量 波 动 的 情 况 下, 对 偏 转 磁 铁 系 统 设 计 的 理 想 要 求 是 : 具 有 良 好 的 消 色 差 特 性 和 聚 焦 特 性, 使 输 出 的 粒 子 束 流 轨 迹 与 束 流 的 动 量 散 度 无 关, 以 及 束 流 焦 斑 与 束 流 的 动 量 散 度 关 系 较 小 这 样 输 出 的 粒 子 束 流 仍 将 具 有 小 截 面 小 发 散 角 和 轴 对 称 的 特 性, 其 打 靶 后 形 成 的 X 射 线 分 布 半 影 小 轴 对 称 性 好 稳 定 性 好, 对 X 时 线 均 整 度 的 调 整 带 来 很 大 的 方 便 ; 对 束 流 的 入 射 位 置 角 度 和 能 量 波 动 有 自 动 补 偿 作 用, 以 保 证 加 速 器 照 射 图 偏 转 系 统 功 能 示 意 图 野 内 剂 量 分 布 的 均 匀 性 和 稳 定 性, 并 降 低 对 自 动 均 整 系 统 的 要 求 ; 在 垂 直 方 向 所 占 空 间 尽 可 能 小, 以 减 小 机 架 的 回 转 半 径 和 降 低 整 机 的 等 中 心 高 度 根 据 束 流 弯 转 路 径 的 不 同, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 磁 偏 磁 铁 系 统 基 本 分 为 90 o 和 270 o 偏 转 两 大 类 90 o 偏 转 系 统 适 合 于 能 散 度 不 大 ( 能 散 度 约 在 5% 以 内 ) 的 行 波 电 子 直 线 加 速 器, 特 点 是 平 行 于 加 速 管 的 方 向 上 偏 转 系 统 较 长 而 垂 直 于 加 速 管 方 向 上 尺 寸 可 以 很 小, 束 流 在 垂 直 方 向 仅 占 据 约 一 个 偏 转 半 径, 因 而 可 以 使 用 回 转 半 径 较 小 的 滚 筒 式 机 架 结 构, 降 低 等 中 心 高 度 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 的 显 著 优 点 是 加 速 梯 度 较 高 和 加 速 管 长 度 较 短, 但 缺 点 是 驻 波 系 统 束 流 能 谱 较 宽, 在 低 能 驻 波 电 子 直 线 加 速 器 中 尤 为 明 显 ( 高 达 20%),90 偏 转 系 统 已 不 能 满 足 医 用 性 能 要 求, 为 此 在 20 世 纪 70 年 代 国 外 开 始 发 展 起 270 o 偏 转 系 统, 这 些 系 统 单 独 或 组 合 利 用 均 匀 场 梯 度 场 倾 斜 磁 铁 边 界 及 漂 移 空 间, 以 尽 量 逼 近 一 个 双 聚 焦 全 消 色 差 系 统, 同 时 力 求 结 构 简 单 但 总 的 说 来,270 偏 转 系 统 的 偏 转 角 度 大, 激 动 功 率 大, 偏 转 真 空 盒 结 构 较 为 复 杂 束 流 在 垂 直 方 向 将 占 据 两 个 偏 转 半 径, 从 而 使 整 机 的 等 中 心 高 度 较 高 ( 二 )270 消 色 差 偏 转 系 统 的 分 类 1. 滑 雪 式 三 磁 铁 270 消 色 差 偏 转 系 统 滑 雪 式 三 磁 铁 270 消 色 差 偏 转 系 统 从 原 理 上 是 由 三 块 90 偏 转 磁 铁 组 合 而 成, 只 使 其 中 间 一 块 是 反 向 布 置 的, 另 外, 由 于 节 省 旋 转 机 架 高 度 的 需 要, 入 射 方 向 不 是 水 平 的, 因 而 各 偏 转 磁 铁 不 是 严 格 的 90, 这 种 复 合 偏 转 系 统 能 消 除 能 散 对 束 流 的 影 响, 给 出 了 理 想 的 束

107 斑 2. 分 立 式 三 磁 铁 270 消 色 差 偏 转 系 统 由 三 块 独 立 的 90 均 匀 场 偏 转 磁 铁 和 相 应 的 漂 移 段 组 成 其 特 点 是 电 子 束 轨 迹 位 置 调 整 比 较 方 便, 但 垂 直 于 加 速 管 方 向 上 偏 转 系 统 尺 寸 较 大, 有 些 医 用 电 子 直 线 加 速 器 为 不 提 高 等 中 心 高 度, 需 要 将 x 射 线 靶 位 置 上 提, 在 真 空 区 内 设 靶 拖 动 机 构, 使 结 构 和 制 造 工 艺 比 较 复 杂 3. 分 立 式 双 磁 铁 270 消 色 差 偏 转 系 统 分 立 式 双 磁 铁 270 消 色 差 偏 转 系 统 由 两 块 均 匀 磁 铁 及 漂 移 段 组 成 第 一 块 磁 铁 偏 转 大 于 180, 第 二 块 磁 铁 偏 转 小 于 90 特 点 是 垂 直 于 加 速 管 方 向 上 偏 转 系 统 尺 寸 可 以 相 当 小, 设 计 时 可 根 据 需 要 自 由 调 整 漂 移 段 长 度, 同 时 需 加 一 对 反 对 称 四 极 透 镜 调 整 输 入 束 的 空 间 参 数 以 匹 配 磁 铁 聚 焦 性 能 4. 整 体 式 270 消 色 差 偏 转 系 统 整 体 式 270 消 色 差 偏 转 系 统 由 一 块 带 有 一 个 梯 度 区 和 两 个 均 匀 区 的 偏 转 磁 铁 组 成, 如 图 所 示 其 特 点 是 垂 直 和 平 行 于 加 速 管 方 向 上 的 偏 转 系 统 尺 寸 均 可 控 制 得 较 小, 梯 度 磁 场 对 束 空 间 特 性 的 调 整 能 力 较 强, 但 梯 度 场 区 的 设 计 和 加 工 比 较 复 杂 双 台 阶 气 隙 消 色 差 磁 偏 转 系 统 可 以 看 偏 转 线 圈 作 该 类 型 的 变 异, 它 有 三 个 紧 密 相 邻 的 均 匀 区 的 扇 形 磁 铁 组 成, 其 中 外 侧 两 个 磁 铁 的 气 磁 极 隙 高 度 相 同, 但 比 中 间 磁 铁 的 气 隙 高 度 稍 高 双 台 阶 气 隙 磁 偏 转 系 统 的 研 究 表 明 : 即 加 速 管 使 中 心 能 量 明 显 偏 离 设 计 值, 在 -30%~40% 的 偏 离 范 围 内, 系 统 仍 具 有 较 好 的 传 输 特 束 流 性, 特 别 适 用 于 大 能 散 的 束 流 的 偏 转 图 偏 转 系 统 从 以 上 几 种 270 偏 转 的 结 构 形 式 来 看, 所 有 方 案 在 垂 直 于 加 速 管 方 向 上 偏 转 系 统 尺 寸 均 比 90 偏 转 的 结 构 大, 即 前 者 比 后 者 的 等 中 心 高 度 高 另 外, 在 几 种 270 偏 转 的 结 构 形 式 中, 整 体 式 设 计 由 于 三 块 磁 铁 为 一 体, 因 而 最 为 结 构 紧 凑 和 安 装 方 便, 但 其 可 调 参 数 少, 对 设 计 和 调 试 要 求 高 分 立 式 三 磁 铁 设 计 由 于 磁 铁 分 离, 有 两 个 漂 移 段, 其 可 调 参 数 较 多, 调 束 方 便, 但 是 它 的 安 装 较 复 杂 分 立 式 双 磁 铁 设 计 的 优 点 是 垂 直 于 加 速 管 方 向 上 偏 转 系 统 尺 寸 可 以 相 当 小, 降 低 了 等 中 心 高 度, 但 由 于 需 要 用 到 一 对 反 对 称 四 极 透 镜 等, 其 结 构 和 安 装 更 为 复 杂 ( 三 ) 偏 转 电 源 无 论 是 如 90 偏 转 系 统 还 是 270 偏 转 系 统, 一 旦 其 机 械 布 局 和 结 构 参 数 被 选 定 后, 与 能 区 中 不 同 能 档 相 对 应 的 所 有 偏 转 磁 铁 磁 场 大 小 也 就 固 定 了 由 于 偏 转 线 圈 的 励 磁 绕 组 产 生 的 磁 场 大 小 分 别 与 线 圈 绕 组 的 匝 数 和 所 通 过 的 电 流 大 小 有 固 定 的 关 系 而 磁 场 的 大 小 又 直 接 影 响 到 偏 转 系 统 出 口 束 流 斑 点 的 位 置 和 形 状 因 而 一 般 要 求 励 磁 绕 组 用 稳 流 电 源 供 电, 稳 定 精 度 要 求 达 千 分 之 一 以 上 偏 转 电 源 的 工 作 原 理 与 聚 焦 电 源 工 作 原 理 相 同

108 第 九 节 真 空 系 统 一 真 空 技 术 在 医 用 加 速 器 中 的 应 用 国 内 各 医 院 装 备 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 运 行 都 离 不 开 真 空 技 术, 都 需 要 在 高 真 空 甚 至 超 高 真 空 的 条 件 下 运 行 真 空 技 术 在 医 用 电 子 直 线 加 速 器 中 的 作 用 主 要 有 : (1) 避 免 加 速 管 内 放 电 击 穿 无 论 是 行 波 加 速 管, 还 是 驻 波 加 速 管, 为 有 效 地 加 速 电 子, 要 建 立 很 强 的 微 波 电 场, 一 般 为 每 cm 几 十 KV 到 几 百 KV, 所 以 要 求 加 速 管 要 维 持 高 真 空 甚 至 超 高 真 空 的 状 态 (2) 防 止 电 子 枪 阴 极 中 毒 钨 丝 材 料 的 热 子 或 灯 丝 氧 化 尤 其 是 全 密 封 驻 波 加 速 管 采 用 氧 化 物 阴 极, 有 害 气 体 会 使 阴 极 中 毒, 对 真 空 的 要 求 更 高 (3) 减 少 电 子 与 残 余 气 体 的 碰 撞 损 失 医 用 电 子 直 线 加 速 器 常 用 的 微 波 功 率 源 器 件 如 磁 控 管 和 速 调 管, 都 是 运 行 在 超 高 真 空 条 件 下 的 大 功 率 电 真 空 器 件, 必 须 减 少 电 子 与 残 余 气 体 的 碰 撞 损 失 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 核 心 部 件 加 速 管 的 真 空 系 统 概 括 起 来 有 三 种 形 式 ( 参 考 图 和 图 3-3-8): (1) 全 密 封 驻 波 加 速 管 这 种 加 速 管 在 出 厂 前 经 过 整 体 钎 焊 严 格 的 真 空 检 漏 高 温 真 空 去 气 处 理, 封 离 时 保 持 超 高 真 空, 工 作 时, 由 一 台 小 离 子 泵 (3~5L/s) 维 持 超 高 真 空, 其 结 构 示 意 图 如 图 所 示, 参 考 实 物 图 我 国 国 产 和 进 口 的 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 都 采 用 这 种 全 密 封 驻 波 加 速 管 (2) 具 有 可 拆 卸 密 封 的 驻 波 加 速 管 一 些 高 能 的 驻 波 加 速 管, 考 虑 到 某 些 寿 命 件 阶 可 更 换 性, 如 电 子 枪 阴 极 的 更 换, 将 电 子 枪 的 阴 极 设 计 成 可 拆 卸 的 密 封 结 构 但 考 虑 到 更 换 器 件 后 的 再 次 真 空 启 动, 所 以 配 置 离 子 泵 的 抽 速 要 大 (20L/s), 同 时, 在 电 子 枪 部 位 又 增 加 了 一 台 离 子 泵 (8L/s) (3) 具 有 可 拆 卸 密 封 的 行 波 加 速 管 将 加 速 管 的 密 封 设 计 成 可 拆 卸 式 金 属 密 封, 一 旦 如 电 子 枪 偏 转 靶 室 离 子 泵 等 发 生 问 题, 可 在 医 院 现 场 进 行 更 换, 这 些 都 设 计 成 活 动 密 封 结 构 与 第 二 种 类 型 一 样, 考 虑 到 加 速 管 真 空 需 二 次 启 动, 配 置 的 离 子 泵 抽 速 较 大, 一 般 配 置 两 台 离 子 泵 ( 均 为 20~30 L/s), 分 别 安 装 在 两 个 耦 合 器 的 波 导 三 通 上 对 于 非 全 密 封 可 拆 卸 密 封 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 更 换 部 件 后 的 二 次 真 空 启 动 ( 从 大 气 抽 到 离 子 泵 可 以 工 作 ) 一 般 用 机 械 泵 加 吸 附 泵 的 真 空 泵 小 车 或 分 子 泵 机 组, 另 外 涉 及 的 真 空 测 量 与 真 空 检 漏 技 术 经 验 表 明 : 真 空 好, 电 子 枪 寿 命 长, 密 封 加 速 管 中 用 的 氧 化 物 阴 极 对 真 空 度 的 要 求 更 高, 有 害 气 体 会 使 阴 极 中 毒, 减 弱 或 丧 失 发 射 能 力 另 外 加 速 管 中 ( 特 别 是 驻 波 型 ) 电 场 强 度 很 高, 一 般 达 到 几 百 KV/cm, 为 防 止 放 电 击 穿 也 要 求 有 高 真 空 二 真 空 获 得 偏 转 加 速 管 电 子 枪 钛 泵 波 导 窗 图 全 密 封 驻 波 加 速 管 真 空 示 意 图 ( 一 ) 概 述 真 空 度 应 是 表 征 气 体 稀 薄 程 度 的, 最 直 接 的 物 理 量 是 单 位 体 积 内 的 分 子 数 但 由 于 历 史 的 原 因, 真 空 度 的 高 低 通 常 用 气 体 的 压 强 表 示 气 体 的 压 强 越 低, 就 表 示 真 空 度 越 高 ; 反 之, 压 强 越 高, 真 空 度 就 越 低 在 MKS 单 位 制 中, 气 体 压 强 的 单 位 为 N/m 2 称 为 帕 斯 卡, 简 称 帕 (Pa) 而 早 期, 都 是

109 以 汞 柱 高 度 表 示 真 空 度,760mmHg 规 定 为 一 个 标 准 大 气 压,1mmHg 称 为 1 乇 (Torr), 但 因 汞 有 7 种 同 位 素, 其 同 位 素 的 组 成 不 同, 那 么 其 密 度 也 不 确 定, 所 以 国 际 上 逐 步 淘 汰 了 以 汞 柱 作 为 压 强 的 单 位, 旧 式 书 中 因 采 用 的 某 些 公 式 是 以 乇 为 单 位 推 导 的, 所 以 两 种 单 位 并 存 它 们 之 间 的 换 算 关 系 如 下 : 1 标 淮 大 气 压 (ATM)= 帕 (Pa) 0.1MPa 1 乇 (Torr)= 帕 (Pa),1 帕 (Pa)= 乇 (Torr) 用 来 获 得 真 空 的 器 械 称 为 真 空 泵, 真 空 泵 按 其 工 作 原 理 可 分 为 两 大 类 : 1. 压 缩 型 真 空 泵 其 工 作 原 理 是 将 气 体 由 泵 的 入 口 端 压 缩 到 出 口 端, 排 出 到 泵 外 例 如 : (1) 利 用 膨 胀 压 缩 作 用 的 旋 片 式 机 械 真 空 泵 ; (2) 利 用 气 体 黏 滞 牵 引 作 用 的 蒸 汽 流 喷 射 泵 ; (3) 利 用 高 速 表 面 牵 引 分 子 作 用 的 涡 轮 分 子 泵 等 2. 吸 附 型 真 空 泵 其 工 作 原 理 是 利 用 各 种 吸 气 作 用 将 气 体 吸 附 排 除, 例 如 : (1) 利 用 电 吸 气 作 用 的 溅 射 离 子 泵 ; (2) 利 用 物 理 或 化 学 吸 附 作 用 的 分 子 筛 吸 附 泵 低 温 泵 等 ( 二 ) 钛 泵 除 少 数 早 期 产 品 还 用 油 扩 散 泵 外, 绝 大 多 数 的 电 子 直 线 加 速 器 都 用 钛 泵 无 油 超 高 真 空 系 统, 有 的 还 用 全 密 封 系 统 钛 泵 分 热 钛 泵 与 冷 钛 泵, 一 般 用 溅 射 离 子 源, 是 冷 钛 泵, 是 一 种 新 型 表 面 吸 附 型 泵 它 利 用 了 化 学 性 质 活 泼 的 钛 金 属 具 有 很 强 的 吸 气 能 力 的 特 性 溅 射 离 子 泵 是 维 持 医 用 加 速 器 超 高 真 空 的 主 泵, 对 于 全 密 封 驻 波 加 速 管 采 用 抽 速 3~5L/s 的 小 型 离 子 泵, 对 于 可 拆 卸 金 属 密 封 加 速 管 一 般 采 用 抽 速 25L/s 的 离 子 泵 1. 溅 射 离 子 泵 的 工 作 原 理 溅 射 离 子 泵 的 结 构 原 理 如 图 所 示, 阳 极 为 一 薄 壁 不 锈 钢 筒, 阴 极 是 两 块 铁 板, 分 别 置 于 阳 极 两 边 所 以 溅 射 离 子 泵 有 时 简 称 钛 泵 组 阳 极 阴 极 一 起 装 于 不 锈 钢 外 壳 中, 整 个 壳 体 置 于 永 磁 磁 场 中, 磁 力 线 方 向 平 行 于 阳 极 筒 轴 向, 磁 场 强 度 为 1000~1500G 工 作 时 阳 极 阴 极 之 间 加 有 3~7KV 直 流 高 压, 产 生 放 电, 气 体 被 电 离, 产 生 的 离 子 轰 击 阴 极 时 溅 射 出 钛 原 子, 它 们 沉 积 于 阳 极 筒 内 壁 及 阴 极 上 离 子 轰 击 较 少 的 部 位, 连 续 形 成 新 鲜 的 钛 膜 新 鲜 钛 膜 具 有 对 极 性 气 体 分 子 (N 2 O 2 H 2 等 ) 的 吸 附 作 用, 而 对 惰 性 气 体 的 排 除 是 靠 电 清 除 作 用, 惰 性 气 体 被 电 离 后, 具 有 一 定 能 量 的 惰 性 气 体 离 子 ( 如 Ar + ) 打 进 钛 膜, 随 后 被 新 产 生 的 铁 膜 掩 埋 所 以, 溅 射 离 子 泵 的 抽 气 作 用 是 基 于 新 鲜 钛 膜 的 吸 附 作 用 和 电 清 除 作 用 图 溅 射 离 子 泵 结 构 示 意 图

110 2. 钛 泵 用 的 电 源 钛 泵 用 的 电 源 是 很 简 单 的 5KV 倍 压 整 流 电 源 但 电 源 内 阻 较 大, 在 真 空 不 佳 时 能 限 制 因 钛 泵 电 极 短 路 时 流 过 的 短 路 电 流, 真 空 保 护 有 二 挡 : 低 标 准 保 护 约 设 在 1.33Pa(10-2 Pa(10-2 Torr) 时, 即 微 小 的 真 空 突 变 时, 此 时 只 断 开 调 制 器 的 高 压 联 锁 ; 另 一 挡 为 0.133Pa(10-3 )Torr) 时, 即 真 空 长 期 下 降 时, 断 开 电 子 枪 灯 丝 与 钛 泵 电 源 本 身, 钛 泵 起 动 时, 电 流 较 大, 应 先 将 保 护 断 开 在 加 速 管 去 气 老 炼 时, 当 钛 泵 电 流 大 于 50μA 时 或 放 电 频 繁 时 应 暂 停, 等 到 优 于 5μA 时 再 加 高 压 溅 射 离 子 泵 电 源 空 载 输 出 的 电 压 在 3~7KV 之 间, 它 的 高 压 输 出 端 都 串 联 着 限 流 电 阻, 当 离 子 泵 放 电 电 流 大 时, 其 输 出 电 压 降 低, 电 流 过 大 时, 输 出 电 压 可 降 至 300V 左 右 工 作 中 系 统 突 然 暴 露 大 气, 放 电 会 自 动 停 止, 故 离 子 泵 和 电 源 都 不 会 损 坏 电 源 本 身 具 有 过 流 保 护 功 能, 当 超 过 设 定 的 电 流 值 时, 电 源 会 自 动 切 断, 防 止 电 源 本 身 损 坏 对 于 医 用 加 速 器 的 特 殊 需 要, 离 子 泵 电 源 都 有 电 流 联 锁 功 能, 当 离 子 泵 电 流 超 过 某 一 值 时, 给 出 一 个 联 锁 信 号 如 为 保 护 加 速 管 和 电 子 枪 阴 极 ( 灯 丝 ), 设 定 离 子 泵 电 流 不 能 超 过 加 200μA, 当 超 过 这 一 值 时, 离 子 泵 给 出 的 联 锁 信 号 可 切 断 加 速 器 的 高 压 和 电 子 枪 的 低 压, 但 离 子 泵 仍 在 工 作 继 续 抽 真 空 3. 溅 射 离 子 泵 的 寿 命 溅 射 离 子 泵 的 寿 命 很 长, 一 般 额 定 值 是 在 5mA 的 工 作 电 流 下, 可 工 作 5000h, 若 工 作 电 流 在 50μA 则 寿 命 可 达 h( 即 50 多 年 ), 所 以 在 加 速 管 正 常 工 作 的 条 件 下, 离 子 泵 的 寿 命 大 于 加 速 管 的 寿 命 ( 加 速 管 的 使 用 寿 命 20 年 ) 溅 射 离 子 泵 的 阴 极 板, 对 着 阳 极 筒 的 中 心 区 域 被 溅 射 击 穿 成 孔 状, 丧 失 了 吸 气 功 能, 说 明 离 子 泵 寿 命 终 了 另 外 影 响 离 子 泵 寿 命 的 是 高 压 绝 缘 子, 在 离 子 泵 工 作 过 程 中, 尤 其 是 放 电 电 流 很 大 时, 溅 射 的 金 属 原 子 沉 积 到 绝 缘 子 上, 造 成 高 压 漏 电, 当 漏 电 电 流 过 大 时, 离 子 泵 也 不 能 工 作, 造 成 离 子 泵 寿 命 终 了, 必 须 更 换 新 离 子 泵 4. 电 子 枪 更 换 时 真 空 操 作 全 密 封 加 速 管 是 一 个 很 好 的 方 向, 不 需 要 用 户 在 现 场 更 换 电 子 枪, 加 速 器 维 修 中 头 痛 的 真 空 操 作 不 再 有 了 由 于 在 设 备 良 好 的 工 厂 中 清 洗 烘 烤 去 气 后 密 封 死, 能 提 供 更 高 的 真 空 度, 因 此 能 适 应 驻 波 加 速 器 更 高 的 电 场 强 度, 减 少 打 火 引 起 微 波 系 统 和 调 制 器 的 故 障, 同 时 能 使 用 氧 化 物 阴 极, 电 子 枪 灯 丝 寿 命 大 大 延 长 ( 灯 丝 寿 命 虽 然 只 保 证 3000 小 时, 但 实 际 应 用 时 大 大 超 过, 据 统 计, 平 均 寿 命 达 7 年 ) 生 产 密 封 加 速 管, 先 将 电 子 枪 与 高 频 过 渡 接 头 钎 焊 就 位, 将 靶 氦 孤 焊 就 位 后, 整 体 放 在 隋 性 气 体 气 氛 炉 中 加 热 到 400,24h, 并 抽 真 空 将 灯 丝 激 活 以 驱 逐 出 吸 附 的 气 体, 最 后 将 无 氧 铜 的 抽 气 管 夹 死 取 下, 和 速 调 管 一 样, 密 封 加 速 管 亦 装 入 一 溅 射 型 离 子 汞, 它 能 继 续 连 续 地 抽 走 残 余 气 体, 又 能 做 监 测 真 空 度 与 起 真 空 保 护 作 用 静 止 真 空 可 达 Pa (10-9 Torr) 由 于 真 空 度 高, 泵 的 寿 命 达 几 十 万 小 时 三 真 空 检 漏 加 速 器 发 生 漏 气 有 两 种 情 况 : 一 种 情 况 是, 当 可 拆 式 加 速 管 在 组 装 时, 如 安 装 电 子 枪 靶 室 后, 进 行 抽 真 空, 经 过 一 段 时 间 真 空 度 总 是 上 不 去, 达 不 到 预 定 的 要 求 或 全 密 封 式 加 速 管 在 排 气 时 真 空 度 达 不 到 预 定 的 要 求, 这 就 说 明 系 统 有 漏 孔 存 在 ; 另 一 种 情 况 是 在 加 速 器 安 装 后, 真 空 逐 渐 变 坏 ( 离 子 泵 电 流 增 大 ), 说 明 加 速 管 漏 气 了 ( 一 ) 判 断 加 速 器 是 否 漏 气 的 两 种 方 法 : 1. 极 限 压 强 法 当 加 速 器 更 换 了 某 一 部 件 后, 如 更 换 电 子 枪, 重 新 抽 真 空 后, 达 不 到 原 来 的 极 限 压 强

111 P 0, 说 明 有 漏 气 存 在, 漏 气 处 就 有 可 能 在 新 更 换 的 部 件 和 它 的 密 封 处 2. 静 态 升 压 法 当 将 加 速 管 与 真 空 泵 连 接 的 阀 门 关 闭 时 观 察 系 统 内 压 强 随 时 间 的 变 化 曲 线 以 上 这 两 种 方 法 只 能 判 断 系 统 是 否 漏 气, 若 有 漏 气, 不 能 判 断 出 漏 孔 的 准 确 位 置 漏 孔 一 般 很 小, 形 状 也 不 规 则, 都 是 人 们 肉 眼 看 不 见 的, 所 以 在 真 空 技 术 中, 漏 孔 时 大 小 不 是 用 尺 寸 而 是 用 漏 率 来 表 示 加 速 器 要 求 的 漏 率, 对 全 密 封 的 加 速 管 要 求 漏 率 小 于 Pa m 3 /s, 对 可 拆 式 则 速 管 要 求 漏 率 小 于 Pa m 3 /s ( 二 ) 检 漏 的 目 的 和 方 法 真 空 系 统 的 气 源 主 要 是 系 统 的 放 气 和 漏 气, 从 某 种 意 义 上 讲, 没 有 绝 对 不 漏 的 真 空 系 统, 所 以 真 空 检 漏 的 目 的 : (1) 判 断 系 统 漏 率 的 大 小, 若 判 断 出 系 统 的 总 漏 率 小 于 容 许 漏 率 即 为 合 格 (2) 若 判 断 出 系 统 的 总 漏 率 大 于 容 许 漏 率, 应 确 定 漏 孔 的 位 置, 进 行 相 应 的 处 理, 排 除 漏 孔 真 空 系 统 在 正 常 工 作 时 所 能 允 许 的 最 大 漏 气 量, 称 为 最 大 容 许 漏 率, 简 称 容 许 漏 率 真 空 检 漏 的 方 法 主 要 由 示 漏 物 质 和 探 测 器 组 合 而 成, 示 漏 物 质 可 以 是 气 体 或 液 体, 如 氮 气 氩 气 氦 气 乙 醇 丙 酮 等, 对 示 漏 物 质 的 要 求 除 了 与 探 测 器 配 合 有 高 的 反 应 灵 敏 度 外, 主 要 要 求 它 不 能 对 真 空 系 统 产 生 污 染 或 化 学 反 应 探 测 器 是 对 示 漏 物 质 反 应 灵 敏 的 仪 器 一 般 示 漏 物 质 与 探 测 器 分 别 在 被 检 容 器 的 两 端, 即 漏 孔 的 两 端 三 真 空 检 漏 操 作 一 台 医 用 加 速 器 无 论 是 在 安 装 调 试 阶 段 还 是 在 运 行 阶 段, 加 速 器 的 真 空 系 统 正 常 是 加 速 器 运 行 的 必 要 条 件, 真 空 系 统 若 出 现 异 常, 加 速 器 的 低 压 都 不 能 启 动 ( 设 备 的 安 全 联 锁 决 定 ) 对 于 全 密 封 加 速 管, 在 出 厂 前 已 经 过 严 格 的 真 空 检 漏 和 排 气, 安 装 后 它 本 身 的 离 子 泵 电 流 应 小 于 10 µ A, 一 般 都 在 几 微 安 的 范 围 若 出 现 离 子 泵 电 流 过 大 或 无 指 示, 在 排 除 离 子 泵 电 源 故 障 后, 说 明 加 速 管 漏 气, 应 由 厂 方 进 行 返 修 对 于 可 拆 卸 密 封 加 速 管, 在 组 装 或 更 换 部 件 时 需 进 行 真 空 检 漏, 加 速 器 在 运 行 过 程 中, 真 空 变 坏, 也 需 要 进 行 真 空 检 漏 真 空 检 漏 的 操 作 方 法 有 以 下 几 种 : ( 一 ) 利 用 离 子 泵 检 漏 离 子 泵 作 为 加 速 器 的 主 泵 维 持 加 速 管 的 高 真 空, 利 用 离 子 泵 进 行 加 速 管 的 真 空 检 漏 已 有 不 少 成 功 的 经 验, 它 不 需 额 外 增 加 检 漏 仪 器, 方 便 易 行 它 的 检 漏 原 理 主 要 是 利 用 离 子 泵 对 不 同 气 体 的 抽 速 不 同, 反 映 出 离 子 泵 电 流 的 变 化 示 漏 气 体 可 选 择 氩 气, 波 导 用 绝 缘 气 体 六 氟 化 硫 (SF 6 ) 等, 当 用 这 些 示 漏 气 体 在 可 疑 处 喷 吹 时, 若 离 子 泵 电 流 发 生 变 化 ( 一 般 是 变 大 ), 停 止 喷 吹 后, 离 子 泵 电 流 恢 复 原 值, 说 明 此 处 漏 气 ( 二 ) 利 用 氦 质 谱 检 漏 仪 检 漏 利 用 氦 质 谱 检 漏 仪 对 医 用 加 速 器 检 漏 灵 钛 度 高 反 应 快 稳 定 性 重 复 性 好 利 用 氦 质 谱 检 漏 仪 检 漏 的 操 作 方 法 主 要 有 以 下 两 种 : 1. 喷 吹 法 喷 吹 法 是 最 常 用 方 便 的 氦 质 谱 检 漏 仪 检 漏 方 法, 操 作 和 上 面 应 用 离 子 泵 检 漏 的 方 法 一 样 它 能 确 定 漏 孔 的 准 确 位 置, 并 能 根 据 与 标 准 漏 孔 相 比, 确 定 漏 孔 的 漏 率 ( 一 些 数 字 化 检 漏 仪 可 直 接 显 示 漏 率 ) 2, 氦 罩 法 氦 罩 法 主 要 用 于 测 定 被 检 容 器 的 总 漏 率

112 五 真 空 故 障 与 检 漏 举 例 目 前, 国 内 已 有 数 百 台 医 用 加 速 器 在 运 行, 最 长 的 已 有 二 三 十 年 的 历 史 在 大 量 的 运 行 中, 也 常 遇 到 真 空 方 面 的 故 障, 排 r 除 故 障 轻 则 停 机 几 小 时, 重 则 更 换 部 件, 需 停 机 几 天, 跪 成 巨 大 的 经 济 损 失 下 面 列 举 一 些 真 空 系 统 故 障 的 实 例, 这 些 实 例 有 的 是 操 作 不 当 引 起 的, 有 的 是 制 造 时 遗 留 的 缺 陷 造 成 的 这 些 故 障 实 例, 有 的 是 值 得 学 习 借 鉴 的 经 验, 有 的 是 值 得 吸 取 的 教 训 (1) 早 在 20 世 纪 70 年 代, 某 单 位 在 进 行 加 速 管 抽 真 空, 下 班 停 机 时 操 作 人 员 忘 了 关 断 机 械 泵 与 系 统 之 间 的 阀 门 ( 或 用 夹 子 夹 住 橡 皮 管 ), 结 果 造 成 机 械 泵 返 油, 机 械 泵 油 进 入 2m 多 长 的 行 波 加 速 管, 该 所 花 费 了 很 大 的 精 力 和 财 力 才 将 进 入 加 速 管 的 油 清 洗 干 净, 加 速 管 得 以 恢 复 使 用 类 似 的 故 障 还 发 生 在 机 械 泵 油 返 油 到 真 空 计 的 规 管 内 现 在, 真 空 机 组 ( 分 子 泵 机 组 扩 散 泵 机 组 ) 使 用 的 机 械 泵 都 安 装 了 电 磁 放 气 阀, 可 避 免 这 种 误 操 作 发 生 (2) 某 台 14MeV 的 加 速 管 在 调 试 时, 因 微 波 系 统 打 火 频 繁, 将 加 速 管 与 波 导 之 间 的 陶 瓷 隔 离 窗 打 裂, 微 波 波 导 中 充 的 氟 里 昂 气 体 进 人 加 速 管, 使 真 空 破 坏, 电 子 枪 灯 丝 烧 断 原 以 为 更 换 电 子 枪 波 导 窗 与 钛 泵 后 能 修 复, 但 因 卤 素 气 体 污 染 严 重, 加 速 管 虽 然 经 过 烧 氢 处 理, 但 仍 无 法 彻 底 清 除 残 留 在 加 速 管 内 壁 上 的 卤 素, 新 装 的 电 子 枪 阴 极 立 即 中 毒, 最 后 只 能 是 整 根 加 速 管 报 废 从 这 个 例 子, 可 以 看 出 真 空 清 洁 的 重 要 性 (3) 下 面 的 例 子 说 明 操 作 人 员 及 时 发 现 加 速 器 真 空 的 问 题, 及 时 解 决, 可 防 止 故 障 进 一 步 扩 大 某 厂 生 产 的 行 波 加 速 器 在 运 行 中, 发 现 加 速 器 输 出 的 剂 量 变 小, 钛 泵 电 流 变 大 ( 但 不 明 显, 一 星 期 内 电 流 增 加 了 几 个 微 安 ) 当 时 判 断 是 电 子 枪 发 射 能 力 降 低 和 有 微 漏, 经 过 仔 细 检 查, 发 现 是 输 出 端 的 波 导 窗 漏 气 因 波 导 窗 的 另 一 端 充 的 是 SF6 绝 缘 气 体, 漏 进 加 速 管 后, 造 成 电 子 枪 轻 微 中 毒 发 射 能 力 下 降 将 波 导 窗 的 微 漏 排 除 后 ( 加 速 管 未 暴 露 大 气 ), 重 新 激 活 电 子 枪 阴 极, 使 加 速 器 恢 复 正 常 运 行 (4) 某 单 位 在 实 验 台 上 测 试 加 速 管 时, 忘 了 安 装 铣 泵 磁 铁, 此 时 虽 然 钛 泵 加 了 3KV 高 压, 但 钛 泵 不 能 正 常 工 作 无 抽 气 能 力 而 反 映 真 空 度 的 钛 泵 电 流 为 零, 就 以 为 加 速 管 真 空 很 好 由 于 加 速 管 加 微 波 功 率 后 大 量 放 气, 致 使 真 空 度 下 降, 加 速 管 内 打 火 造 成 永 久 性 损 伤 发 现 问 题 并 纠 正 后, 钛 离 子 泵 能 够 将 真 空 抽 好, 但 高 功 率 微 波 加 不 上, 虽 然 经 过 耐 心 地 老 练, 始 终 加 不 到 满 功 率, 只 能 由 加 速 管 制 造 厂 返 修 这 个 例 子, 也 反 映 操 作 人 员 的 经 验 问 题, 加 速 管 在 首 次 微 波 老 练 时, 真 空 度 应 下 降, 反 映 到 钛 泵 电 流 上, 应 该 是 钛 泵 电 流 变 大 如 老 练 时, 钛 泵 电 流 无 任 何 变 化, 操 作 人 员 就 应 怀 疑 是 钛 泵 钛 泵 电 源 或 钛 泵 的 高 压 引 线 有 问 题, 及 时 发 现 问 题 及 时 解 决, 不 至 于 把 故 障 进 一 步 扩 大 (5) 与 上 例 故 障 类 似, 为 了 操 作 人 员 的 安 全, 有 的 钛 泵 电 源 盒 上 装 有 微 动 开 关 操 作 人 员 打 开 电 源 盒 盖 后, 自 动 切 断 电 源, 确 保 人 员 不 被 高 压 所 误 伤 但 是 经 常 发 生 盒 盖 未 压 上 微 动 开 关, 钛 泵 电 源 未 通 电 无 高 压 输 出 的 情 况, 这 样 钛 泵 也 就 不 工 作 实 际 开 机 时 真 空 不 好, 但 因 钛 泵 电 流 为 零, 误 认 为 真 空 很 好, 此 时 又 无 真 空 联 锁, 如 这 时 加 调 制 器 高 压, 很 容 易 造 成 加 速 管 损 伤 或 电 子 枪 阴 极 中 毒 有 经 验 的 调 机 人 员 知 道, 低 压 启 动 电 子 枪 预 热 时, 钛 泵 电 流 不 应 为 零, 特 别 是 初 次 或 较 长 时 间 停 机 后 加 微 波 时, 由 于 加 速 管 放 气, 会 使 钛 泵 电 流 上 升 某 单 位 为 了 彻 底 防 止 此 类 事 故 发 生, 除 了 钛 泵 电 流 的 真 空 联 锁 外, 另 外 加 了 钛 泵 高 压 的 联 锁 最 好 是 联 锁 用 的 高 压 取 自 钛 泵 高 压 绝 缘 子 的 电 极 上, 这 也 排 除 了 钛 泵 高 压 开 路 的 事 故 ( 如 高 压 电 缆 忘 记 接 在 钛 泵 上 ) 这 和 电 离 室 的 高 压 联 锁 相 似, 目 的 是 确 保 高 压 真 的 接 到 钛 泵 上 了

113 (6) 钛 离 子 泵 短 路 故 障, 这 可 能 是 由 于 钛 泵 在 生 产 过 程 中 残 留 的 金 属 屑 或 溅 射 的 钛 膜 脱 落 形 成 的 金 属 屑 正 好 落 在 阴 阳 极 之 间, 造 成 短 路, 使 钛 泵 高 压 加 不 上 由 于 医 用 加 速 器 都 是 能 绕 等 中 心 旋 转 的, 这 个 金 属 屑 有 时 引 起 打 火, 当 加 速 器 的 臂 旋 转 到 某 一 角 度 有 时 又 好 了 要 将 加 速 管 送 回 制 造 厂 返 修 是 很 费 事 的, 同 时 耽 误 了 一 批 患 者 的 治 疗 曾 有 两 三 例 是 在 医 院 现 场 用 低 压 电 源 ( 约 60V), 突 然 加 在 钛 泵 的 阴 阳 极 之 间, 形 成 电 弧 烧 掉 金 属 屑, 消 除 故 障, 使 钛 泵 能 正 常 工 作 (7) 钛 泵 抽 速 降 低 故 障, 某 医 院 使 用 的 国 产 加 速 器, 真 空 系 统 故 障, 经 检 漏 末 发 现 漏 气 现 象, 判 断 是 钛 泵 故 障 拆 下 钛 泵 后 发 现 放 电 极 上 附 有 大 量 碳 化 物, 导 致 钛 泵 抽 速 降 低 采 用 丙 酮 溶 剂 将 钛 泵 清 洗 数 遍, 处 理 掉 电 极 上 的 碳 化 物, 经 烘 干 后 重 新 安 装, 钛 泵 恢 复 正 常, 真 空 系 统 也 转 入 正 常 (8) 某 医 院 进 口 的 二 手 机, 在 安 装 出 束 后, 技 术 人 员 发 现 套 在 加 速 管 上 的 聚 焦 线 圈 装 歪 了 ( 与 加 速 管 不 同 心 ), 将 聚 焦 线 圈 校 正 后 再 出 束 时, 电 子 束 打 歪 了 直 径 小 于 2mm, 功 率 达 千 瓦 的 电 子 束 打 在 不 该 打 到 的 地 方, 极 易 出 现 问 题, 结 果 高 功 率 电 子 束 熔 化 了 冷 却 水 管, 使 水 进 入 真 空 系 统, 烧 坏 电 子 枪 该 医 院 后 请 某 单 位 返 修 加 速 管, 也 未 能 修 好 (9) 有 几 家 医 院 的 加 速 器, 因 恒 温 水 系 统 各 分 支 路 水 量 分 配 不 合 适 或 靶 室 水 回 路 有 杂 质, 都 造 成 靶 的 冷 却 水 流 量 不 够, 使 靶 过 热 而 产 生 大 量 的 放 气, 真 空 皮 下 降, 这 将 严 重 影 响 加 速 管 的 使 用 寿 命 更 严 重 的 可 造 成 靶 局 部 熔 化 漏 气, 对 于 全 密 封 加 速 管 要 整 管 更 换, 对 可 拆 卸 加 速 管 就 需 更 换 靶 室, 重 新 启 动 真 空

114 第 十 节 波 导 充 气 系 统 波 导 充 气 系 统 是 指 给 微 波 传 输 系 统 充 以 一 定 压 强 的 特 定 气 体 的 一 套 装 置 波 导 要 传 输 足 够 大 的 微 波 功 率 时 需 建 立 较 强 的 电 场, 为 防 止 放 电, 除 抽 真 空 外 可 以 用 充 高 压 绝 缘 气 体 解 决 充 气 的 目 的, 是 为 了 增 加 波 导 内 气 体 分 子 的 密 度, 以 缩 短 气 体 分 子 运 动 的 平 均 自 由 程, 从 而 提 高 波 导 击 穿 强 度 阈 值 所 充 的 气 体, 一 般 多 为 干 燥 高 纯 氮 (N 2 ) 氟 里 昂 (F 12 ) 或 六 氟 化 硫 (SF 6 ) 等 所 选 气 体 的 种 类 都 基 于 其 绝 缘 强 度 安 全 性 能 和 来 源 的 可 能 性 常 用 的 气 体 有 氟 利 昂 和 六 氯 化 硫 两 者 都 含 有 氟 氯 等 卤 素 元 素, 对 电 子 具 有 较 大 的 亲 和 力 易 形 成 负 离 子 而 复 合 成 中 性 另 外 分 子 量 大, 电 子 自 由 行 程 小, 电 子 难 以 积 累 起 足 以 碰 撞 电 离 的 能 量, 故 击 穿 电 压 较 高 在 相 同 状 况 下, 由 于 氟 里 昂 的 电 击 穿 强 度 高 于 干 燥 高 纯 氮 的 电 击 穿 强 度, 故 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 微 波 传 输 系 统 大 多 充 以 氟 里 昂 实 践 证 明, 对 于 干 燥 高 纯 氮, 波 导 内 充 气 压 强 度 一 般 为 0.20~0.25MPa; 对 氟 里 昂, 则 只 需 要 0.15~0.18MPa 的 压 强, 即 可 保 证 高 功 率 微 波 的 正 常 传 输 故 国 产 医 用 电 子 直 线 加 速 器 一 般 常 把 F 12 直 接 充 到 0.15~0.18 MPa 作 为 微 波 传 输 波 导 的 充 气 压 强 范 围 由 于 氟 利 昂 和 六 氯 化 硫 保 存 在 钢 瓶 中 呈 液 态 蒸 发 成 气 体 后 使 用 的, 故 压 力 基 本 上 保 持 恒 定, 用 完 前 不 易 察 觉, 因 此 应 经 常 保 存 一 瓶 备 用

115 第 十 节 高 压 脉 冲 调 制 器 在 使 用 微 波 电 场 加 速 电 子 的 加 速 器 中, 为 了 得 到 尽 可 能 高 的 加 速 电 场, 瞬 时 微 波 功 率 很 大, 达 到 MW 量 级, 因 此 微 波 源 都 是 脉 冲 工 作 的 电 子 直 线 加 速 器 的 微 波 功 率 源 是 由 磁 控 管 振 荡 器 ( 或 速 调 管 放 大 器 ) 脉 冲 调 制 器 触 发 器 和 直 流 电 源 组 成 方 框 图 如 图 所 示 磁 控 管 或 速 调 管 触 发 器 脉 冲 调 制 器 加 速 管 直 流 高 压 电 源 微 波 源 方 框 图 微 波 源 的 任 务 是 产 生 并 输 出 具 有 一 定 频 率 一 定 脉 冲 包 络 宽 度 一 定 重 复 频 率 一 定 大 小 功 率 的 超 高 频 振 荡 除 振 荡 频 率 是 由 磁 控 管 决 定 重 复 频 率 由 触 发 器 决 定 的 外, 脉 冲 宽 度 和 脉 冲 功 率 由 调 制 器 决 定 的 脉 冲 调 制 器 是 向 这 种 微 波 源 提 供 脉 冲 功 率 的 电 源 脉 冲 调 制 器 是 电 子 直 线 加 速 器 的 一 个 重 要 组 成 部 分 它 的 任 务 就 是 输 出 一 系 列 振 荡 器 所 需 的, 具 有 足 够 大 功 率 的 一 定 重 复 频 率 和 一 定 宽 度 波 形 合 适 的 脉 冲 电 压, 用 以 控 制 射 频 发 生 器 磁 控 管 的 工 作, 以 产 生 一 定 幅 度 的 射 频 脉 冲 功 率 这 个 功 率 由 磁 控 管 输 出 窗 经 波 导 耦 合 器 送 入 加 速 管 在 电 子 直 线 加 速 器 中, 除 上 述 磁 控 管 振 荡 器 需 要 由 脉 冲 调 制 器 提 供 脉 冲 电 压 外, 电 子 的 注 入 也 要 求 有 一 定 波 形 脉 冲 幅 度 的 脉 冲 电 压 由 于 电 子 注 入 一 路 的 负 载 很 轻, 所 以 常 常 和 磁 控 管 振 荡 器 共 用 一 台 调 制 器, 脉 冲 变 压 器 副 边 的 两 组 线 圈 给 出 重 复 频 率 和 脉 冲 宽 度 相 同 幅 度 不 同 的 两 路 脉 冲 电 压 一 台 加 速 器 阶 性 能 工 作 的 可 靠 性 直 接 与 微 波 源 调 制 器 有 关, 为 了 正 确 地 运 行 电 子 直 线 加 速 器, 了 解 调 制 器 的 原 理 线 路 和 工 作 特 点 是 很 有 必 要 的 在 电 子 直 线 加 速 器 中, 调 制 器 的 负 载 是 磁 控 管 和 电 子 枪 它 们 一 方 面 吸 收 调 制 器 的 输 出 功 率, 另 一 方 面 又 给 调 制 器 的 放 电 电 路 以 一 定 的 影 响 当 调 制 器 的 内 阻 与 负 载 阻 抗 匹 配 时 才 能 输 出 最 大 的 功 率, 波 形 的 畸 变 亦 小 因 此, 直 接 与 负 载 连 接 是 难 以 很 好 匹 配 的, 几 乎 都 采 用 脉 冲 变 压 器 来 解 决 匹 配 问 题 二 脉 冲 调 制 器 工 作 原 理 限 峰 电 路 人 工 线 脉 冲 变 压 器 充 电 二 极 管 De-Q 电 路 开 关 管 去 磁 电 路 磁 控 管 充 电 电 感 低 通 滤 波 器 RC 网 络 电 子 枪 整 流 滤 波 电 源 变 压 器 触 发 器 阻 尼 电 路 脉 冲 调 制 器 工 作 原 理

116 脉 冲 调 制 器 工 作 原 理 如 图 所 示 三 相 电 源 经 稳 压 器 加 到 电 源 变 压 器 上, 可 分 为 二 种 方 式 : 手 动 升 压 与 自 动 升 压 自 动 升 压 是 调 制 器 输 入 电 源 电 压 在 极 短 的 时 间 内 ( 约 6 秒 ) 加 到 额 定 值 ; 手 动 升 压 则 根 据 需 要 可 以 任 意 调 节 到 变 压 器 上 的 输 入 电 压 三 相 电 源 变 压 器 初 级 接 成 形, 次 级 接 成 Y 形 三 相 交 流 高 压 经 桥 式 整 流 再 经 LC 滤 波 得 到 有 一 定 波 纹 系 数 的 直 流 电 压 直 流 高 压 电 源 与 充 电 电 感 充 电 二 极 管 人 工 线 脉 冲 变 压 器 初 级 组 成 了 谐 振 充 电 电 路 当 开 关 管 栅 极 处 于 正 脉 冲 时, 开 关 管 人 工 线 电 容 脉 冲 变 压 器 初 级 组 成 了 脉 冲 形 成 电 路 最 终 形 成 的 高 压 负 脉 冲 经 脉 冲 变 压 器 次 级 分 别 加 到 磁 控 管 (43KV) 和 电 子 枪 (60KV) 的 阴 极 上 调 制 器 脉 冲 源 稳 定 与 否 直 接 影 响 磁 控 管 工 作 的 稳 定, 为 了 使 输 出 的 脉 冲 电 压 得 到 一 定 的 稳 定 范 围, 用 改 变 充 电 电 感 的 谐 振 Q 值 来 改 变 充 电 电 压 的 幅 值, 因 此 采 用 了 De-Q 稳 压 电 路 图 为 脉 冲 调 制 器 电 路 原 理 图 图 脉 冲 调 制 器 电 路 原 理 图 二 基 本 线 路 工 作 过 程 脉 冲 调 制 器 有 四 种 : 刚 管 调 制 器 线 型 调 制 器 ( 也 称 软 管 调 制 器 ) 磁 调 制 器 和 阵 列 调 制 器 图 是 刚 管 调 制 器 的 基 本 线 路 它 实 质 上 是 一 个 阻 容 放 大 器, 开 关 管 是 真 空 电 子 刚 管 调 制 器 的 基 本 线 路

117 管 ( 刚 性 开 关 管 ) 工 作 过 程 为 : 直 流 高 压 电 源 先 通 过 充 电 电 阻 向 储 能 电 容 充 电, 在 充 电 电 压 近 似 等 于 电 源 电 压 以 后, 把 宽 度 一 定 的 低 压 脉 冲 加 到 开 关 管 的 栅 极, 使 开 关 管 导 贩 于 是 储 能 电 容 向 负 载 电 阻 放 电 ; 从 负 载 上 得 到 一 个 宽 度 由 低 压 脉 冲 决 定 的 大 功 率 脉 冲 它 的 输 出 脉 冲 前 沿 比 较 陡, 时 间 抖 动 小 ; 能 够 满 足 对 脉 冲 波 形 宽 度 功 率 重 复 频 率 的 各 种 要 求 缺 点 是 体 积 大 重 量 重 造 价 高, 在 加 速 器 领 域 末 得 到 应 用 是 线 型 调 制 器 的 基 本 线 路 图 是 线 型 调 制 器 的 基 本 线 路 用 传 输 线 ( 或 脉 冲 形 成 网 络 ) 取 代 储 能 电 容 ; 用 氢 闸 流 管 ( 或 可 控 硅 ) 取 代 了 电 子 管 ; 用 充 电 电 感 做 充 电 隔 离 元 件 工 作 过 程 为 : 直 流 高 压 电 源 先 通 过 充 电 电 感 向 传 输 线 充 电 充 电 电 压 近 似 等 于 电 源 电 压 的 2 倍 ; 然 后, 把 一 个 宽 度 要 求 不 严 格 的 低 压 脉 冲 加 到 开 关 管 的 栅 极 上, 使 开 关 导 通 ; 接 着 传 输 线 通 过 导 通 的 开 关 管 向 负 载 放 电 ; 最 后, 从 负 载 上 得 到 一 个 高 压 大 功 率 宽 度 由 传 输 线 长 度 决 定 的 脉 冲, 只 要 传 输 线 的 怜 性 阻 抗 与 负 载 阻 抗 相 等, 输 出 脉 冲 电 压 就 近 似 等 于 电 源 电 压 它 是 使 用 最 广 的 一 种 调 制 器 三 线 型 脉 冲 调 制 器 实 用 电 路 举 例 图 加 速 器 用 氢 间 流 管 脉 冲 调 制 器 的 实 用 电 路 图 给 出 了 加 速 器 用 氢 间 流 管 脉 冲 调 制 器 的 实 用 电 路 磁 控 管 是 调 制 器 的 负 载

118 用 闸 流 管 作 为 主 开 关 管, 这 个 闸 流 管 有 二 个 栅 极, 为 了 减 少 闸 流 管 的 消 电 离 时 间, 可 在 栅 极 上 加 一 负 偏 压 第 一 栅 极 加 +120V 使 闸 流 管 预 电 离 以 减 少 点 火 时 间, 第 二 栅 极 上 加 -120V 负 偏 压 以 减 少 闸 流 管 的 消 电 离 时 间, 工 作 时 加 正 数 百 伏 的 触 发 脉 冲 使 闸 流 管 导 通 四 低 Q 电 路 截 尾 电 路 瞬 时 匹 配 电 路 调 制 器 中 除 了 采 用 充 电 二 极 管 反 峰 电 路 和 阻 尼 电 路 之 外, 还 采 用 了 稳 定 充 电 电 压 幅 值 的 低 Q 电 路 (De-Qing 电 路, 或 称 降 优 值 电 路 De-Q 电 路, 如 图 所 示 ) 抑 制 后 沿 噪 声 的 截 尾 电 路 以 及 减 缓 磁 控 管 脉 冲 前 沿 的 瞬 时 匹 配 电 路 低 Q 电 路 由 闸 流 管 和 比 较 器 组 成, 它 的 作 用 是 稳 定 加 到 磁 控 管 上 的 脉 冲 电 压, 防 止 磁 控 管 输 出 频 率 的 变 化 截 尾 电 路 由 闸 流 管 匹 配 电 阻 配 和 延 迟 触 发 电 路 组 成, 它 的 作 用 是 在 输 出 脉 冲 后 沿 期 间 帮 助 磁 控 管 从 脉 冲 形 成 网 络 上 得 到 匹 配 条 件 下 的 放 电 波 形 加 在 磁 控 管 上 的 电 压 越 低, 它 对 调 制 器 呈 现 的 阻 抗 就 越 高, 脉 冲 形 成 网 络 因 为 正 失 配 放 电 而 拖 的 尾 巴 就 越 长 前 沿 瞬 时 匹 配 电 路 由 电 容 和 匹 配 电 阻 组 成, 它 的 作 用 是 在 输 出 脉 冲 以 极 快 的 速 度 上 升 到 额 定 电 平 以 后, 为 磁 控 管 建 立 π 模 振 荡 提 供 必 要 的 时 间, 而 在 磁 控 管 稳 定 工 作 以 后, 由 于 电 容 器 的 阻 隔 作 用, 匹 配 电 阻 不 再 吸 收 调 制 器 的 输 出 脉 冲 能 量, 防 止 磁 控 管 发 生 跳 模 或 停 振 现 象 磁 控 管 阳 极 总 是 接 地 的, 它 的 灯 丝 变 压 器 理 应 漂 在 脉 冲 高 电 位 上, 但 亦 可 如 图 那 样, 通 过 脉 冲 变 压 器 的 两 个 次 级 绕 组 将 能 量 加 给 灯 丝, 就 能 大 大 降 低 灯 丝 变 压 器 的 绝 缘 强 度 的 要 求 为 了 平 衡 脉 冲 变 压 器 两 个 次 级 线 圈 的 脉 冲 振 幅, 用 二 只 电 容 器 并 联, 一 为 普 通 电 容 器, 另 一 为 云 母 电 容 当 磁 控 管 满 功 率 工 作 时, 灯 丝 电 压 应 调 到 零 或 降 到 某 一 个 很 小 值 五 开 关 器 件 在 脉 冲 调 制 器 中, 开 关 器 件 是 用 来 控 制 储 能 元 件 向 负 载 放 电 的 因 此 开 关 器 件 是 脉 冲 调 制 器 的 关 键 部 件 之 一 刚 管 调 制 器 采 用 的 开 关 器 件 为 真 空 电 子 管, 它 能 开 能 关 线 型 调 制 器 曾 采 用 的 开 关 器 件 的 种 类 比 较 多 : 旋 转 火 花 隙 汞 引 燃 管 氢 闸 流 管 可 控 硅 (SCR) 和 反 向 开 关 整 流 器 (RSR) 等, 是 能 开 不 能 关 的 作 为 线 型 调 制 器 的 开 关 器 件 应 具 有 点 火 时 间 稳 定 消 电 离 速 度 快 管 压 降 低 等 特 性 旋 转 火 花 隙 用 在 最 早 的 雷 达 发 射 机 中 它 的 优 点 是 转 换 功 率 大 ( 可 达 数 十 MW) 效 率 高 (95% 以 上 ) 不 用 触 发 器 等 ; 它 的 最 严 重 的 缺 点 是 点 火 时 间 不 稳, 跳 动 范 围 约 在 数 十 μs, 故 已 被 淘 汰 汞 引 燃 管 点 火 时 间 稍 稳 定 些, 但 也 只 能 稳 定 在 数 冲 之 内, 在 反 向 高 压 作 用 下, 阳 极 会 发 生 很 强 的 溅 射, 汞 气 的 消 电 离 速 度 太 快, 又 受 环 境 温 度 的 强 烈 影 响, 所 以 它 的 用 途 有 限 氢 闸 流 管 点 火 时 间 很 稳 定, 点 火 时 间 跳 动 小 于 40mμs, 消 电 离 速 度 快, 管 压 降 比 较 低, 管 内 装 氢 发 生 器 后 能 够 不 断 地 补 充 管 内 被 吸 收 掉 的 气 体, 因 而 大 大 的 延 长 了 它 的 寿 命 ( 终 在 数 千 小 时 以 上 ) 可 控 硅 的 特 性 与 氢 闸 流 管 相 似, 所 以 又 叫 固 态 闸 流 管 它 的 优 点 是 体 积 小 耐 震 无 需 灯 丝 电 源 和 预 热 时 间 ; 缺 点 是 功 率 容 量 小 正 向 阻 断 电 压 低, 并 有 电 流 和 电 压 上 升 速 率 的 限 制 近 年 来 研 制 成 的 一 种 叫 做 反 向 开 关 整 流 器 的 半 导 体 器 件, 其 性 能 与 可 控 硅 类 似, 但 因 为 它 是 两 端 器 件, 所 以 触 发 方 式 与 可 控 硅 不 同, 而 与 固 定 火 花 隙 相 似 当 反 向 电 压 和 电 流 低 于 某 值 时, 器 件 呈 高 阻 状 态, 高 于 该 值 时, 呈 低 阻 状 态, 完 成 开 关 作 用 电 子 直 线 加 速 器 的 脉 冲 调 制 器 主 回 路 大 都 采 用 氢 闸 流 管 作 为 开 关 器 件 1. 氢 闸 流 管 的 结 构

119 普 通 的 氢 闸 流 管 是 充 气 三 极 管, 由 三 个 电 极 ( 近 来 闸 流 管 都 用 四 极 管 ) 组 成 : 阳 极 栅 极 和 阴 极 实 际 结 构 如 图 阳 极 1 是 一 个 平 面 的 圆 盘, 它 的 周 围 都 有 妥 善 的 隔 离 阳 极 上 面 由 圆 形 屏 蔽 2 隔 离, 四 周 由 细 钨 丝 或 镍 丝 织 成 细 网 而 制 成 的 圈 3 隔 离, 采 用 细 网 为 的 是 阳 极 更 容 易 散 热 阳 极 下 面 2~3cm 处 为 控 制 栅 极 4 它 类 似 一 个 衬 片, 上 面 的 圆 洞 由 网 格 较 大 的 细 栅 网 覆 盖 为 了 防 止 阳 极 电 场 穿 过 网 孔 到 达 阴 极, 在 栅 网 下 面 由 栅 极 的 点 火 极 5 隔 离 点 火 极 制 成 平 面 圆 盘 形, 其 直 径 比 细 栅 网 直 径 大 5~7cm, 这 样 它 可 以 把 栅 网 覆 盖 的 圆 图 氢 闸 流 管 的 结 构 洞 稍 许 遮 住 控 制 栅 极 和 点 火 极 的 距 离 为 3~4cm 上 述 各 电 极 ( ) 在 电 气 上 是 相 互 联 系 的, 都 处 于 栅 极 电 位 它 们 被 固 定 在 圆 筒 栅 极 壳 6 内, 这 个 圆 筒 也 包 围 着 闸 流 管 的 阳 极 和 阴 极 阴 极 7 为 旁 热 式 氧 化 物 阴 极 它 是 一 个 中 空 的 圆 筒, 内 工 作 面 敷 有 氧 化 物, 外 边 装 有 双 股 螺 旋 灯 丝 8 为 了 减 少 灯 丝 的 功 率 损 失, 在 阴 极 四 周 包 围 着 保 温 屏 蔽 9, 它 具 有 阴 极 电 位, 此 外, 装 在 阴 极 上 面 的 上 屏 蔽, 还 能 防 止 氧 化 钡 阴 极 挥 发 到 栅 极 上 去 这 种 结 构 的 闸 流 管 具 有 明 显 的 正 起 动 特 性 单 靠 栅 极 加 正 电 压 还 不 够 点 燃 这 种 闸 流 管, 而 必 须 使 所 加 电 压 超 过 栅 极 点 火 电 压, 以 保 持 闸 流 管 点 火 所 需 的 一 定 的 栅 路 电 流 特 殊 的 高 压 氢 闸 流 管 除 上 述 三 电 极 外 还 多 一 个 预 触 发 栅 极 闸 流 管 内 还 装 有 氢 气 发 生 器, 它 是 一 个 填 有 钛 氢 化 合 物 粉 末 的 小 管, 外 面 绕 以 热 丝 在 加 热 时 释 放 出 氢 气 通 常 加 热 氢 发 生 器 用 的 热 丝 与 加 热 氧 化 物 阴 极 的 灯 丝 并 接 在 一 起, 因 此 管 内 气 压 和 灯 丝 电 压 有 关, 并 要 求 有 5~10min 的 预 热 时 间 气 压 不 足 会 使 管 压 降 增 大, 致 使 阳 极 过 热, 从 而 缩 短 了 闸 流 管 的 寿 命, 气 压 不 足 还 会 使 闸 流 管 失 去 控 制 能 力 ; 气 压 过 高 会 使 消 电 离 时 间 增 长, 致 使 闸 流 管 发 生 连 通 现 象 由 于 气 压 与 氢 发 生 器 的 温 度 密 切 相 关, 在 使 用 闸 流 管 时, 灯 丝 电 压 的 变 动 不 许 超 过 额 定 值 的 ±5% 在 长 期 使 用 后, 可 能 需 要 重 调 这 电 压 2. 氢 闸 流 管 的 工 作 原 理 氢 闸 流 管 为 什 么 可 以 作 线 型 脉 冲 调 制 器 的 开 关 器 件? 可 以 从 它 的 放 电 击 穿 过 程, 也 就 是 导 通 过 程 了 解 当 仿 真 线 充 电 时 与 充 电 后, 闸 流 管 的 阳 极 和 阴 极 问 承 受 伤 真 线 的 全 部 电 压, 但 因 管 内 充 有 一 定 压 强 的 氢 气, 在 没 有 导 电 的 离 子 时, 管 子 是 截 止 的, 作 为 开 关 器 件 它 是 处 于 断 开 状 态 将 一 正 的 触 发 脉 冲 加 到 氢 闸 流 管 栅 极 以 后, 整 个 管 子 的 击 穿 过 程 ( 即 转 变 为 开 关 的 闭 合 状 态 ) 可 分 为 三 个 分 阶 段 第 一 阶 段 是 栅 极 放 电 点 火 阶 段 在 此 阶 段 内, 栅 极 电 流 随 着 栅 极 电 压 的 增 加 而 增 加, 直 到 栅 极 电 压 增 加 到 电 离 电 位 时, 栅 阴 空 间 才 开 始 发 生 电 离 电 离 程 度 将 随 着 栅 极 电 压 的 增 加 而 增 加, 直 到 栅 极 电 流 增 至 点 火 电 流 时, 栅 极 才 发 生 放 电 点 火 点 火 后 栅 压 开 始 下 降, 栅 流 开 始 显 著 增 大 第 二 阶 段 是 放 电 由 栅 极 向 阳 极 的 发 展 阶 段 在 栅 阴 空 间 由 于 电 弧 放 电 开 始 形 成 的 等 离 子 区 的 浓 度 逐 渐 增 大, 并 开 始 扩 展 等 离 子 区 内 靠 近 栅 孔 的 电 子 由 于 阳 极 电 场 的 作 用 而 向 阳 极 运 动, 并 使 栅 阳 空 间 的 气 体 电 离 阳 极 电 路 出 现 放 电 前 的 阳 流, 此 电 流 将 随 着 栅 流 的 增 加 而 增 加 当 栅 极 电 流 达 到 启 动 电 流 时, 放 电 前 的 阳 流 可 达 到 临 界 值 ( 阳 极 点 火 电 流 ), 于 是 放 电 由 栅 极 发 展 到 阳 极 : 第 三 阶 段 是 阳 极 到 阴 极 的 电 弧 放 电 阶 段 在 此 阶 段 内, 阳 极 电 压 迅 速 下 降, 阳 极 电 磁 急 剧 增 大 第 三 阶 段 又 叫 闸 流 管 的 击 穿 阶 段

120 在 击 穿 阶 段 结 束 之 后, 闸 流 管 就 进 入 比 较 稳 定 的 放 电 阶 段 根 据 阳 极 电 流 的 大 小 以 及 阴 极 质 量 的 好 坏, 在 闸 流 管 上 将 会 产 生 V 的 管 压 降 只 要 维 持 阳 极 电 压 足 够 高 ( 大 于 导 电 时 管 压 降 ), 闸 流 管 继 续 维 持 弧 光 放 电 这 时 栅 极 已 失 去 控 制 作 用, 栅 极 电 压 的 大 小 对 阳 极 电 流 没 有 影 响 这 是 因 为 管 子 点 火 后, 电 极 问 形 成 大 量 正 离 子, 它 们 把 栅 极 负 电 场 完 全 屏 蔽 起 来, 这 时 管 子 的 工 作 与 热 阴 极 充 气 二 极 管 相 似 只 有 当 阳 极 电 压 降 为 零, 气 体 不 能 维 持 电 离, 放 电 阶 段 结 束, 栅 极 外 面 的 正 离 子 与 电 子 复 合 这 是 闸 流 管 的 消 电 离 过 程 经 过 一 定 时 间, 栅 极 又 重 新 恢 复 控 制 作 用 消 电 离 时 间 与 气 体 的 扩 散 系 数 成 反 比, 因 此 气 体 越 轻, 消 电 离 时 间 就 越 短 从 这 点 讲, 氢 闸 流 管 当 然 是 最 好 的 从 闸 流 管 的 工 作 原 理 我 们 可 以 看 出 : (1) 当 栅 极 未 加 正 控 制 电 压 时, 即 使 闸 流 管 阳 极 上 加 了 正 高 压, 管 子 亦 不 导 通 ; (2) 当 栅 极 加 正 控 制 电 压 时, 管 子 导 通, 管 压 降 与 真 空 管 相 比 小 得 多 ; (3) 栅 极 电 压 不 能 控 制 闸 流 管 截 止, 管 截 止 的 必 要 条 件 是 阳 极 电 压 降 至 零 ; (4) 阳 极 电 压 降 到 零 后, 管 内 消 电 离 尚 需 一 定 时 间, 如 在 消 电 离 末 完 成 前 阳 极 加 正 高 压, 管 子 将 又 立 即 导 通, 不 受 栅 压 控 制 3. 氢 闸 流 管 的 特 性 及 应 用 (1) 管 压 降 在 开 始 电 离 时 期 非 常 高, 放 电 以 后 的 导 电 时 期 非 常 低 闸 流 管 的 电 离 时 间 以 及 在 此 时 间 内 管 压 降 与 时 间 的 关 系 基 本 上 与 外 电 路 无 关 电 离 时 间 近 似 与 管 子 的 体 积 成 正 比, 管 子 越 大, 电 离 时 间 越 长 在 脉 冲 期 间, 管 压 降 与 电 流 的 关 系 近 似 为 直 线 大 多 数 情 况 下, 管 压 降 对 调 制 器 性 能 影 响 不 大 (2) 管 子 损 耗 ( 管 损 ) 管 损 是 影 响 管 子 性 能 的 重 要 因 素 之 一 直 接 影 响 管 损 的 参 数 有 : 脉 冲 电 流 脉 冲 宽 度 和 阳 极 电 流 上 升 速 率 对 于 确 定 的 线 路, 管 损 近 似 正 比 于 阳 极 电 压 的 平 方 管 损 过 大 会 降 低 管 子 的 寿 命, 阳 极 会 因 过 热 而 发 红 ( 气 压 低 时 阳 极 也 会 发 红 ) (3) 闸 流 管 的 脉 冲 电 流 流 过 闸 流 管 的 脉 冲 电 流, 受 到 阳 极 损 耗 和 氧 化 物 阴 极 跳 火 现 象 的 限 制 跳 火 现 象 会 使 阴 极 表 面 失 落 许 多 细 微 的 氧 化 物 粉 末, 致 使 阴 极 强 烈 蒸 发 迅 速 损 坏 因 此 每 种 闸 流 管 都 规 定 有 脉 冲 电 流 的 额 定 值, 不 得 超 过 超 过 时 应 选 更 大 的 管 子 或 并 联 使 用 (4) 阳 极 电 流 上 升 速 率 它 影 响 管 子 的 阳 极 损 耗, 有 时 还 会 使 阴 极 跳 火, 特 别 当 阴 极 温 度 比 较 低 时 尤 为 如 此 闸 流 管 阳 极 对 地 的 分 布 电 容 对 通 过 问 流 管 的 电 流 波 形 也 有 影 响, 特 别 是 对 前 沿, 当 分 布 电 容 较 大 时, 闸 流 管 电 流 出 现 振 荡, 为 消 除 它, 常 在 闸 流 管 阳 极 上 串 联 一 个 电 感 (5) 闸 流 管 的 正 向 电 压 在 闸 流 管 完 全 消 电 离 之 前, 把 超 过 一 定 限 额 的 正 电 压 加 到 阳 极, 就 会 使 闸 流 管 再 次 导 电, 从 而 出 现 连 通 现 象 在 栅 极 不 受 触 发 的 条 件 下, 此 限 额 电 压 约 为 100~200V 设 计 充 电 电 路 时, 应 使 充 电 电 压 上 升 到 这 个 限 额 电 压 所 需 要 的 时 间, 大 于 闸 流 管 的 恢 复 时 间 (6) 闸 流 管 的 反 向 电 压 实 际 调 制 器 中 仿 真 线 的 特 性 阻 抗 都 稍 大 于 负 载 阻 抗 使 放 电 后 在 仿 真 线 两 端 出 现 不 太 大 的 负 电 压 此 值 不 能 过 大, 否 则 在 栅 极 离 子 没 有 完 全 复 合 之 前, 过 大 的 反 向 电 压 加 到 闸 流 管 阳 极, 就 会 由 于 栅 阳 之 间 的 离 子 撞 击 阳 极 而 使 阳 极 物 质 爆 裂 如 果 反 向 电 压 足 够 高, 就 会 在 栅 阳 之 间 出 现 低 阻 抗 电 弧 一 般 规 定 : 在 脉 冲 电 流 结 束 之 后 的 25μs 时 间 内, 最 大 反 向 电 压 不 得 超 过 5KV 在 闸 流 管 的 阳 极 出 现 反 向 电 压, 可 以 提 高 重 复 频 率, 这 个 道 理 与 谐 振 充 电 能 够 提 高 重 复 频 率 的 道 理 一 样 在 设 计 脉 冲 调 制 器 时, 要 避 免 脉 冲 形 成 网 络 的 阻 抗 小 于 负 载 阻 抗, 因 为

121 在 这 种 情 况 下, 阳 极 电 压 不 会 很 快 地 降 到 闸 流 管 熄 灭 电 压 以 下, 从 而 使 闸 流 管 连 续 导 电 采 用 反 峰 电 路 可 以 消 除 反 向 电 压, 但 是 通 常 反 峰 电 路 内 的 电 阻 太 大, 致 使 反 向 电 压 不 能 很 快 地 被 消 除 ; 同 时, 消 除 反 向 电 压 所 需 要 的 时 间 也 长 于 栅 阳 空 间 的 消 电 离 时 间, 所 以 阳 极 的 爆 裂 和 栅 阳 空 间 遭 受 击 穿 的 危 险 并 没 有 减 少 然 而 反 峰 电 路 能 够 消 除 反 向 电 压 对 栅 极 消 电 离 时 间 的 影 响 (7) 闸 流 管 的 栅 极 特 性 氢 闸 流 管 的 最 大 优 点 之 一 是 具 有 良 好 的 触 发 特 性 只 需 触 发 脉 冲 幅 度 较 高, 前 沿 陡, 触 发 延 迟 时 间 非 常 短, 时 间 跳 动 亦 很 小 它 的 另 一 特 点 是 具 有 正 栅 特 性 为 了 触 发 这 种 管 子, 需 要 在 栅 阴 之 间 加 一 足 够 的 正 电 压 并 供 给 栅 极 一 定 的 电 流 使 栅 阴 导 电 需 要 的 电 压 以 及 导 电 之 前 所 需 要 的 延 迟 时 间 取 决 于 触 发 电 压 的 上 升 速 率 当 触 发 脉 冲 前 沿 时 间 不 变 时, 触 发 电 压 越 低, 点 火 时 间 越 长, 而 点 火 发 生 在 脉 冲 顶 部 的 情 况 表 明, 延 迟 时 间 将 随 着 触 发 脉 冲 的 幅 度 跳 动 而 跳 动 克 服 的 办 法 是 尽 可 能 提 高 触 发 脉 冲 幅 度, 将 点 火 时 间 移 到 脉 冲 前 沿 部 分 ; 以 后 即 使 再 提 高 触 发 脉 冲 幅 度, 也 对 点 火 时 间 无 显 著 影 响 如 果 还 要 缩 短 点 火 时 间, 就 可 以 继 续 提 高 脉 冲 前 沿 的 上 升 率, 直 到 无 明 显 影 响 向 为 止 显 然, 点 火 时 间 越 短, 点 火 时 的 电 压 就 要 求 越 高, 前 沿 的 上 升 速 率 也 要 求 越 大 另 一 个 问 题 是 栅 阴 电 离 和 阳 栅 击 穿 之 后, 在 栅 极 上 会 暂 时 出 现 一 个 高 电 位, 其 值 可 能 接 近 阳 极 电 位 虽 然 这 个 尖 峰 的 宽 度 小 于 0.1μs, 能 量 很 小, 但 它 可 以 破 坏 触 发 器 的 工 作, 或 者 使 低 压 元 件 击 穿 为 防 止 其 破 坏 作 用, 经 常 在 触 发 器 和 闸 流 管 的 栅 极 之 间 接 一 个 低 通 滤 波 器 对 加 速 器 调 制 器 上 用 的 高 压 闸 流 管, 此 滤 波 器 是 必 须 的, 滤 波 电 路 需 选 用 能 耐 高 压 的 元 件 4. 使 用 氢 闸 流 管 的 注 意 事 项 (1) 预 热 时 间 氢 闸 流 管 开 始 工 作 前, 阴 极 和 氢 发 生 器 均 需 预 热 5~10min, 才 能 加 上 阳 极 电 压, 否 则 由 于 阴 极 温 度 过 低, 气 压 不 足 造 成 电 子 发 射 不 足, 闸 流 管 阳 极 与 阴 极 之 间 压 降 过 大, 使 阴 极 遭 受 正 离 子 猛 烈 轰 击 而 损 坏, 同 时 也 会 造 成 管 内 的 打 火 现 象 (2) 灯 丝 电 压 要 求 稳 定 闸 流 管 灯 丝 电 压 决 定 阴 极 的 温 度, 如 温 度 高 于 900, 氧 化 物 会 发 生 还 原 作 用, 缩 短 寿 命 如 温 度 低 于 800, 则 发 射 能 力 不 足 引 起 上 面 说 过 的 现 象 另 一 方 面 多 数 氢 闸 流 管 中 氢 气 发 生 器 的 热 丝 与 灯 丝 是 并 联 供 电 的, 灯 丝 电 压 不 稳 引 起 管 内 氢 气 压 强 的 变 化, 气 压 过 低 时, 限 制 了 电 流 上 升 速 率, 增 大 管 压 降, 严 重 时 阳 极 损 耗 大 而 呈 红 热 反 之, 恢 复 时 间 长, 关 断 能 力 差, 过 高 时, 会 连 续 放 电, 引 起 调 制 器 过 流 跳 闸 一 般 要 求 灯 丝 电 压 上 下 变 动 不 超 过 额 定 值 的 5% 加 速 器 上 各 类 灯 丝 都 通 过 一 小 稳 压 电 源 供 电 (3) 备 份 管 轮 流 使 用, 可 延 长 使 用 寿 命 (4) 运 输 与 长 期 存 放 后, 使 用 前 灯 丝 预 热 时 间 应 长 一 些 (5) 储 气 器 加 热 电 流 过 低 时, 气 压 也 低, 减 少 电 离, 限 制 放 电 电 流 的 上 升 速 率 严 重 时 管 压 降 大, 阳 极 损 耗 大, 呈 红 热, 降 低 管 子 使 用 寿 命 反 之 气 压 高, 恢 复 时 间 长, 关 断 能 力 差

122 第 十 二 节 剂 量 监 测 系 统 剂 量 监 测 系 统 (dose monitoring system) 的 功 用 是 显 示 医 用 加 速 器 的 辐 射 输 出, 表 示 在 规 定 条 件 下 某 点 的 吸 收 剂 量, 作 为 纽 带 建 立 剂 量 学 基 准 及 医 疗 照 射 时 患 者 所 受 吸 收 剂 量 之 间 的 量 值 溯 源 关 系, 同 时 为 医 用 加 速 器 提 供 控 制 信 号 剂 量 监 测 系 统 的 定 义 是 : 医 用 加 速 器 上 测 量 和 显 示 直 接 与 吸 收 剂 量 有 关 的 辐 射 量 的 装 置, 该 装 置 可 以 具 有 当 到 达 预 选 值 时 终 止 辐 照 的 功 能 剂 量 监 测 系 统 是 将 医 用 电 子 加 速 器 的 X 辐 射 或 电 子 辐 射 应 用 于 放 射 治 疗 的 基 础 之 一, 是 放 射 治 疗 标 准 化 的 重 要 环 节 剂 量 监 测 系 统 以 机 器 单 位 MU 作 为 显 示 单 位 为 了 准 确 理 解 剂 量 监 测 系 统, 应 当 对 电 离 辐 射 的 量 和 单 位 及 其 测 量 传 递 有 一 定 的 了 解 放 射 治 疗 的 效 果 与 肿 瘤 所 吸 收 的 辐 射 能 量 即 吸 收 剂 量 直 接 有 关, 因 此 放 射 治 疗 的 中 心 工 作 是 如 何 准 确 地 照 射, 使 肿 瘤 部 位 达 到 顶 定 的 吸 收 剂 量 而 人 体 肿 瘤 的 吸 收 剂 量 是 无 法 直 接 测 量 的, 于 是 人 们 选 择 水 作 为 替 代 物 进 行 测 量, 因 为 水 和 软 组 织 的 辐 射 效 应 比 较 接 近, 水 吸 收 剂 量 成 为 放 疗 中 最 重 要 的 量 这 个 量 的 单 位 就 是 剂 量 监 测 计 数 (dose monitor unit) 或 称 机 器 单 位 (machine unit,mu), 俗 称 跳 数 剂 量 监 测 计 数 的 定 义 是 : 剂 量 监 测 系 统 显 示 的, 可 以 计 算 吸 收 剂 量 的 计 数 由 上 面 两 个 定 义 可 以 得 出, 剂 量 监 测 的 辐 射 量 不 是 吸 收 剂 量,MU 当 然 也 不 是 吸 收 剂 量 单 位 但 是 剂 量 监 测 的 量 与 吸 收 剂 量 有 直 接 联 系, 就 是 说, 一 旦 条 件 确 定, 便 可 以 将 一 定 的 剂 量 监 测 计 数 转 换 计 算 为 确 定 条 件 下 的 一 定 的 吸 收 剂 量 剂 量 监 测 系 统 可 以 具 有 一 些 扩 展 的 功 能, 例 如 当 到 达 预 选 值 时 终 止 辐 照 ; 当 加 速 器 辐 射 输 出 的 剂 量 率 变 化 太 大 时 终 止 辐 照 等, 而 且 这 些 扩 展 功 能 往 往 是 医 用 加 速 器 的 重 要 安 全 功 能 具 有 类 似 功 能 的 另 外 一 个 装 置 是 控 制 计 时 器 控 制 计 时 器 是 测 量 辐 照 进 行 的 时 间 的 装 置, 在 医 用 加 速 器 中 常 常 用 于 安 全 控 制, 即 当 辐 照 时 间 超 出 正 常 辐 照 时 间 时 终 止 辐 照 该 装 置 在 医 用 加 速 器 中 自 然 不 属 于 剂 量 监 测 系 统, 但 是 可 以 认 为 是 剂 量 监 测 系 统 的 延 伸 剂 量 监 测 系 统 由 剂 量 监 测 电 离 室 和 剂 量 监 测 电 路 组 成 剂 量 监 测 电 离 室 安 装 在 医 用 电 子 加 速 器 的 辐 射 头 中 一 电 离 室 (Dose Chamber) 剂 量 监 测 系 统 一 般 由 数 个 电 离 室 及 相 关 电 子 学 电 路 组 成, 用 于 计 量 传 递 的 剂 量 学 仪 器 的 主 要 部 件 也 是 电 离 室, 因 而 必 须 了 解 电 离 室 的 一 般 工 作 原 理 和 特 性 1. 电 离 室 工 作 原 理 电 离 室 是 一 种 探 测 电 离 辐 射 的 气 体 探 测 器 气 体 探 测 器 的 原 理 是, 当 探 测 器 受 到 射 线 照 射 时, 射 线 与 气 体 中 的 分 子 作 用, 产 生 由 一 个 电 子 和 一 个 正 离 子 组 成 的 离 子 对 这 些 离 子 向 周 围 区 域 自 由 扩 散 扩 散 过 程 中, 电 子 和 正 离 子 可 以 复 合 重 新 形 成 个 性 分 子 但 是, 若 在 构 成 气 体 探 测 器 的 收 集 极 和 高 压 极 上 加 直 流 的 极 化 电 压 V, 形 成 电 场, 那 么 电 子 和 正 离 子 就 会 分 别 被 拉 向 正 负 两 极, 并 被 收 集 随 着 极 化 电 压 V 逐 渐 增 加, 气 体 探 测 器 的 工 作 状 态 就 会 从 复 合 区 饱 和 区 正 比 区 有 限 正 比 区 盖 革 区 (Geiger-Muller,G-M) 一 直 变 化 到 连 续 放 电 区 所 谓 电 离 室 即 工 作 在 饱 和 区 的 气 体 探 测 器, 因 而 饱 和 区 又 称 电 离 室 区 在 该 区 内, 如 果 选 择 了 适 当 的 极 化 电 压, 复 合 效 应 便 可 忽 略, 也 没 有 碰 撞 放 大 产 生, 此 时 可 认 为 射 线 产 生 的 初 始 离 子 对 恰 好 全 部 被 收 集, 形 成 电 离 电 流 该 电 离 电 流 正 比 于 N 0, 因 而 正 比 于 射 线 强 度 加 速 器 的 辐 射 监 测 一 般 均 采 用 电 离 室 标 准 剂 量 计 也 用 电 离 室 作 为 测 量 元 件 电 离 室 的 电 流

123 可 以 用 一 台 灵 敏 度 很 高 的 静 电 计 测 量 不 难 看 出, 电 离 室 主 要 由 收 集 极 和 高 压 极 组 成, 收 集 极 和 高 压 极 之 间 是 气 体 与 气 体 探 测 器 不 同 的 是, 电 离 室 一 般 以 一 个 大 气 压 左 右 的 空 气 为 灵 敏 体 积, 该 部 分 可 与 外 界 完 全 连 通, 也 可 以 处 于 封 闭 状 态 其 周 围 是 由 导 电 的 空 气 等 效 材 料 或 组 织 等 效 材 料 构 成 的 电 极, 中 心 是 收 集 电 极, 二 极 间 加 一 定 的 极 化 电 压 形 成 电 场 为 了 使 收 集 到 的 电 离 离 子 全 部 形 成 电 离 电 流, 减 少 漏 电 损 失, 在 收 集 极 和 高 压 极 之 间 需 要 增 加 保 护 极 当 X 射 线 γ 射 线 照 射 电 离 室, 光 子 与 电 离 室 材 料 发 生 相 互 作 用, 主 要 在 电 离 室 壁 产 生 次 级 电 子 次 级 电 子 使 电 离 室 内 的 空 气 电 离, 正 负 电 荷 在 电 场 的 作 用 下 向 二 极 运 动, 到 达 收 集 极 的 离 子 被 收 集, 形 成 电 离 电 流 信 号 输 出 给 测 量 单 元 辐 射 场 的 测 量 中, 扰 动 的 影 响 是 很 难 定 量 确 定 因 此 用 于 放 射 治 疗 辐 射 场 测 量 的 电 离 室 体 积 不 能 太 大, 通 常 小 于 1cm 3 电 离 室 可 以 单 独 校 准, 但 较 多 情 况 下 电 离 室 和 其 测 量 单 元 作 为 一 个 整 体 校 准 图 典 型 的 电 离 室 结 构 示 意 图 2. 剂 量 监 测 电 离 室 的 结 构 虽 然 原 则 上 加 速 器 剂 量 监 测 探 测 器 可 以 使 用 任 何 种 类 的 透 射 式 辐 射 探 测 器, 但 是 实 际 应 用 使 用 的 几 乎 全 部 是 电 离 室 这 种 电 离 室 主 要 有 以 下 特 征 : (1) 电 离 室 是 透 射 式 的, 所 谓 透 射 式 是 指 电 离 室 的 材 料 质 量 对 射 线 的 吸 收 可 以 忽 略 (2) 监 测 电 离 室 不 考 虑 电 子 平 衡 问 题, 因 为 电 子 平 衡 需 要 一 定 质 量 厚 度, 满 足 电 子 平 衡 的 电 离 室 一 定 满 足 不 了 前 一 条 要 求 (3) 电 离 室 的 极 间 距 很 近, 以 便 满 足 收 集 效 率 的 要 求 (4) 电 离 室 多 为 平 板 型 (5) 为 了 测 量 和 校 正 射 束 的 吸 收 剂 量 分 布, 至 少 有 一 个 电 离 室 的 收 集 极 是 分 区 的 典 型 的 电 离 室 设 计 如 图 所 示, 它 是 两 个 电 离 室 做 在 一 起 的 平 板 型 电 离 室 电 离 室 有 的 是 完 全 独 立 的, 有 的 是 半 独 立 的, 即 电 离 室 的 密 封 不 独 立 如 图 所

124 示, 中 间 的 绝 缘 隔 离 层 如 果 是 气 密 封 的, 则 两 个 电 离 室 完 全 独 立, 否 则, 则 是 半 独 立 的 如 果 空 气 密 封 性 发 生 了 问 题 半 独 立 的 电 离 室 将 同 时 发 生 变 化 为 了 检 测 辐 射 束 的 吸 收 剂 量 分 布, 有 的 剂 量 监 测 系 统 电 离 室 的 收 集 极 分 为 若 干 区 域 分 别 引 出 图 中 左 侧 的 图 表 示 的 是 分 5 个 区 ( Segment) 其 中, 以 中 心 监 测 区 (Monitor2) 的 输 出 电 流 代 表 整 个 辐 射 束 剂 量 率, 给 出 剂 量 监 测 计 数 MU, 实 现 剂 量 剂 量 率 控 制 功 能 周 围 的 四 个 区 域 测 量 吸 收 剂 量 分 布, 输 出 可 以 反 馈 给 加 速 器 的 电 子 学 射 束 分 布 控 制 系 统 当 吸 收 剂 量 分 布 的 畸 变 过 大 时, 吸 收 剂 量 分 布 系 统 会 终 止 辐 照, 并 给 出 相 应 的 出 错 显 示 图 电 离 室 内 部 结 构 图 剂 量 监 测 系 统 的 电 离 室 安 装 在 加 速 器 所 有 固 定 和 半 固 定 的 均 整 过 滤 器 的 下 侧, 其 中 至 少 有 一 个 电 离 室 的 中 心 位 与 射 束 中 心 重 合 但 是 剂 量 监 测 系 统 显 示 的 剂 量 监 测 计 数 MU, 则 应 当 用 模 体 表 面 到 加 速 器 靶 的 距 离 SSD 为 正 常 治 疗 距 离, 模 体 表 面 照 射 野 为 10cm 10cm, 水 模 体 中 心 轴 上 最 大 剂 量 校 准 吸 收 剂 量 分 布 也 不 是 以 监 测 电 离 室 处 的 分 布 为 准, 而 是 必 须 以 均 整 度 测 量 的 规 定 条 件 下 的 吸 收 剂 量 均 整 度 刻 度 例 如, 电 离 室 分 区 电 流 反 映 的, 均 整 度 测 量 规 定 条 件 下 的 吸 收 剂 量 均 整 度 的 畸 变 超 过 10% 时, 剂 量 监 测 系 统 必 须 在 规 定 时 间 内 终 止 辐 照 3. 电 离 室 的 使 用 加 速 器 中 使 用 的 电 离 室 分 X 线 电 离 室 和 电 子 线 电 离 室 图 X 线 电 离 室 a 和 电 子 线 电 离 室 b 及 在 加 速 器 治 疗 头 中 的 安 装 位 置 其 中 X 线 电 离 室 不 需 要 温 度 及 压 强 补 偿, 电 子 线 电 离 室 则 要 求 温 度 及 压 强 补 偿 a b a b 图 X 线 电 离 室 a 和 电 子 线 电 离 室 b 及 在 加 速 器 中 的 安 装 二 剂 量 监 测 电 路 根 据 医 用 加 速 器 的 用 途 和 性 质, 剂 量 监 测 系 统 所 起 的 作 用 无 论 对 于 治 疗 和 安 全 都 十 分 重 要, 因 此 国 际 电 工 委 员 会 (International Electrotechnical Commission,IEC) 建 议 一 台 医 用 电 子 加 速 器 至 少 要 有 两 套 独 立 的 剂 量 监 测 系 统, 这 两 套 剂 量 监 测 系 统 的 电 离 室 也 应 当 是 独 立 的 近

125 年 来 所 有 加 速 器 都 安 装 了 两 套 独 立 的 剂 量 监 测 系 统 ( 一 ) 剂 量 监 测 电 路 的 功 能 剂 量 监 测 系 统 一 般 由 数 个 电 离 室 及 测 量 电 路 组 成, 测 量 电 路 的 作 用 是 将 电 离 室 收 集 的 电 离 电 流 转 换 为 剂 量 监 测 系 统 可 记 录 和 识 别 的 信 号, 要 求 保 证 转 换 完 成 输 出 的 信 号 尽 可 能 不 失 真 地 反 映 电 离 室 电 离 电 流 的 大 小, 以 满 足 国 家 标 准 对 剂 量 的 准 确 性 线 性 和 重 复 性 的 要 求 剂 量 监 测 系 统 的 测 量 电 路 主 要 完 成 如 下 功 能 : 1. 首 先 电 离 室 的 工 作 需 要 极 化 电 压 根 据 不 同 电 离 室 的 设 计 要 求, 极 化 电 压 一 般 为 300~600V 的 直 流 稳 定 电 压, 对 极 化 电 压 的 电 流 要 求 不 高, 微 安 级 就 可 以 了 为 了 安 全 起 见, 每 个 电 离 室 的 高 压 电 路 也 应 当 独 立, 分 别 连 接 到 各 自 电 离 室 的 高 压 极 现 代 加 速 器 一 般 会 在 内 部 提 供 极 化 电 压 的 监 测, 并 且 当 极 化 电 压 发 生 问 题 时 发 出 警 告 或 禁 止 出 束 2. 电 离 室 输 出 电 流 的 测 量 电 路 需 要 很 多 道, 每 一 道 测 量 一 个 电 离 室 或 电 离 室 分 区 的 电 流 测 量 的 结 果 根 据 分 区 功 能 的 不 同 输 出 到 计 算 机 系 统, 分 别 作 为 提 供 显 示 的 依 据 或 者 作 为 反 馈 控 制 的 依 据 ( 二 ) 剂 量 监 测 电 路 的 组 成 综 合 考 虑 被 测 信 号 的 特 点 监 测 系 统 的 功 能 和 性 能 要 求, 结 合 工 程 实 现 的 方 便 性 和 性 能 价 格 比 等 因 素, 通 常 采 用 电 流 电 压 转 换 (I-V) 电 压 频 率 转 换 (V-F) 用 计 数 器 分 频 和 计 数 的 方 式 来 完 成 对 剂 量 的 监 测 和 记 录 功 能 下 面 结 合 实 例 具 体 介 绍 系 统 的 构 成 和 工 作 原 理 1. 系 统 构 成 从 图 可 知, 整 个 系 统 由 控 制 计 算 机 隔 离 / 缓 冲 处 理 电 路 信 号 测 量 电 路 和 备 用 剂 量 计 数 四 个 部 分 组 成 图 剂 量 监 测 系 统 方 框 图 2. 各 部 分 整 体 功 能 (1) 控 制 计 算 机 控 制 计 算 机 是 剂 量 监 测 系 统 的 核 心 部 件, 起 着 指 挥 和 控 制 的 作 用, 它 主 要 完 成 下 列 任 务 :

126 a 对 积 分 剂 量 进 行 监 测 计 数 和 显 示 ; b 对 剂 量 率 进 行 读 取 计 算 和 显 示 ; c 对 备 用 剂 量 计 数 电 路 进 行 读 取 和 清 零 控 制 ; d 对 剂 量 通 道 进 行 检 查 和 测 试 (2) 隔 离 / 缓 冲 处 理 电 路 隔 离 / 缓 冲 处 理 电 路 是 控 制 计 算 机 与 外 围 电 路 之 间 的 一 道 防 护 墙, 起 着 隔 离 设 部 干 扰 或 故 障 对 系 统 控 制 计 算 机 的 干 扰 和 破 坏 作 用, 防 止 系 统 失 控, 保 护 系 统 安 全 可 靠 地 运 行 (3) 信 号 测 量 电 路 信 号 测 量 电 路 是 剂 量 监 测 系 统 的 核 心 电 路, 包 括 I-V 变 换 增 益 调 节 V-F 变 换 和 通 道 自 检 模 拟 信 号 源 等 主 要 电 路, 在 控 制 计 算 机 的 指 挥 下 完 成 剂 量 监 测 信 号 变 换 (4) 备 用 剂 量 计 数 电 路 备 用 剂 量 计 数 电 路 带 有 与 系 统 配 电 无 关 的 独 立 外 部 电 源, 通 常 采 用 电 池 它 的 主 要 作 用 是 记 录 和 保 留 当 前 的 积 分 剂 量 值, 用 以 防 止 由 于 系 统 掉 电 或 失 控 而 造 成 患 者 已 照 射 剂 量 值 的 丢 失 3. 具 体 电 路 要 求 (1) 积 分 剂 量 I 用 作 主 回 路, 电 离 电 流 放 大 后, 用 V-F 转 换 成 每 cgy 给 出 一 脉 冲 计 数 计 数 值 与 预 设 剂 量 相 符 合 时, 停 止 辐 照 (2) 积 分 剂 量 Ⅱ 往 往 用 作 后 备 设 置 得 比 主 回 路 大 10% 或 大 40cGy 在 主 回 路 故 障 未 动 作 时 停 机 用 (3) 两 个 回 路 不 一 致 程 度 超 过 一 定 值 时, 停 止 辐 照 (4) 剂 量 率 用 表 指 示, 往 往 用 ARC 系 统 使 之 稳 定 (5) 高 剂 量 串 联 锁, 剂 量 率 超 过 最 大 值 的 二 倍 时, 立 即 停 止 辐 照 (6) 均 整 联 锁, 当 4 个 象 限 的 电 离 室 电 极 ( 前 后 左 右 ) 给 出 电 离 电 流 的 不 对 称 性 大 于 2% 时 停 止 辐 照 为 了 区 别 照 到 给 定 剂 量 后 正 常 停 机 与 加 速 器 故 障 引 起 不 正 常 停 机, 除 主 回 路 积 分 剂 量 到 达 后 自 动 停 机 的 以 外, 其 他 停 机 ( 预 设 时 间 到 后 备 回 路 积 分 剂 量 到 剂 量 率 过 高 均 整 不 好 等 ) 都 同 时 给 出 音 响 讯 号, 警 告 操 作 人 员 为 了 防 止 突 然 停 电 时 已 照 剂 量 数 消 失,IEC 规 定 应 装 有 备 用 电 池 使 积 分 剂 量 时 间 与 弧 度 读 数 得 以 保 存, 或 装 有 不 会 自 动 复 原 的 机 械 计 数 器

127 第 十 三 节 自 动 温 控 系 统 一 加 速 管 对 温 度 稳 定 度 的 要 求 行 波 及 驻 波 加 速 管 均 由 无 氧 铜 制 成, 无 氧 钢 的 线 膨 胀 系 数 β T = C 温 度 的 变 化 将 引 起 加 速 管 发 生 膨 胀 或 收 缩, 使 各 个 尺 寸 发 生 变 化, 加 速 管 尺 寸 的 变 化 会 导 致 行 波 加 速 管 工 作 频 率 人 或 驻 波 加 速 管 谐 振 频 率 ƒ n 的 变 动, 影 响 加 速 管 的 工 作 温 度 变 化 的 效 果 同 微 波 功 率 源 频 率 的 变 动 一 样, 只 是 温 度 的 变 化 是 慢 变 化, 而 微 波 功 率 源 的 频 率 变 化 是 快 变 化 1. 行 波 加 速 管 对 温 度 稳 定 度 的 要 求 由 于 色 散 关 系, 行 波 加 速 管 的 工 作 温 度 变 化 导 致 相 速 改 变, 最 终 导 致 输 出 能 量 改 变, 能 谱 变 坏 2. 驻 波 加 速 管 对 温 度 稳 定 度 的 要 求 驻 波 加 速 管 截 面 形 状 和 行 波 加 速 管 的 盘 荷 波 导 不 同, 是 由 TM 010 模 圆 柱 谐 振 腔 演 变 而 来, 由 多 个 圆 弧 连 接 而 成 TM 010 模 圆 柱 谐 振 腔 的 谐 振 波 长 为 半 径 的 2.61 倍 驻 波 加 速 管 的 谐 振 频 率 与 谐 振 腔 内 各 项 尺 寸 有 关, 没 有 简 单 的 解 析 式 当 温 度 变 化 时, 谐 振 腔 各 部 分 尺 寸 都 将 变 化, 总 的 来 说, 谐 振 腔 半 径 的 变 化 起 主 要 作 用, 因 此 驻 波 加 速 管 谐 振 频 率 的 变 化 与 无 氧 铜 的 线 膨 胀 系 数 相 当, 温 度 增 高 1 时, 频 率 降 低 约 50kHz 应 当 注 意, 对 于 行 波 加 速 管 温 度 变 化 的 影 响 与 其 长 度 或 腔 数 有 关, 而 对 于 驻 波 加 速 管 则 与 长 度 无 关 二 温 控 系 统 分 布 温 控 系 统 是 整 个 医 用 加 速 器 系 统 的 一 个 重 要 组 成 部 分, 虽 然 它 在 加 速 器 系 统 中 所 占 的 比 重 并 不 大, 但 它 却 起 着 重 要 的 作 用 目 前 我 们 应 用 的 各 种 类 型 的 医 用 加 速 器, 其 内 部 有 许 多 部 件 在 工 作 时 都 要 发 出 不 同 的 热 量 为 了 把 这 些 热 量 带 走, 使 这 些 部 件 在 工 作 时 有 一 个 恒 定 的 工 作 温 度, 这 就 需 要 有 一 套 完 整 的 温 控 系 统, 通 过 该 系 统 提 供 的 循 环 恒 温 水 流 将 这 些 部 件 的 发 热 量 带 走, 使 其 内 部 保 持 恒 定 的 工 作 温 度 三 温 控 机 组 温 控 机 组 是 整 个 加 速 器 温 控 系 统 的 核 心 部 件, 它 主 要 由 三 部 分 组 成 : ( 一 ) 恒 温 水 循 环 系 统 由 储 水 箱 水 泵 过 滤 器 调 节 阀 门 换 热 器 及 加 速 器 恒 温 部 件 组 成 的 封 闭 循 环 系 统 通 过 该 系 统 中 恒 温 水 的 不 断 循 环, 不 断 地 把 加 速 器 恒 温 部 件 内 部 的 热 量 带 走, 使 加 速 器 各 部 件 系 统 保 持 恒 定 的 工 作 温 度, 以 保 证 加 速 器 能 够 正 常 运 行 在 恒 温 水 循 环 系 统 中, 水 泵 的 作 用 是 保 证 恒 温 水 流 的 流 量 和 压 力 能 够 满 足 加 速 器 的 使 用 要 求 为 了 保 证 水 质 不 受 污 染, 选 择 水 泵 时 应 选 用 不 锈 钢 水 泵 储 水 箱 的 作 用 主 要 是 使 温 控 系 统 中 的 恒 温 水 源 有 一 定 的 蓄 冷 和 蓄 热 的 能 力, 保 证 水 源 的 温 度 在 负 载 变 化 时 有 一 定 的 稳 定 性 水 箱 的 大 小 一 般 和 加 速 器 负 载 成 正 比 水 箱 的 材 料 一 般 使 用 不 锈 钢 或 工 程 塑 料, 严 禁 使 用 铁 质 材 料, 以 防 污 染 水 质 换 热 器 的 作 用 是 使 水 降 温, 当 水 流 经 换 热 器 时, 与 换 热 器 内 部 的 制 冷 剂 进 行 热 交 换, 将 热 量 传 递 给 制 冷 剂, 使 其 自 身 温 度 降 低 过 滤 器 的 作 用 主 要 是 把 恒 温 水 中 所 含 的 杂 质 颗 粒 控 制 在 一 定 范 围 内, 以 保 证 进 入 加 速 器 内 的 恒 温 水 不 会 堵 塞 加 速 器 的 管 路 恒 温 水 循 环 系 统 可 以 分 为 两 种 : 一 种 是 一 次 恒 温 水 循 环 系 统 ; 另 一 种 是 二 次 恒 温 水 循 环 系 统 前 者 是 指 由 温 控 机 组 排 出 的 恒 温 水 通 过 联 接 管 路 直 接 进 入 到 加 速 器 内 部 各 恒 温 部 件 系 统 中, 直 接 对 这 此 部 件 系 统 进 行 冷 却, 然 后 回 到 温 控 机 组 的 储 水 箱 中

128 图 一 次 恒 温 水 循 环 系 统 一 次 恒 温 水 循 环 系 统 如 图 所 示 二 次 恒 温 水 循 环 系 统 是 由 温 控 机 组 排 出 的 恒 温 水 过 连 接 管 路 进 入 到 加 速 器 内 部 一 个 专 用 的 内 换 热 器 中, 而 不 是 直 接 进 入 到 待 冷 却 的 各 部 件 中 在 二 次 水 循 环 系 统 中 加 速 器 内 部 也 有 一 套 完 整 的 水 循 环 系 统, 我 们 称 它 为 内 循 环 系 统, 温 控 机 组 提 供 的 恒 温 水 循 环 系 统 我 们 称 它 为 外 循 环 系 统 外 循 环 系 统 的 水 温 设 定 要 低 于 内 循 环 系 统 的 水 温 设 定, 二 者 是 通 过 内 换 热 器 进 行 热 交 换 的 而 内 循 环 水 温 度 的 控 制 是 通 过 一 个 连 续 可 调 的 流 量 控 制 阀 来 控 制 外 循 环 水 的 进 水 量 来 实 现 的 二 次 恒 温 水 循 环 系 统 如 图 所 示 一 次 恒 温 水 循 环 系 统, 主 要 是 简 化 了 加 速 器 内 部 的 内 循 环 系 统, 这 在 加 速 器 设 计 方 面 带 来 了 很 大 的 方 便, 同 时 也 降 低 了 加 速 器 的 制 造 成 本 相 比 而 言, 一 次 恒 温 水 循 环 系 统 水 温 的 精 度 较 低, 一 般 在 ±l 左 右, 水 质 与 二 次 恒 温 水 循 图 二 次 恒 温 水 循 环 系 统 环 系 统 的 水 质 相 比 也 较 低 目 前 国 内 生 产 的 医 用 加 速 器 通 常 采 用 一 次 恒 温 水 循 环 系 统

129 二 次 恒 温 水 循 环 系 统, 它 的 内 循 环 系 统 的 水 温 精 度 可 以 设 定 得 比 较 高, 一 般 可 以 达 到 ± 0.5 左 右 同 时 内 循 环 系 统 的 水 质 是 可 以 得 到 保 证 的 这 样 就 避 免 了 加 速 器 内 部 一 些 细 小 管 径 的 管 路 因 杂 质 而 堵 塞 二 次 恒 温 水 循 环 系 统, 它 对 外 循 环 系 统 的 要 求 相 对 来 说 也 比 较 低, 可 以 使 用 常 规 的 制 冷 方 式 制 冷, 也 可 以 使 用 水 塔 冷 却 或 直 接 使 用 地 表 水 来 进 行 制 冷 由 于 在 二 次 恒 温 水 循 环 系 统 中, 加 速 器 内 部 必 须 要 有 内 循 环 系 统, 这 给 加 速 器 设 计 方 面 增 加 了 一 些 麻 烦, 同 时 也 增 加 了 加 速 器 的 制 造 成 本 目 前 国 外 进 口 的 医 用 加 速 器 均 采 用 二 次 恒 温 水 循 环 系 统, 如 图 所 示 ( 二 ) 制 冷 循 环 系 统 图 二 次 恒 温 水 循 环 系 统 由 制 冷 压 缩 机 冷 凝 器 过 滤 器 膨 胀 阀 或 毛 细 管 蒸 发 器 组 成 一 封 闭 循 环 系 统 通 过 制 冷 剂 在 该 系 统 中 不 断 循 环, 不 断 对 温 度 较 高 的 循 环 水 进 行 冷 却, 直 到 循 环 水 的 温 度 达 到 设 定 的 要 求 为 止 制 冷 循 环 系 统 如 图 所 示 制 冷 循 环 系 统 下 面 简 单 介 绍 一 下 制 冷 循 环 系 统 的 制 冷 原 理 氟 制 冷 剂 从 制 冷 压 缩 机 低 压 端 吸 人 到 压 缩 机 中 被 压 缩, 变 成 高 温 高 压 的 制 冷 剂 蒸 气, 然 后 从 高 压 端 排 出 被 送 到 冷 凝 器 中, 制 冷 剂 在 冷 凝 器 中 受 到 冷 却 水 或 空 气 的 冷 却 而 放 出 凝 结 热, 自 身 变 成 冷 凝 压 力 下 的 饱 和 液 体 该 液 体 经 过 过 滤 器 进 入 毛 细 管 或 膨 胀 阀 进 行 节 流, 减 压 到 蒸 发 压 力, 经 过 节 流 的 制 冷 剂 气 液 混 合 物 被 送 到 蒸 发 器 中, 由 于 面 积 增 大, 被 冷 却 物 提 供 热 量, 故 制 冷 剂 在 蒸 发 器 中 气 化, 大 量 的 气 化 潜 热 使 被 冷 却 物 的 温 度 降 低, 气 化 后 的 制 冷 剂 变 成 低 温 低 压 的 制 冷 剂 蒸 气 又 回 到 制 冷 压 缩 机 中 再 被 压 缩, 这 就 是 一 个 完 整 的 制 冷 热 力 循 环 由 于 制 冷 剂 连 续 不 断 的 循 环, 被 冷 却 物 的 热 量 就 连 续 被 带 走, 从 而 达 到 制 冷 目 的 在 温 控 机 制 冷 系 统 中 通 常 使 用 的 制 冷 剂 是 F2 和 F12, 它 们 同 属 于 中 压 制 冷 剂, 它 们 是 一 种 无 色 透 明 的 液 体, 无 毒 无 刺 激 味, 不 燃 不 爆, 对 金 属 无 腐 蚀 作 用, 但 是 当 它 们 与 火 焰 接 触 时 会 产 生 氟 化 氢 及 光 气 等 有 毒 气 体, 所 以 要 特 别 避 免 氟 制 冷 剂 与 明 火 接 触 ( 三 ) 电 控 系 统 该 系 统 主 要 是 由 温 控 器 接 触 器 中 间 继 电 器 可 编 程 控 制 器 氟 压 控 制 器 水 位 控 制 器 水 压 或 水 流 控 制 器 指 示 灯 及 开 关 等 元 器 件 组 成 它 的 主 要 作 用 就 是 要 保 证 温 控 机 组 能

130 够 安 全 可 靠 地 按 照 预 先 输 入 的 工 作 程 序 进 行 工 作 电 控 系 统 应 具 备 以 下 几 项 功 能 : (1) 恒 温 水 的 控 制 温 度 及 精 度 在 一 定 范 围 内 能 任 意 可 调 一 般 恒 温 水 的 控 温 范 围 在 之 间, 控 制 精 度 一 般 在 ±l -±3 之 间 控 温 精 度 根 据 加 速 器 要 求 要 选 择 适 当, 精 度 太 低, 水 温 的 波 动 较 大, 会 影 响 加 速 器 工 作 的 稳 定 性 ; 精 度 太 高, 水 温 的 波 动 较 小, 对 加 速 器 工 作 肯 定 是 有 好 处 的, 但 对 温 控 机 组 的 要 求 较 高, 势 必 会 增 加 温 控 机 组 的 制 造 成 本 (2) 该 系 统 要 有 完 整 的 故 障 报 警 及 故 障 联 锁 功 能 当 温 控 机 组 出 现 各 种 故 障 时, 该 系 统 能 够 及 时 准 确 的 通 知 加 速 器 主 控 系 统, 并 做 适 当 的 停 机 处 理 温 控 机 组 的 故 障 报 警 及 故 障 联 锁 一 般 应 包 括 以 下 几 个 方 面 : 水 温 高 水 温 低 水 压 或 水 流 异 常 水 位 低 氟 压 异 常 等 当 水 压 或 水 流 及 水 位 故 障 报 警 时, 温 控 机 组 要 做 停 机 处 理 ; 当 氟 压 故 障 报 警 时, 温 控 机 组 的 制 冷 系 统 要 做 停 机 处 理 温 控 机 组 的 水 泵 故 障 与 制 热 及 制 冷 系 统 之 间 要 有 联 锁, 即 当 水 泵 出 现 故 障 而 停 机 时, 制 热 及 制 冷 系 统 也 要 做 相 应 的 停 机 处 理 当 垣 温 水 工 作 温 度 不 大 于 5 时, 蒸 发 器 出 水 口 应 设 置 温 度 保 护 器, 以 防 止 蒸 发 器 内 部 的 水 结 冰 而 损 坏 制 冷 系 统 下 面 介 绍 一 下 温 控 机 组 的 分 类 和 对 温 控 机 组 机 房 的 要 求 : 温 控 机 组 从 结 构 形 式 上 可 分 为 两 种 : 一 种 是 整 体 式 温 控 机 组 ; 另 一 种 是 分 体 式 温 控 机 组 所 谓 整 体 式 温 控 机 组 顾 名 思 义 就 是 把 温 控 机 组 的 三 大 组 成 部 分 均 放 在 一 个 机 柜 里 面, 而 该 机 柜 要 放 在 一 个 专 门 设 计 的 机 房 里 面 而 分 体 式 温 控 机 组 是 把 温 控 机 组 分 成 两 部 分 : 一 部 分 放 在 室 内 机 房 里 我 们 称 它 为 室 内 机 组 ; 另 一 部 分 放 在 室 外 我 们 称 它 为 室 外 机 组 室 外 机 组 主 要 包 括 压 缩 机 风 机 和 冷 凝 器, 而 室 内 和 室 外 机 组 是 通 过 连 接 管 路 和 电 缆 连 接 在 一 起 的 温 控 机 组 从 制 冷 系 统 冷 凝 方 式 上 也 可 分 为 两 种 : 一 种 是 风 冷 式 温 控 机 组 ; 另 一 种 是 水 冷 式 温 控 机 组 前 者 制 冷 系 统 的 冷 凝 器 是 靠 风 机 吹 风 来 进 行 冷 却 的 后 者 制 冷 系 统 的 冷 凝 器 是 靠 水 来 进 行 冷 却 的 对 于 以 上 几 种 类 型 的 温 控 机 组, 到 底 选 用 哪 种 比 较 好, 这 要 根 据 用 户 的 地 理 位 置 和 现 场 条 件 来 决 定 一 般 来 说, 我 国 的 北 方 地 区 水 源 比 较 短 缺, 夏 季 的 环 境 温 度 也 不 太 高, 应 尽 量 采 用 风 冷 式 温 控 机 组, 而 不 宜 使 用 水 冷 式 温 控 机 组 而 我 国 的 南 方 地 区 夏 季 环 场 温 度 炎 热 且 潮 湿, 但 水 源 比 较 充 足, 故 应 尽 量 采 用 水 冷 式 温 控 机 组, 而 不 宜 采 用 风 冷 式 温 控 机 组 对 于 现 场 条 件 比 较 好 温 控 机 组 机 房 比 较 大 而 且 有 良 好 通 风 散 热 系 统 的 用 户 来 说, 应 采 用 整 体 温 冷 式 温 控 机 组 ; 对 于 温 控 机 组 机 房 较 小 又 没 有 良 好 的 通 风 散 热 系 统 的 用 户 应 采 用 分 体 风 冷 式 温 控 机 组, 因 为 这 样 可 以 把 温 控 机 组 排 出 的 热 风 直 接 排 向 室 外 对 温 控 机 组 机 房 来 说, 一 般 有 以 下 几 项 要 求 : (1) 机 房 的 面 积 要 适 当, 不 能 太 小, 最 好 留 有 窗 户, 房 门 的 设 计 要 便 于 温 控 机 组 的 进 出 ; (2) 对 于 整 体 风 冷 式 温 控 机 组 来 说, 其 机 房 要 有 良 好 的 通 风 散 热 系 统, 房 间 内 环 境 温 度 不 要 高 于 35 ; (3) 机 房 内 要 有 良 好 的 照 明, 要 有 供 电 电 源, 要 有 上 下 水 及 穿 线 地 沟 四 温 控 系 统 维 护 对 于 温 控 系 统 进 行 正 确 的 定 期 保 养 维 护 和 检 修 是 温 控 系 统 能 够 长 期 安 全 可 靠 进 行 工 作 的 前 提 下 面 从 几 个 方 面 谈 一 下 温 控 系 统 维 护 保 养 的 问 题 : 1. 对 温 控 机 组 恒 温 水 据 环 系 统 的 定 期 雄 护 保 养 (1) 要 定 期 更 换 储 水 箱 内 部 的 循 环 水, 以 免 水 质 变 坏 有 味, 影 响 换 热 效 果 一 般 情 况 下 2~3 个 月 应 更 换 一 次 水, 循 环 水 应 使 用 蒸 馏 水 或 去 离 子 水 (2) 水 过 滤 器 的 内 部 过 滤 网 要 定 期 拿 出 来 清 洗, 以 免 杂 质 堵 塞 过 滤 网, 影 响 水 泵 的 出 水 量 及 压 力 一 般 一 个 月 左 右 应 清 洗 一 次 过 滤 网

131 (3) 要 经 常 循 检 恒 温 水 循 环 系 统 各 接 头 部 位 是 否 有 漏 水 现 象, 要 经 常 检 查 水 泵 的 出 水 压 力 是 否 正 常 水 泵 的 工 作 情 况 是 否 正 常 ( 对 水 泵 检 查 包 括 : 水 泵 电 机 的 温 升 及 水 泵 运 转 的 声 音 ) 2. 对 温 控 机 组 制 冷 系 统 的 定 期 维 护 保 养 (1) 要 定 期 清 洗 风 冷 式 冷 凝 器 上 面 的 灰 尘, 以 免 影 响 冷 凝 器 的 散 热 效 果 和 制 冷 量 一 般 半 年 左 右 应 清 洗 一 次, 清 洗 时 可 用 气 泵 吹, 可 用 自 来 水 冲, 也 可 用 毛 刷 清 扫 (2) 要 经 常 检 查 制 冷 系 统 氟 压 的 高 压 和 低 压 指 示 是 否 正 常, 如 果 低 压 越 来 越 低 可 能 是 制 冷 系 统 有 漏 的 地 方, 应 找 漏 加 氟 如 果 是 高 压 指 示 偏 高, 对 于 风 冷 式 温 控 机 组 来 说, 可 能 是 环 境 温 度 太 高 冷 凝 器 太 脏 或 者 是 风 机 故 障 所 致 ; 对 于 水 冷 式 温 控 机 组 来 说, 可 能 是 冷 却 水 温 度 太 高 或 者 是 缺 水 所 致 此 时 应 立 即 停 机, 查 找 故 障 原 因, 待 故 障 排 除 后 机 组 才 可 重 新 运 行 3. 电 控 系 统 的 维 护 保 养 (1) 要 保 持 各 电 器 元 件 的 清 洁, 以 免 影 响 一 些 元 器 件 散 热 并 防 止 短 路 现 象 发 生 (2) 要 经 常 检 查 电 控 系 统 中 各 电 器 接 点 是 否 牢 固, 以 免 造 成 因 接 点 虚 接 或 松 动, 导 致 导 线 发 热 引 起 火 灾 的 现 象 发 生 (3) 对 于 出 现 故 障 的 元 器 件 要 及 时 更 换, 不 能 带 病 工 作, 以 免 造 成 更 大 的 事 故

132 第 十 四 节 照 射 头 医 用 加 速 器 与 高 能 物 理 研 究 及 工 业 用 加 速 器 的 主 要 差 别 在 于 医 用 加 速 器 有 一 个 为 满 足 临 床 要 求 而 设 立 的 辐 射 系 统, 这 个 系 统 安 装 在 可 旋 转 的 照 射 头 ( 辐 射 头 ) 中 医 用 电 子 加 速 器 照 射 头 的 功 能 是 把 从 加 速 管 直 接 或 经 偏 转 系 统 引 出 的 电 子 束 通 过 靶 散 射 箔 均 整 器 电 离 室 或 扫 描 系 统 转 换 为 符 合 临 床 要 求 的 X 辐 射 或 电 子 辐 射, 经 准 直 器 获 得 所 需 轮 廓 的 辐 射 野, 照 射 病 人 电 子 束 在 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 加 速 管 中 完 成 加 速 后 被 用 于 产 生 治 疗 用 的 X 辐 射 或 电 子 辐 射 如 果 使 用 的 是 电 子 辐 射, 则 在 加 速 器 的 终 端 用 引 出 窗 经 散 射 箔 将 电 子 束 引 出 加 速 管 ; 如 果 使 用 的 是 X 辐 射, 则 在 加 速 器 的 终 端 设 置 靶, 将 电 子 束 转 换 为 X 辐 射 照 射 头 由 高 密 度 的 屏 蔽 材 料 如 铅 钨 或 铅 钨 合 金 的 厚 屏 蔽 壳 组 成 ( 图 ) 能 提 供 半 影 小, 边 界 明 确 可 调 的 均 匀 照 射 野 并 减 小 漏 剂 量 医 用 加 速 器 设 有 照 射 头, 由 电 子 束 引 出 窗 靶 (Target) 初 级 准 直 器 (primary collimator) 均 整 块 (Flattening Filter) 散 射 箔 (Foil) 内 外 二 套 光 阑 (Jaws) 电 离 室 (Dose Chamber) 楔 形 过 滤 器 (Wedge) 附 件 架 限 光 筒 光 野 灯 与 反 射 镜 源 皮 距 离 灯 和 屏 蔽 块 等 组 成 照 射 头 需 提 供 足 够 的 屏 蔽 使 辐 射 泄 漏 水 平 符 合 辐 射 防 护 标 准 规 定 一 引 出 窗 一 般 采 用 0.1~0.15mm 的 钛 片, 钛 的 密 度 低, 对 电 子 的 阻 挡 小 ( 经 计 算 8MeV 的 电 子 束 穿 过 0.15mm 的 钛 损 失 122keV), 熔 点 高, 机 械 强 度 好, 真 空 性 能 与 焊 接 性 能 好, 为 防 止 射 线 电 离 空 气 产 生 的 臭 氧 对 钛 片 的 氧 化, 可 用 压 缩 空 气 吹 窗 的 表 面, 引 出 窗 是 加 速 器 真 空 系 统 的 薄 弱 环 节 对 于 直 束 式 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 电 子 束 完 全 偏 离 束 流 轴 线 的 可 能 性 很 小, 但 有 一 部 分 电 子 会 打 在 引 出 窗 周 围 的 焊 缝 处 ; 对 于 偏 转 束 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 在 偏 转 电 源 失 常 或 调 试 不 当 时, 电 子 束 偏 离 正 常 轨 道, 大 部 分 束 流 功 率 会 损 耗 在 引 出 窗 附 近 的 偏 转 盒 壁 上, 因 此 一 般 都 在 引 出 窗 周 围 加 冷 却 水 管 引 出 窗 被 电 子 束 灼 穿 或 打 裂, 引 起 加 速 管 漏 气, 是 最 严 重 的 设 备 事 故, 因 为 真 空 破 坏 会 同 时 使 电 子 枪 阴 极 氧 化 热 子 烧 断 图 照 射 头 的 结 构 二 靶 所 有 低 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 均 提 供 用 于 深 部 治 疗 的 X 辐 射, 为 此 均 需 设 置 将 加 速 电 子 束 转 换 为 X 辐 射 的 靶 低 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 一 般 只 提 供 X 辐 射, 无 需 出 电 子 束, 因 此 靶 可 以 是 固 定 式 的, 直 接 放 在 加 速 管 末 端 ; 中 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器 因 为 既 要 提 供 X 辐 射 又 要 提 供 电 子 辐 射, 靶 必 须 是 移 动 式 的 ( 图 ), 有 内 靶 与 外 靶 之 分, 前 者 将 靶 放 在 真 空 之 中, 后 者 将 靶 放 在 真 空 之 外 靶 一 方 面 起 产 生 X 辐 射 之 用, 另 一 方 面 还 要 起 阻 止 电 子 束 通 过 的 作 用, 这 样 靶 就 要 承

133 受 电 子 束 的 轰 击, 电 子 能 量 转 换 成 X 射 线 是 小 部 分 ( 金 靶 4MeV 时, 为 13.5%,8MeV 时 为 24%), 大 部 分 的 能 量 转 换 成 热 能, 耗 散 在 靶 上 很 小 的 面 积 上 (2mm 2 ), 因 此 靶 需 要 内 循 环 水 冷 却 系 统 及 时 将 热 量 带 走 由 于 靶 的 工 作 条 件 恶 劣, 在 运 行 中 不 乏 靶 被 打 坏 漏 水 的 事 例 设 计 产 生 X 辐 射 的 靶 时, 一 般 要 求 韧 致 辐 射 产 额 尽 量 高 电 子 污 染 尽 量 少 此 外, 如 果 电 子 能 量 较 高 ( 比 如 大 于 10Mev), 在 选 择 靶 材 料 时 还 要 考 虑 因 韧 致 辐 射 X 射 线 产 生 的 中 子 的 影 响 为 了 得 到 最 佳 的 治 疗 束, 应 该 用 上 述 方 法 对 辐 射 靶 和 均 整 块 进 行 联 合 优 化 设 计, 最 终 还 须 结 合 实 验 修 正 1. 靶 的 材 料 作 为 产 生 轫 致 辐 射 的 靶, 首 要 的 是 要 求 X 辐 射 产 额 高 通 常 用 高 原 子 序 数 材 料 如 金 钨 靶 铂 等 作 靶 对 靶 材 料 的 第 二 方 面 要 求 是 熔 点 高 导 热 性 能 良 好 这 是 因 为 电 子 束 的 截 面 小, 能 量 高, 功 率 密 度 大, 除 辐 射 损 失 外 的 能 量 将 以 热 的 形 式 消 耗 在 靶 上 第 三 方 面 要 求 是 工 艺 性 能, 要 求 易 于 加 工 图 移 动 式 靶 和 焊 接 各 种 材 料 中, 金 的 X 辐 射 产 额 最 高, 熔 点 为 1065 C, 导 热 性 能 好, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 常 用 金 作 靶 其 次 也 有 用 钨 作 靶, 钨 的 产 额 略 低 于 金, 但 其 熔 点 高, 耐 轰 击 铅 的 原 子 序 数 虽 然 高, 但 其 熔 点 低, 不 适 合 作 靶 2. 靶 的 厚 度 靶 的 最 佳 厚 度 可 获 得 最 大 的 输 出 过 薄 射 束 功 率 利 用 不 好, 过 厚 则 已 产 生 的 X 射 线 被 阻 挡 吸 收 靶 的 厚 度 选 择 除 考 虑 获 得 最 大 X 辐 射 输 出 外, 还 应 考 虑 射 程 的 因 素 往 往 由 理 论 或 实 验 确 定 的 厚 度 有 可 能 小 于 电 子 的 射 程, 如 果 有 部 分 电 子 直 接 穿 过 靶 及 后 面 的 均 整 过 滤 器, 将 造 成 电 子 污 染 有 的 选 电 子 射 程 的 1/5 为 靶 厚, 电 子 穿 过 靶 后 用 碳 或 铝 轻 元 素 阻 止 块 吸 收 之, 以 防 止 用 X 射 线 治 疗 时 有 电 子 污 染 三 准 直 器 产 生 一 定 形 状 辐 射 野 轮 廓 的 部 件 称 为 准 直 系 统 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 规 则 X 辐 射 淮 直 系 统 由 初 级 准 直 器 次 级 准 直 器 和 附 加 准 直 器 组 成 1. 初 级 准 直 器 (primary collimator) 位 于 电 子 引 出 窗 或 靶 下 方, 为 固 定 的 具 有 圆 孔 的 准 直 器, 初 级 准 直 器 的 作 用 有 两 方 面, 一 方 面 它 决 定 了 该 加 速 器 所 能 提 供 的 最 大 射 野 范 围 ; 另 一 方 面, 它 阻 挡 了 最 大 辐 射 野 范 围 外 的 由 辐 射 源 产 生 的 初 级 辐 射 为 了 减 少 辐 射 头 高 度, 初 级 准 直 器 采 用 高 原 子 序 数 材 料 如 钨 合 金 制 成, 早 期 亦 用 贫 化 铀, 其 高 度 应 能 将 初 级 辐 射 衰 减 至 10-3, 或 三 个 十 分 之 一 值 层 厚 (tenth value layer,tvl) 初 级 准 直 器 为 电 子 辐 射 和 X 辐 射 所 共 用 2. 次 级 准 直 器 (secondary collimator) 由 上 下 两 对 可 开 合 的 矩 形 准 直 器, 俗 称 光 阑 (Diaphragm) 组 成, 材 料 多 由 钨 合 金 铅 制 成 ( 早 期 亦 用 贫 化 铀 ), 通 过 上 下 两 对 矩 形 准 直 器 的 开 合 运 动 可 形 成 方 形 或 矩 形 辐 射 野 上 下 光 阑 闭 合 形 成 的 面 积 必 须 大 于 由 初 准 直 器 锥 角 的 投 影 面 积, 即 M 区 域 辐 射 野 越 大 ( 准 直 锥 孔 角 度 越 大 ), 上 下 光 阑 的 长 和 宽 度 以 及 运 动 范 围 就 越 大, 次 级 准 直 器 的 尺 寸 和 重 量 也 愈 大 初 级 准 直 器 半 锥 角 14 配 合 次 级 准 直 器 后, 可 以 获 得 最 大 辐 射 野 为 40cm 40cm,4 个 顶 角 为 圆 角, 这 样 基 本 能 满 足 临 床 的 需 要 近 代 的 医 用 电 子 加 速 器 一 般 都 设 计 有 辐 射 野 数 字 指 示 每 叶 光 阑 的 空 间 位 置 确 定 了 它 对

134 辐 射 束 的 限 束 边 界 因 此, 每 叶 光 阑 都 设 有 位 置 采 样 机 构 和 电 器 元 件, 得 到 的 信 号 将 转 换 成 辐 射 野 大 小 的 数 字 指 示 3. 附 加 准 直 器 (applicator) 除 初 级 准 直 器 及 次 级 准 直 器 外, 根 据 临 床 需 要, 有 时 在 辐 射 头 下 方 安 装 不 同 尺 寸 的 附 加 难 直 器 例 如 在 利 用 医 用 电 子 直 线 加 速 器 进 行 头 部 立 体 定 向 放 射 外 科 或 立 体 定 向 放 射 治 疗 时, 需 要 在 辐 射 头 下 方 安 装 不 同 尺 寸 的 圆 形 附 加 准 直 器 或 多 叶 准 直 器 初 级 准 直 器 次 级 准 直 器 附 加 准 直 器 图 照 射 头 准 直 器 结 构 示 意 图 四 均 整 块 (Flattening Filter) 高 能 电 子 束 打 靶 时 产 生 的 韧 致 辐 射, 具 有 较 尖 锐 的 角 分 布 能 量 越 高 越 尖, 因 此 为 了 获 得 大 的 均 匀 照 射 野, 就 必 须 对 X 射 线 进 行 均 整, 通 常 采 用 阻 挡 吸 收 的 方 法, 以 削 弱 束 中 心 部 分 的 强 度, 均 整 块 ( 又 名 补 偿 过 滤 器, 图 所 示 ) 可 用 铝 制 成, 取 其 吸 收 系 数 高 和 加 工 修 正 方 便, 亦 有 用 不 锈 钢, 取 其 不 易 变 形 均 整 块 的 形 状 可 以 根 据 X 射 线 角 分 布 ( 与 能 量 靶 材 靶 厚 有 关 ) 和 均 整 块 材 料 的 吸 收 系 数 计 算 得, 亦 即 以 利 用 射 线 锥 角 为 标 准 把 锥 内 各 处 都 减 弱 到 这 个 标 准, 就 能 求 出 各 处 的 厚 度, 亦 即 确 定 锥 的 形 状 电 子 束 并 非 单 色 的, 在 磁 场 中 偏 转 后, 电 子 束 呈 扫 帚 形, 因 此 要 根 据 实 测 结 果 反 复 修 正 均 整 块 图 均 整 器 及 其 在 治 疗 头 中 的 安 装 位 置 五 散 射 箔 X 射 线 分 布 为 一 锥 体, 用 均 整 块 吸 收 使 之 在 有 用 射 野 中 均 匀 分 布, 电 子 射 线 为 一 细 束, 用 散 射 法 使 均 匀 发 散 在 大 面 积 上 电 子 穿 过 箔 片 时 受 原 子 核 电 荷 的 作 用 产 生 散 射 时, 原 子 序 数 高 和 箔 厚 时, 散 射 效 果 好, 但 电 子 能 量 损 失 亦 多 ( 能 谱 变 坏 ), 产 生 的 韧 致 辐 射 亦 大 (X 射 线 污 染 ), 因 此 有 各 种 各 样 的 设 计 ( 箔 片, 多 层 箔 片 筛 子 等 ) 因 散 射 与 能 量 有 关, 不 同 能 量 时 用 不 同 厚 薄 ( 或 材 料 ) 的 箔, 靠 自 动 联 锁 系 统 确 保 六 限 光 筒

135 用 于 电 子 照 射, 有 方 形 亦 有 图 形 等 各 种 不 同 的 尺 寸, 有 的 用 有 机 玻 璃, 有 的 用 不 锈 钢 制 成, 使 电 子 束 限 制 在 所 需 范 围 内, 壁 上 电 子 散 射 有 利 于 电 子 充 满 照 射 野, 改 善 照 射 野 的 均 匀 性 七 楔 形 过 滤 器 有 利 于 X 射 线 照 射 产 生 楔 形 深 度 剂 量 分 布, 有 利 于 多 野 照 射 时 改 善 肿 阔 剂 量 的 分 布 有 各 种 角 度, 编 有 号 码, 靠 小 磁 铁 干 簧 继 电 器 或 微 动 开 关 识 别 并 有 联 锁 装 置 八 托 盘 在 需 要 用 特 殊 形 状 的 照 射 野 进 行 治 疗 时 使 用 它, 在 丙 烯 板 上, 可 以 固 定 各 种 形 状 铅 块 形 成 任 意 形 状 的 照 射 野

136 第 十 五 节 机 械 系 统 医 用 电 子 加 速 器 机 械 系 统 是 实 现 肿 瘤 放 射 治 疗 的 执 行 机 构 从 临 床 需 要 的 角 度 出 发, 希 望 通 过 机 器 的 执 行 机 构 实 现 : (1) 可 得 到 满 足 临 床 需 要 的 任 意 大 小 和 形 状 的 辐 射 束 ; (2) 辐 射 束 可 以 从 辐 照 靶 区 ( 肿 瘤 或 病 灶 ) 表 面 的 任 何 方 向 射 入 ; (3) 能 方 便 地 操 作 机 器 和 进 行 患 者 摆 位 ( 将 肿 瘤 置 于 辐 照 区 ) 按 照 这 些 基 本 要 求, 医 用 电 子 加 速 器 的 机 械 系 统 设 计 了 立 式 机 架 1 有 足 够 辐 射 屏 蔽 的 限 束 系 统 ( 辐 射 头 4) 携 带 辐 射 头 旋 转 的 旋 转 机 架 2 和 具 有 至 少 四 个 自 由 度 的 患 者 支 撑 系 统 ( 治 疗 床 3) 同 时, 为 实 现 辐 射 束 可 以 从 任 何 方 向 射 向 靶 区 中 心, 设 计 中 采 用 了 等 中 心 原 理, 使 辐 射 头 机 架 和 治 疗 床 的 旋 转 轴 线 相 交 于 一 点, 如 图 所 示 换 句 话 说, 让 辐 照 靶 区 的 中 心 位 于 三 轴 交 点 上, 辐 照 靶 区 的 旋 转 轴 ( 治 疗 床 公 转 轴 ) 与 带 着 辐 射 束 旋 转 的 主 轴 ( 机 架 旋 4 1 转 轴 ) 相 互 垂 直 患 者 躺 在 ( 固 定 在 ) 治 疗 床 面 上, 随 治 疗 床 运 动, 即 患 者 体 内 的 肿 瘤 ( 靶 区 ) 随 治 疗 床 运 动 相 对 于 靶 区 而 言, 3 治 疗 床 公 转 角 度 和 机 架 旋 转 角 度 的 不 同 2 组 合 可 得 到 不 同 方 向 入 射 的 辐 射 束 如 果 把 辐 照 靶 区 比 喻 成 我 们 生 活 的 地 球, 靶 区 中 心 是 地 心, 靶 区 表 面 像 地 球 一 样 划 分 成 纬 线 和 经 线, 治 疗 床 公 转 旋 转 轴 相 当 于 地 图 直 线 加 速 器 的 机 械 系 统 外 视 图 球 的 自 转 轴, 机 架 旋 转 使 得 辐 射 束 轴 总 是 通 过 地 心 沿 经 线 移 动, 靶 区 表 面 上 的 任 何 一 个 经 纬 点 相 当 于 辐 射 束 轴 的 一 个 入 射 点 医 用 电 子 直 线 加 速 器 中 的 X 射 线 和 电 子 射 线 都 是 不 可 见 的, 对 人 体 正 常 组 织 具 有 伤 害 性, 因 此 辐 射 区 的 界 定 和 位 置 都 是 经 过 医 生 确 定, 必 须 在 加 速 器 治 疗 中 严 格 执 行 的 为 了 使 辐 照 区 的 大 小 和 位 置 与 医 生 拟 定 的 治 疗 处 方 一 致, 机 械 系 统 设 计 了 辐 射 野 的 模 拟 光 学 指 示 系 统 ( 模 拟 灯 和 反 射 镜 ) 和 辐 射 源 到 辐 射 束 入 口 处 距 离 的 光 学 指 示 系 统 ( 光 距 尺 ) 通 过 这 两 套 光 学 指 示 系 统, 医 生 可 以 在 辐 照 实 施 之 前 确 认 辐 照 区 设 置 的 正 确 性 患 者 肿 瘤 的 类 型 和 形 状 千 差 万 别, 为 达 到 临 床 实 用 的 目 的, 机 械 系 统 还 设 计 了 对 肿 瘤 进 行 X 射 线 适 形 照 射 和 电 子 线 适 形 照 射 需 要 的 各 种 实 用 装 置 及 治 疗 附 件 一 机 架 在 医 用 电 子 直 线 加 速 器 中, 旋 转 机 架 是 一 个 重 要 部 件, 它 的 刚 度 和 旋 转 轴 承 的 跳 动 误 差 直 接 影 响 机 器 的 主 要 精 度 指 标 等 中 心 精 度 ; 它 的 运 行 平 稳 性 和 角 度 位 置 误 差 直 接 影 响 临 床 治 疗 精 度 因 此, 机 架 的 刚 度 机 架 转 动 的 平 稳 性 和 机 架 转 角 的 位 置 精 度 是 设 计 和 制 造 中 的 重 要 部 分 机 架 的 主 要 作 用 是 带 着 辐 射 头 做 0 ~360 范 围 内 的 顺 逆 时 针 旋 转, 使 得 从 辐 射 头 射 出 的 辐 射 束 可 随 机 架 旋 转 而 改 变 射 入 方 向 ( 一 ) 机 架 的 分 类 到 目 前 为 止, 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 机 架 基 本 设 计 成 两 种 形 式 : 支 臂 式 和 滚 筒 式 大 多 数 采 用 支 臂 式, 如 图 所 示 支 臂 式 机 架 的 结 构 特 点 是 : 大 多 数 电 气 设 备 和 主 机 都 安 装 在 一 个 房 间 ( 治 疗 室 ) 内, 便 于 维 修 和 调 试 滚 筒 式 机 架 结 构 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 旋 转 驱 动 部 件 和 电 气 设 备 都 安 排 在 假 墙 后 面, 整 个 治 疗 室 显 得 较 简 洁 无 论 哪 种 形 式 的 机 架, 都 有 一 个 底 架, 它 作 为 机 架 的 基 础, 水 平 地 安 装 在 治 疗 室 地 板 之 下 并 与 地 基 固 定

137 1. 支 臂 式 机 架 支 臂 式 机 架 实 例 是 由 底 架 机 座 和 旋 转 机 架 组 成 底 架 与 地 基 相 连, 机 座 固 定 在 底 架 上, 支 撑 着 机 架 旋 转 辐 射 头 安 装 在 旋 转 机 架 的 前 端, 加 速 管 直 立 安 装, 加 速 管 外 部 是 铅 制 成 的 屏 蔽 室 ( 防 护 室 ), 防 止 射 线 泄 漏 旋 转 机 架 通 过 主 轴 与 安 装 在 机 座 上 的 交 叉 滚 子 轴 承 悬 臂 式 连 接 旋 转 机 架 的 驱 动 组 件 安 装 在 机 座 内, 由 驱 动 电 机 减 速 器 链 传 动 组 成 利 用 机 座 和 旋 转 机 架 上 的 结 构 空 间, 安 装 有 许 多 电 气 设 备 比 如 在 机 座 中 安 装 了 自 动 充 气 系 统 变 频 调 速 器 电 源 磁 控 管 灯 丝 电 源 低 压 电 源 机 箱 运 动 控 制 系 统 机 箱 在 旋 转 机 架 上 安 装 了 真 空 电 源 电 子 枪 灯 丝 电 源 高 压 脉 冲 变 压 器 磁 控 管 及 微 波 传 输 组 件 自 动 稳 频 系 统 (AFC) 等 设 备 ( 参 照 图 3-2-1) 2. 滚 筒 式 机 架 在 滚 筒 式 机 架 中, 辐 射 头 安 装 在 文 臂 的 末 端, 加 速 管 沿 支 臂 长 度 方 向 卧 式 固 定 在 支 臂 上 支 臂 与 旋 转 滚 筒 连 接 滚 筒 由 两 对 摩 擦 轮 支 撑 ( 接 触 ), 其 中 一 对 摩 擦 轮 由 一 套 电 机 减 速 装 置 驱 动 摩 擦 轮 转 动 时, 利 用 摩 擦 力 使 滚 筒 旋 转 摩 擦 轮 和 电 机 减 速 装 置 都 固 定 在 底 架 上 在 机 架 滚 筒 内 部 和 后 面 安 装 有 配 重 和 许 多 电 器 部 件 滚 筒 的 后 部 还 有 一 个 电 线 卷 筒, 旁 边 固 定 了 一 个 电 缆 支 撑 柱, 电 缆 从 支 撑 柱 引 到 电 缆 卷 筒 上 ( 二 ) 机 架 的 基 本 组 成 部 分 及 其 作 用 1. 等 中 心 高 度 等 中 心 高 度 是 机 架 的 一 个 主 要 参 数 等 中 心 高 度 等 于 地 面 到 等 中 心 的 垂 直 距 离, 或 者 说 地 面 到 旋 转 机 架 轴 线 的 垂 直 距 离 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 源 轴 距 为 1000mm( 靶 点 到 等 中 心 的 距 离 ) 从 临 床 摆 位 的 角 度 考 虑, 等 中 心 高 度 不 应 太 高 因 为 患 者 的 肿 瘤 一 般 都 在 体 内, 当 把 肿 瘤 置 于 等 中 心 附 近 进 行 治 疗 时, 患 者 体 表 一 定 高 于 等 中 心 如 果 等 中 心 高 度 太 高, 患 者 体 表 随 之 增 高, 这 将 妨 碍 医 生 给 患 者 摆 位 时 的 视 线 目 前 加 速 管 直 立 式 安 装 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 都 把 治 疗 床 公 转 盘 做 成 向 下 凹 的 球 面, 这 样 可 以 让 机 架 旋 转 到 180 时, 辐 射 头 的 顶 部 不 与 治 疗 床 公 转 盘 发 生 干 涉, 而 医 生 摆 位 所 站 的 地 面 相 对 可 以 抬 高, 使 等 中 心 高 度 在 1330mm 左 右 卧 式 安 装 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 等 中 心 高 度 一 般 不 超 过 1300mm 2. 机 架 如 果 把 医 用 加 速 器 比 喻 成 人 体, 机 架 就 相 当 于 人 体 的 骨 架, 它 是 机 器 零 部 件 的 主 要 载 体 机 架 由 支 臂 ( 也 称 旋 转 机 架 ) 和 机 座 组 成, 一 般 都 是 由 成 型 钢 材 和 钢 板 焊 接 而 成 机 架 的 结 构 设 计 主 要 涉 及 以 下 几 点 : (1) 以 核 心 部 件 为 中 心 展 开 其 他 部 件 的 排 布 ; (2) 机 架 的 强 度 满 足 安 全 要 求 ; (3) 机 架 的 刚 度 要 满 足 等 中 心 精 度 的 要 求 3. 机 架 的 旋 转 运 动 驱 动 装 置 大 多 数 文 臂 式 机 架 的 旋 转 运 动 驱 动 装 置 都 安 装 在 机 座 内, 由 驱 动 电 机 减 速 器 链 传 动 组 成 大 链 轮 固 定 在 旋 转 机 架 的 主 轴 上, 当 电 机 旋 转 时, 通 过 减 速 器 输 出 轴 的 小 链 轮 带 动 大 链 轮 旋 转, 从 而 实 现 机 架 的 顺 逆 时 针 旋 转 运 动 4. 机 架 旋 转 限 位 装 置 从 辐 射 头 旋 转 机 架 上 安 装 的 各 种 电 气 设 备 的 电 缆 以 及 水 气 管 路 都 是 从 旋 转 机 架 中 部 穿 过, 引 向 机 座 后 固 定 的 当 机 架 旋 转 时, 电 缆 受 到 扭 转 为 防 止 机 架 连 续 向 一 个 方 向 旋 转 造 成 电 缆 多 圈 扭 转 而 损 坏, 医 用 加 速 器 都 设 计 了 一 个 限 位 装 置, 称 为 机 架 旋 转 限 位 装 置, 安 装 在 机 座 前 下 方

138 5. 旋 转 机 架 的 角 度 指 示 装 置 旋 转 机 架 的 角 度 是 临 床 需 要 的 一 个 重 要 参 数, 一 般 机 器 都 设 计 有 旋 转 机 架 角 度 的 机 械 指 示 和 数 字 指 示 6. 配 重 由 于 临 床 治 疗 空 间 的 要 求, 辐 射 头 相 对 机 架 旋 转 轴 线 而 言 是 悬 臂 偏 心 安 装 的, 为 满 足 辐 射 防 护 的 要 求, 辐 射 头 中 许 多 零 件 采 用 密 度 相 当 大 的 铅 合 金 或 钨 合 金 制 造, 因 此 整 个 机 架 的 重 心 偏 离 旋 转 中 心 为 消 除 重 心 偏 离 产 生 的 不 平 衡 力 矩, 减 小 机 架 旋 转 的 驱 动 力 矩, 保 证 运 行 的 平 稳 性 和 安 全 性, 在 旋 转 机 架 上 与 辐 射 头 对 称 一 侧 装 有 配 重, 使 机 架 处 于 任 何 角 度 位 置 时 基 本 达 到 静 力 矩 平 衡 二 等 中 心 医 用 电 子 加 速 器 是 按 等 中 心 原 理 设 计 的 理 论 上, 在 机 器 运 行 的 全 部 角 度 范 围 内, 机 器 的 三 个 旋 转 轴 ( 旋 转 机 架 的 旋 转 轴 辐 射 头 的 公 转 轴 治 疗 床 的 公 转 轴 ) 应 相 交 于 一 点, 该 点 称 为 等 中 心 点 ( 如 图 ) 医 用 电 子 加 速 器 进 行 放 射 治 疗 的 等 中 心 原 理 是 : 只 要 将 患 者 的 肿 瘤 中 心 置 于 等 中 心 点 上, 无 论 旋 转 机 架 辐 射 头 和 治 疗 床 处 于 什 么 角 度, 或 作 任 何 旋 转, 辐 射 野 中 心 始 终 与 肿 瘤 中 心 重 合 等 中 心 原 理 在 临 床 上 具 有 非 常 重 要 的 意 义 利 用 等 中 心 原 理, 可 以 灵 活 的 确 定 辐 照 入 射 方 向, 使 一 些 要 保 护 的 人 体 组 织 避 开 辐 射 通 过 的 路 径 ; 利 用 等 中 心 原 理, 可 以 对 同 一 肿 瘤 进 行 不 同 入 射 角 度 的 照 射, 既 不 降 低 肿 瘤 接 受 的 累 计 剂 量, 又 可 减 少 辐 射 对 通 过 路 径 中 正 常 组 织 的 累 计 剂 量, 尽 可 能 的 减 少 对 正 常 组 织 的 损 伤 ; 利 用 等 中 心 原 理, 可 以 进 行 弧 形 治 疗 和 立 体 定 向 治 疗 图 加 速 器 等 中 心 示 意 图

139 第 十 九 节 加 速 器 技 术 要 求 和 安 全 防 护 一 加 速 器 技 术 要 求 根 据 医 用 电 子 加 速 器 卫 生 防 护 标 准 (GBZ ) 要 求, 加 速 器 技 术 要 求 如 下 : 1. 加 速 器 辐 射 安 全 电 气 机 械 安 全 技 术 要 求 加 速 器 辐 射 安 全 电 气 机 械 安 全 技 术 要 求 及 测 试 方 法 必 须 符 合 GB 的 有 关 规 定 2. 为 防 止 超 剂 量 照 射 的 要 求 ] (1) 控 制 台 必 须 显 示 辐 射 类 型 标 称 能 量 照 射 时 间 吸 收 剂 量 吸 收 剂 量 率 治 疗 方 式 楔 形 过 滤 器 类 型 及 规 格 等 辐 照 参 数 预 选 值 (2) 辐 照 启 动 必 须 与 控 制 台 显 示 的 辐 照 参 数 预 选 值 联 锁, 控 制 台 选 择 各 类 辐 照 参 数 之 前, 辐 照 不 得 启 动 (3) 必 须 装 备 两 道 独 立 的 剂 量 监 测 系 统, 每 一 道 剂 量 监 测 系 统 必 须 能 单 独 终 止 辐 照, 一 道 剂 量 监 测 系 统 发 生 故 障 不 得 影 响 另 一 道 系 统 的 功 能 (4) 两 道 剂 量 监 测 系 统 显 示 的 剂 量 读 数 在 辐 照 中 断 或 终 止 后 必 须 保 持 不 变, 辐 照 中 断 或 终 止 后 必 须 把 显 示 器 复 位 到 零, 下 次 辐 照 才 能 启 动 ; 由 于 元 件 或 电 源 失 效 造 成 辐 照 中 断 或 终 止, 失 效 时 刻 读 数 显 示 必 须 储 存 在 一 个 系 统 内, 以 可 读 取 方 式 至 少 保 留 20min 以 上 (5) 两 道 剂 量 监 测 系 统 采 用 双 重 组 合 情 况 下, 当 吸 收 剂 量 达 到 预 选 值 时, 两 道 系 统 必 须 都 终 止 辐 照 (6) 两 道 剂 量 监 测 系 统 为 初 / 次 级 组 合 情 况 下, 当 吸 收 剂 量 达 到 预 选 值 时, 初 级 剂 量 监 测 系 统 必 须 终 止 辐 照, 次 级 监 测 系 统 必 须 在 超 过 吸 收 剂 量 预 选 值 不 大 于 15% 或 不 超 过 等 效 于 正 常 治 疗 距 离 上 0.4Gy 的 吸 收 剂 量 时 终 止 辐 照 (7) 控 制 台 必 须 配 置 带 有 时 间 显 示 的 辐 照 控 制 计 时 器, 并 独 立 于 其 他 任 何 控 制 辐 照 终 止 系 统 当 辐 照 中 断 或 终 止 后, 必 须 保 留 计 时 器 读 数, 必 须 将 计 时 器 复 零 后, 才 能 启 动 下 一 次 辐 照 (8) 若 设 备 处 于 某 一 种 状 态 下, 在 正 常 治 疗 距 离 上 能 产 生 高 于 规 定 最 大 值 二 倍 的 吸 收 剂 量 率 时, 则 必 须 提 供 一 联 锁 装 置, 以 便 在 吸 收 剂 量 率 超 出 规 定 最 大 值 不 大 于 二 倍 时 终 止 辐 照 在 任 何 情 况 下, 不 得 切 断 这 一 联 锁 装 置 (9) 必 须 对 非 直 束 式 加 速 器 提 供 剂 量 分 布 监 测 装 置, 当 吸 收 剂 量 分 布 相 对 偏 差 超 过 ±10% 时 终 止 辐 照 (10) 必 须 装 备 检 查 所 有 安 全 联 锁 的 设 施, 用 于 在 辐 照 间 歇 期 间 检 查 安 全 联 锁 ( 包 括 防 止 剂 量 率 大 于 预 选 值 十 倍 的 联 锁 ), 确 保 各 类 系 统 终 止 辐 照 的 能 力 和 防 止 超 剂 量 照 射 (11) 控 制 台 和 治 疗 室 内 必 须 分 别 安 装 紧 急 停 机 开 关 (12) 使 用 计 算 机 控 制 系 统 的 加 速 器 软 件 和 硬 件 控 制 程 序 必 须 加 密, 未 经 允 许 不 得 存 取 或 修 改 ; 用 于 监 视 联 锁 或 作 为 测 量 线 路 控 制 线 路 一 部 分 的 计 算 机 一 旦 发 生 故 障, 必 须 终 止 辐 照 3. 有 用 线 束 内 杂 散 辐 射 限 制 (1) 电 子 束 治 疗 时 的 X 射 线 份 额 不 得 超 过 表 1 要 求 表 l 电 子 束 能 量 E,MeV <15 15~35 35~50 电 子 束 中 心 轴 上 实 际 射 程 外 10cm 处 的 吸 收 剂 量 与 最 大 吸 收 剂 量 之 比,% (2)X 射 线 治 疗 时, 在 最 大 照 射 野 下, 中 心 轴 表 面 吸 收 剂 量 不 得 超 过 表 2 要 求 表 2 X 射 线 最 大 能 量 E,MeV <2 2~5 5~15 15~35 35~50 表 面 吸 收 剂 量 与 最 大 吸 收 剂 量 之 比,% 有 用 线 束 外 泄 漏 辐 射 限 制 (1) 在 正 常 治 疗 距 离 上, 固 定 限 束 装 置 截 面 内, 透 过 可 调 限 束 装 置 的 漏 射 线 吸 收 剂 量 与 有 用 线 束 中 心

140 轴 最 大 吸 收 剂 量 之 比 应 满 足 以 下 限 制 X 射 线 治 疗 时, 在 10cm 10cm 的 照 射 野 内 不 得 超 过 2% 电 子 束 治 疗 时, 在 50% 等 剂 量 曲 线 外 4cm 至 最 大 有 用 线 束 边 缘 之 间 的 范 围 内 平 均 不 得 超 过 2% 电 子 束 治 疗 时, 在 50% 等 剂 量 曲 线 外 2cm 至 最 大 有 用 线 束 边 缘 之 间 的 范 围 内 最 大 不 得 超 过 10% (2) 最 大 有 用 线 束 外 的 漏 射 线 ( 中 子 除 外 ) 限 制 在 证 常 治 疗 距 离 上, 垂 直 于 有 用 线 束 中 心 轴 并 以 轴 为 圆 心, 半 径 为 2m 的 圆 平 面 上 漏 射 线 不 得 超 过 有 用 线 束 中 心 轴 吸 收 剂 量 的 0.2%( 最 大 ) 和 0.1%( 平 均 ) 距 电 子 轨 道 1m 处 的 漏 射 线 不 得 超 过 正 常 治 疗 距 离 上 有 用 线 束 中 心 轴 吸 收 剂 量 的 0.5% (3) 最 大 有 用 线 束 外 的 中 子 泄 漏 辐 射 X 射 线 标 称 能 量 大 于 10MeV 的 加 速 器 在 规 定 区 域 内, 最 大 有 用 线 束 外 的 中 子 泄 漏 辐 射 不 得 超 过 有 用 线 束 中 心 轴 吸 收 剂 量 的 0.05%( 最 大 ) 和 0.02%( 平 均 ) 距 电 子 轨 道 1m 处 的 中 子 泄 漏 辐 射 不 得 超 过 正 常 治 疗 距 离 上 有 用 线 束 中 心 轴 吸 收 剂 量 的 0.05% 5. 稳 定 性, 等 中 心, 照 射 野 的 均 整 度, 以 及 光 野 与 照 射 野 之 间 的 边 界 偏 差 等 指 标 及 其 试 验 方 法 参 见 GB 感 生 放 射 性 限 制 X 射 线 标 称 能 量 大 于 10MeV 的 加 速 器, 距 设 备 表 面 5cm 和 1m 处 由 感 生 放 射 性 所 造 成 的 吸 收 剂 量 率 分 别 不 得 超 过 0.2mGy h -1 和 0.02mGy h -1 二 安 全 操 作 要 求 1. 加 速 器 使 用 单 位 必 须 配 备 工 作 剂 量 仪 水 箱 等 剂 量 测 量 设 备, 并 应 配 备 扫 描 仪 模 拟 定 位 机 等 放 射 治 疗 质 量 保 证 设 备 2. 使 用 单 位 必 须 有 合 格 的 放 射 治 疗 医 生 物 理 人 员 及 操 作 技 术 人 员 ; 操 作 技 术 人 员 必 须 经 过 放 射 卫 生 防 护 和 加 速 器 专 业 知 识 的 职 业 卫 生 培 训, 并 经 过 考 核 合 格 后 方 可 上 岗 3. 操 作 人 员 必 须 遵 守 各 项 操 作 规 程, 认 真 检 查 安 全 联 锁, 禁 止 任 意 去 除 安 全 联 锁, 严 禁 在 去 除 可 能 导 致 人 员 伤 亡 的 安 全 联 锁 的 情 况 下 开 机 4. 辐 照 期 间, 必 须 有 两 名 操 作 人 员 值 班, 认 真 做 好 当 班 记 录, 严 格 执 行 交 接 班 制 度 5. 严 禁 操 作 人 员 擅 自 离 开 岗 位, 必 须 密 切 注 视 控 制 台 仪 表 及 患 者 状 况, 发 现 异 常 及 时 处 理 6. 辐 照 期 间, 除 接 受 治 疗 的 患 者 外, 治 疗 室 内 不 得 有 其 他 人 员 7. 必 须 防 止 各 类 事 故, 万 一 发 生 意 外, 立 即 停 止 辐 照, 及 时 将 患 者 移 出 辐 射 野, 并 注 意 保 护 现 场, 便 于 正 确 估 算 患 者 受 照 剂 量, 作 出 合 理 评 价 三 防 护 监 测 1. 加 速 器 安 装 竣 工 投 入 运 行 前 或 运 行 参 数 及 屏 蔽 条 件 等 发 生 改 变 时, 必 须 有 省 级 放 射 卫 生 防 护 监 督 监 测 部 门 对 有 关 区 域 进 行 全 面 防 护 监 测 和 辐 射 安 全 评 价 2. 在 正 常 运 行 情 况 下, 工 作 场 所 和 周 围 区 域 辐 射 水 平 每 年 监 测 一 次 ; 安 全 联 锁 系 统 每 月 检 查 一 次 3. 操 作 人 员 个 人 剂 量 监 测 按 GBZ128 执 行 4. 加 速 器 剂 量 监 测 系 统 定 标 每 周 监 测 一 次, 百 分 深 度 剂 量 均 整 度 每 半 年 监 测 一 次 5. 所 有 监 测 资 料 必 须 详 细 记 录, 并 妥 善 保 管, 存 档 备 案 四 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 安 全 与 防 护 由 于 医 用 电 子 直 线 加 速 器 能 同 时 产 生 高 压 强 流 微 波 和 射 线, 因 而 工 作 人 员 在 安 全 防 护 方 面 的 保 护 措 施 应 该 更 加 周 密 尽 管 直 线 加 速 器 在 设 计 上 做 到 了 最 大 的 安 全 性 和 可 靠 性, 但 是, 如 果 不 能 正 确 地 使 用 仍 具 有 很 大 的 危 险 性 ( 一 ) 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 危 险 性 1. 辐 射 危 险

141 医 用 电 子 直 线 加 速 器 是 一 个 强 辐 射 源, 能 够 产 生 每 分 钟 数 万 至 数 十 万 拉 德 剂 量 率 的 高 能 电 子 线 和 X 线 ; 同 时 它 又 是 一 个 大 功 率 的 微 波 功 率 源, 它 的 脉 冲 调 制 器 可 产 生 数 十 千 伏 到 数 百 千 伏 的 高 频 高 压 脉 冲 射 线 和 微 波 都 可 能 对 附 近 的 人 员 和 设 备 产 生 危 害 (1) 加 速 器 在 大 功 率 下 工 作 时, 即 使 加 速 管 和 电 子 枪 不 工 作, 磁 控 管 和 闸 流 管 仍 能 产 生 X 线 (2) 在 大 功 率 下 测 试 微 波 的 射 频 系 统 时, 即 使 电 子 枪 不 在 工 作, 也 可 能 导 致 加 速 系 统 中 产 生 暗 流 (3) 高 压 磁 控 管 不 仅 从 阴 极 而 且 从 输 出 波 导 处 都 能 发 射 很 强 的 X 线 (4) 在 传 输 大 功 率 微 波 时, 有 的 传 输 系 统 由 于 某 种 原 因 会 有 微 波 漏 到 空 间, 泄 漏 达 10MV/cm 2 以 上 就 会 损 害 人 体 健 康 ( 最 简 单 的 检 查 方 法 是 用 5W 荧 光 灯 去 试 验, 如 发 亮, 则 泄 漏 近 于 允 许 值 了 ) (5) 加 速 器 照 射 头 附 近 的 剂 量 和 平 坦 度 测 定 装 置 以 及 固 定 在 照 射 头 上 的 附 件, 可 能 被 高 能 量 光 子 束 激 活 而 产 生 放 射 性 (6) 使 用 15MV 以 上 X 线 的 医 用 直 线 加 速 器 将 会 带 来 产 生 中 子 污 染 的 问 题 2. 电 的 危 险 医 用 电 子 直 线 加 速 器 带 有 数 千 伏 至 数 百 伏 的 高 压 器 件, 如 钛 泵 电 子 枪 磁 控 管 速 调 管 闸 流 管 高 压 脉 冲 变 压 器 等 在 这 些 电 路 周 围 工 作 时, 要 格 外 地 小 心, 防 止 被 高 压 电 击 伤 3. 热 的 危 险 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 钛 泵 电 子 枪 磁 控 管 速 调 管 闸 流 管 加 速 管 隔 离 器 等 主 要 器 件, 工 作 时 都 处 于 高 温 状 态 下, 不 要 用 手 触 摸, 以 免 烫 伤 4. 其 它 的 危 险 (1) 有 的 加 速 器 的 波 导 管 内 充 有 SF6 气 体, 一 旦 严 重 泄 露 会 对 人 体 健 康 造 成 危 害, 因 此 要 定 期 检 查 波 导 管 系 统 的 漏 气 状 况 (2) 加 速 器 工 作 时, 治 疗 室 内 会 有 大 量 的 臭 氧 产 生, 因 而 治 疗 室 内 要 保 持 良 好 的 通 风, 一 般 每 小 时 换 风 6~10 次 (3) 某 些 厂 商 提 供 的 大 功 率 隔 离 器 中 含 有 氧 化 铍 陶 瓷, 如 果 隔 离 器 损 坏, 氧 化 铍 粉 尘 被 人 吸 收 体 内, 就 有 中 毒 的 可 能 性, 造 成 呼 吸 系 统 疾 病 处 理 损 坏 的 隔 离 器 应 按 照 维 修 手 册 的 规 定 程 序 进 行 ( 二 ) 对 操 作 人 员 的 安 全 与 防 护 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 极 短 的 时 间 内 能 产 生 使 人 致 死 的 射 线 剂 量, 每 个 操 作 人 员 都 应 该 熟 练 地 掌 握 全 部 的 操 作, 并 且 严 格 地 执 行 操 作 规 程, 认 真 地 遵 守 下 列 安 全 与 防 护 要 求 1. 从 事 医 用 电 子 直 线 加 速 器 工 作 的 相 关 人 员, 必 须 具 备 国 家 规 定 的 资 格 条 件, 并 经 省 级 人 民 政 府 卫 生 行 政 部 门 组 织 实 施 的 专 业 及 防 护 知 识 考 核 合 格, 取 得 放 射 工 作 人 员 证 后, 方 可 上 岗 2. 要 建 立 个 人 剂 量 监 测 档 案, 以 便 对 操 作 人 员 放 射 防 护 进 行 有 效 地 管 理 3. 操 作 人 员 在 工 作 时 应 佩 戴 个 人 剂 量 计 4. 放 射 治 疗 室 的 防 护 门 必 须 装 备 能 够 自 动 显 示 门 关 闭 的 联 锁 开 关 5. 在 实 施 放 射 治 疗 过 程 中, 不 允 许 任 何 人 进 入 治 疗 室 6. 在 加 速 器 的 外 壳 被 拆 下, 门 未 关 闭 的 情 况 下, 不 得 进 行 出 束 治 疗 7. 在 治 疗 时, 给 照 射 头 上 安 放 托 盘 限 光 筒 锲 形 滤 过 板 和 铅 块 等 附 件 时, 要 格 外 小 心, 避 免 掉 落 8. 在 旋 转 机 架 前, 要 核 实 治 疗 床 的 位 置, 避 免 在 照 射 时 照 射 头 与 床 或 患 者 发 生 碰 撞 9. 在 控 制 台 上 的 电 源 和 出 束 钥 匙 开 关 要 由 专 人 保 管, 避 免 丢 失 和 滥 用 10. 当 加 速 器 在 操 作 中 出 现 了 紧 急 情 况, 操 作 员 可 按 动 紧 急 开 关 停 止 工 作 11. 由 于 某 种 原 因, 治 疗 被 终 止 时, 要 立 即 记 录 治 疗 参 数, 如 剂 量 显 示 器 上 的 指 示 等, 并 向 负 责 人 报 告 12. 由 于 某 种 原 因, 加 速 器 电 源 断 电, 治 疗 被 终 止, 当 供 电 恢 复 后, 要 记 录 显 示 器 上 的 读 数, 并 向 负 责 人 报 告 ( 三 ) 对 维 护 人 员 的 安 全 与 防 护 医 用 电 子 直 线 加 速 器 虽 将 对 人 产 生 的 电 的 机 械 的 和 热 的 危 险 降 低 到 最 小 程 度, 但 仍 无 法 保 证 绝 对 地

142 安 全, 每 个 维 护 人 员 都 必 须 充 分 地 了 解 其 潜 在 的 危 险 性, 掌 握 必 要 的 安 全 与 防 护 知 识, 在 工 作 中 要 严 格 遵 守 以 下 各 项 规 定 1. 维 修 人 员 必 须 经 过 厂 家 的 正 规 技 术 培 训 和 国 家 规 定 的 放 射 防 护 培 训, 并 且 考 核 合 格 后 方 可 上 岗 2. 在 维 护 和 维 修 时, 要 在 治 疗 室 门 口 显 眼 的 地 方 放 置 一 个 标 志, 警 告 他 人 正 在 进 行 检 修, 未 经 同 意 不 允 许 任 何 人 进 入, 并 严 格 按 照 随 机 资 料 中 所 推 荐 的 检 修 程 序 工 作 3. 在 维 护 和 维 修 时, 决 不 允 许 单 独 工 作, 至 少 由 二 人 进 行, 一 人 操 作, 一 人 监 督 检 查 4. 在 维 护 和 维 修 时, 决 不 在 没 有 校 准 放 射 剂 量 仪 器 的 情 况 下 工 作 5. 在 维 护 和 维 修 时, 决 不 在 极 度 疲 劳 和 不 能 专 心 致 志 的 时 候 工 作 6. 在 维 护 和 维 修 时, 决 不 擅 自 解 除 联 锁 系 统, 如 果 工 作 需 要 旁 路 某 项 联 锁, 需 经 负 责 人 批 准, 并 且 将 旁 路 联 锁 的 名 称 原 因 时 间 和 日 期 以 及 执 行 人 和 批 准 人 签 字 等 内 容 记 录 到 机 器 运 行 日 志 中 7. 旁 路 联 锁 时 要 在 跳 线 上 作 上 标 记, 一 旦 检 修 工 作 完 成, 要 将 联 锁 复 原 到 正 常 的 工 作 状 态, 并 将 检 修 标 志 移 走 8. 维 修 人 员 在 工 作 时 要 携 带 个 人 剂 量 报 警 器, 并 佩 戴 个 人 剂 量 计 9. 在 进 行 大 修, 有 较 长 时 间 接 触 到 剂 量 的 工 作 后, 应 进 行 个 人 吸 收 剂 量 测 定 和 健 康 检 查 如 果 在 工 作 中 测 到 的 剂 量 超 过 50mR/HT, 就 不 允 许 再 进 入 治 疗 室 10. 在 拆 卸 照 射 头 时, 要 注 意 加 速 器 靶 附 近 区 域 的 感 生 放 射 性, 尤 其 在 15MV 以 上 的 高 功 率 状 态 下 工 作 时, 维 修 人 员 应 在 停 机 15min 以 后 才 能 接 近 照 射 头 11. 当 手 皮 肤 和 衣 物 受 到 放 射 污 染 时, 应 及 时 用 肥 皂 水 进 行 清 洗 12. 调 制 器 的 闸 流 管 能 产 生 软 X 线, 不 要 随 便 打 开 钢 板 制 的 调 制 器 柜 门, 这 些 铁 柜 能 防 止 软 X 线 的 辐 射 13. 推 荐 维 修 人 员 最 好 使 用 塑 料 外 壳 的 电 子 表, 金 属 壳 的 机 械 表 能 使 人 触 电 或 受 强 磁 场 磁 化 损 坏 14. 维 修 人 员 在 工 作 时 最 好 穿 着 塑 胶 底 硬 头 皮 鞋, 以 防 止 重 物 砸 伤 脚 面 并 增 加 绝 缘 防 护 15. 在 处 理 高 压 前, 应 用 一 个 带 绝 缘 手 柄 的 接 地 棒 将 所 有 高 压 电 容 充 分 放 电 5min 以 上 如 果 需 要 带 电 观 察 加 速 器 运 行 状 态, 注 意 在 任 何 时 候 不 能 伸 手 去 接 近 高 压 器 件, 避 免 高 压 电 击 16. 加 速 器 钛 泵 必 须 24h 连 续 工 作 以 保 持 加 速 器 管 内 的 真 空, 因 而 不 出 束 时, 钛 泵 的 高 压 也 存 在, 在 检 修 时 要 防 止 触 及 钛 泵 高 压 部 件 而 受 电 击

143 第 十 六 节 控 制 系 统 医 用 电 子 加 速 器 的 安 全 和 精 确 的 操 作 是 由 医 用 电 子 加 速 器 控 制 和 联 锁 系 统 实 现 的, 控 制 系 统 的 作 用 是 确 保 加 速 器 (1) 给 出 预 选 的 辐 射 类 型 ; (2) 给 出 预 选 的 辐 射 能 量 ; (3) 给 出 预 选 的 吸 收 剂 量 ; (4) 按 辐 射 束 对 患 者 的 预 选 关 系 进 行 辐 照 ( 例 如 固 定 束 治 疗 移 动 束 治 疗 限 束 装 置 等 ); (5) 产 生 的 辐 射 对 患 者 操 作 者 其 他 人 员 或 周 围 环 境 不 会 造 成 伤 害 20 多 年 来, 加 速 器 上 采 用 的 各 种 技 术 中 以 控 制 系 统 变 化 最 迅 速, 从 20 世 纪 60 年 代 还 用 大 量 电 子 管, 经 过 晶 体 管 集 成 电 路 到 目 前 采 用 的 数 字 化 数 据 获 取 和 验 证 系 统 和 具 有 简 单 计 算 功 能 的 控 制 系 统 它 可 简 化 放 射 治 疗 的 组 织 和 行 政 管 理 工 作, 使 操 作 人 员 有 更 多 的 时 间 考 虑 病 人 和 医 疗, 可 以 确 保 机 器 的 参 数 设 置 得 和 医 生 要 求 的 完 全 相 同, 并 提 供 集 中 的 显 示 和 永 久 性 的 记 录 控 制 系 统 主 要 以 高 压 前 置 放 大 和 接 口 电 路 为 主 一 联 锁 系 统 医 用 电 子 直 线 加 速 器 都 设 有 严 格 的 联 锁 保 护 系 统 保 证 在 所 有 的 必 须 条 件 ( 预 热 冷 却 气 压 电 离 室 高 压 照 射 选 择 门 附 件 等 ) 都 符 合 后 提 供 能 出 射 束 的 条 件, 转 动 钥 匙 开 关 启 动 后 又 自 动 地 按 计 划 延 时 接 通 高 压, 降 低 灯 丝 电 压, 并 使 AFC 剂 量 仪 工 作, 照 射 完 毕 或 事 故 时 自 动 停 机 维 护 时 注 意 搞 清 楚 那 些 条 件 满 足 后 某 继 电 器 动 作 ( 或 指 示 灯 亮 ) 该 继 电 器 动 作 后 各 常 开 常 闭 触 点 又 使 那 些 电 路 动 作, 给 出 什 么 功 能 等 二 控 制 程 序 ( 一 ) 通 电 前 检 查 每 次 通 电 前 应 按 下 述 步 骤 进 行 检 查 并 做 好 相 应 记 录 : (1) 各 路 开 关 是 否 处 在 正 常 位 置 ; (2) 电 源 电 压 是 否 正 常 ( 一 般 为 380±0.1V); (3) 水 系 统 是 否 正 常 ; (4) 所 有 急 停 开 关 是 否 处 在 正 常 状 态 ; (5) 机 架 转 动 锁 定 销 是 否 拔 出 ( 二 ) 待 机 状 态 加 速 器 通 电 后 进 入 待 机 状 态, 进 入 待 机 状 态 后, 计 算 机 控 制 的 机 型 首 先 要 启 动 计 算 机 并 进 行 自 检, 自 检 完 成 后, 恒 温 水 系 统 真 空 泵 电 源 和 灯 丝 电 源 工 作 3 非 计 算 机 控 制 的 机 型 则 直 接 启 动 恒 温 水 系 统 真 空 泵 电 源 和 灯 丝 电 源 ( 三 ) 预 置 状 态 预 置 状 态 是 用 于 设 置 设 备 的 主 要 运 行 条 件 的 状 态 加 速 器 进 行 辐 照 之 前, 必 须 进 入 预 置 状 态 加 速 器 进 入 预 置 状 态 之 后, 灯 丝 预 热 开 始 ( 四 ) 晨 检 模 式 每 天 开 始 治 疗 患 者 之 前 或 者 在 电 源 故 障 或 在 按 了 急 停 开 关 之 后, 用 晨 检 模 式 去 进 行 机 器 的 完 好 性 检 验 全 套 晨 检 包 括 : (1) 检 查 治 疗 室 ; (2) 设 置 控 制 台 ; (3) 检 验 每 一 个 治 疗 设 置 ; (4) 记 录 系 统 参 数 晨 检 模 式 的 步 骤 为 :

144 (1) 确 保 恒 温 水 系 统 正 常 ; (2) 确 保 手 控 器 和 床 控 器 上 每 一 控 制 功 能 都 正 常 ; (3) 确 保 数 字 位 置 显 示 和 机 械 位 置 显 示 相 一 致 ; (4) 确 保 所 有 运 动 正 常 ; (5) 确 保 波 导 气 压 在 正 常 范 围 内 ; (6) 安 装 所 需 的 附 件, 检 查 附 件 安 装 安 全 情 况 ; (7) 确 保 没 人 在 治 疗 室 内, 离 开 治 疗 室 并 关 好 防 护 门 ; (8) 灯 丝 预 热 完 成 后 出 束, 进 行 所 有 模 式 的 模 拟 治 疗 ( 五 ) 治 疗 模 式 使 用 治 疗 模 式 用 以 设 定 并 执 行 各 种 方 式 的 治 疗 在 此 模 式, 系 统 连 续 地 检 测 联 锁 在 加 速 器 准 备 出 束 之 前, 必 须 清 除 所 有 联 锁 现 有 加 速 器 常 规 治 疗 模 式 主 要 有 : 固 定 治 疗 模 式 旋 转 治 疗 模 式 拍 片 模 式 全 野 模 式 ( 六 ) 物 理 模 式 物 理 模 式 通 常 是 提 供 给 医 院 维 修 人 员 和 物 理 师 用 来 设 置 加 速 器 系 统 的 设 置 最 大 剂 量 缺 省 剂 量 率 等 各 类 参 数 其 他 人 员 不 得 使 用 此 模 式, 系 统 应 为 此 模 式 设 置 进 入 口 令, 只 有 合 法 人 员 才 能 知 道 此 口 令 ( 七 ) 维 修 模 式 维 修 模 式 是 给 维 修 人 员 用 来 排 除 故 障 用 的 在 维 修 模 式 中, 维 修 人 员 可 旁 路 相 关 联 锁 以 利 于 维 修, 也 可 查 看 各 模 拟 量 的 数 值 与 I/O 口 的 状 态 在 维 修 模 式 中, 除 了 具 有 治 疗 模 式 的 功 能 之 外, 还 增 加 了 联 锁 控 制 和 显 示 功 能 联 锁 控 制 是 维 修 人 员 用 来 旁 路 某 些 联 锁, 以 便 继 续 往 下 执 行 程 序 查 找 其 他 故 障 显 示 切 换 用 以 切 换 控 制 台 的 显 示 内 容 由 于 维 修 模 式 可 以 旁 路 某 些 联 锁, 从 而 使 联 锁 失 去 保 护 作 用, 因 此 不 能 用 于 患 者 的 治 疗 三 控 制 电 路 ( 一 )ARC 剂 量 率 自 动 控 制 系 统 将 电 离 室 提 供 的 剂 量 率 信 号 放 大 后 自 动 调 节 脉 冲 重 复 频 率, 可 使 剂 量 稳 定, 加 速 器 上 设 置 ARC 系 统 后 可 以 降 低 其 他 部 件 的 稳 定 要 求 但 是 这 种 采 用 改 变 脉 冲 重 复 频 率 的 方 法 会 使 反 轰 击 电 流 变 化 而 改 变 磁 控 管 阴 极 温 度, 这 就 需 要 重 调 加 热 电 流 脉 冲 重 复 频 率 低 于 几 十 每 分 钟 脉 冲 数 (PPS) 时 AFC 系 统 不 稳 定 因 此 有 的 加 速 器 不 改 变 脉 冲 重 复 率, 而 在 电 子 枪 与 加 速 管 之 间 的 水 平 导 向 线 圈 上 加 绕 一 偏 掉 线 圈, 将 部 分 电 子 束 偏 掉, 打 到 一 通 水 冷 却 环 上 并 接 地, 减 少 进 入 加 速 管 的 电 子 脉 冲 来 控 剂 量 率 剂 量 率 信 号 放 大 后, 与 预 选 信 号 在 由 运 算 放 大 器 构 成 的 加 法 器 中 合 成 后 用 单 结 晶 体 管 构 成 的 压 控 振 荡 器 V/F 转 换 产 生 一 控 制 脉 冲 在 由 2 个 双 稳 态, 施 密 特 整 形 电 路 和 与 非 门 组 成 的 门 脉 冲 电 路 中 与 主 触 发 脉 冲 配 合 给 出 出 束 脉 冲, 经 电 路 放 大 后 使 偏 掉 线 圈 停 电, 电 子 束 进 入 加 速 管 这 样 做 不 是 所 有 的 主 触 发 脉 冲 都 出 束, 而 只 是 通 过 脉 冲 分 频 的 出 束 脉 冲 中 才 给 出 剂 量, 但 磁 控 管 按 主 脉 冲 工 作, 性 能 稳 定 ( 二 )ADC 自 动 均 整 系 统 穿 过 准 直 锥 的 X 射 线, 仍 然 是 强 度 按 一 定 角 度 分 布 的, 不 能 直 接 用 于 放 疗 均 整 器 以 其 特 殊 的 形 状 和 不 同 的 厚 度 把 X 射 线 过 滤, 使 X 射 线 的 均 匀 度 符 合 临 床 要 求 均 整 器 一 般 是 铅 质 圆 锥 体, 中 心 部 分 可 以 滤 掉 较 多 的 X 射 线, 使 得 射 线 中 心 部 位 强 度 与 边 部 的 强 度 接 近 相 等, 达 到 均 整 的 目 的 在 实 际 运 行 时 还 有 3 个 因 素 引 起 射 线 前 后 方 向 的 变 动 1 束 流 能 量 波 动 ;2 偏 转 磁 铁 磁 场 强 度 的 变 动 ;3 进 入 偏 转 磁 铁 前 束 流 轨 道 位 置 或 方 向 的 变 化, 如 微 波 频 率 功 率 束 流 强 度 加 速 管 温 度 等 的 波 动 都 会 引 起 能 量 的 波 动 机 架 旋 转 时 电 子 枪 灯 丝 位 置 变 化 可 能 会 引 起 束 流 轨 道 的 变 化 这 可 以 用 ADC 系 统 自 动 调 节 以 保 证 射 野 的 对 称 与

145 均 整 ( 三 ) 脉 冲 调 制 器 控 制 与 保 护 电 路 脉 冲 调 制 器 是 构 成 加 速 器 的 一 部 分, 在 加 速 器 的 运 行 过 程 中, 何 时 接 通 脉 冲 调 制 器 的 高 压, 何 时 要 切 断, 都 需 要 有 控 制 电 路 的 控 制 而 为 了 在 异 常 情 况 下, 保 护 线 路 元 件 不 被 故 障 电 流 烧 毁 或 不 被 故 障 电 压 击 穿 的 电 路 叫 调 制 器 的 保 护 电 路 如 果 调 制 器 的 主 闸 流 管 连 续 导 通, 重 复 频 率 超 过 额 定 值, 或 其 他 使 充 电 电 流 增 大 到 超 过 正 常 工 作 值 的 情 况 发 生 时, 由 过 流 保 护 电 路 给 出 信 号, 切 断 调 制 器 高 压 加 速 器 的 调 制 器 何 时 可 以 工 作, 何 时 不 能 工 作, 还 要 与 微 波 传 输 系 统 中 的 真 空 充 气 气 压 冷 却 水 有 无 等 条 件 相 关 联, 这 些 电 路 统 称 控 保 电 路 保 护 电 路 并 不 能 提 高 线 型 调 制 器 的 可 靠 性, 其 作 用 不 过 是 在 线 路 工 作 不 可 靠 时, 通 过 控 制 电 路 将 高 压 断 开, 以 避 免 产 生 更 为 严 重 的 损 坏 事 故 ( 四 )AVC 系 统 自 动 电 压 控 制 系 统 (AVC) 又 称 为 De Qing 电 路 ( 也 称 De Q 电 路 ), 用 以 调 节 和 稳 定 充 电 电 压, 使 每 个 脉 冲 中 微 波 频 率 稳 定, 不 受 电 源 电 压 变 化 或 改 变 脉 冲 重 复 频 率 的 影 响, 并 能 调 节 电 子 束 的 能 量 多 数 线 型 调 制 器 输 出 脉 冲 幅 度 均 有 1% 以 上 的 跳 动, 引 起 脉 冲 幅 度 跳 动 的 原 因 有 三 种 : (1) 线 型 调 制 器 所 采 用 的 直 流 电 源 通 常 是 经 过 整 流 器 从 工 频 电 源 获 得 的 电 源 电 压 的 变 动 三 相 电 压 的 不 平 衡 纹 波 频 率 和 脉 冲 重 复 频 率 不 能 严 格 同 步 时, 都 会 使 仿 真 线 上 的 充 电 电 压 发 生 变 化 将 直 流 高 压 进 行 稳 定, 因 为 成 本 高 体 积 大 效 率 低 在 大 功 率 线 型 调 制 器 中 很 少 采 用 (2) 仿 真 线 上 的 充 电 电 压 还 会 随 着 充 电 电 路 品 质 因 数 的 变 化 而 变 化 (3) 滤 波 电 容 越 大, 纹 波 越 小 然 而, 电 容 过 大, 在 工 程 上 有 困 难, 因 为 纹 波 可 以 折 合 为 直 流 高 压 不 稳 的 因 素 去 考 虑, 因 此 对 它 不 作 严 格 要 求 目 前, 广 泛 应 用 的 脉 冲 幅 度 稳 定 电 路, 不 去 稳 直 流 高 压, 只 去 稳 定 仿 直 线 上 的 充 电 电 压 De Q 电 路 分 电 阻 型 阻 容 型 和 反 馈 型 三 种, 以 电 阻 型 De Q 电 路 使 用 最 普 遍 ( 图 ) 图 De Qing 电 路

146 在 调 制 器 的 直 流 高 压 电 源 E 通 过 充 电 电 感 L 对 仿 真 线 PFN 进 行 谐 振 充 电 时, 用 补 偿 型 阻 容 分 压 器 对 每 个 脉 冲 取 出 充 电 电 压 值 的 讯 号, 并 将 它 和 电 压 比 较 器 的 基 准 电 位 相 比 较 在 充 电 电 压 达 到 某 预 设 值 时, 电 压 比 较 器 输 出 一 个 脉 冲 信 号 通 过 小 脉 冲 变 压 器 触 发 De-Qing 闸 流 管 使 之 导 通, 使 充 电 电 感 短 路 将 电 感 中 多 余 的 功 率 消 耗 在 大 功 率 电 阻 及 上, 充 电 二 极 管 截 止, 不 再 对 仿 真 线 充 电, 以 达 到 稳 定 充 电 电 压 的 目 的 而 调 节 基 准 电 位 ( 或 由 能 量 选 择 电 路 对 不 同 能 量 给 出 不 同 的 预 设 值 ) 就 可 以 达 到 调 节 充 电 电 压 的 目 的 由 于 采 用 电 阻 只 并 联 在 电 感 L 上 降 低 了 Q 值, 故 称 为 De Q 电 路 这 种 损 耗 型 De Q 电 路 线 路 比 较 简 单, 稳 压 效 果 又 好, 缺 点 是 效 率 比 较 低, 电 阻 发 热 很 厉 害 另 一 种 能 量 守 恒 型 De Q 电 路 使 充 电 二 极 管 截 止 中 断 充 电 时 残 存 在 充 电 电 感 中 的 电 能 再 反 馈 到 高 压 电 源 中 去, 能 量 较 高 的 用 速 调 管 做 微 波 源 的 电 子 直 线 加 速 器 有 用 这 种 线 路 的 ( 五 ) 磁 控 管 灯 丝 供 电 磁 控 管 通 常 采 用 阴 极 调 制, 即 调 制 脉 冲 负 高 压 加 在 磁 控 管 的 阴 极 上, 因 此 灯 丝 处 于 高 压, 为 了 降 低 灯 丝 变 压 器 的 耐 压 和 减 小 分 布 电 容 影 响 脉 冲 的 失 真, 一 般 采 用 双 卷 式 脉 冲 变 压 器, 并 在 灯 丝 两 端 并 联 无 感 电 容 以 抑 制 瞬 态 高 压 当 磁 控 管 工 作 时, 有 部 分 电 子 回 轰 阴 极, 使 阴 极 温 度 升 高, 所 以 当 管 子 进 入 正 常 后 必 须 按 规 定 降 低 灯 丝 电 压 又 由 于 磁 控 管 灯 丝 冷 态 电 阻 很 小, 不 能 一 下 子 加 上 满 电 压, 需 经 过 降 压 预 热 的 过 程 ; 变 化 灯 丝 供 电, 高 压 亦 在 启 动 后 2~3s 再 加, 加 高 压 3~5s 后, 灯 丝 降 压 工 作, 而 借 助 于 偏 掉 线 圈, 只 在 稳 定 后 电 子 束 才 进 入 加 速 管, 正 式 开 始 照 射 四 安 全 连 锁 ( 一 ) 典 型 连 锁 及 原 因 联 锁 名 称 故 障 原 因 电 离 室 电 源 电 压 电 离 室 电 源 电 压 超 出 预 定 值 的 误 差 范 围 偏 转 磁 铁 偏 转 磁 铁 励 磁 线 圈 电 流 超 出 预 定 值 误 差 范 围 设 置 操 作 没 有 达 到 下 述 要 求 ; 为 治 疗 而 启 动 辐 照 只 可 在 控 制 台 处 由 操 作 者 进 行 辐 射 只 能 在 随 机 文 件 中 规 定 的 辐 射 类 型 标 称 能 量 固 定 束 治 疗 或 移 动 束 治 疗 楔 形 过 滤 器 及 限 束 用 具 所 有 这 些 选 择 的 组 合 下 进 行 操 作 没 有 达 到 下 述 要 求 : 剂 量 率 剂 量 率 监 测 系 统 的 读 数 为 正 常 治 疗 距 离 处 每 相 继 时 间 间 隔 为 小 于 5s 内 取 平 均 之 后 的 读 数, 必 须 设 置 一 欠 剂 量 率 联 锁, 若 读 数 比 预 期 的 剂 量 率 相 差 的 量 值 为 厂 家 在 随 机 文 件 中 规 定 的 值 时, 该 联 锁 使 辐 照 终 止 在 辐 照 的 最 初 10s 内 剂 量 率 读 数 可 以 与 其 后 的 值 有 所 不 同 累 积 剂 量 同 步 表 示 第 一 道 累 积 剂 量 和 第 二 道 累 积 剂 量 之 间 的 误 差 超 出 规 定 范 围 单 脉 冲 剂 量 一 个 单 个 的 剂 量 脉 冲 超 出 默 认 值 对 称 性 均 整 性 或 对 称 性 超 出 规 定 范 围 旋 转 治 疗 旋 转 治 疗 时, 机 架 起 始 角 度 与 实 际 角 度 不 一 致 在 旋 转 治 疗 中, 剂 量 角 度 和 每 度 剂 量 不 匹 配 处 于 移 动 束 治

147 疗 中 的 设 备 运 动 没 有 按 需 要 起 动 或 停 止 在 任 何 15 的 弧 内 给 出 的 剂 量 数 偏 离 规 定 值 20% 以 上 累 积 剂 量 和 旋 转 角 度 超 出 计 算 剂 量 率 的 误 差 范 围 旋 转 角 度 在 移 动 束 治 疗 中, 机 架 角 度 超 出 所 选 范 围 5 机 架 速 度 在 移 动 束 治 疗 中, 机 架 旋 转 速 度 超 出 正 常 范 围 非 正 常 终 止 辐 照 的 终 止 不 是 因 剂 量 监 测 系 统 的 动 作 所 致, 在 控 制 台 处 会 同 时 给 出 一 专 门 的 显 示, 指 出 终 止 辐 照 的 原 因 ; 该 联 锁 的 清 除 必 须 在 控 制 台 处 用 一 指 定 的 钥 匙 操 作 门 治 疗 室 门 尚 未 关 闭, 或 者 其 他 与 治 疗 室 门 开 关 串 联 的 开 关 ( 如 : 机 柜 开 关 ) 未 闭 合 钥 匙 出 束 使 能 钥 匙 开 关 在 禁 止 位 置 到 位 治 疗 头 散 射 箔 均 整 器 反 光 镜 等 部 件 不 到 位 附 件 附 件 定 位 错 误 治 疗 室 内 所 做 的 选 择 操 作 与 控 制 台 处 所 做 的 选 择 操 作 不 相 符 移 位 处 于 固 定 束 治 疗 中 的 设 备 发 生 运 动 手 控 器 手 控 器 运 动 使 能 按 钮 未 释 放 驱 动 器 机 架 旋 转 电 机 驱 动 器 工 作 不 正 常 高 压 开 关 主 配 电 箱 上 的 高 压 开 关 未 合 上 计 算 机 故 障 控 制 台 电 脑 故 障 水 流 量 联 锁 水 流 量 故 障 水 系 统 联 锁 水 质 水 位 水 压 水 温 等 不 正 常 灯 丝 电 压 磁 控 管 加 速 管 速 调 管 闸 流 管 等 灯 丝 电 压 超 出 允 许 范 围 灯 丝 电 流 磁 控 管 加 速 管 速 调 管 闸 流 管 等 灯 丝 电 流 超 出 允 许 范 围 灯 丝 延 时 灯 丝 处 于 预 热 延 时 状 态 真 空 电 源 电 压 加 速 管 真 空 电 源 电 压 超 出 允 许 范 围 真 空 电 源 电 流 真 空 泵 电 流 大 于 设 定 值, 此 时 加 速 管 真 空 度 偏 低 高 压 过 流 调 制 器 高 压 过 流 反 峰 调 制 器 反 峰 联 锁 气 压 波 导 系 统 内 绝 缘 气 体 气 压 不 正 常 电 源 电 源 输 入 不 正 常 低 压 电 源 电 源 电 压 输 出 不 正 常 ; 位 置 电 位 器 基 准 电 压 波 动 超 过 规 定 范 围 ( 二 ) 部 分 联 锁 电 路 分 析 1. 真 空 联 锁 电 路 真 空 联 锁 电 路 用 于 真 空 破 坏 情 况 下 的 机 器 保 护, 当 管 内 真 空 度 变 坏 ( 真 空 离 子 流 超 过 一 定 值 ) 或 真 空 泵 电 源 电 压 过 低 时 就 向 控 制 台 发 出 真 空 故 障 信 号 同 时 切 断 加 速 管 电 子 枪 电 源 以 防 止 损 坏 电 子 枪 电 流 采 样 信 号 放 大 后 直 接 引 出 一 路 到 控 制 台 供 观 测 用 2. 水 流 量 联 锁 电 路 当 管 路 中 冷 却 水 停 止 流 动 或 水 流 量 不 足 额 定 值 时, 水 流 量 联 锁 电 路 发 出 相 应 故 障 信 号 3. 电 离 空 电 源 联 锁

148 电 离 室 电 源 为 电 离 室 提 供 所 需 的 -500V 直 流 电 压 ( 有 的 为 600V), 并 对 其 进 行 监 测 这 两 个 电 离 室 分 别 由 独 立 的 180VAC~500VDC 整 流 倍 压 电 路 供 电 其 输 出 经 滤 波 滤 去 40kHz 波 纹 图 电 离 室 电 源 联 锁 电 离 室 电 源 联 锁 电 路 对 电 离 室 电 压 进 行 监 测 见 图 14-2 电 离 室 电 源 联 锁 当 任 一 电 压 下 降 至 450V DC 时, 故 障 电 路 就 被 启 动 电 离 室 的 500VDC 由 真 空 度 / 电 离 室 联 锁 板 的 两 个 独 立 的 比 较 器 进 行 比 较 在 C 15 两 端 上 建 立 一 个 -3.9V 的 参 考 电 压, 在 R 11 R 12 处 由 底 板 -500V 电 阻 分 压 器 给 出 -5V DC 的 信 号 在 正 常 条 件 下, 每 一 比 较 器 均 输 出 负 电 压, 其 相 应 的 光 耦 也 给 出 12VON 信 号, 输 出 到 计 算 机 若 低 于 -450V, 比 较 器 输 出 高 电 平, 关 断 光 耦, 启 动 电 离 室 电 源 联 锁, 中 止 出 束 在 测 试 过 程 中, 比 较 器 在 C 15 两 端 的 参 考 电 压 被 光 耦 强 迫 为 高 负 压 状 态, 使 故 障 输 出 为 高 电 平, 用 于 检 查 故 障 电 路 的 正 常 工 作 五 电 路 故 障 诊 断 和 维 修 当 机 器 不 能 正 常 运 转 时, 称 之 为 故 障 故 障 检 测 的 关 键 是 采 用 适 当 的 方 法 来 查 找 判 断 和 确 定 故 障 的 具 体 部 位 及 其 原 因 以 下 几 种 检 测 故 障 的 方 法, 是 长 期 实 践 中 总 结 归 纳 出 来 的 行 之 有 效 的 方 法 在 应 用 中, 要 针 对 具 体 的 对 象, 交 叉 灵 活 地 加 以 运 用, 并 不 断 地 总 结 和 归 纳 适 合 于 自 己 工 作 领 域 的 经 验 方 法, 才 能 达 到 快 速 准 确 有 效 排 除 故 障 的 目 的 ( 一 ) 观 察 法 观 察 法 是 通 过 人 体 感 觉 发 现 电 子 线 路 故 障 的 方 法 这 是 一 种 最 简 单 最 安 全 的 方 法, 也 是 各 种 仪 器 设 备 通 用 的 检 测 过 程 的 第 一 步 观 察 法 又 可 分 为 静 态 观 察 法 和 动 态 观 察 法 两 种

149 1. 静 态 观 察 法 在 电 子 线 路 通 电 前, 通 过 目 视 检 查 找 出 某 些 故 障 的 方 法 称 为 静 态 观 察 法 实 践 证 明, 相 当 比 例 的 电 子 线 路 故 障, 例 如 导 线 接 头 断 开 焊 点 失 效 电 容 器 漏 液 或 炸 裂 接 插 件 松 脱 电 接 点 生 锈 等 故 障, 完 全 可 以 通 过 观 察 发 现, 不 必 对 整 个 电 路 大 动 干 戈, 导 致 故 障 升 级 静 态 观 察, 要 先 外 后 内, 循 序 渐 进 打 开 机 壳 前 先 检 查 设 备 的 外 表 有 无 碰 伤, 电 线 电 缆 有 无 损 坏, 接 插 件 是 否 牢 靠, 重 金 属 丝 是 否 烧 断 等 打 开 机 壳 后, 先 查 看 机 内 各 种 装 置 和 元 器 件, 有 无 相 碰 断 线 烧 坏 等 现 象, 然 后 用 手 或 工 具 拨 动 一 些 元 器 件 导 线 等 进 行 进 一 步 检 查 对 于 试 验 电 路 或 样 机, 要 对 照 原 理 检 查 接 线 有 无 错 误, 元 器 件 是 否 符 合 设 计 要 求, 集 成 电 路 块 管 脚 有 无 插 错 方 向 或 折 弯, 有 无 漏 焊 桥 接 等 故 障 2. 动 态 观 察 法 给 线 路 通 电 后, 运 用 人 体 视 嗅 听 触 觉 检 查 线 路 故 障 的 方 法 通 电 观 察, 特 别 是 较 大 设 备 通 电 时 应 尽 可 能 采 用 隔 离 变 压 器 和 调 压 器 逐 渐 加 电 防 止 故 障 扩 大 一 般 情 况 下 还 应 使 用 仪 表, 如 电 流 表 电 压 表 等 监 视 电 路 状 态 通 电 后, 要 注 意 电 路 内 有 无 打 火 冒 烟 等 现 象, 有 无 异 常 声 音, 电 器 内 有 无 烧 焦 烧 糊 的 异 味 ; 用 手 触 摸 一 些 管 子 集 成 电 路 等 是 否 发 烫 ( 注 意 : 高 压 大 电 流 电 路 须 防 触 电 防 烫 伤 ), 发 现 异 常 立 即 断 电 通 电 观 察, 有 时 可 以 确 定 故 障 原 因, 但 大 部 分 情 况 下 并 不 能 确 认 故 障 确 切 部 位 及 原 因 例 如 一 个 集 成 电 路 发 热, 可 能 是 周 边 电 路 故 障, 也 可 能 是 供 电 电 压 有 误, 既 可 能 是 负 载 过 重 也 可 能 是 电 路 自 激 当 然 也 不 排 除 集 成 电 路 本 身 损 坏, 必 须 配 合 其 他 检 测 方 法, 分 析 判 断, 找 出 故 障 所 在 ( 二 ) 测 量 法 通 过 检 测 电 气 参 数 来 判 断 故 障 的 方 法 称 为 测 量 法 测 量 法 是 故 障 检 测 中 使 用 最 广 泛 最 有 效 的 方 法 根 据 检 测 的 电 气 参 数 的 特 性 又 可 分 为 电 阻 法 电 压 法 电 流 法 逻 辑 状 态 法 和 波 形 法 1. 电 阻 法 电 阻 是 电 子 元 器 件 和 电 路 的 基 本 特 征, 利 用 万 用 表 测 量 电 子 元 器 件 或 电 路 各 点 之 间 电 阻 值 来 判 断 故 障 的 方 法 称 为 电 阻 法 测 量 电 阻 值, 有 在 线 和 离 线 两 种 基 本 方 式 在 线 测 量 需 要 考 虑 被 测 元 器 件 受 其 他 并 联 支 路 的 影 响, 测 量 结 果 应 对 照 原 理 图 分 析 判 断 离 线 测 量 需 要 将 被 测 元 器 件 或 电 路 从 整 个 电 路 或 印 制 板 上 脱 焊 下 来, 操 作 较 麻 烦 但 结 果 准 确 可 靠 用 电 阻 法 测 量 集 成 电 路, 通 常 先 将 一 个 表 笔 接 地, 用 另 一 个 表 笔 测 各 引 脚 对 地 电 阻 值, 然 后 交 换 表 笔 再 测 一 次, 将 测 量 值 与 正 常 值 ( 有 些 维 修 资 料 给 出, 或 自 己 积 累 ) 进 行 比 较, 相 差 较 大 者 往 往 是 故 障 所 在 ( 不 一 定 是 集 成 电 路 坏!) 电 阻 法 对 确 定 开 关 接 插 件 导 线 印 制 板 导 电 图 形 的 通 断 及 电 阻 器 的 变 质 电 容 器 短 路 电 感 线 圈 断 路 等 故 障 非 常 有 效 而 且 快 捷, 但 对 晶 体 管 集 成 电 路 以 及 电 路 单 元 来 说, 一 般 不 能 直 接 判 定 故 障, 需 要 对 比 分 析 或 兼 用 其 他 方 法, 但 由 于 电 阻 法 不 用 给 电 路 通 电, 可 将 检 测 风 险 降 到 最 小, 故 一 般 检 测 首 先 采 用 注 意 : (1) 使 用 电 阻 法 时 应 在 线 路 断 电 大 电 容 放 电 的 情 况 下 进 行, 否 则 结 果 不 准 确, 还 可 能 损 坏 万 用 表 (2) 在 检 测 低 电 压 供 电 的 集 成 电 路 ( 5V) 时 避 免 用 指 针 式 万 用 表 的 10k 档 (3) 在 线 测 量 时 应 将 万 用 表 表 笔 交 替 测 试, 对 比 分 析 2. 电 压 法

150 电 子 线 路 正 常 工 作 时 线 路 各 点 都 有 一 个 确 定 的 工 作 电 压, 通 过 测 量 电 压 来 判 断 故 障 的 方 法 称 为 电 压 法 电 压 法 是 通 电 检 测 手 段 中 最 基 本 最 常 用 的 方 法 根 据 电 源 性 质 又 可 分 为 交 流 和 直 流 两 种 电 压 测 量 (1) 交 流 电 压 测 量 一 般 电 子 线 路 中 交 流 回 路 较 为 简 单, 对 50/60Hz 市 电 升 压 或 降 压 的 电 压 只 须 使 用 普 通 万 用 表 选 择 合 适 AC 量 程 即 可, 测 高 压 时 要 注 意 安 全 并 养 成 用 单 手 操 作 的 习 惯 对 非 50/60Hz 的 电 源, 例 如 变 频 器 输 出 电 压 的 测 量 就 要 考 虑 所 用 电 压 表 的 频 率 特 性, 一 般 指 针 式 万 用 表 为 45~2000Hz, 数 字 式 万 用 表 为 45~500Hz, 超 过 范 围 或 非 正 弦 波 测 量 结 果 都 不 正 确 (2) 直 流 电 压 测 量 检 测 直 流 电 压 一 般 分 为 三 步 : a. 测 量 稳 压 电 路 输 出 端 是 否 正 常 ; b. 各 单 元 电 路 及 电 路 的 关 键 点, 例 如 放 大 电 路 输 出 点, 外 接 部 件 电 源 端 等 处 电 压 是 否 正 常 ; c. 电 路 主 要 元 器 件 如 晶 体 管 集 成 电 路 各 管 脚 电 压 是 否 正 常, 对 集 成 电 路 首 先 要 测 电 源 端 比 较 完 善 的 产 品 说 明 书 中 应 该 给 出 电 路 各 点 正 常 工 作 电 压, 有 些 维 修 资 料 中 还 提 供 集 成 电 路 各 引 脚 的 工 作 电 压 另 外 也 可 对 比 正 常 工 作 的 同 种 电 路 测 得 各 点 电 压 偏 离 正 常 电 压 较 多 的 部 位 或 元 器 件, 往 往 就 是 故 障 所 在 部 位 这 种 检 测 方 法, 要 求 工 作 者 具 有 电 路 分 析 能 力 并 尽 可 能 收 集 相 关 电 路 的 资 料 数 据, 才 能 达 到 事 半 功 倍 的 效 果 3. 电 流 法 电 子 线 路 正 常 工 作 时 ; 各 部 分 工 作 电 流 是 稳 定 的, 偏 离 正 常 值 较 大 的 部 位 往 往 是 故 障 所 在 这 就 是 用 电 流 法 检 测 线 路 故 障 的 原 理 电 流 法 有 直 接 测 量 和 间 接 测 量 两 种 方 法 直 接 测 量 就 是 将 电 流 表 直 接 串 接 在 欲 检 测 的 回 路 测 得 电 流 值 的 方 法 这 种 方 法 直 观 准 确, 但 往 往 需 要 对 线 路 作 手 术, 例 如 断 开 导 线, 脱 焊 元 器 件 引 脚 等, 才 能 进 行 测 量, 因 而 不 大 方 便 对 于 整 机 总 电 流 的 测 量, 一 般 可 通 过 将 电 流 表 两 个 表 笔 接 到 开 关 上 的 方 式 测 得, 对 使 用 220V 交 流 电 的 线 路 必 须 注 意 测 量 安 全 间 接 测 量 法 实 际 上 是 用 测 电 压 的 方 法 换 算 成 电 流 值 这 种 方 法 快 捷 方 便, 但 如 果 所 选 测 量 点 的 元 器 件 有 故 障 则 不 容 易 准 确 判 断 如 图 所 示, 欲 通 过 测 及 l 的 电 压 降 确 定 三 极 管 工 作 电 流 是 否 正 常, 如 皮 l 本 身 阻 值 偏 差 较 大 或 Cl 漏 电, 都 可 引 起 误 判 采 用 电 流 法 检 测 故 障, 应 对 被 测 电 路 正 常 工 作 电 流 值 事 先 心 中 有 数 一 方 面 大 部 分 线 路 说 明 书 或 元 器 件 样 本 中 都 给 出 正 常 工 作 电 流 值 或 功 耗 值, 另 一 方 面 通 过 实 践 积 累 可 大 致 判 断 各 种 电 路 和 常 用 元 器 件 工 作 电 流 范 围, 例 如 一 般 运 算 放 大 器,TTL 电 路 静 态 工 作 电 流 不 超 过 几 ma,cmos 电 路 则 在 ma 级 以 下 等 等 4, 波 形 法 对 交 变 信 号 产 生 和 处 理 电 路 来 说, 采 用 示 波 器 观 察 信 号 通 路 各 点 的 波 形 是 最 直 观 最 有 效 的 故 障 检 测 方 法 波 形 法 应 用 于 以 下 三 种 情 况 : (1) 波 形 的 有 无 和 形 状 在 电 子 线 路 中 一 般 对 电 路 各 点 的 波 形 有 无 和 形 状 是 确 定 的, 如 果 测 得 该 点 波 形 没 有 或 形 状 相 差 较 大, 则 故 障 发 生 于 该 电 路 可 能 性 较 大 当 观 察 到 不 应 出 现 的 自 激 振 荡 或 调 制 波 形 时, 虽 不 能 确 定 故 障 部 位, 但 可 从 频 率 幅 值 大 小 分 析 故 障 原 因 (2) 波 形 失 真 在 放 大 或 缓 冲 等 电 路 中, 若 电 路 参 数 失 配 或 元 器 件 选 择 不 当 或 损 坏 都 会 引 起 波 形 失 真, 通 过 观 测 波 形 和 分 析 电 路 可 以 找 出 故 障 原 因 (3) 波 形 参 数 利 用 示 波 器 测 量 波 形 的 各 种 参 数, 如 幅 值 周 期 前 后 沿 相 位 等, 与

151 正 常 工 作 时 的 波 形 参 数 对 照, 找 出 故 障 原 因 应 用 波 形 法 要 注 意 : a. 对 电 路 高 电 压 和 大 幅 度 脉 冲 部 位 一 定 注 意 不 能 超 过 示 波 器 的 允 许 电 压 范 围 必 要 时 采 用 高 压 探 头 或 对 电 路 观 测 点 采 取 分 压 或 取 样 等 措 施 b. 示 波 器 接 入 电 路 时 本 身 输 入 阻 抗 对 电 路 有 一 定 影 响, 特 别 是 测 量 脉 冲 电 路 时, 要 采 用 有 补 偿 作 用 的 10:1 探 头, 否 则 观 测 的 波 形 与 实 际 不 符 5. 逻 辑 状 态 法 对 数 字 电 路 而 言, 只 须 判 断 电 路 各 部 位 的 逻 辑 状 态 即 可 确 定 电 路 工 作 是 否 正 常 数 字 逻 辑 主 要 由 高 低 两 种 电 平 状 态, 另 外 还 有 脉 冲 串 及 高 阻 状 态, 因 而 可 以 使 用 逻 辑 笔 进 行 电 路 检 测 逻 辑 笔 具 有 体 积 小, 携 带 使 用 方 便 的 优 点 功 能 简 单 的 逻 辑 笔 可 测 单 种 电 路 (TTL 或 CMOS) 的 逻 辑 状 态, 功 能 较 全 的 逻 辑 笔 除 了 可 测 多 种 电 路 的 逻 辑 状 态 外, 还 可 定 量 测 脉 冲 个 数, 有 些 还 具 有 脉 冲 信 号 发 生 器 作 用, 可 发 出 单 个 脉 冲 或 连 续 脉 冲 供 检 测 电 路 用 ( 三 ) 跟 踪 法 信 号 传 输 电 路, 包 括 信 号 获 取 ( 信 号 产 生 ) 信 号 处 理 ( 信 号 放 大 转 换 滤 波 隔 离 等 ) 以 及 信 号 执 行 电 路, 在 现 代 电 子 电 路 中 占 有 很 大 比 例 这 种 电 路 的 检 测 关 键 是 跟 踪 信 号 的 传 输 环 节 具 体 应 用 中 根 据 电 路 的 种 类 可 有 信 号 寻 迹 法 和 信 号 注 入 法 两 种 1. 信 号 寻 迹 法 信 号 寻 迹 法 是 针 对 信 号 产 生 和 处 理 电 路 的 信 号 流 向 寻 找 信 号 踪 迹 的 检 测 方 法 具 体 检 测 时 又 可 分 为 正 向 寻 迹 ( 由 输 入 到 输 出 顺 序 查 找 ) 反 向 寻 迹 ( 由 输 出 到 输 入 顺 序 查 找 ) 和 等 分 寻 迹 三 种 正 向 寻 迹 是 常 用 的 检 测 方 法, 可 以 借 助 测 试 仪 器 ( 示 波 器 频 率 计 万 用 表 等 ) 逐 级 定 性 定 量 检 测 信 号, 从 而 确 定 故 障 部 位 我 们 用 一 个 固 定 的 正 弦 波 信 号 加 到 mv 表 输 入 端, 从 衰 减 电 路 开 始 逐 级 检 测 各 级 电 路, 根 据 该 级 电 路 功 能 及 性 能 可 以 判 断 该 处 信 号 是 否 正 常, 逐 级 观 测, 直 到 查 出 故 障 显 然, 反 向 寻 迹 检 测 仅 仅 是 检 测 的 顺 序 不 同 等 分 寻 迹 对 于 单 元 较 多 的 电 路 是 一 种 高 效 的 方 法 等 分 寻 迹 法 适 用 多 级 串 联 结 构 的 电 路, 且 各 级 电 路 故 障 率 大 致 相 同, 每 次 测 试 时 间 差 不 多 的 电 路 对 于 有 分 支 有 反 馈 或 单 元 较 少 的 电 路 则 不 适 用 2. 信 号 注 入 法 对 于 本 身 不 带 信 号 产 生 电 路 或 信 号 产 生 电 路 有 故 障 的 信 号 处 理 电 路 采 用 信 号 注 入 法 是 有 效 的 检 测 方 法 所 谓 信 号 注 入, 就 是 在 信 号 处 理 电 路 的 各 级 输 入 端 输 入 已 知 的 外 加 测 试 信 号, 通 过 终 端 指 示 器 ( 例 如 指 示 仪 表 扬 声 器 显 示 器 等 ) 或 检 测 仪 器 来 判 断 电 路 工 作 状 态, 从 而 找 出 电 路 故 障 采 用 信 号 注 入 法 检 测 时 要 注 意 以 下 几 点 : (1) 信 号 注 入 顺 序 根 据 具 体 电 路 可 采 用 正 向 反 向 或 中 间 注 入 的 顺 序 (2) 注 入 信 号 的 性 质 和 幅 度 要 根 据 电 路 和 注 入 点 变 化 通 常 可 以 估 测 注 入 点 工 作 信 号 作 为 注 人 信 号 的 参 考 (3) 注 入 信 号 时 要 选 择 合 适 接 地 点, 防 止 信 号 源 和 被 测 电 路 相 互 影 响 一 般 情 况 下 可 选 择 靠 近 注 入 点 的 接 地 点 (4) 信 号 与 被 测 电 路 要 选 择 合 适 的 耦 合 方 式, 例 如 交 流 信 号 应 串 接 合 适 的 电 容, 直 流 信 号 串 接 适 当 的 电 阻, 使 信 号 与 被 测 电 路 阻 抗 匹 配 (5) 信 号 注 入 有 时 可 采 用 简 单 易 行 的 方 式, 如 收 音 机 检 测 时 就 可 用 人 体 感 应 信 号 作 为 注 入 信 号 ( 即 手 持 导 电 体 碰 触 相 应 电 路 部 分 ) 进 行 判 别 同 理, 有 时 也 必 须 注 意 感 应 信 号 对 外 加

152 信 号 检 测 的 影 响 ( 四 ) 替 换 法 替 换 法 是 用 规 格 性 能 相 同 的 正 常 元 器 件 电 路 或 部 件 代 替 电 路 中 被 怀 疑 的 相 应 部 分, 从 而 判 断 故 障 所 在 的 一 种 检 测 方 法, 也 是 电 路 调 试 检 修 中 最 常 用 最 有 效 的 方 法 之 一 实 际 应 用 中, 按 替 换 的 对 象 不 同, 可 有 三 种 方 法 : 1. 元 器 件 替 换 元 器 件 替 换 除 某 些 电 路 结 构 较 为 方 便 外 ( 例 如 带 插 接 件 的 IC 开 关 继 电 器 等 ), 一 般 都 需 拆 焊, 操 作 比 较 麻 烦 且 容 易 损 坏 周 边 电 路 或 印 制 板, 因 此 元 器 件 替 换 一 般 只 作 为 其 他 检 测 方 法 均 难 判 别 时 才 采 用 的 方 法, 并 且 尽 量 避 免 对 电 路 板 做 大 手 术 例 如, 怀 疑 某 两 个 引 线 元 器 件 开 路, 可 直 接 焊 上 一 个 新 元 件 试 验 之 ; 怀 疑 某 个 电 容 容 量 减 小 可 再 并 上 一 只 电 容 试 之 2. 单 元 电 路 替 换 当 怀 疑 某 一 单 元 电 路 有 故 障 时, 另 用 一 台 同 样 型 号 或 类 型 的 正 常 电 路, 替 换 待 查 机 器 的 相 应 单 元 电 路, 可 判 定 此 单 元 电 路 是 否 正 常 有 些 电 路 有 相 同 的 电 路 若 干 路, 例 如 立 体 声 电 路 左 右 声 道 完 全 相 同, 可 用 于 交 叉 替 换 试 验 当 电 子 设 备 采 用 单 元 电 路 多 板 结 构 时 替 换 试 验 是 比 较 方 便 的 因 此 对 现 场 维 修 要 求 较 高 的 设 备, 尽 可 能 采 用 方 便 替 换 的 结 构, 使 设 备 维 修 性 良 好 3. 部 件 替 换 随 着 集 成 电 路 和 安 装 技 术 的 发 展, 电 子 产 品 迅 速 向 集 成 度 更 高, 功 能 更 多, 体 积 更 小 的 方 向 发 展, 不 仅 元 器 件 级 的 替 换 试 验 困 难, 单 元 电 路 替 换 也 越 来 越 不 方 便, 过 去 十 几 块 甚 至 几 十 块 电 路 的 功 能, 现 在 用 一 块 集 成 电 路 即 可 完 成, 在 单 位 面 积 的 印 制 板 上 可 以 容 纳 更 多 的 电 路 单 元 电 路 的 检 测 维 修 逐 渐 向 板 卡 级 甚 至 整 体 方 向 发 展 特 别 是 较 为 复 杂 的 由 若 干 独 立 功 能 件 组 成 的 系 统, 检 测 时 主 要 采 用 的 是 部 件 替 换 方 法 部 件 替 换 试 验 要 遵 循 以 下 三 点 : (1) 用 于 替 换 的 部 件 与 原 部 件 必 须 型 号 规 格 一 致, 或 者 是 主 要 性 能 功 能 兼 容 的, 并 且 能 正 常 工 作 的 部 件 ; (2) 要 替 换 的 部 件 接 口 工 作 正 常, 至 少 电 源 及 输 入 输 出 口 正 常, 不 会 使 替 换 部 件 损 坏 这 一 点 要 求 在 替 换 前 分 析 故 障 现 象 并 对 接 口 电 源 作 必 要 检 测 ; (3) 替 换 要 单 独 试 验, 不 要 一 次 换 多 个 部 件 最 后 需 要 强 调 的 是 替 换 法 虽 是 一 种 常 用 检 测 方 法, 但 不 是 最 佳 方 法, 更 不 是 首 选 方 法 它 只 是 在 用 其 他 方 法 检 测 的 基 础 上 对 某 一 部 分 有 怀 疑 时 才 选 用 的 方 法 对 于 采 用 微 处 理 器 的 系 统 还 应 注 意 先 排 除 软 件 故 障, 然 后 才 进 行 硬 件 检 测 和 替 换 ( 五 ) 比 较 法 有 时 用 多 种 检 测 手 段 及 试 验 方 法 都 不 能 判 定 故 障 所 在, 并 不 复 杂 的 比 较 法 却 能 出 奇 制 胜 常 用 的 比 较 法 有 整 机 比 较 调 整 比 较 旁 路 比 较 及 排 除 比 较 等 四 种 方 法 1. 整 机 比 较 法 整 机 比 较 法 是 将 故 障 机 与 同 一 类 型 正 常 工 作 的 机 器 进 行 比 较, 查 找 故 障 的 方 法 这 种 方 法 对 缺 乏 资 料 而 本 身 较 复 杂 的 设 备, 例 如 以 微 处 理 器 为 基 础 的 产 品 尤 为 适 用 整 机 比 较 法 是 以 检 测 法 为 基 础 的 对 可 能 存 在 故 障 的 电 路 部 分 进 行 工 作 点 测 定 和 波 形 观 察, 或 者 信 号 监 测, 比 较 好 坏 设 备 的 差 别, 往 往 会 发 现 问 题 当 然 由 于 每 台 设 备 不 可 能 完 全 一 致, 检 测 结 果 还 要 分 析 判 断, 这 些 常 识 性 问 题 需 要 基 本 理 论 基 础 和 日 常 工 作 的 积 累 2. 调 整 比 较 法 调 整 比 较 法 是 通 过 整 机 设 备 可 调 元 件 或 改 变 某 些 现 状, 比 较 调 整 前 后 电 路 的 变 化 来 确 定 故 障 的 一 种 检 测 方 法 这 种 方 法 特 别 适 用 于 放 置 时 间 较 长, 或 经 过 搬 运 跌 落 等 外 部 条 件 变

153 化 引 起 故 障 的 设 备 正 常 情 况 下 检 测 设 备 时 不 应 随 便 变 动 可 调 部 件, 但 因 为 设 备 受 外 界 力 作 用 有 可 能 改 变 出 厂 的 整 定 而 引 起 故 障, 因 而 在 检 测 时 在 事 先 做 好 复 位 标 记 的 前 提 下, 方 可 改 变 某 些 可 调 电 容 电 阻 电 感 等 元 件, 并 注 意 比 较 调 整 前 后 设 备 的 工 作 状 况 有 时 还 需 要 触 动 元 器 件 引 脚 导 线 接 插 件 或 者 将 插 件 拔 出 重 新 插 接, 或 者 将 怀 疑 印 制 板 部 位 重 新 焊 接 等, 注 意 观 察 和 记 录 状 态 变 化 前 后 设 备 的 工 作 状 况 以 发 现 故 障 和 排 除 故 障 运 用 调 整 比 较 法 时 最 忌 讳 乱 调 乱 动, 而 又 不 做 标 记 调 整 和 改 变 现 状 应 一 步 一 步 改 变, 随 时 比 较 变 化 前 后 的 状 态, 发 现 调 整 无 效 或 向 坏 的 方 向 变 化 应 及 时 恢 复 3. 旁 路 比 较 法 旁 路 比 较 法 是 用 适 当 容 量 和 耐 压 的 电 容 对 被 检 测 设 备 电 路 的 某 些 部 位 进 行 分 路 的 比 较 检 查 方 法, 适 用 于 电 源 干 扰 寄 生 振 荡 等 故 障 因 为 旁 路 比 较 实 际 是 一 种 交 流 短 路 试 验, 所 以 一 般 情 况 下 先 选 用 一 种 容 量 较 小 的 电 容, 临 时 跨 接 在 有 疑 问 的 电 路 部 位 和 地 之 间, 观 察 比 较 故 障 现 象 的 变 化 如 果 电 路 向 好 的 方 向 变 化, 可 适 当 加 大 电 容 容 量 再 试, 直 到 消 除 故 障, 根 据 旁 路 的 部 位 可 以 判 定 故 障 的 部 位 4. 排 除 比 较 法 有 些 组 合 整 机 或 组 合 系 统 中 往 往 有 若 干 相 同 功 能 和 结 构 的 组 件, 调 试 中 发 现 系 统 功 能 不 正 常 时, 不 能 确 定 引 起 故 障 的 组 件, 这 种 情 况 下 采 用 排 除 比 较 法 容 易 确 认 故 障 所 在 方 法 是 逐 一 插 入 组 件, 同 时 监 视 整 机 或 系 统, 如 果 系 统 正 常 工 作, 就 可 排 除 该 组 件 的 嫌 怀 疑 再 插 入 另 一 块 组 件 试 验, 直 到 找 出 故 障 注 意 : (1) 上 述 方 法 是 递 加 排 除, 显 然 也 可 采 用 逆 向 方 向, 即 递 减 排 除 ; (2) 这 种 多 单 元 系 统 故 障 有 时 不 是 一 个 单 元 组 件 引 起 的, 这 种 情 况 下 应 多 次 比 较 才 可 排 除 ; (3) 采 用 排 除 比 较 法 时 注 意 每 次 插 入 或 拔 出 单 元 组 件 都 要 关 断 电 源, 防 止 带 电 插 拔 造 成 系 统 损 坏 ( 六 ) 计 算 机 智 能 自 动 检 测 利 用 计 算 机 强 大 的 数 据 处 理 能 力 并 结 合 现 代 传 感 器 技 术 可 以 使 电 路 检 测 逐 步 自 动 化 和 智 能 化 这 在 当 前 各 种 计 算 机 以 及 以 计 算 机 为 主 体 的 设 备 中 应 用 越 来 越 广 泛, 水 平 越 来 越 高 以 下 几 种 是 目 前 常 见 的 计 算 机 检 测 方 法 : 1. 开 机 自 检 这 是 一 种 初 级 检 测 方 法 利 用 计 算 机 ROM 中 固 化 的 通 电 自 检 程 序 (power-onself test, POST) 对 计 算 机 内 部 各 种 硬 件 外 设 及 接 口 等 设 备 进 行 检 测, 另 外 还 能 自 动 测 试 机 内 硬 件 和 软 件 的 配 置 情 况, 当 检 出 错 误 ( 故 障 ) 时, 进 行 声 响 和 屏 幕 提 示 这 种 开 机 用 软 件 检 测 硬 件 各 部 分 的 特 征 参 数, 测 试 结 果 与 预 先 存 储 的 标 准 值 对 比 的 方 式 进 行 诊 断, 可 以 判 定 硬 件 的 好 坏, 但 一 般 情 况 下 不 能 确 定 故 障 具 体 的 部 位, 也 不 能 按 操 作 者 意 愿 进 行 深 入 测 试 2. 检 测 诊 断 程 序 这 种 方 法 是 计 算 机 运 行 一 种 专 门 的 检 测 诊 断 程 序, 它 可 以 由 操 作 者 设 置 和 选 择 测 试 的 目 标 内 容 和 故 障 报 告 方 式, 对 大 多 数 故 障 可 以 定 位 至 芯 片 这 一 类 专 用 程 序 很 多, 例 如 QAPLUS NORTON PCTOOLS 等, 随 着 版 本 升 级, 功 能 越 来 越 强 另 外 系 统 软 件 中 一 般 本 身 也 带 有 检 测 程 序, 例 如 DOS6.X 以 及 WIN3.X,WIN9X 都 具 有 相 应 检 测 功 能 显 然 这 种 检 测 方 法 的 前 提 是 计 算 机 本 身 基 本 正 常 工 作, 如 果 计 算 机 有 严 重 故 障, 这 种 方 式 就 无 能 为 力 了

154 3. 智 能 监 测 这 是 目 前 最 新 智 能 监 测 技 术 发 展 趋 向, 是 最 先 进 的 保 证 机 器 正 常 工 作 的 模 式 这 种 方 法 利 用 安 装 在 计 算 机 内 的 专 门 硬 件 和 软 件 对 系 统 进 行 监 测 : 例 如 对 CPU 的 温 度 工 作 电 压 机 内 温 度 等 不 断 进 行 自 动 测 试, 一 旦 超 出 范 围 立 即 显 示 出 报 警 信 息, 便 于 用 户 采 取 措 施, 保 证 机 器 正 常 运 转 这 种 智 能 监 测 方 式 在 一 定 范 围 内 还 可 自 动 采 取 措 施 消 除 故 障 隐 患 例 如 机 内 温 度 过 高, 自 动 增 加 风 扇 转 速 强 迫 降 温, 甚 至 强 制 机 器 休 眠, 而 在 机 内 温 度 较 低 时 降 低 风 扇 转 速 或 停 转, 以 节 能 和 降 低 噪 声 显 然, 这 种 防 患 于 未 然 并 能 自 动 调 整 运 行 的 模 式 是 检 测 的 最 理 想 的 方 法, 现 在 主 流 计 算 机 和 以 计 算 机 为 主 体 的 设 备 大 都 具 有 这 种 先 进 功 能 随 着 技 术 的 发 展, 这 种 智 能 监 测 方 式 将 会 在 更 多 的 产 品 上 使 用, 使 电 子 产 品 向 更 高 的 水 平 发 展 测 试 技 术 是 电 子 电 路 故 障 诊 断 的 重 要 组 成 部 分, 它 包 括 测 试 点 的 选 择 测 试 信 号 的 确 定 和 产 生 被 测 对 象 数 据 的 采 集 和 处 理 测 试 方 法 和 诊 断 算 法 的 实 现 测 试 和 诊 断 结 果 的 显 示 和 记 录 等 电 子 电 路 故 障 诊 断 装 置 是 实 现 电 子 电 路 自 动 故 障 诊 断 的 工 具 和 手 段, 是 测 试 技 术 的 集 中 反 映 所 以 研 究 电 子 电 路 故 障 自 动 诊 断 系 统, 是 电 子 电 路 故 障 诊 断 技 术 的 重 要 组 成 部 分

155 第 十 七 节 医 用 加 速 器 的 正 确 使 用 与 维 护 对 于 拥 有 医 用 直 线 加 速 器 治 疗 计 划 系 统, 计 算 机 体 层 扫 描 机 (CT) 这 些 大 型 复 杂 设 备 的 现 代 放 射 治 疗 部 门, 其 工 作 人 员 任 务 的 艰 巨 和 应 具 备 的 知 识 水 平 是 可 想 而 知 的 作 为 放 射 治 疗 骨 干 设 备 的 医 用 加 速 器, 不 论 是 电 子 直 线 加 速 器, 还 是 电 子 感 应 加 速 器, 都 是 电 子 机 械 真 空 精 密 加 工 微 波 高 压 各 方 面 技 术 的 结 晶 医 用 加 速 器 只 有 在 正 确 使 用 时, 才 能 到 达 预 期 治 疗 效 果, 并 需 要 执 行 一 整 套 严 格 的 保 养 维 修 程 序, 才 能 保 证 机 器 处 于 正 常 技 术 指 标 之 内 运 行 这 个 工 作 只 有 在 医 生 物 理 学 工 作 者, 维 修 工 程 师 和 操 作 技 术 员 的 共 同 努 力 之 下 才 能 完 成 他 们 各 自 的 职 责 范 围 可 以 简 述 如 下 : 一 医 用 加 速 器 的 正 确 使 用 ( 一 ) 放 射 治 疗 医 生 放 射 治 疗 医 生 是 放 射 治 疗 队 伍 的 核 心, 他 必 需 充 分 熟 悉 医 用 加 速 器 全 部 性 能 后 才 能 设 计 出 好 的 治 疗 方 案, 达 到 满 意 的 治 疗 效 果 现 代 医 用 加 速 器 聚 集 了 近 半 个 世 纪 以 来 加 速 器 技 术 发 展 之 精 华, 无 论 是 只 有 一 挡 能 量 的 小 型 机, 还 是 同 时 具 备 X 射 线 电 子 线 多 挡 能 量 的 大 型 机 都 是 精 心 设 计 的 产 品, 具 有 多 种 功 能, 配 备 各 种 附 件, 能 适 应 不 同 部 位 不 同 类 型 肿 瘤 的 治 疗 需 要 放 疗 医 生 应 当 掌 握 医 用 加 速 器 在 做 X 射 线 电 子 线 以 及 混 合 束 治 疗 时, 射 线 在 体 内 的 剂 量 分 布 情 况, 对 于 能 做 旋 转 治 疗 的 直 线 加 速 器 和 摆 动 治 疗 的 感 应 加 速 器, 则 还 应 掌 握 机 器 的 旋 转 剂 量 分 布 他 还 应 熟 悉 各 种 瘤 肿 的 定 位 遮 挡 技 术, 放 疗 医 生 应 当 了 解 医 用 加 速 器 模 拟 定 位 机 的 各 种 精 度 指 标, 并 关 心 机 器 在 安 装 和 大 修 后, 精 度 和 剂 量 指 标 的 校 核 测 量 工 作, 由 于 机 器 精 度 和 剂 量 指 标 变 化 而 造 成 肿 瘤 控 制 率 下 降 乃 至 引 起 医 疗 事 故 的 例 子 在 国 内 外 都 曾 有 过 ( 二 ) 放 射 物 理 工 作 者 在 肿 瘤 部 门 中 物 理 学 家 和 放 疗 医 生 的 合 作 从 放 射 治 疗 这 个 部 门 建 立 时 就 已 经 开 始 了, 正 是 这 种 合 作 建 立 了 现 代 放 射 治 疗 技 术, 并 取 得 了 不 断 的 进 步, 医 院 中 物 理 学 领 域 近 年 来 有 了 迅 速 发 展, 在 很 多 大 型 医 院 中 都 已 设 置 医 学 物 理 部 门, 而 放 射 物 理 部 门 总 是 被 优 先 考 虑 的 据 美 国 1980 年 统 计, 已 有 1500 名 物 理 学 家 在 医 院 工 作, 而 其 中 半 数 就 是 在 放 射 治 疗 部 门 工 作 的 放 射 物 理 学 家 的 任 务 通 常 包 括 以 下 几 个 方 面 : 1. 测 定 和 定 期 校 准 放 疗 设 备 的 剂 量 特 性 即 要 在 不 同 的 条 件 下 测 定 机 器 的 束 流 特 性, 剂 量 分 布 这 是 一 项 复 杂 的, 也 是 严 格 细 致 的 工 作, 有 时 要 在 不 同 机 架 角 度, 不 同 治 疗 头 角 度 不 同 治 疗 距 离 不 同 照 射 野 尺 寸, 不 同 能 量 情 况 下 分 别 对 放 疗 设 备 的 许 多 项 目 作 出 反 复 测 定, 才 能 决 定 剂 量 特 性 是 否 符 合 要 求 2. 计 算 给 予 病 人 肿 瘤 及 正 常 组 织 的 剂 量 这 是 一 项 复 杂 费 时 而 又 要 求 严 格 的 工 作 拥 有 放 射 治 疗 计 划 系 统 或 CT 的 医 院 则 可 借 助 计 算 机 迅 速 地 完 成 这 一 工 作 3. 验 证 病 人 接 受 的 实 际 幅 射 剂 量 这 需 要 使 用 剂 量 测 定 仪 器 进 行 测 定, 这 台 剂 量 仪 还 应 定 期 到 相 应 的 国 家 计 量 管 理 部 门 进 行 校 核 物 理 学 家 经 常 还 承 担 着 放 射 防 护 的 设 计 和 测 定, 他 应 关 心 病 人 在 肿 瘤 外 组 织 受 到 的 幅 射 剂 量 和 工 作 人 员 可 能 受 到 的 幅 射 伤 害, 并 采 取 措 施 予 以 防 护 显 然, 放 射 物 理 学 家 应 领 导 放 疗 设 备 的 大 修 工 作 并 负 责 大 修 后 各 种 物 理 指 标 的 测 定 和 校 核 放 射 物 理 学 家 和 放 射 治 疗 医 生 紧 密 配 合 设 计 放 射 治 疗 计 划, 一 个 合 格 的 放 射 物 理 学 家 不 仅 应 具 备 辐 射 物 理 方 面 知 识, 还 应 具 有 肿 瘤 学 方 面 基 本 知 识, 能 够 从 放 射 物 理 方 面 提 出 对 肿 瘤 治 疗 的 建 议 ( 三 ) 维 修 工 程 师 从 事 医 学 方 面 工 作 的 工 程 技 术 人 员, 国 外 称 之 为 生 物 医 学 工 程 师, 他 们 中 包 括 在 学 院 和

156 研 究 部 门 从 事 研 究 工 作 的 生 物 工 程 师, 在 工 厂 中 研 制 医 疗 器 械 的 医 学 工 程 师 和 在 医 院 从 事 设 备 维 修 的 临 床 工 程 师 在 这 里, 我 们 所 指 的 是 后 一 类 的, 从 事 放 疗 设 备 维 修 的 工 程 技 术 人 员 在 我 们 国 家, 对 这 一 类 技 术 人 员, 各 医 院 内 尚 无 固 定 职 称, 有 的 称 为 工 程 师 医 用 加 速 器 由 于 它 本 身 的 复 杂 性, 需 要 有 一 定 数 量 的 工 程 师 投 入 工 作, 他 们 的 任 务 还 不 仅 限 于 维 护 设 备 使 之 正 常 运 行, 除 执 行 日 常 的 指 标 测 定 校 准, 进 行 例 行 的 小 修 和 大 修 这 些 典 型 任 务 外, 放 射 治 疗 新 技 术 的 引 进 和 革 新, 放 射 治 疗 精 度 和 效 率 的 提 高, 往 往 与 他 们 的 努 力 是 分 不 开 的, 在 医 院 管 理 己 处 于 计 算 机 化 的 时 代, 他 们 经 常 还 是 计 算 机 在 医 院 应 用 的 先 驱 ( 四 ) 放 射 治 疗 技 术 人 员 放 射 治 疗 部 门 通 常 还 有 一 定 数 量 的 技 术 员 参 加 工 作, 他 们 当 中 有 操 纵 放 疗 设 备 的 放 疗 技 术 久 使 用 定 位 机 给 患 者 定 位 标 记 的 定 位 技 术 员, 制 作 各 种 模 型 的 模 型 技 术 员, 维 修 各 种 设 备 的 维 修 技 术 员 以 及 测 定 校 核 剂 量 的 剂 量 技 术 员 等, 在 基 层 医 院 里, 上 述 分 工 就 不 那 么 明 确 了, 往 往 要 求 一 人 身 兼 数 职 技 术 员 工 作 的 责 任 是 重 大 的, 他 们 是 医 生 和 患 者 之 间 的 桥 梁, 放 射 治 疗 计 划 是 通 过 他 们 来 实 现 的, 由 于 放 射 治 疗 对 剂 量 精 度 要 求 的 严 格, 对 他 们 的 工 作 必 需 给 予 足 够 的 重 视, 他 们 的 劳 动 也 是 应 该 受 到 尊 重 的 技 术 员 应 该 具 有 相 当 水 平 的 基 础 物 理 学 知 识, 除 了 应 掌 握 放 射 治 疗 物 理 学 外, 对 X 射 线 诊 断 物 理 学, 辐 射 防 护 学 也 应 有 所 了 解, 他 们 应 熟 悉 医 用 加 速 器 等 复 杂 设 备 的 性 能, 精 通 定 位 及 遮 挡 技 术, 并 具 备 电 气 和 机 械 方 面 的 知 识 近 半 个 世 纪 以 来, 现 代 医 学 技 术 的 飞 速 发 展 在 放 射 治 疗 的 现 代 化 方 面 得 到 了 优 先 体 现, 这 就 需 要 在 放 射 治 疗 部 门 工 作 的 人 员 应 该 具 备 医 学 和 工 程 两 方 面 的 知 识, 对 于 近 20 年 来 出 现 的 一 门 新 的 边 缘 学 科 生 物 医 学 工 程 学, 事 实 上, 放 射 治 疗 部 门 的 一 些 分 工 并 不 是 十 分 清 楚 的, 例 如 放 射 治 疗 计 划 的 设 计 就 很 难 分 清 到 底 是 放 射 治 疗 医 生 的 工 作 还 是 放 射 物 理 学 家 的 任 务, 而 医 用 加 速 器 设 备 的 大 修 和 剂 量 指 标 的 测 定 校 核 工 作 应 该 由 物 理 学 家 还 是 由 工 程 师 来 负 责 也 并 不 是 很 明 确 的, 这 些 工 作 往 往 都 是 在 他 们 的 共 同 努 力 之 下 完 成 的 二 医 用 加 速 器 的 主 要 故 障 及 原 因 医 用 加 速 器, 尤 其 是 具 有 多 档 能 量 的 高 能 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 由 于 性 能 优 良, 具 有 多 种 治 疗 用 途, 早 已 引 起 放 射 治 疗 界 的 兴 趣, 但 对 这 样 大 型 复 杂 设 备 的 实 际 运 行 效 果 往 往 有 所 担 心, 他 们 担 心 医 用 加 速 器 的 运 行 故 障 多 和 维 修 费 用 高 下 面 将 就 这 方 面 的 问 题 进 行 讨 论 并 对 加 速 器 的 维 护 保 养 程 序 和 必 要 的 仪 器 作 出 建 议 我 们 通 常 用 年 停 机 率 (Downtime, 故 障 停 机 天 数 / 全 年 应 开 机 天 数 %) 来 衡 量 医 用 加 速 器 的 运 行 成 绩, 一 般 来 说 低 能 机 的 停 机 率 较 低, 维 修 也 较 方 便, 而 高 能 机 的 停 机 率 较 高, 维 修 工 作 量 较 大 一 些 对 于 每 日 治 疗 量 为 40~50 人 次 / 天 的 典 型 负 荷, 机 器 每 周 工 作 5 天, 预 防 性 保 养 在 星 期 六 进 行 的 正 常 工 作 程 序, 高 能 机 的 停 机 率 约 为 小 型 机 的 3 倍, 而 前 者 的 维 修 工 作 量 则 可 能 是 后 者 的 6~8 倍 一 般 性 的 维 修 由 医 院 自 己 进 行, 当 主 要 部 件 损 坏 或 更 换 时 的 大 修 则 需 厂 方 派 人 来 进 行, 为 减 少 不 必 要 的 停 机 待 料 时 间, 医 院 自 备 一 些 像 闸 流 管 磁 控 管 之 类 的 主 要 部 件 和 印 刷 电 路 板 插 件 专 用 电 缆 以 及 继 电 器 之 类 零 配 件 是 必 要 的 在 我 国, 目 前 加 速 器 应 用 尚 不 普 遍, 机 器 的 运 行 负 荷 比 较 重, 很 多 在 80~100 人 次 / 天 以 上, 进 口 机 器 备 件 供 应 不 及 时, 技 术 服 务 跟 不 上, 国 产 机 器 技 术 尚 不 成 熟, 因 而 停 机 率 高 于 国 外 机, 为 了 保 证 加 速 器 的 正 常 运 行, 减 少 停 机 时 间, 预 防 性 的 保 养 和 维 修 工 作 就 显 得 格 外 重 要 一 台 移 交 运 行 的 电 子 直 线 加 速 器, 经 一 段 时 间 使 用 后, 技 术 指 标 可 能 下 降, 当 出 现 这 种 情 况 时, 加 速 器 的 值 班 及 维 护 人 员 应 分 析 出 现 这 种 情 况 的 原 因, 迅 速 采 用 相 应 的 办 法 特 别 是 处 于 事 故 状 态 时, 应 能 进 行 正 确 的 判 断, 避 免 事 故 的 扩 大, 并 排 除 故 障, 恢 复 机 器 的 正 常

157 运 行 ( 一 ) 突 然 中 断 出 束 可 能 原 因 有 : 1. 电 子 枪 灯 丝 烧 断 2. 磁 控 管 灯 丝 烧 断, 或 磁 控 管 损 坏 不 能 起 振 3. 调 制 器 没 有 高 压 输 出 4. 加 速 器 出 现 事 故, 如 真 空 破 坏, 真 空 度 不 好, 断 水, 水 压 不 足, 充 气 系 统 气 压 不 足, 调 制 器 过 流 或 过 压, 从 而 继 电 保 护 系 统 起 作 用, 自 动 切 断 高 压 电 源 ( 二 ) 医 用 加 速 器 的 X 射 线 剂 量 率 下 降 可 能 原 因 有 : 1. 磁 控 管 振 荡 频 率 漂 移 ( 包 括 AFC 系 统 稳 定 点 漂 移 及 AFC 不 起 作 用 ) 2. 磁 控 管 发 射 功 率 不 足 3. 调 制 器 脉 冲 高 压 幅 值 下 降 或 De Qing 电 路 不 起 作 用 4. 脉 冲 调 制 器 脉 冲 波 形 变 坏 5. 电 子 枪 阴 极 发 射 电 流 不 足 6. 加 速 管 恒 温 冷 却 水 系 统 稳 定 点 漂 移 7. 聚 焦 导 向 线 圈 透 镜, 偏 转 磁 铁 线 圈 的 电 参 数 漂 移 8. 长 期 使 用 后 的 加 速 管 总 衰 减 量 增 加 ( 三 ) 加 速 器 能 量 下 降 可 能 的 原 因 有 : 1. 磁 控 管 振 荡 频 率 漂 移 ( 包 括 AFC 稳 定 点 漂 移 及 AFC 不 起 作 用 ) 2. 磁 控 管 发 射 功 率 不 足 3. 调 制 器 脉 冲 高 压 幅 值 下 降 4. 调 制 器 脉 冲 波 形 变 坏 5. 恒 温 水 温 度 漂 移 6. 长 期 使 用 后 的 加 速 管 总 衰 减 量 增 加 ( 四 ) 加 速 器 流 强 下 降 可 能 的 原 因 有 : 1. 电 子 枪 阴 极 发 射 不 足 2. 磁 控 管 振 荡 频 率 漂 移, 从 而 影 响 俘 获 系 数 3. 电 子 枪 阳 极 高 压 下 降 4. 磁 控 管 发 射 功 率 不 足 5. 电 子 枪 聚 焦 线 圈 加 速 器 主 聚 焦 线 圈 等 电 参 数 改 变 ( 五 ) 医 用 加 速 器 照 射 野 内 剂 量 均 匀 度 恶 化 可 能 原 因 有 : 1. 均 整 度 自 动 控 制 系 统 失 灵 2. 加 速 器 能 量 变 化 3. 加 速 器 能 谱 变 坏 4. 电 子 束 打 靶 位 置 漂 移 ( 六 ) 微 波 功 率 传 输 系 统 打 火 可 能 原 因 有 : 1. 波 导 充 气 压 力 不 足 2. 加 速 管 耦 合 器 和 波 导 匹 配 状 态 变 坏, 反 射 增 加 3. 隔 离 器 定 向 耦 合 器 终 端 吸 收 负 载 等 波 导 元 件 损 坏 ( 七 ) 严 重 事 故 处 理 时 的 注 意 事 项 : 加 速 器 在 运 行 中 可 能 出 现 的 最 严 重 事 故 有 两 个 :1 波 导 窗 破 裂 ;2 钛 窗 打 穿 在 处 理 事 故 时, 首 先 要 保 护 好 磁 控 管 加 速 管 钛 泵 电 子 枪 在 处 理 步 骤 上 首 先 切 断 高 压 为 了 保 护 加 速 管, 免 致 其 衰 减 量 增 加, 应 尽 量 避 免 加 速 管 暴 露 大 气 在 拆 换 电 子 枪 等 真 空 系 统 内 的 部 件 时, 加 速 管 应 充 气 保 护 另 外 保 证 驻 波 加 速 器 长 期 稳 定 运 行 的 还 有 以 下 几 个 值 得 注 意 的 问 题 : 为 保 证 驻 波 加 速 器 长 期 稳 定 运 行, 必 须 重 点 保 护 好 密 封 加 速 管 和 磁 控 管

158 ( 或 速 调 管 ) 1. 密 封 加 速 管 的 保 护 为 了 适 应 驻 波 加 速 器 高 加 速 场 强 高 表 面 电 场 强 度, 和 适 应 使 用 低 工 作 温 度 的 氧 化 物 阴 极 电 子 枪 以 及 减 少 用 户 真 空 操 作 的 麻 烦, 有 些 驻 波 加 速 器 采 用 密 封 加 速 管 然 而 用 户 必 须 注 意 正 确 运 行 和 保 护, 不 然 要 导 致 整 根 密 封 加 速 管 报 废 (1) 首 先 加 速 管 内 部 必 须 经 常 保 持 良 好 的 真 空 状 态 为 此 钛 泵 必 须 经 常 启 动 或 24h 昼 夜 通 电, 包 括 加 速 器 长 期 闲 置 时 也 必 须 如 此 真 空 度 降 低 可 导 致 电 子 枪 氧 化 物 阴 极 中 毒 和 加 速 腔 高 频 击 穿 加 速 管 中 的 真 空 度 可 通 过 钛 泵 的 离 子 流 束 监 视 (2) 加 速 管 长 期 闲 置 后, 重 新 开 机 运 行 时, 必 须 对 加 速 管 也 包 括 整 个 加 速 器 进 行 老 练 特 别 是 微 波 老 练, 老 练 时 微 波 功 率 逐 步 增 加 每 天 正 式 开 机 运 行 前, 也 要 进 行 数 分 钟 的 老 练 (3) 电 子 枪 热 子 的 加 热 电 流 不 能 太 大 万 一 太 大, 就 有 可 能 把 热 子 灯 丝 烧 断, 从 而 导 致 整 根 密 封 加 速 管 报 废 (4) 微 波 功 率 传 输 系 统 的 充 氮 系 统 要 压 力 合 适, 不 然 压 力 过 大 会 压 碎 密 封 加 速 管 的 波 导 窗, 导 致 密 封 加 速 管 报 废 (5) 注 意 密 封 加 速 管 束 流 引 出 窗 的 水 冷 却 和 吹 风 系 统, 以 免 引 出 窗 ( 钛 窗 ) 因 过 热 或 因 奥 氧 长 期 氧 化 作 用 而 损 坏, 导 致 加 速 管 报 废 (6) 对 冷 却 加 速 管 一 次 循 环 水 的 水 质 也 要 严 格 控 制, 以 防 上 对 加 速 管 长 期 腐 蚀 作 用 降 低 冷 却 效 果 (7) 加 速 管 内 的 暗 电 流 必 须 足 够 低, 否 则 要 采 取 措 施 加 以 降 低 2. 磁 控 管 或 速 调 管 的 保 护 要 严 格 按 照 说 明 书 使 用, 要 特 别 注 意 灯 丝 加 热 电 流, 并 防 止 超 脉 冲 功 率 或 超 平 均 功 率 运 行, 保 证 冷 却 水 的 流 量 和 温 度, 当 磁 控 管 的 磁 钢 磁 场 值 低 于 说 明 书 时, 应 该 对 磁 钢 充 磁 三 维 护 与 维 修 本 节 介 绍 医 用 电 子 加 速 器 维 护 与 维 修 的 一 般 原 则, 详 细 的 维 护 与 维 修 规 程 必 须 按 照 制 造 商 提 供 的 维 护 与 维 修 手 册 进 行 作 为 制 度, 维 修 人 员 必 须 对 机 器 按 期 进 行 认 真 地 检 查 清 洗 加 油 和 校 准, 这 样 才 能 使 加 速 器 一 直 工 作 在 最 佳 状 态, 并 争 取 最 少 的 停 机 时 间 维 护 维 修 和 其 他 任 何 调 整 都 只 能 由 指 定 的 参 加 过 培 训 并 被 认 可 的 技 术 人 员 完 成, 维 护 是 指 日 常 的 定 期 检 查, 以 防 患 于 未 然 维 修 是 指 加 速 器 故 障 的 排 除, 建 议 维 修 工 程 师 与 操 作 技 师 共 同 完 成 这 项 工 作 ( 一 ) 维 护 和 维 修 的 一 般 原 则 1. 制 定 定 期 维 护 计 划 在 每 个 厂 家 的 维 修 手 册 上, 都 规 定 了 要 对 加 速 器 进 行 定 期 维 护 手 册 上 一 般 都 按 照 日 周 月 三 个 月 半 年 一 年 制 定 了 要 检 查 的 项 目 指 标 和 方 法 这 些 都 是 厂 家 根 据 多 年 的 使 用 经 验 教 训 总 结 出 来 的 严 格 地 执 行 这 些 规 定, 定 会 有 助 于 保 证 加 速 器 的 正 常 运 转 2. 定 期 维 护 检 查 的 主 要 项 目 定 期 维 护 的 检 查 项 目 是 根 据 保 证 医 疗 质 量 保 证 安 全 和 保 证 机 器 工 作 正 常 来 制 定 的 机 种 不 同 项 目 也 不 同, 下 面 列 出 一 些 主 要 的 项 目, 供 大 家 参 考 (1) 光 野 的 十 字 线 光 野 的 十 字 线 是 给 病 人 摆 位 的 一 个 重 要 依 据, 因 此 要 检 查 十 字 线 是 否 会 随 着 机 架 的 转 动 辐 射 头 的 转 动 治 疗 床 面 的 转 动 和 治 疗 床 面 的 升 降 而 发 生 过 量 的 偏 移 (2) 光 距 仪

159 目 前 很 多 医 院 做 等 中 心 治 疗 时, 用 光 距 尺 来 确 定 等 中 心, 因 此 要 检 查 光 距 尺 的 淮 确 性, 从 而 保 证 等 中 心 治 疗 的 淮 确 性 (3) 激 光 定 位 灯 检 查 激 光 定 位 灯 也 是 为 了 保 证 等 中 心 治 疗 的 准 确 性 (4) 光 野 的 校 准 检 查 光 野 的 实 际 尺 寸 与 显 示 尺 寸 的 差 值 是 否 在 允 许 范 围 之 内 (5) 光 野 与 辐 射 野 的 一 致 性 光 野 用 于 给 病 人 摆 位, 辐 射 野 是 实 际 治 疗 的 区 域, 光 野 与 辐 射 野 一 致 才 能 保 证 治 疗 准 确 (6) 机 械 显 示 的 读 数 和 电 子 显 示 的 读 数 的 一 致 性 加 速 器 机 架 的 转 角 辐 射 头 的 转 角 和 治 疗 床 的 各 项 参 数 通 常 都 有 机 械 显 示 和 电 子 显 示 机 械 显 示 一 般 是 比 较 推 确 的, 但 在 给 病 人 摆 位 时 却 往 往 使 用 电 子 显 示 因 此 要 检 查 这 两 种 显 示 的 读 数 的 一 致 性 (7) 辐 射 能 量 的 测 定 辐 射 能 量 是 一 个 重 要 的 治 疗 参 数, 需 要 检 查 此 项 检 查 建 议 由 物 理 人 员 测 试, 维 修 人 员 调 整 (8) 吸 收 剂 量 的 校 准 吸 收 剂 量 也 是 一 个 重 要 的 治 疗 参 数, 建 议 由 物 理 人 员 测 试, 维 修 人 员 调 整 (9) 辐 射 野 的 均 整 度 和 对 称 性 常 规 照 射 要 求 辐 射 野 均 整 且 对 称, 此 项 目 也 建 议 由 物 理 人 员 测 试, 维 修 人 员 调 整 (10) 紧 急 开 关 紧 急 开 关 用 来 在 紧 急 情 况 下 保 证 病 人 和 设 备 的 安 全, 必 须 定 期 检 查, 以 保 证 在 紧 急 情 况 下 能 切 断 射 线 停 止 机 械 的 运 动 (11) 安 全 联 锁 加 速 器 有 很 多 为 保 证 病 人 和 设 备 的 安 全 的 联 锁 装 置, 这 些 联 锁 完 成 才 能 开 机 出 束, 要 定 期 检 查 这 些 装 置 的 工 作 是 否 可 靠 (12) 超 剂 量 率 保 护 在 治 疗 中, 如 果 出 现 了 超 剂 量 率 会 给 病 人 造 成 无 法 预 料 的 伤 害, 故 对 此 项 应 做 认 真 检 查 (13) 运 动 系 统 的 各 限 位 开 关 运 动 系 统 的 各 限 位 开 关 必 须 工 作 可 靠, 否 则 会 损 坏 运 动 系 统 (14)AFC 系 统 要 检 查 当 系 统 失 谐 后 能 否 自 动 拉 回 到 正 常 工 作 状 态 (15) 高 压 系 统 要 检 查 高 压 系 统 的 电 器 参 数 是 否 在 规 定 范 围 之 内, 各 种 保 护 电 路 是 否 工 作 可 靠 (16) 水 冷 系 统 要 检 查 内 外 循 环 水 的 数 量 和 质 量, 有 无 水 泄 漏 及 散 热 器 的 工 作 是 否 正 常 要 定 期 清 洗 或 更 换 水 过 滤 器 (17) 医 用 电 子 加 速 器 各 部 分 的 清 洁 卫 生 高 压 电 路 的 灰 尘 会 造 成 打 火, 一 般 电 路 的 灰 尘 会 造 成 接 触 不 良, 散 热 部 分 的 灰 尘 会 影 响 散 热, 机 器 表 面 的 灰 尘 会 影 响 观 瞻, 故 机 器 的 清 洁 卫 生 也 是 不 容 忽 视 的 (18) 机 械 运 动 部 分 的 润 滑 和 机 械 运 动 部 分 磨 损 的 检 查 3. 准 备 工 作 医 用 电 子 加 速 器 出 了 故 障, 尽 快 修 好 它 是 每 个 维 修 人 员 的 愿 望, 但 必 须 事 先 做 好 充 分 的 准 备 才 能 实 现 此 愿 望 准 备 工 作 包 括 如 下 几 项 :

160 (1) 维 修 工 具 常 用 工 具 如 电 烙 铁 钳 子 扳 手 和 改 锥 等 常 用 仪 表 和 仪 器 如 万 用 表 高 压 表 调 压 器 和 示 波 器 等 专 用 仪 器 和 工 具 如 剂 量 仪 三 维 水 箱 延 长 板 等 (2) 图 纸 维 修 人 员 应 在 平 时 充 分 利 用 时 间 熟 悉 图 纸 (3) 电 器 参 数 的 正 常 值 和 波 形 平 日 机 器 工 作 正 常 时, 尽 量 设 法 测 出 有 关 测 试 点 的 参 数 或 波 形, 以 便 在 修 理 时 进 行 比 较 4. 常 用 的 维 修 方 法 (1) 观 察 法 充 分 利 用 眼 耳 和 鼻 来 感 知 故 障 的 现 象, 根 据 感 知 的 现 象 进 行 判 断 和 修 理 (2) 分 段 检 测 法 对 怀 疑 的 线 路 分 段 进 行 检 测 (3) 置 换 法 对 怀 疑 的 元 件 或 电 路 板 用 备 品 置 换 (4) 交 换 法 有 相 同 功 能 的 两 个 电 路, 可 交 换 连 接 以 找 出 损 坏 的 部 位 ( 二 ) 常 规 维 护 和 维 修 工 作 举 例 维 护 人 员 应 具 备 开 展 以 下 常 规 工 作 的 能 力 在 实 际 工 作 中, 根 据 所 使 用 机 器 的 具 体 情 况, 应 不 断 总 结 和 提 高, 达 到 熟 练 掌 握 灵 活 应 用 和 确 保 安 全 的 目 的 1. 晨 检 维 修 人 员 在 每 天 第 一 次 治 疗 之 前 须 填 写 晨 检 数 据 表 的 每 一 栏, 并 与 标 准 值 相 比 较, 该 记 录 可 用 于 : (1) 检 查 机 器 稳 定 性 ; (2) 发 现 潜 在 的 故 障 ; (3) 作 为 原 始 数 据 2. 紧 急 开 关 测 试 紧 急 开 关 必 须 每 周 检 查 一 次, 检 查 步 骤 如 下 : (1) 机 器 低 压 启 动 后, 操 作 手 控 盒 启 动 任 意 运 动 部 件 运 动 ; (2) 随 机 按 下 治 疗 床 旁 或 治 疗 室 墙 壁 上 或 控 制 室 内 的 紧 急 开 关 ; (3) 观 察 机 器 的 运 动 是 否 停 止 手 控 盒 的 操 作 是 否 失 效 控 制 室 机 器 状 态 显 示 是 否 符 合 厂 家 规 定 的 要 求 ; (4) 观 察 被 按 下 的 紧 急 开 关 是 否 始 终 处 在 自 锁 状 态 ; (5) 再 次 按 下 处 在 自 锁 状 态 的 紧 急 按 钮 ( 解 除 自 锁 状 态 ), 按 厂 家 规 定 的 操 作 程 序 恢 复 设 备 的 正 常 状 态, 观 察 机 器 是 否 按 规 定 的 程 序 恢 复 正 常 ; (6) 可 重 复 步 骤 (1) (5), 逐 一 检 查 所 有 的 紧 急 开 关 是 否 正 常 ; (7) 把 每 一 次 紧 急 开 关 的 测 试 及 结 果 记 录 在 技 术 档 案 上 3. 校 准 光 距 尺 (1) 校 准 测 试 方 法 : 按 照 测 试 条 件, 将 测 量 结 果 填 入 记 录 表, 如 果 偏 差 超 出 规 定 要 求, 调 整 光 距 尺 直 至 符 合 要 求 (2) 维 修 当 按 下 光 距 尺 按 钮 后, 能 听 到 继 电 器 动 作 声 音, 但 光 距 尺 灯 不 亮, 则 可 能 是 卤 钨 灯 烧 坏 如 需 要 换 灯 泡, 步 骤 如 下 : a. 拆 掉 相 应 的 设 备 外 罩 ;

161 b. 拧 开 光 距 尺 后 部 的 固 定 筒, 拆 下 灯 座 和 灯 泡 ; c. 观 察 灯 泡 是 如 何 安 在 插 座 里 的, 然 后 拔 下 灯 泡 ; d. 把 新 灯 泡 换 上, 并 使 它 安 装 在 插 座 里 的 位 置 如 前 ; e. 安 装 灯 座 ; f. 校 难 光 距 尺 ; g. 将 拆 下 的 外 罩 复 位 4. 校 准 光 野 (1) 校 准 使 用 胶 片 曝 光 法, 检 查 胶 片 上 显 示 的 辐 射 野 与 光 野 测 量 尺 寸 之 间 的 误 差 如 果 达 不 到 规 定 要 求, 调 节 光 野 灯 直 到 达 到 要 求 (2) 维 修 当 按 下 光 野 灯 按 钮 后, 能 听 到 继 电 器 动 作 声 音, 但 光 野 灯 不 亮, 则 可 能 是 卤 钨 灯 烧 坏 如 需 要 换 灯 泡, 步 骤 如 下 : a. 拆 掉 相 应 的 设 备 外 罩 ; b. 拆 下 光 野 灯 座 和 灯 泡 ; c. 观 察 灯 泡 是 如 何 安 装 在 插 座 里 的, 然 后 拔 下 灯 泡 ; d. 把 新 灯 泡 换 上, 并 使 它 安 装 在 插 座 里 的 位 置 如 前 ; e. 安 装 灯 座 ; f. 接 通 光 野 灯 电 源, 如 果 野 的 照 度 不 均 匀 或 暗 淡 就 应 调 整 灯 在 灯 座 中 的 位 置, 使 灯 丝 位 于 主 光 轴 检 查 辐 射 野 和 对 应 的 光 野 尺 寸 的 误 差 ; g. 将 拆 下 的 外 罩 复 位 ; 5. 校 准 激 光 灯 (1) 找 出 加 速 器 的 等 中 心, 做 好 合 适 的 指 示 ; (2) 按 生 产 厂 家 随 机 文 件 中 规 定 的 调 试 方 法 校 准 激 光 灯 ; (3) 检 查 激 光 灯 指 示 偏 差 6. 核 准 读 数 检 查 刻 度 盘 的 读 数 是 否 与 数 显 指 示 一 致, 如 果 不 一 致, 调 整 数 显 读 数, 直 到 与 刻 度 盘 的 读 数 偏 差 小 于 规 定 要 求 7. 恒 温 水 系 统 保 养 (1) 清 洗 水 过 滤 器 中 的 过 滤 网 ; (2) 清 理 冷 凝 器 表 面 的 灰 尘 ; (3) 更 换 水 箱 内 部 的 水 ; (4) 检 查 旋 转 机 架 内 部 是 否 有 漏 水 迹 象 8. 运 动 系 统 检 查 运 动 系 统 的 电 机 运 动, 主 要 内 容 包 括 : (1) 检 查 各 运 动 控 制 是 否 正 常, 运 动 是 否 平 稳 ; (2) 检 查 所 有 运 动 的 限 位 开 关 是 否 有 效 ; (3) 检 查 旋 转 驱 动 系 统 安 装 位 置 有 无 变 化, 各 固 定 螺 栓 有 无 松 动 ; (4) 检 查 齿 形 带, 链 条 链 轮 的 磨 损 情 况, 如 发 现 同 步 齿 形 带 和 链 条 松 弛 应 及 时 收 紧 ; (5) 检 查 谐 波 减 速 器 有 无 渗 油 现 象, 在 机 器 开 始 工 作 的 第 一 个 半 年 后, 因 减 速 器 经 过 磨 合, 应 放 尽 减 速 器 的 润 滑 油, 换 上 随 机 配 给 的 谐 波 减 速 器 专 用 润 滑 油 ; (6) 检 查 直 流 电 机 的 电 刷 是 否 损 坏, 必 要 时 进 行 更 换 ; (7) 用 高 质 量 的 机 油 润 滑 所 有 轴 承 齿 轮 和 链 条, 用 不 起 毛 的 布 小 心 地 擦 掉 剩 余 的 油 ; (8) 检 查 转 盘 齿 轮 箱 和 驱 动 系 统 是 否 有 磨 损 ;

162 9. 控 保 系 统 (1) 检 查 所 有 控 制 键 和 开 关 的 机 械 性 能 是 否 完 好 ; (2) 检 查 各 电 气 连 接 器 是 否 可 靠 ; (3) 检 查 机 架 后 部 电 缆 和 水 气 管 线 的 扭 拉 滑 动 和 磨 损 的 情 况 ; (4) 光 野 灯 和 光 距 尺 灯 的 电 器 插 头 ; (5) 带 状 电 缆 是 否 有 损 伤, 如 果 必 要 可 更 换 10. 充 气 系 统 (1) 检 查 气 管 线 接 头 处 有 无 渗 漏 现 象 ; (2) 检 查 气 瓶 中 气 体 是 否 有 足 够 储 存 11. 附 件 检 查 附 件 是 否 有 损 坏 或 松 动 12. 高 压 电 路 (1) 检 查 高 压 电 路 是 否 有 打 火 痕 迹 ; (2) 高 压 电 容 是 否 漏 油 ; (3) 接 线 端 子 是 否 有 松 动 13. 更 换 反 光 镜 当 发 现 灯 光 野 严 重 畸 变 或 亮 度 明 显 减 弱 时, 应 考 虑 更 换 反 光 镜 更 换 时, 请 仔 细 阅 读 厂 家 的 说 明 书, 严 格 按 相 关 的 工 作 步 骤 操 作 反 光 镜 更 换 后 必 须 重 新 校 准 灯 光 野 14.AFC 系 统 的 维 护 与 调 节 AFC 系 统 由 于 稳 频 精 度 要 求 高, 需 要 及 时 调 整 系 统 内 各 元 器 件 性 能 指 标 发 生 的 微 小 变 化 对 稳 频 精 度 的 影 响 为 保 证 稳 频 系 统 能 长 期 稳 定 工 作, 应 由 有 经 验 的 维 修 人 员 定 期 进 行 调 试 维 修 人 员 在 厂 家 现 场 培 训 时, 应 特 别 注 意 学 习 AFC 系 统 的 维 护 与 调 节 技 术 15. 清 洁 (1) 用 湿 布 清 洁 罩 壳 和 治 疗 床 床 面, 去 除 污 斑 时 也 可 以 用 中 性 的 洗 涤 剂 ; (2) 用 干 净 棉 纱 或 毛 巾 擦 拭 其 他 表 面, 油 污 处 用 少 量 洗 涤 剂 擦 拭 ; (3) 用 无 毛 绸 布 擦 去 零 件 上 的 尘 土 与 油 泥 ; (4) 用 细 软 绸 布 擦 去 反 射 镜 及 其 他 透 光 部 分 的 尘 土 ; (5) 检 查 调 制 器 顶 部 换 气 扇 过 滤 器, 洗 干 净, 晾 干 以 后 放 回 原 处 16. 预 防 性 维 护 (1) 调 整 机 器 时, 应 参 照 以 往 的 记 录 参 数 ; (2) 记 录 机 器 参 数 和 波 形 参 数, 并 与 最 初 安 装 及 最 近 一 次 维 修 时 的 参 数 作 比 较 ; (3) 清 点 备 用 零 件, 定 购 短 缺 零 件

163 第 十 八 节 辐 射 防 护 及 治 疗 室 规 划 设 计 电 子 直 线 加 速 器 治 疗 室 是 使 用 电 子 直 线 加 速 器 进 行 放 射 治 疗 的 必 备 设 施 治 疗 室 设 计 的 好 坏 不 仅 影 响 使 用, 更 影 响 医 务 人 员 及 周 围 公 众 的 健 康 和 安 全 电 子 直 线 加 速 器 治 疗 室 是 否 符 合 使 用 要 求, 主 要 是 治 疗 室 的 面 积 高 度 迷 路 宽 度 辅 助 用 房 水 电 供 应 室 内 温 湿 度 以 及 灯 光 照 明 等 为 保 证 人 员 的 健 康 和 安 全, 除 了 机 械 和 电 气 安 全 外, 主 要 是 辐 射 屏 蔽 安 全 联 锁 及 因 辐 射 产 生 的 有 害 气 体 的 排 除 有 关 医 用 电 子 直 线 加 速 器 治 疗 室 使 用 要 求 的 内 容 随 加 速 器 的 型 号 而 变 化, 且 各 医 用 电 子 直 线 加 速 器 生 产 厂 家 均 有 相 关 的 随 机 文 件 给 用 户, 本 节 不 涉 及 这 方 面 的 内 容 本 节 仅 讨 论 辐 射 防 护 及 治 疗 室 规 划 设 计 本 节 的 设 计 原 则 及 方 法 亦 适 用 于 其 他 类 型 医 用 电 子 加 速 器 如 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 等 一 辐 射 防 护 体 系 辐 射 防 护 的 主 要 目 的 是 为 人 类 提 供 一 个 适 宜 的 防 护 标 准 而 不 致 过 分 地 限 制 产 生 辐 射 照 射 的 有 益 的 实 践 防 护 标 准 的 宗 旨 在 于, 防 止 有 害 的 确 定 性 效 应 并 将 随 机 性 效 应 的 概 率 降 低 到 可 以 接 受 的 水 平 辐 射 防 护 是 一 个 不 可 分 割 的 完 整 体 系, 包 括 辐 射 实 践 正 当 化 辐 射 防 护 最 优 化 及 个 人 剂 量 限 值 二 医 用 电 子 直 线 加 速 器 治 疗 室 的 辐 射 屏 蔽 设 计 ( 一 ) 医 用 加 速 器 治 疗 室 设 计 准 则 放 射 治 疗 部 门 的 建 筑, 因 放 疗 设 备 所 产 生 的 辐 射 而 带 来 防 护 问 题, 具 有 其 特 殊 性, 常 常 作 为 医 院 的 一 个 独 立 单 元 来 进 行 设 计 在 放 射 治 疗 领 域 中, 要 采 用 适 当 的 安 全 设 计 合 格 的 设 备 及 严 格 的 操 作 规 定, 防 止 事 故 的 发 生 或 降 低 其 后 果 的 严 重 性 辐 射 防 护 及 事 故 预 防 必 须 是 设 备 和 建 筑 设 计 及 其 生 产 安 装 和 使 图 直 线 加 速 器 治 疗 室 设 计 图 用 的 不 可 缺 少 的 部 分 医 疗 设 备 必 须 安 全 有 效, 符 合 相 关 的 安 全 标 准 放 射 治 疗 设 备 中 通 过 多 种 联 锁 装 置 自 动 拒 绝 设 定

164 指 标 外 的 指 令 或 对 指 令 的 合 法 性 提 问 来 防 止 工 作 人 员 的 误 操 作 放 射 治 疗 设 备 安 装 和 大 修 后 应 进 行 刻 度, 日 常 使 用 中 应 定 期 用 标 准 的 程 序 进 行 校 准, 以 防 止 性 能 指 标 和 剂 量 的 明 显 改 变 在 治 疗 程 序 中, 应 有 独 立 的 步 骤 确 认 患 者 及 其 相 关 的 参 数, 然 后 才 能 发 出 辐 照 的 指 令 放 射 治 疗 室 的 辐 射 防 护 措 施, 必 须 与 主 体 工 程 同 时 设 计 审 批 同 时 施 工 同 时 验 收 使 用, 具 体 设 计 如 图 辐 射 对 人 体 的 照 射 方 式 有 外 照 射 和 内 照 射 外 照 射 是 体 外 辐 射 源 对 人 体 的 照 射, 而 内 照 射 是 指 进 入 体 内 的 放 射 性 核 素 对 人 体 的 照 射 电 子 直 线 加 速 器 一 般 情 况 下 只 有 外 照 射 外 照 射 的 防 护 原 则 是, 缩 短 照 射 时 间 增 大 与 辐 射 源 的 距 离 以 及 在 人 与 辐 射 源 之 间 设 置 防 护 屏 蔽 由 于 放 射 治 疗 中 使 用 的 辐 射 源 强 度 大, 放 射 治 疗 室 的 大 小 有 限, 又 不 能 远 离 人 群, 因 此, 放 射 治 疗 室 的 主 要 防 护 措 施 是 设 置 足 够 的 屏 蔽 电 子 直 线 加 速 器 可 发 射 电 子 束 X 射 线, 当 加 速 电 子 能 量 足 够 高 时 可 产 生 中 子 医 用 电 子 直 线 加 速 器 均 使 用 X 射 线 或 同 时 使 用 电 子 线 和 X 射 线, 而 X 射 线 对 屏 蔽 的 要 求 高, 因 此, 在 治 疗 室 设 计 中, 一 般 只 估 算 X 射 线 及 中 子 线 所 需 的 屏 蔽 ( 二 ) 治 疗 室 防 护 要 求 根 据 医 用 电 子 加 速 器 卫 生 防 护 标 准 (GBZ ) 要 求, 治 疗 室 设 计 要 求 如 下 : 1. 治 疗 室 选 址 和 建 筑 设 计 必 须 符 合 相 应 的 放 射 卫 生 防 护 法 规 和 标 准 要 求, 保 障 周 围 环 境 安 全 2. 有 用 线 束 直 接 投 照 的 防 护 墙 ( 包 括 天 棚 ) 按 初 级 辐 射 屏 蔽 要 求 设 计, 其 余 墙 壁 按 次 级 辐 射 屏 蔽 要 求 设 计 3. 穿 越 防 护 墙 的 导 线 导 管 等 不 得 影 响 其 屏 蔽 防 护 效 果 4.X 射 线 标 称 能 量 超 过 10MeV 的 加 速 器, 屏 蔽 设 计 应 考 虑 中 子 辐 射 防 护 5. 治 疗 室 和 控 制 室 之 间 必 须 安 装 监 视 和 对 讲 设 备 6. 治 疗 室 应 有 足 够 的 使 用 面 积 7. 治 疗 室 入 口 处 必 须 设 置 防 护 门 和 迷 路, 防 护 门 必 须 与 加 速 器 联 锁 8. 治 疗 室 外 醒 目 处 必 须 安 装 辐 照 指 示 灯 及 辐 射 危 险 标 志 9. 治 疗 室 通 风 换 气 次 数 应 达 到 每 小 时 3~4 次 ( 三 ) 现 代 放 射 治 疗 建 筑 设 计 原 则 放 疗 建 筑 的 设 计 应 该 从 射 线 源 的 类 型, 设 备 本 身 的 要 求, 医 院 管 理 的 方 便, 治 疗 效 率 的 提 高 以 及 环 境 条 件 等 多 方 面 综 合 考 虑, 并 力 求 安 静, 美 化 1. 辐 射 防 护 由 各 种 放 射 性 同 位 素 源 以 及 加 速 器 X 射 线 机 所 产 生 的 γ 射 线,X 射 线 电 子 线 都 可 能 对 正 常 人 体 造 成 机 体 方 面 和 遗 传 方 面 的 效 应, 其 辐 射 的 剂 量 必 需 控 制 在 国 家 规 定 的 标 准 之 内 加 速 器 的 某 些 部 件, 如 调 制 器 和 磁 控 管 都 会 产 生 相 当 强 度 的 微 波 辐 射, 也 是 应 当 加 以 控 制 和 屏 蔽 的 对 放 射 治 疗 建 筑 物 的 防 护 设 计, 可 以 参 考 各 制 造 厂 家 提 供 的 建 筑 图 纸, 请 当 地 国 家 计 量 部 门 或 防 疫 部 门 进 行, 也 可 自 行 设 计, 但 最 后 都 必 须 经 各 级 管 理 部 门 复 核 审 定 当 建 筑 建 成, 设 备 运 行 以 后, 还 应 请 他 们 测 定 射 线 漏 剂 量, 其 结 果 必 须 符 合 国 家 的 安 全 防 护 规 定, 并 必 须 领 取 使 用 许 可 证 后 才 可 使 用 2. 治 疗 效 率 为 了 提 高 工 作 人 员 效 率, 减 少 危 重 病 人 的 搬 移, 应 尽 量 将 放 射 诊 断 模 拟 定 位 和 放 射 治 疗 这 几 台 设 备 就 近 安 置 在 较 重 的 治 疗 负 荷 下, 放 疗 技 术 员 在 摆 位 和 开 机 中 的 工 作 是 十 分 辛 劳 的, 放 疗 设 备 的 治 疗 室 和 控 制 室 之 间 的 行 走 距 离 要 尽 可 能 缩 短 3. 灭 菌 一 些 文 献 证 明, 对 于 手 术 切 除 不 彻 底 的 肿 瘤 部 位 和 转 移 淋 巴 结 进 行 术 中 照 射 可 以 提 高 控 制 率, 开 展 得 比 较 多 的 是 胃 肠 膀 恍 等 部 位 的 肿 瘤 这 就 要 求 加 速 器 的 治 疗 室 还 要 为 术 中 照 射 时 的 灭 菌 要 求 提 供 方 便, 对 于 需 要 考 虑 术 中 照 射 的 治 疗 室 应 设 置 紫 外 线 灭 菌 灯 洗 手 盆 等 简 易 设 备

165 4. 照 明 医 用 加 速 器 在 给 病 人 摆 位 时, 以 模 拟 灯 光 野 和 光 距 尺 定 位, 此 时 需 将 治 疗 室 内 灯 光 减 暗, 而 摆 位 结 束 后, 又 需 增 强 室 内 照 明, 因 而 治 疗 室 内 的 灯 光 是 频 繁 启 动 变 换 的 在 做 治 疗 室 照 明 设 计 时, 需 考 虑 这 一 需 要, 选 用 有 足 够 强 度 的 白 炽 灯 光, 不 宜 选 用 萤 光 灯 做 照 明 光 源 5. 监 督 管 理 为 了 防 止 有 人 误 入 正 在 治 疗 中 的 放 射 区 域, 应 考 虑 所 有 可 能 进 入 射 线 区 域 的 通 道 都 时 刻 处 于 工 作 人 员 的 监 视 下, 治 疗 室 的 大 门 应 设 置 连 锁 装 置, 如 果 放 疗 进 行 之 中, 大 门 被 打 开, 治 疗 应 能 立 刻 自 动 中 断, 治 疗 室 门 口 还 应 设 置 射 线 警 告 灯 6. 高 频 屏 蔽 和 接 地 直 线 加 速 器 的 调 制 器 感 应 加 速 器 的 变 频 装 置 都 可 能 对 附 近 的 通 讯 线 路 和 电 子 仪 器 产 生 电 磁 干 扰, 应 当 采 取 适 当 屏 蔽 措 施 直 线 加 速 器 的 脉 冲 高 压, 数 值 可 达 数 十 KV, 因 而 整 个 防 护 建 筑 还 必 须 要 妥 善 接 地, 一 般 的 做 法 是 将 防 护 室 的 钢 筋 焊 成 一 体 后, 再 通 过 接 地 棒 接 地, 其 接 地 电 阻 一 般 不 应 大 于 恒 温 象 直 线 加 速 器 这 样 的 放 疗 设 备 对 温 度 有 严 格 要 求, 加 速 管 的 工 作 温 度 仅 允 许 有 ±1 的 误 差, 虽 然 机 器 本 身 已 采 用 了 自 动 控 温 系 统, 但 在 冬 夏 两 季 如 果 室 内 温 度 与 机 器 的 正 常 工 作 温 度 相 差 10 以 上 时, 自 动 控 温 系 统 往 往 不 能 正 常 工 作, 因 而 治 疗 室 的 温 度 应 控 制 在 20~30 范 围 之 内 装 设 治 疗 计 划 系 统 TPS 及 计 算 机 CT 断 层 扫 描 机 的 建 筑, 则 应 根 据 制 造 厂 家 要 求, 提 供 更 严 格 的 温 度, 湿 度 和 防 尘 设 施 8. 通 风 感 应 加 速 器 直 线 加 速 器 的 高 能 粒 子 流 在 工 作 时 都 会 在 束 流 引 出 窗 附 近 引 起 空 气 电 离, 产 生 臭 氧 气 体 臭 氧 具 有 腐 蚀 性, 如 不 及 时 排 除, 将 对 机 器 造 成 严 重 腐 蚀 氧 化 甚 至 蚀 穿 引 出 窗 造 成 真 空 破 坏, 加 速 管 外 露 大 气 等 严 重 事 故 此 外, 臭 氧 对 人 体 也 是 一 种 有 害 气 体, 室 内 臭 氧 含 量 应 不 超 过 国 家 有 关 规 定 为 此, 治 疗 室 必 需 设 置 通 风 设 施, 将 室 内 含 有 臭 氧 气 体 抽 出 室 外, 并 注 意 到 臭 氧 比 重 大 于 空 气, 应 设 置 下 排 风 9. 环 境 与 美 化 近 年 不 少 文 献 都 报 道 了 患 者 的 心 理 状 态, 情 绪 等 主 观 因 素 对 癌 症 治 疗 的 影 响 因 而 放 射 建 筑 应 特 别 注 意 到 色 调 的 明 快, 室 内 布 局 的 艺 术 处 理, 有 的 甚 至 将 治 疗 室 与 天 井 巧 妙 地 结 合 起 来, 使 患 者 宛 如 置 身 于 庭 园 之 中, 轻 松 宁 静 地 完 成 治 疗 为 了 尽 量 减 少 机 器 在 运 行 时 的 嗓 音, 近 来 医 用 加 速 器 的 治 疗 室 多 采 取 了 吸 音 措 施, 如 在 场 上 开 吸 音 孔, 夹 层 内 填 充 玻 璃 纤 维 棉 等 10. 除 湿 加 速 器 中, 如 开 放 式 电 离 室 等 有 关 元 器 件 对 湿 度 有 很 高 的 要 求, 机 房 湿 度 应 不 大 于 50% 其 他 一 些 属 于 机 器 安 装 维 修 方 面 的 工 程 考 虑, 如 设 置 吊 轨 床 坑 或 预 留 机 器 的 施 工 洞 等 都 因 设 备 的 型 号 而 异, 由 各 厂 商 提 供 要 求 而 定 三 医 用 电 子 加 速 器 的 潜 在 照 射 及 辐 射 安 全 1. 加 速 器 安 装 时 的 潜 在 照 射 及 防 护 医 用 电 子 直 线 加 速 器, 特 别 是 高 能 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 其 安 装 调 试 期 间, 由 于 屏 蔽 外 壳 可 能 被 打 开, 电 子 束 的 准 直 不 好, 安 装 调 试 及 检 测 人 员 所 在 的 位 置 与 正 常 治 疗 时 不 同 等 原 因, 这 些 人 员 可 能 受 到 特 殊 的 潜 在 照 射 特 别 是 安 装 高 能 加 速 器 时, 受 到 中 子 的 照 射 为 此, 应 采 取 以 下 防 护 措 施 : (1) 在 每 一 安 装 步 骤 中, 加 强 工 作 人 员 所 在 的 控 制 区 的 辐 射 水 平 监 测, 特 别 是 中 子 辐 射 水 平 监 测 每 次 发 射 高 能 辐 射, 特 别 是 电 子 束 轰 击 出 束 缝 隙 或 偏 转 磁 铁 等 非 正 常 照 射 时, 都 要 确 定 在 这 种 条 件 下 的 中 子 辐 射 水 平 及 在 该 地 方 可 停 留 的 时 间 (2) 当 停 止 出 束 要 进 入 加 速 器 机 房 时, 要 监 测 加 速 器 机 房 内 的 感 生 放 射 性 热 点 及 机 房 的 一 般 本 底 水 平 (3) 如 果 工 作 区 域 的 中 子 辐 射 水 平 太 高, 应 考 虑 设 置 临 时 的 屏 蔽, 例 如 采 用 胶 合 板 屏 蔽

166 或 临 时 改 进 迷 路 的 作 用 (4) 加 强 工 作 人 员 的 个 人 剂 量 监 测, 并 记 录 这 段 时 间 中 接 受 的 照 射 剂 量 2. 加 速 器 治 疗 室 的 安 全 联 锁 系 统 加 速 器 是 一 台 大 型 辐 射 源 在 事 故 情 况 下, 可 能 使 患 者 或 工 作 人 员 受 到 致 命 的 伤 害 因 此, 加 速 器 本 身 有 一 整 套 安 全 联 锁 要 求 同 时, 为 了 防 止 工 作 人 员 在 加 速 器 照 射 时 误 入 治 疗 室, 在 治 疗 室 设 计 中 还 要 设 置 一 系 列 的 安 全 联 锁 装 置 和 警 告 信 号 (1) 加 速 器 治 疗 室 的 安 全 联 锁 装 置 要 求 简 单 安 全 和 可 靠 设 计 中 采 用 即 使 装 置 本 身 出 现 故 障, 仍 能 保 证 安 全 的 原 则 (2) 加 速 器 治 疗 室 的 人 身 安 全 系 统 是 多 重 的, 它 包 括 钥 匙 开 关 防 护 门 联 锁 急 停 开 关 声 光 信 号 辐 射 危 险 标 志 等 (3) 加 速 器 电 源 有 钥 匙 开 关, 只 有 钥 匙 开 关 就 位 后 才 能 打 开 电 源, 启 动 加 速 器 (4) 加 速 器 治 疗 室 防 护 门 设 电 磁 门 锁, 门 关 闭 后 才 能 进 行 照 射 照 射 时 无 法 开 门 出 束 过 程 中 如 果 门 被 打 开, 加 速 器 自 动 停 止 照 射 (5) 治 疗 室 门 口 及 迷 路 内 端 设 有 出 束 警 告 灯, 加 速 器 出 束 时, 工 作 人 员 不 得 开 门 万 一 在 开 门 的 情 况 下 出 束, 迷 路 内 端 的 警 告 灯 警 告 工 作 人 员 不 得 进 入 治 疗 室 治 疗 室 内 应 有 电 视 摄 像 监 控 系 统, 使 控 制 台 前 的 工 作 人 员 能 看 到 机 房 内 的 情 况, 以 防 止 工 作 人 员 误 照 (6) 为 防 止 摆 位 人 员 尚 未 出 来, 有 人 将 治 疗 室 门 关 闭, 造 成 误 照, 应 在 治 疗 室 内 及 其 门 口 设 置 急 停 开 关 及 复 位 开 关 每 次 开 门 后, 只 有 按 动 复 位 开 关, 才 能 进 行 下 一 次 照 射 (7) 如 果 中 子 防 护 门 设 置 在 迷 路 内 口, 中 子 防 护 门 应 与 加 速 器 的 高 能 工 作 档 联 锁, 以 保 证 在 使 用 高 能 辐 射 治 疗 时, 中 子 防 护 门 是 关 闭 的 (8) 剂 量 报 警 系 统 在 加 速 器 机 房 内 适 当 的 位 置 安 装 剂 量 报 警 器 当 加 速 器 停 机 后 剂 量 报 警 器 投 入 工 作, 若 加 速 器 按 正 常 程 序 停 机 无 误 时, 加 速 器 不 再 产 生 辐 射, 剂 量 报 警 器 不 会 发 出 报 警 信 号 若 加 速 器 进 行 停 机 操 作, 而 由 于 控 制 系 统 失 灵, 加 速 器 实 际 上 继 续 出 束, 此 时 加 速 器 辐 射 会 导 致 剂 量 报 警, 告 诫 工 作 人 员 禁 止 进 入, 同 时 迫 使 加 速 器 停 机 3. 微 波 辐 射 医 用 电 子 直 线 加 速 器 治 疗 室 的 设 备 间 有 微 波 发 生 器 组 件, 如 速 调 管 射 频 分 离 器 射 频 腔 和 连 接 波 导 等 由 于 这 些 设 备 的 漏 槽 开 缝 以 及 法 兰 连 接 处 的 泄 漏 等, 都 可 能 产 生 微 波 的 电 磁 辐 射 工 作 人 员 有 可 能 受 到 其 危 害 同 时, 有 些 加 有 高 电 压 的 真 空 器 件, 如 速 调 管 等, 还 会 发 射 X 射 线 对 于 这 些 场 所, 应 对 于 微 波 泄 漏 进 行 检 测, 以 保 证 在 人 员 工 作 的 场 所 微 波 辐 射 功 率 密 度 不 超 过 规 定 的 限 值 另 外, 在 医 用 电 子 直 线 加 速 器 机 房 中 还 存 在 其 他 非 辐 射 危 害 例 如 机 械 电 气 微 波 及 辐 射 产 生 的 有 害 气 体, 也 应 该 注 意 防 护 四 医 用 电 子 加 速 器 治 疗 室 的 验 收 和 监 测 加 速 器 治 疗 室 建 成, 加 速 器 设 备 安 装 完 成 后 首 先 要 认 真 检 查 安 全 联 锁 系 统 工 作 有 效, 之 后, 才 可 进 行 设 备 的 出 束 调 试 等 到 加 速 器 出 束 达 到 满 功 率 后, 应 对 以 下 设 备 及 治 疗 室 的 防 护 性 能 进 行 验 收 检 测 : 1. 加 速 器 辐 射 头 及 准 直 器 的 泄 漏 辐 射 加 速 器 验 收 时 应 检 测 其 辐 射 头 及 准 直 器 的 泄 漏 辐 射 辐 射 头 泄 漏 辐 射 包 括 距 靶 1m 的 治 疗 头 表 面 及 距 电 子 轨 道 1m 处 检 测 时 可 采 用 剂 量 仪 的 防 护 电 离 室 或 用 热 释 光 剂 量 计 测 量 点 应 在 巡 测 的 基 础 上, 选 择 包 括 辐 射 水 平 最 高 的 点 或 设 置 足 够 多 的 检 测 点, 例 如 距 靶 1m 的 球 体 上 至 少 设 置 25 个 点 检 测 准 直 器 的 泄 漏 辐 射 时, 分 最 大 射 野 外 和 射 野 内 射 野 外 测 量 以 等 中 心 为 圆 心, 分 别 在 0.5m 1m 2m 为 半 径 的 圆 周 上 找 24 个 检 测 点 射 野 内 则 要 分 别 检 测 上 下 钨 门 的 屏 蔽 效

167 果 进 行 辐 射 头 及 治 疗 平 面 上 最 大 射 野 外 的 泄 漏 辐 射 检 测 时, 应 全 部 关 闭 准 直 器, 并 用 3 个 1/10 值 层 的 铅 塞 入 余 下 的 空 隙 中 检 测 上 下 钨 门 的 屏 蔽 效 果 时, 分 别 关 闭 上 钨 门, 将 下 钨 门 完 全 打 开 或 关 闭 下 钨 门, 将 上 钨 门 完 全 打 开 关 闭 的 钨 门 中 间 的 缝 隙 也 要 用 3 个 1/10 值 层 的 铅 塞 入 2. 中 子 污 染 水 平 检 测 加 速 器 的 中 子 污 染 最 好 采 用 第 二 节 的 方 法, 用 经 慢 化 的 金 箔 或 钢 箔 活 化 法 检 测 超 热 中 子 注 量, 计 算 直 射 中 子 能 量 并 拒 一 定 的 换 算 系 数 换 算 为 吸 收 剂 量, 然 后, 与 等 中 心 处 的 有 用 线 束 的 x 射 线 吸 收 剂 量 比 较, 看 最 大 中 子 污 染 是 否 超 过 有 用 线 束 的 0.05%, 其 平 均 值 是 否 超 过 有 用 线 束 的 0.02% 3. 治 疗 室 外 X 射 线 泄 漏 检 测 治 疗 室 外 的 泄 漏 辐 射 水 平 时, 要 使 用 足 够 灵 敏 的 防 护 剂 量 仪 ( 最 小 刻 度 的 满 量 程 为 10 必 /h) 检 测 点 应 在 全 面 巡 测 的 基 础 上 选 择 辐 射 水 平 较 高 的 点 及 有 代 表 的 点, 例 如, 有 用 线 束 直 射 处 有 用 线 束 边 缘 泄 漏 辐 射 照 射 点 防 护 门 中 间 及 边 缘 管 道 出 人 口 治 疗 室 顶 部 的 泄 漏 辐 射 可 能 照 射 到 的 部 位 或 天 空 散 射 可 能 照 射 到 的 地 带 4. 治 疗 室 外 中 子 辐 射 泄 漏 当 加 速 器 使 用 能 量 高 于 10MeV 的 X 射 线 时, 要 检 测 治 疗 室 外, 特 别 是 防 护 门 外 的 中 子 泄 漏 治 疗 室 外 的 中 子 辐 射 水 平 可 以 用 中 子 当 量 剂 量 仪 进 行 测 量 这 种 剂 量 仪 是 一 种 用 中 子 当 量 剂 量 慢 化 球 将 各 种 能 量 的 中 子 慢 化 为 热 中 子 后, 用 BF3 计 数 管 或 中 子 闪 烁 计 数 器 进 行 测 量 的 仪 器 其 特 点 是 仪 器 对 于 各 种 能 量 的 中 子 的 当 量 剂 量 响 应 一 致 5. 辐 射 头 附 近 的 感 生 放 射 性 辐 射 水 平 辐 射 头 附 近 的 感 生 放 射 性 水 平 与 加 速 器 的 中 子 污 染 水 平 工 作 负 荷 及 停 机 后 的 时 间 间 隔 有 关 一 般 检 测 停 机 后 立 即 进 入 机 房 时 辐 射 头 附 近 的 感 生 放 射 性 水 平 进 行 上 述 检 测 时, 应 注 意 以 下 问 题 : (1) 混 合 辐 射 场 10MeV 以 上 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 都 存 在 中 子 污 染, 检 测 时 应 考 虑 中 子 和 X 射 线 混 合 场 问 题 因 此, 当 检 测 一 种 射 线 时, 必 须 考 虑 仪 器 对 另 一 种 射 线 的 甄 别 能 力 在 评 价 辐 射 水 平 时, 也 要 考 虑 两 种 射 线 的 复 合 作 用 (2) 辐 射 水 平 量 程 很 宽 由 于 加 速 器 设 施 内 外 不 同 区 域 的 辐 射 水 平 可 能 相 差 几 个 数 量 级, 因 此 所 选 择 的 仪 器 要 有 足 够 宽 的 测 量 范 围 一 种 仪 器 往 往 不 可 能 具 有 这 样 宽 的 测 量 范 围, 或 在 这 样 宽 的 范 围 内 读 数 不 可 靠, 因 此, 一 台 加 速 器 应 同 时 配 备 低 辐 射 水 平 和 高 辐 射 水 平 的 仪 器 (3) 高 频 电 磁 场 的 干 扰 医 用 电 子 直 线 加 速 器 可 能 有 较 强 的 电 磁 场, 辐 射 探 测 器 会 受 到 电 磁 场 的 干 扰, 使 其 读 数 不 可 靠 甚 至 失 效 因 此, 探 头 和 电 子 线 路 要 采 用 防 电 磁 干 扰 的 屏 蔽 措 施 及 很 好 的 接 地 措 施 使 用 不 受 电 磁 干 扰 的 检 测 方 法

168 第 二 十 节 医 用 加 速 器 吸 收 剂 量 的 测 量 高 能 光 子 与 电 子 束 在 水 模 体 中 的 吸 收 剂 量 测 算 和 对 加 速 器 的 校 准 是 放 射 治 疗 剂 量 学 中 的 一 项 重 要 内 容, 它 将 直 接 影 响 到 肿 瘤 的 受 照 剂 量 和 治 疗 效 果 因 此, 国 际 国 内 有 一 系 列 标 准 规 程 规 范 方 法 建 议 等 详 细 介 绍 测 量 校 准 方 法 目 前 采 用 的 是 国 际 原 子 能 机 构 277 号 报 告 (International Atomic Energy Agency Technical reports series No 277,IAEA TRS 277) 中 提 出 的 方 法 一 校 准 器 具 1. 电 离 室 剂 量 计 (Dosemeter with ionization chambers) 电 离 室 剂 量 计 ( 图 ) 是 以 电 离 室 为 探 测 器 的 测 量 吸 收 剂 量 的 仪 器 电 离 室 剂 量 计 通 常 由 一 个 或 几 个 电 离 室 及 平 衡 帽 测 量 单 元 和 稳 定 性 检 验 源 组 成 2. 射 线 束 分 析 仪 图 电 离 室 剂 量 计 射 线 束 分 析 仪 通 常 有 二 维 水 箱 ( 图 ) 和 三 维 水 箱 图 二 维 水 箱 系 统 图 中 所 示 为 三 维 水 箱 二 维 水 箱 系 统 包 括 二 维 水 箱 剂 量 仪 电 离 室 及 数 据 线 等 三 维 水 箱 系 统 包 括 三 维 水 箱 及 升 降 平 台 剂 量 仪 控 制 软 件 和 计 算 机 等 三 维 水 箱 系 统 是 现 在 提 倡 使 用 的 剂 量 测 量 仪 器 3. 三 维 水 箱 的 控 制 软 件 和 计 算 机 用 来 控 制 电 离 室 剂 量 计 在 三 维 水 箱 中 的 运 动 方 向, 使 电 离 室 可 以 在 X 轴 Y 轴 Z 轴 甚 至 任 意 方 向 运 动, 从 而 得 出 一 系 列 的 吸 收 剂 量 曲 线 4. 三 维 水 箱 实 例 图 三 维 水 箱 a 升 降 台 b 图 为 Blue Phantom 兰 色 三 维 水 箱, 其 技 术 参 数 为 : 扫 描 范 围 : cm 扫 描 速 度 :15mm/sec 重 复 性 :0.1mm 扫 描 精 度 :±0.5mm 系 统 由 扫 描 水 箱, 升 降 平 台, 储 水 车,TMR 测 量 装 置, 静 电 计 组 成 : (1) 胶 片 剂 量 系 统 : 1 胶 片 与 TPS 的 剂 量 验 证 2 与 RW3 固 体 水 体 模 配 套 使 用, 作

169 IMRT 剂 量 验 证 3 MLC 质 量 验 证 ( 静 态 ) 4 加 速 器 参 数 QA 验 证 (2) 实 时 剂 量 验 证 系 统 : 1 与 I mrt QA 二 维 实 时 辐 射 场 分 析 仪 配 套 作 实 时 剂 量 分 析 验 证 2 动 态 MLC QA 分 析 3 光 野 与 射 野 重 合 性 分 析 3 加 速 器 动 态 束 流 分 析 4IMRT 实 时 验 证 (3) 支 持 DICOM RT 和 RTOG (4) 支 持 VIDAR KODAK 扫 描 仪 (5)WINDOWS 界 面, 有 与 各 品 牌 TPS 的 接 口 图 Blue Phantom 兰 色 三 维 水 箱 二 辐 射 量 1. 吸 收 剂 量 一 般 来 说, 物 质 在 电 离 辐 射 照 射 下 的 变 化 与 其 吸 收 的 电 离 辐 射 的 能 量 即 吸 收 剂 量 有 关, 吸 收 剂 量 可 以 适 用 于 任 何 种 类 的 电 离 辐 射 在 医 学 物 理 学 领 域, 人 们 最 关 心 的 总 是 人 体 正 常 组 织 和 肿 瘤 的 吸 收 剂 量, 通 称 组 织 吸 收 剂 量 然 而 直 接 测 量 组 织 吸 收 剂 量 是 不 可 能 的, 于 是 选 择 最 接 近 与 软 组 织 的 水 作 为 测 量 介 质, 称 作 参 考 物 质, 这 个 量 就 叫 水 吸 收 剂 量 因 此 如 果 不 特 殊 说 明 时, 吸 收 剂 量 一 词 是 指 水 吸 收 剂 量 计 量 系 统 中, 测 量 水 吸 收 剂 量 方 法 是 : 用 照 射 量 校 准 的 电 离 室 剂 量 计, 在 水 模 体 中 测 量, 通 过 计 算 转 换 而 来 2. 照 射 量 为 了 测 量 照 射 量, 质 量 元 必 须 足 够 小, 小 到 其 引 入 并 不 明 显 地 扰 动 光 子 场 因 此 自 由 空 间 中 或 不 同 于 空 气 的 某 一 物 质 内 一 点 的 照 射 量 就 是 在 被 研 究 的 某 一 点 处 放 置 少 量 空 气 所 测 出 的 随 机 量 以 C kg -1 为 单 位 测 量 的 照 射 量, 可 以 换 算 成 以 C kg -1 ( 或 Gy) 为 单 位 的 空 气 比 释 动 能, 换 算 中 主 要 考 虑 在 空 气 中 每 形 成 一 对 离 子 所 相 对 的 电 子 电 荷 所 消 耗 的 平 均 能 量 W/e 国 际 计 量 局 BIPM 电 离 辐 射 ( 标 准 ) 咨 询 委 员 会 第 Ⅰ 小 组 推 荐 干 燥 空 气 的 (W/e=33.97J C -1 ) 3. 空 气 比 释 动 能 空 气 比 释 动 能 是 当 确 定 空 气 为 测 量 介 质 时 的 比 释 动 能 与 照 射 量 测 量 一 样, 为 了 测 量 空 气 比 释 动 能, 质 量 元 也 必 须 足 够 小 在 达 到 带 电 粒 子 平 衡 状 态, 且 轫 致 辐 射 可 以 忽 略 时, 吸 收 剂 量 与 比 释 动 能 大 致 相 等 三 相 关 术 语 1.( 电 离 室 ) 有 效 剂 量 测 试 点 (The effective Point of measurement (of an ionization chamber)) 模 体 中 有 电 离 室 的 空 气 空 腔 后, 辐 射 的 注 量 梯 度 将 与 无 空 腔 时 的 注 量 梯 度 不 同, 电 离 室 测 出 的 吸 收 剂 量 将 不 是 电 离 室 几 何 中 心 点 处 的 吸 收 剂 量, 而 是 有 效 测 量 点 处 的 吸 收 剂 量 2. 校 准 深 度 (Calibration Depth) 在 模 体 中 对 辐 射 进 行 吸 收 剂 量 校 准 测 量 时, 探 测 器 的 有 效 测 量 点 所 在 的 深 度 3. 校 准 因 子 (Calibration factor)

170 计 量 检 定 机 构 给 出 的 剂 量 值 与 被 检 定 的 剂 量 计 对 该 剂 量 值 的 显 示 值 的 比 值 校 准 因 子 可 以 是 吸 收 剂 量 (N D ) 比 释 动 能 (N K ) 或 照 射 量 (N X ) 的 校 准 因 子 4. 最 大 吸 收 剂 量 (Maximum Absorbed Dose) 辐 射 在 模 体 中 沿 辐 射 束 产 生 的 吸 收 剂 量 率 中 的 最 大 者, 称 为 最 大 吸 收 剂 量 5. 反 散 射 因 子 (Backscatter factor) 模 体 表 面 处 的 的 剂 量 与 同 一 点 处 无 模 体 时 的 剂 量 的 比 值 四 吸 收 剂 量 的 测 定 与 校 准 1.N D 值 的 确 定 电 离 室 空 腔 的 空 气 吸 收 剂 量 校 准 因 子 N D : N D = N X W/e K att K m 其 中 N X 由 国 家 级 基 准 实 验 室 (PSDL) 或 次 级 标 准 实 验 室 (SSDL) 对 送 检 的 剂 量 计 同 电 离 室 进 行 测 量 后 给 出 ; W/e = 33.97J C -1 ; K att 是 校 准 电 离 室 时, 电 离 室 壁 及 平 衡 帽 对 校 准 辐 射 的 吸 收 和 散 射 的 修 正 ; K m 是 电 离 室 壁 及 平 衡 帽 的 材 料 对 校 准 辐 射 空 气 等 效 不 充 分 而 引 起 的 修 正 2. 高 能 光 子 在 水 模 体 中 的 吸 收 剂 量 计 算 测 量 时, 三 维 水 箱 仪 器 安 排 如 图 一 般 情 况 下, 源 至 模 体 表 面 距 离 SSD=100cm, 模 体 表 面 的 光 野 为 10 cm 10 cm, 射 线 束 轴 穿 经 光 野 中 心, 且 与 模 体 表 面 垂 直 电 离 室 有 效 测 量 点 沿 射 线 束 轴 移 动, 分 别 测 出 在 10cm 和 20 cm 处 的 吸 收 剂 量 为 D 10 和 D 20, 求 出 剂 量 比 D 20 /D 10, 从 而 确 定 水 对 空 气 的 阻 止 本 领 比 S w,air 和 扰 动 因 子 P u 及 校 准 深 度 d 的 值 在 有 效 测 量 点 处 的 水 的 吸 收 剂 量 D w (Gy) 为 : D w (P eff ) = M N D S w,air P u P cel 式 中 :M 标 准 剂 量 计 的 读 数 图 测 量 安 排 P cel 对 电 离 室 中 心 电 极 的 修 正 在 测 量 时, 电 离 室 的 有 效 测 量 点 放 在 校 准 深 度 上, 而 圆 柱 形 电 离 室 的 有 效 测 量 点 并 非 在 其 几 何 中 心 上 因 此, 对 于 加 速 器 产 生 的 高 能 光 子, 其 有 效 测 量 点 向 射 线 入 射 方 向 移 动 0.6r, 对 于 电 子 束 移 动 0.5r,r 为 电 离 室 内 半 径 2. 电 子 束 在 水 模 体 中 的 吸 收 剂 量 计 算 首 先 确 定 被 测 量 的 电 子 束 在 水 模 体 表 面 的 平 均 能 量 E 0, 当 SSD=100cm, 标 称 能 量 15MeV, 射 野 面 积 不 小 于 12 cm 12 cm, 标 称 能 量 >15MeV, 射 野 面 积 不 小 于 20 cm 20 cm 时, 电 离 室 有 效 测 量 点 沿 电 子 束 轴 移 动, 测 出 吸 收 剂 量 或 电 离 半 值 深 度 (cm), 通 过 IAEA TRS277 找 出 与 水 模 表 面 平 均 能 量 E 0 的 对 应 关 系 根 据 水 模 表 面 平 均 能 量 E 0 确 定 其 校 准 深 度, 当 5 E 0 (MeV)<10, 校 准 深 度 d=1cm;10 E 0 (MeV)<20, 校 准 深 度 d=2cm;20 E 0 (MeV), 校 准 深 度 d=3cm 这 样 可 根 据 E 0 和 d 来 确 定 电 子 射 程 R p 与 S w,air 的 值 确 定 电 子 束 扰 动 修 正 因 子 P u 首 先 要 计 算 出 校 准 深 度 处 的 平 均 能 量 E Z E Z = E 0 (1- d/r p ) 最 后 有 效 测 量 点 处 水 中 吸 收 剂 量 D w (P eff ) 为 : D w (P eff ) = M N D S w,air P u P cel

171 参 考 文 献 1.IAEA Technical Reports Series No.277. Absorbed dose determination in photon and electron beams. An International Code of Practice, Second Edition, IAEA, Vienna: 国 家 技 术 监 督 局. JJG 外 照 射 治 疗 辐 射 源 张 绍 刚, 医 用 加 速 器 剂 量 的 校 准. 中 华 放 射 医 学 与 防 护 杂 志,2002,22(5) 4. 胡 逸 民, 主 编. 肿 瘤 放 射 物 理 学. 北 京. 原 子 能 出 版 社, 顾 本 广, 主 编. 医 用 加 速 器. 北 京. 科 学 出 版 社,2003

172 第 四 章 定 位 及 治 疗 计 划 系 统 放 射 治 疗 的 过 程 大 体 可 以 分 为 以 下 几 个 步 骤 : (1) 定 位 (localization) 在 正 式 进 行 辐 照 前, 确 定 肿 瘤 靶 区 位 置, 模 拟 并 选 定 照 射 分 式 使 辐 射 集 中 于 靶 区, 避 开 要 害 器 官 ; (2) 计 划 (planning) 进 行 剂 量 分 布 的 计 算, 人 工 或 借 助 于 计 算 机 优 化 治 疗 方 案 ; (3) 照 射 (iradiation) 按 选 择 的 方 式 和 参 数 进 行 摆 位 和 照 射 本 章 所 述 定 位 系 统 包 括 照 射 前 的 定 位 (localization ) 模 拟 (simulation) 计 划 (planning) 摆 位 (positioning), 治 疗 中 的 验 证 (Verifiocation) 等, 其 主 体 是 模 拟 机 定 位 系 统 原 则 上 可 以 分 为 模 拟 定 位 系 统 和 数 字 定 位 系 统 两 大 类 模 拟 定 位 系 统 由 X 射 线 模 拟 机 二 维 治 疗 计 划 系 统 及 一 些 辅 助 部 件 组 成 模 拟 定 位 系 统 适 用 于 常 规 放 射 治 疗 数 字 定 位 系 统 由 CT 模 拟 机 正 向 或 逆 向 三 维 治 疗 计 划 系 统 立 体 定 向 定 位 部 件 等 组 成 数 字 定 位 系 统 适 用 于 精 确 定 位 精 确 计 划 精 确 照 射 的 精 确 放 射 治 疗 射 野 影 像 系 统 (portal imaging system) 的 主 要 功 能 是 在 治 疗 中 验 证 治 疗 摆 位 的 正 确 性 射 野 影 像 系 统 还 具 有 一 些 扩 展 功 能 射 野 影 像 系 统 是 医 用 电 子 加 速 器 备 选 部 件 现 在, 治 疗 机 ( 医 用 电 子 加 速 器 ) 已 离 不 开 模 拟 机, 除 X 射 线 模 拟 机 外, 进 一 步 发 展 了 CT 模 拟 机 与 MR 模 拟 机 等 第 一 节 X 射 线 模 拟 机 一 概 述 常 规 放 射 治 疗 是 用 诊 断 X 射 线 管 代 替 加 速 管 作 辐 射 源, 用 诊 断 用 Kv 级 X 射 线 替 代 治 疗 用 MV 级 辐 射 束 对 患 者 定 位, 但 它 不 是 一 台 普 通 诊 断 X 射 线 机, 而 是 一 台 专 门 设 计 的 用 于 放 射 治 疗 模 拟 定 位 的 装 置, 与 CT 模 拟 机 相 比 应 称 为 X 射 线 模 拟 机, 因 其 出 现 较 早, 使 用 普 遍, 被 IEC 称 为 放 射 治 疗 模 拟 机 (radiotherapy simulator), 简 称 模 拟 机 或 模 拟 定 位 机 1. 普 通 诊 断 X 射 线 机 用 于 放 射 治 疗 模 拟 的 困 难 模 拟 定 位 机 用 于 放 射 治 疗 始 于 本 世 纪 60 年 代 末 在 放 射 治 疗 模 拟 机 出 现 以 前, 多 数 医 生 用 普 通 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 的 诊 断 机 头 机 架 用 X 射 线 胶 片 作 为 放 射 治 疗 平 面 信 息 来 源, 在 诊 断 X 射 线 胶 片 上 进 行 靶 区 中 心 确 定 治 疗 床 辐 射 野 大 小 形 状 设 计, 然 后 以 人 体 解 剖 关 系 估 算 做 出 人 体 表 面 标 记 这 样 设 计 出 的 辐 射 野, 若 做 垂 直 照 射, 靶 区 中 心 可 能 会 误 差 小 影 像 增 强 器 些, 辐 射 野 误 差 会 很 大 ; 若 做 带 角 度 照 射, 不 但 辐 射 野 误 差 大, 靶 区 中 心 位 置 也 会 相 差 很 大 这 样 进 行 的 放 射 治 疗, 很 可 能 会 造 成 图 模 拟 定 位 机 医 疗 事 故, 特 别 是 肿 瘤 与 重 要 器 官 相 邻 较 近 的 病 例, 如 食 道 癌 与 脊 髓 相 邻 很 近, 若 靶 区 中 心 不 准 或 辐 射 野 不 准, 治 疗 过 程 中, 脊 髓 会 受 到 过 量 辐 射, 这 时 患 者 食 道 癌 没 有 得 到 很 好 治 疗, 反 而 有 可 能 造 成 下 肤 瘫 痪, 这 样 的 事 例 以 前 时 有 发 生 不 能 用 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 的 诊 断 用 X 射 线 胶 片 作 放 射 治 疗 靶 区 中 心 和 辐 射 野 设 计 的 主 要 原 因 是 : (1) 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 的 X 射 线 胶 片 所 取 得 的 平 面 信 息 不 能 真 实 和 全 面 地 提 供 放 射 治 疗

173 计 划 设 计 所 需 要 的 平 面 信 息 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 的 X 射 线 胶 片, 其 X 射 线 源 (X 射 线 管 焦 点 ) 到 人 体 肿 瘤 中 心 的 距 离 (focus axis distance,fad) 和 放 射 治 疗 时 治 疗 机 辐 射 源 到 人 体 肿 瘤 中 心 的 距 离 (source axis distance,sad) 不 一 致 若 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 的 X 射 线 胶 片,X 射 线 源 (X 射 线 管 焦 点 ) 到 人 体 肿 瘤 中 心 的 距 离 小 于 放 射 治 疗 时 治 疗 机 辐 射 源 到 人 体 肿 瘤 中 心 的 距 离, 按 诊 断 用 X 射 线 胶 片 设 计 的 辐 射 野 在 治 疗 机 进 行 摆 位 辐 照, 则 患 者 受 到 的 辐 射 野 小 于 设 计 的 辐 射 野, 反 之 情 况 相 反 (2) 用 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 X 射 线 胶 片 时 患 者 的 体 位, 不 一 定 是 放 射 治 疗 时 患 者 的 体 位, 造 成 靶 区 中 心 的 偏 移 及 辐 射 野 的 偏 移 (3) 用 诊 断 X 射 线 机 拍 摄 X 射 线 胶 片 作 治 疗 计 划 很 难 作 治 疗 前 的 模 拟 观 察 基 于 放 射 治 疗 州 临 床 需 要, 放 射 治 疗 医 生 希 望 能 直 观 地 等 同 放 射 治 疗 状 态 下 进 行 放 射 治 疗 计 划 设 计, 放 射 治 疗 模 拟 机 就 是 在 这 种 思 路 下 研 制 成 功 的 2. 放 射 治 疗 模 拟 机 的 特 点 (1) 以 X 射 线 管 焦 点 为 辐 射 源 替 代 放 射 治 疗 机 的 辐 射 源, 例 如 医 用 电 子 加 速 器 的 靶 点, 60 Co 治 疗 机 的 钴 源 ; (2) 模 拟 机 的 机 械 运 动 则 模 拟 各 种 治 疗 机 在 放 射 治 疗 时 的 各 种 几 何 条 件 ; (3) 通 过 医 用 电 视 系 统, 直 接 观 察 肿 瘤 应 在 治 疗 时 所 需 的 放 射 野 形 状, 靶 区 中 心 及 减 少 重 要 器 官 吸 收 剂 量 所 需 的 机 架 角 度 ; (4) 界 定 角 度 以 及 肿 瘤 中 心 至 体 前 皮 肤 距 离 和 肿 瘤 中 心 至 体 后 皮 肤 距 离 ; (5) 以 影 像 增 强 器 接 受 面 到 等 中 心 的 距 离, 辐 射 源 到 皮 肤 的 距 离, 辐 射 源 到 等 中 心 的 距 离, 以 及 测 量 肿 瘤 在 等 中 心 处 各 个 方 位 的 尺 寸 等 数 据, 为 放 射 治 疗 医 生 提 供 该 患 者 放 射 治 疗 计 划 所 需 的 各 种 必 需 数 据, 从 而 提 高 了 放 射 治 疗 靶 区 的 精 确 度, 大 大 提 高 了 放 射 治 疗 的 效 果 ; (6) 同 时 还 可 以 在 定 位 后 进 行 X 射 线 胶 片 的 拍 摄, 以 便 存 档, 进 行 治 疗 前 后 病 情 的 对 照 比 较 和 查 询 3. 放 射 治 疗 模 拟 机 的 作 用 放 射 治 疗 模 拟 机 应 用 于 放 射 治 疗 临 床 开 始 于 20 世 纪 60 年 代 末 期 放 射 治 疗 模 拟 机 在 临 床 上 的 应 用, 受 到 了 广 大 放 射 治 疗 医 生 的 欢 迎 目 前 认 为 放 射 治 疗 前 必 须 经 过 模 拟 机 定 位, 以 制 定 放 射 治 疗 计 划, 或 最 后 放 射 治 疗 方 案 形 成 前 进 行 验 证 和 模 拟, 此 项 程 序 已 成 为 各 放 射 治 疗 单 位 必 备 的 质 量 控 制 和 验 证 手 段 其 作 用 如 下 : (1) 为 医 生 和 计 划 设 计 者 提 供 有 关 肿 瘤 和 重 要 器 官 的 影 像 信 息, 这 些 图 像 能 直 接 应 用 于 治 疗 计 划 设 计 (2) 用 于 治 疗 方 案 的 验 证 与 模 拟 二 对 放 射 治 疗 模 拟 机 的 技 术 要 求 放 射 治 疗 模 拟 机 的 技 术 性 能 至 少 应 达 到 下 述 要 求 : 1. 提 供 有 关 信 息 能 为 放 射 治 疗 医 生 和 放 射 治 疗 计 划 设 计 者 提 供 放 射 治 疗 患 者 在 放 射 治 疗 机 治 疗 状 态 的 体 位 和 源 轴 距, 有 关 肿 瘤 和 相 邻 重 要 器 官 的 影 像 信 息 以 及 肿 瘤 和 相 邻 重 要 器 官 的 运 动 范 围, 包 括 : (1) 清 晰 的 辐 射 束 轴 (radiation beam axis) 指 示 ( 靶 区 中 心 指 示 ) 标 记 图 像 ; (2) 清 晰 的 井 形 界 定 线 影 像, 为 了 得 到 上 述 清 晰 影 像 信 息, 放 射 治 疗 模 拟 机 X 射 线 发 生 装 置 的 设 计 要 求 和 诊 断 机 同 功 率 X 射 线 发 生 装 置 的 要 求 应 该 有 所 不 同 2. 提 供 方 便 快 捷 的 操 作 操 作 系 统 要 直 观 灵 活 淮 确, 最 好 使 用 操 作 手 柄, 提 供 方 便 快 捷 的 操 作 如 进 行 等 中 心 治 疗 时, 将 患 者 的 肿 瘤 中 心 置 于 放 射 治 疗 模 拟 机 的 等 中 心 位 操 作, 患 者 的 肿 瘤 中 心 的 移 动 主 要 靠 治 疗 床 面 前 后 左 右 上 下 的 位 移

174 要 完 成 将 患 者 的 肿 瘤 中 心 置 于 放 射 治 疗 模 拟 机 等 中 心 处 的 操 作, 分 两 步 操 作 进 行 : (1) 首 先 要 将 放 射 治 疗 模 拟 机 的 旋 转 机 架 置 于 零 位 在 透 视 状 态 下 从 监 视 器 上 进 行 观 察 先 将 患 者 的 肿 瘤 中 心 移 到 辐 射 束 轴 上 ( 靶 区 中 心 ) 处, 通 常 以 十 字 叉 丝 中 心 作 标 记, 这 就 需 要 床 面 进 行 前 后 左 右 的 移 动 (2) 其 次 要 判 断 患 者 的 肿 瘤 中 心 在 等 中 心 之 上 还 是 等 中 心 之 下, 需 要 放 射 治 疗 模 拟 机 机 架 旋 转 臂 进 行 顺 逆 时 针 旋 转, 并 在 监 视 器 上 观 察 患 者 的 肿 瘤 中 心 与 辐 射 束 轴 标 记 相 对 位 置 进 行 判 断 3. 放 射 治 疗 模 拟 机 六 大 重 要 功 能 是 : 放 射 治 疗 模 拟 机 的 操 作 系 统 应 能 尽 量 方 便 操 作 直 观 快 捷 准 确, 这 种 设 计 理 念 还 应 贯 彻 到 准 直 器 的 旋 转 四 条 界 定 线 的 移 动 光 野 的 操 作 和 光 矩 尺 的 操 作 等, 要 充 分 发 挥 放 射 治 疗 模 拟 机 在 放 射 治 疗 计 划 设 计 过 程 中 的 六 大 重 要 功 能 (1) 靶 区 及 重 要 器 官 的 定 位 ; (2) 确 定 靶 区 ( 或 重 要 器 官 ) 的 运 动 范 围 ; (3) 治 疗 方 案 的 选 择 ( 治 疗 前 模 拟 ); (4) 勾 画 辐 射 野 和 定 位 / 摆 位 参 考 标 记 ; (5) 拍 摄 辐 射 野 定 位 片 或 证 实 片 ; (6) 检 查 辐 射 野 挡 块 的 形 状 及 位 置 4. 放 射 治 疗 模 拟 机 至 少 能 提 供 下 列 安 全 保 护 连 锁 装 置 (1) 急 停 开 关 至 少 在 控 制 台 和 治 疗 床 两 侧 安 装 此 开 关, 以 便 在 非 常 情 况 下 方 便 地 按 动 急 停 开 关, 中 止 放 射 治 疗 模 拟 机 的 运 动 状 态 和 X 射 线 辐 射, 以 避 免 患 者 人 员 和 模 拟 机 受 到 损 害 待 紧 急 情 况 解 除 后, 按 动 此 开 关, 恢 复 待 机 状 态 (2) 影 像 增 强 器 防 碰 开 关 当 影 像 增 强 器 移 动 臂 向 上 运 动 或 治 疗 床 面 向 下 运 及 机 架 旋 转 臂 旋 转 运 动 时, 假 如 影 像 增 强 器 输 入 屏 与 上 述 两 个 部 件 相 碰, 影 像 增 强 器 移 动 臂 向 上 的 运 动 立 即 停 止, 只 能 向 上 运 动 ; 治 疗 床 床 面 向 下 的 运 动 立 即 停 止, 只 能 向 上 运 动 ; 机 架 旋 转 臂 旋 转 运 动 立 即 停 止 (3) 准 直 器 防 碰 开 关 当 X 射 线 管 移 动 臂 下 降 运 动 治 疗 床 床 面 上 升 运 动 或 机 架 旋 转 臂 旋 转 运 动 时, 只 要 准 直 器 受 到 碰 撞, 则 准 直 器 防 碰 开 关 起 动,X 射 线 管 移 动 臂 停 止 下 降 运 动, 只 能 上 升 ; 机 架 旋 转 臂 旋 转 运 动 立 即 停 止 ; 治 疗 床 床 面 停 止 上 升 运 动, 只 能 下 降 (4) 门 上 的 中 止 射 线 开 关 门 开 后 射 线 自 动 中 止, 以 便 对 工 作 人 员 保 护 5. 放 射 治 疗 模 拟 机 的 数 字 显 示 数 据 放 射 治 疗 模 拟 机 至 少 应 有 下 列 数 字 显 示 数 据 : (1) 机 架 旋 转 臂 旋 转 角 度 一 般 情 况 下 SAD 等 于 或 小 于 100cm 时 机 架 旋 转 角 度 大 于 或 等 于 360 ;SAD 大 于 100cm 时, 机 架 旋 转 角 度 大 于 或 等 于 270 ; (2) 准 直 器 旋 转 角 度 一 般 情 况 下, 旋 转 角 度 大 于 或 等 于 200 ; (3) 治 疗 床 床 面 高 度 以 等 中 心 面 为 基 准, 有 高 于 等 中 心 面 和 低 于 等 中 心 面 的 距 离 显 示 ; (4) 源 轴 距 的 显 示 一 般 情 况 下, 显 示 范 围 :75~120cm 或 以 上 ; (5) 影 像 增 强 器 输 入 屏 面 到 等 中 心 面 距 离 的 显 示 ; (6) 辐 射 源 到 影 像 增 强 器 输 入 屏 面 的 距 离 显 示 ; (7) 井 形 界 定 线 x 轴 一 边 到 辐 射 束 轴 标 记 的 距 离 显 示 非 对 称 界 定 野 ( 可 过 中 心 ), 显 示 予 以 区 别 ; (8) 井 形 界 定 线 x 轴 另 一 边 到 辐 射 束 轴 标 记 的 距 离 显 示 如 可 过 中 心, 显 示 予 以 区 别 ; (9) 井 形 界 定 线 y 轴 一 边 到 辐 射 束 轴 标 记 的 距 离 显 示 如 可 过 中 心, 显 示 予 以 区 别 ; (10) 井 形 界 定 线 y 轴 另 一 边 到 辐 射 束 轴 标 记 的 距 离 显 示 如 可 过 中 心, 显 示 予 以 区 别 ;

175 (11) 可 分 别 显 示 井 形 界 定 线 x 轴 y 轴 两 条 界 定 线 到 中 心 距 离 之 和 或 对 称 野 x 轴 y 轴 两 条 界 定 线 的 距 离 三 放 射 治 疗 模 拟 机 的 结 构 放 射 治 疗 模 拟 机 基 本 由 下 述 部 分 组 成 : 机 架 ( 包 括 固 定 机 架 旋 转 臂 X 射 线 管 移 动 臂 测 距 灯 影 像 增 强 器 移 动 臂 ),X 射 线 机 头 准 直 器, 治 疗 床,X 射 线 发 生 装 置, 医 用 X 射 线 电 视 系 统 ( 包 括 影 像 增 强 器 摄 像 头 监 视 器 ) 放 射 治 疗 模 拟 机 的 主 体 是 由 机 架 X 射 线 机 头 准 直 器 和 治 疗 床 组 成 的 机 械 结 构, 它 的 各 种 运 动 是 模 拟 各 种 治 疗 机 在 放 射 治 疗 时 的 各 种 几 何 条 件, 各 机 构 的 运 动 由 操 作 控 制 中 心 进 行 操 作 和 控 制 X 射 线 源 可 产 生 辐 射 野 方 向 观 视 (BEV)X 射 线 影 像, 该 影 像 由 医 用 电 视 系 统 完 成 接 收 和 显 示 1. 机 架 机 架 由 固 定 机 架 中 央 主 轴 和 旋 转 臂 相 连 固 定 机 架 内 装 有 驱 动 和 传 动 机 构 使 旋 转 臂 做 等 中 心 旋 转 旋 转 臂 两 侧 有 滑 键, 以 保 证 X 射 线 管 移 动 臂 和 影 像 增 强 器 移 动 臂 做 垂 直 于 中 央 主 轴 运 动 X 射 线 管 移 动 臂 和 增 强 器 移 动 臂 分 别 通 过 滑 块 和 旋 转 臂 连 接, 滑 块 多 为 铸 件 加 工 成 型, 滑 块 上 装 有 多 方 向 轴 承 组, 调 整 轴 承 偏 心 轴, 使 轴 承 与 旋 转 臂 滑 键 作 紧 配 合 滚 动, 从 而 保 证 了 在 X 射 线 管 移 动 臂 和 增 强 器 移 动 臂 运 动 时, 保 持 垂 直 于 中 央 主 轴 并 且 保 证 了 旋 转 臂 在 旋 转 到 任 何 角 度,X 射 线 管 移 动 臂 和 增 强 器 移 动 臂 中 心 不 能 有 相 对 位 移 X 射 线 管 移 动 臂 上 装 有 X 射 线 机 头 准 直 器 X 射 线 管 挡 块 托 架 及 测 距 灯 X 射 线 管 移 动 臂 相 对 于 旋 转 臂 旋 转 中 心 的 运 动, 就 是 SAD 的 变 化, 在 旋 转 臂 上 有 标 尺 刻 度 指 示, 同 时 在 X 射 线 管 移 动 臂 装 有 测 距 灯 测 距 灯 在 等 中 心 面 上 的 指 示 数 值 就 是 SAD 的 数 值, 即 为 X 射 线 管 焦 点 到 旋 转 臂 旋 转 轴 中 心 轴 线 的 垂 直 距 离, 也 就 是 辐 射 源 到 旋 转 轴 中 心 的 距 离 它 应 该 和 旋 转 臂 上 SAD 标 尺 刻 度 指 示 相 同 测 距 灯 在 患 者 皮 肤 上 指 示 的 数 值 (SSD) 即 为 X 射 线 焦 点 到 患 者 皮 肤 的 距 离, 也 就 是 辐 射 源 到 患 者 皮 肤 的 距 离 测 距 灯 是 光 学 投 影 系 统, 测 距 灯 由 光 源 聚 光 镜 系 统 分 划 板 和 投 影 物 镜 系 统 组 成 聚 光 镜 将 光 源 发 光 会 聚 向 投 影 物 镜 的 入 瞳 分 划 板 置 于 聚 光 镜 后 方 是 投 影 物 镜 的 物 面, 其 投 影 方 向 与 辐 射 束 轴 是 一 特 定 的 夹 角, 一 般 为 45 或 60 分 划 板 的 各 刻 度 线 及 标 度 值 的 投 影 和 辐 射 束 轴 交 会 处 显 示 的 刻 线 标 度 值, 是 辐 射 束 轴 上 该 处 X 射 线 管 焦 点 到 此 处 的 距 离 也 即 光 野 灯 辐 射 束 轴 指 示 装 置 ( 叉 丝 交 点 ) 投 影 与 测 距 灯 分 划 板 刻 度 线 投 影 交 汇 处 显 示 的 分 划 板 标 度 值 是 X 射 线 管 焦 点 到 该 处 的 距 离 增 强 器 移 动 臂 装 有 影 像 增 强 器 ( 包 括 摄 像 头 及 镜 头 ) X 射 线 摄 片 盒 和 滤 线 板 除 了 能 使 增 强 器 移 动 臂 沿 旋 转 臂 滑 键 运 动 的 传 动 机 构 外, 还 有 能 使 影 像 增 强 器 做 前 后 左 右 运 动 的 传 动 机 构 影 像 增 强 器 做 前 后 左 右 的 运 动 范 围, 能 满 足 医 生 所 需 图 像 扫 描 范 围 即 可 同 样, 影 像 增 强 器 在 做 前 后 左 右 移 动 时, 也 要 保 证 旋 转 臂 旋 到 任 何 角 度 影 像 增 强 器 中 心 不 能 有 相 对 位 移 X 射 线 摄 片 盒 的 放 取 要 方 便 使 用, 并 装 有 透 视 和 摄 片 的 切 换 装 置 滤 线 板 的 焦 距 要 选 取 适 合 放 射 治 疗 模 拟 机 的 焦 点 到 X 射 线 片 盒 的 距 离 机 架 的 设 计 考 虑 了 以 下 三 个 问 题 : (1) 机 架 各 组 成 部 件 的 刚 性 和 变 形 特 别 是 旋 转 臂 X 射 线 管 移 动 臂 增 强 器 移 动 臂 的 钢 性 一 定 要 注 意 若 旋 转 臂 或 X 射 线 管 移 动 臂 刚 性 不 好, 当 旋 转 臂 旋 转 到 90 特 别 是 180 时, 辐 射 束 轴 的 偏 移 会 很 大, 影 响 定 位 精 度 大 型 铸 件 或 焊 接 较 多 的 部 件 一 定 要 作 时 效 处 理, 在 作 精 加 工 前 作 消 应 力 处 理 否 则, 由 于 应 力 引 起 的 变 形, 会 使 整 机 无 法 调 整, 造 成 模 拟 机 品 质 低 下 (2) 放 射 治 疗 模 拟 机 机 架 一 直 在 不 平 衡 状 态 下 做 旋 转 运 动 加 速 器 机 架 辐 射 头 部 件 重

176 量 较 大, 但 它 的 对 应 端 有 平 衡 调 整 装 置, 通 过 调 整 可 以 达 到 很 好 的 平 衡 状 态 放 射 治 疗 模 拟 机 由 于 X 射 线 管 移 动 臂 SAD 在 变 化, 增 强 器 移 动 臂 到 旋 转 中 心 距 离 在 运 动 的 过 程 中 也 在 变 化, 同 时 X 射 线 管 移 动 臂 和 增 强 器 移 动 臂 各 自 的 重 量 又 不 尽 相 同, 所 以 模 拟 机 一 直 在 重 量 不 平 衡 状 态 下 运 转, 这 给 匀 速 旋 转 及 旋 转 角 度 停 止 精 度 带 来 一 定 影 响 模 拟 机 设 计 者 在 旋 转 臂 旋 转 的 控 制 电 路 选 择 及 传 动 结 构 要 采 取 一 定 措 施, 如 加 大 旋 转 臂 的 重 量, 相 对 减 少 X 射 线 管 移 动 臂 和 增 强 器 移 动 臂 重 量 不 平 衡 的 影 响 (3) 放 射 治 疗 模 拟 机 机 架 的 设 计 要 尽 可 能 减 少 因 装 配 零 件 过 多 而 造 成 积 累 误 差 加 大, 使 模 拟 机 品 质 下 降 设 计 原 则 是 : 多 采 用 铸 件 加 工 以 减 少 零 件 装 配, 减 少 误 差 积 累 ; 提 高 工 装 系 数, 以 保 证 零 件 的 互 换 性 ; 多 采 用 新 工 艺 新 技 术 新 器 件, 以 提 高 可 靠 性 和 整 机 的 稳 定 性 2.X 射 线 机 头 准 直 器 X 射 线 机 头 准 直 器 是 由 自 转 机 构 界 定 光 野 光 源 及 反 光 镜 X 射 线 准 直 器 井 字 界 定 线 机 构 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置 及 防 碰 撞 装 置 和 挡 块 托 架 等 部 件 组 成 X 射 线 机 头 准 直 器 是 放 射 治 疗 模 拟 机 重 要 部 件 之 一 模 拟 定 位 很 多 重 要 数 据 将 由 它 来 产 生,X 射 线 机 头 自 转 运 动, 可 使 放 射 治 疗 计 划 设 计 者 选 择 辐 射 野 角 度 自 转 机 构 要 采 用 紧 配 合 结 构 保 证 在 机 架 旋 转 臂 旋 转 时 界 定 器 不 能 有 任 何 框 动 定 光 野 灯 的 虚 焦 点 要 与 X 射 线 源 的 焦 点 完 全 重 合, 这 样, 在 可 见 光 看 见 的 界 定 线 和 界 定 辐 射 束 轴 中 心 指 示 装 置 ( 叉 线 等 ) 投 影 就 是 X 射 线 源 在 该 平 面 界 定 线 和 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置 的 影 像 可 见 光 源 经 过 反 射 镜 使 界 定 线 和 辐 射 束 轴 指 示 装 置 投 影 到 患 者 皮 肤 上 的 图 形 就 是 界 定 光 野 和 辐 射 中 心 点 在 监 视 器 上 看 到 的 肿 瘤 四 周 界 定 线 和 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置 X 射 线 影 像 就 是 患 者 皮 肤 上 界 定 光 野 和 辐 射 中 心 点 延 伸 到 患 者 肿 瘤 中 心 平 面 上 的 辐 射 野 和 辐 射 中 心 点, 若 患 者 的 肿 瘤 中 心 处 于 等 中 心 处, 辐 射 中 心 指 示 装 置 的 影 像 ( 叉 丝 交 叉 点 ) 就 是 等 中 心 所 以 界 定 光 野 和 界 定 辐 射 野 的 重 合 度 是 非 常 重 要 的 技 术 指 低 它 直 接 关 系 到 放 射 治 疗 的 精 度 和 效 果 X 射 线 准 直 器 是 限 定 X 射 线 野 的 装 置, 一 般 由 铅 板 构 成 的 单 叶 或 多 叶 复 合 结 构 它 的 作 用 是 : (1) 限 定 有 效 的 X 射 线 野, 减 少 杂 散 X 射 线 辐 射 对 患 者 的 伤 害 ; (2) 当 观 察 某 一 部 位 微 细 结 构 信 息 时, 缩 小 X 射 线 野 以 减 少 散 射 X 射 线 对 图 像 的 影 响, 提 高 该 部 位 图 像 的 对 比 度 井 形 界 定 线 机 构 是 放 射 治 疗 计 划 设 计 者 进 行 辐 射 野 设 计 的 实 现 机 构 x y 方 向 各 有 两 条 高 原 子 序 数 金 属 丝 组 成 界 定 线 放 射 治 疗 医 生 或 放 射 治 疗 计 划 设 计 者 通 过 医 用 电 视 系 统, 在 监 视 器 上 观 察 患 者 肿 瘤 位 置 以 及 相 邻 重 要 器 官 关 系, 根 据 肿 瘤 大 小 及 相 邻 重 要 器 官 解 剖 位 置 和 它 们 的 活 动 范 围, 移 动 界 定 线, 进 行 放 射 治 疗 的 辐 射 野 设 计 界 定 线 可 独 立 移 动, 可 过 中 心 构 成 非 对 称 野 ; 界 定 线 也 可 以 在 x y 方 向 对 称 移 动, 构 成 以 辐 射 束 轴 为 中 心 对 称 的 辐 射 野 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置, 是 指 示 X 射 线 中 心 点 的 重 要 标 志, 也 是 界 定 辐 射 野 中 心 的 重 要 标 志, 同 时 还 是 放 射 治 疗 计 划 设 计 靶 区 中 心 的 重 要 标 志 在 等 中 心 面, 此 指 示 点 也 是 等 中 心 点 指 示 因 此, 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置 在 界 定 器 中 很 重 要, 一 般 由 两 根 有 刚 性 的 高 原 子 序 数 的 金 属 丝 交 叉 组 成, 或 由 高 原 子 序 数 金 属 丝 固 定 在 一 个 透 明 板 上 此 部 件 应 该 在 界 定 器 装 配 好 后, 用 特 别 的 调 试 装 置 进 行 仔 细 的 调 整 和 固 定 一 定 要 保 证 界 定 器 在 自 转 运 动 时 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置 始 终 是 机 械 中 心 点, 并 且 固 定 牢 靠, 不 因 界 定 器 位 置 的 变 化 而 产 生 位 移 挡 块 托 架, 是 放 射 治 疗 计 划 设 计 者 在 进 行 辐 射 野 设 计 时, 放 置 铅 块, 对 不 需 辐 射 的 器 官 或 组 织 进 行 遮 挡 的 机 械 装 置 界 定 器 外 壳 加 工 时 应 留 有 安 装 挡 块 托 架 的 插 槽 ; 挡 块 托 架 应 有 一 定 强 度 能 承 受 铅 挡 块 的 重 量 防 碰 装 置, 是 为 保 护 肿 瘤 患 者 人 身 安 全 和 防 止 各 运 动 部 件 免 受 碰 撞 的 保 护 装 置

177 X 射 线 管 焦 点 的 位 置 直 接 影 响 到 准 直 器 产 生 数 据 的 准 确 性 因 为 X 射 线 管 与 界 定 器 机 械 装 配 是 以 X 射 线 管 射 线 窗 口 为 依 据, 因 此, 对 X 射 线 管 内 X 射 线 焦 点 位 置 的 校 验 是 非 常 重 要 的 操 作 工 序, 这 一 点 往 往 被 很 多 生 产 单 位 所 忽 略 X 射 线 管 焦 点 的 校 验 是 通 过 一 简 单 装 置, 用 最 高 管 电 压 (10~20KV), 透 视 条 件 管 电 流 (2~3mA) 拍 摄 一 张 X 射 线 胶 片 来 完 成 此 装 置 结 构 如 图 所 示 : 有 二 段 同 心 金 属 管, 二 段 金 属 管 端 头 镶 有 有 机 玻 璃 片, 有 机 玻 璃 片 中 央 有 一 金 属 环 在 装 好 的 金 属 管 顶 端, 放 置 一 片 用 不 透 光 纸 包 好 的 X 射 线 胶 片 用 透 视 条 件 曝 光 后,X 射 线 胶 片 上 留 有 二 段 金 属 管 端 头 上 二 个 金 属 环 影 像 若 X 射 线 管 焦 点 处 于 X 射 线 管 射 线 窗 中 心, 则 X 射 线 胶 片 上 二 个 金 属 环 同 心 若 二 个 金 属 环 影 像 中 心 不 同 心, 下 顶 端 金 属 环 影 像 向 一 个 方 向 偏 移 则 说 明 X 射 线 管 焦 点 不 在 X 射 线 管 射 线 窗 口 中 心 焦 点 若 最 顶 端 有 机 玻 璃 片 上 有 X 射 线 管 套 x y 方 向 标 记, 根 据 二 个 金 属 环 中 心 在 X 射 线 胶 X 射 线 管 片 上 影 像 偏 移 的 方 向, 与 X 射 线 管 套 方 向 标 合 金 小 筒 记 比 较 可 判 断 出 X 射 线 管 焦 点 偏 移 X 射 线 管 射 线 窗 中 心 方 向 及 偏 移 大 小 合 金 小 环 有 机 玻 璃 还 有 一 种 目 测 方 法, 将 二 端 金 属 管 端 头 有 机 玻 璃 片 换 金 属 叉 丝, 金 属 叉 丝 交 点 为 金 属 管 中 心 利 用 小 照 明 灯 光 线, 目 测 二 段 金 属 管 端 头 叉 丝 交 点 与 X 射 线 管 焦 点, 若 三 点 成 一 胶 片 直 线, 则 X 射 线 管 焦 点 在 X 射 线 管 射 线 窗 口 图 X 射 线 管 焦 点 校 验 器 中 心 若 X 射 线 管 焦 点 不 在 二 个 叉 丝 交 点 延 长 线 上, 则 说 明 X 射 线 管 焦 点 不 在 X 射 线 管 射 线 窗 口 中 心, 偏 离 的 方 向 及 大 小, 可 一 目 了 然 此 方 法 判 断 精 度 上 不 如 用 X 射 线 胶 片, 因 为 判 定 X 射 线 管 焦 点 在 靶 面 上 的 位 置, 有 一 定 误 差 但 此 方 法 在 往 管 套 里 装 配 X 射 线 管 时, 快 捷 有 效 X 射 线 管 和 准 直 器 虽 然 是 两 个 部 件, 但 X 射 线 管 焦 点 在 X 射 线 管 射 线 窗 口 的 位 置 对 界 定 器 有 很 大 影 响 保 证 了 X 射 线 管 焦 点 处 于 X 射 线 管 射 线 窗 口 中 心 处, 就 保 证 了 X 射 线 管 与 准 直 器 装 配 后 X 射 线 管 焦 点 处 于 界 定 器 的 中 心, 也 就 保 证 了 界 定 辐 射 束 轴 和 准 直 器 中 辐 射 束 轴 指 示 装 置 的 重 合 度 ( 因 界 定 辐 射 束 轴 指 示 装 置 已 调 整 到 界 定 器 机 械 中 心 ) 这 样, 只 调 整 一 下 可 见 光 源 的 位 置, 以 保 证 界 定 光 野 和 界 定 辐 射 野 重 合, 就 能 保 证 界 定 器 各 种 数 据 的 准 确 性 和 精 度 3. 治 疗 床 放 射 治 疗 模 拟 机 的 治 疗 床 的 作 用 是 模 拟 放 射 治 疗 机 治 疗 床 各 种 运 动, 床 面 板 能 透 过 X 射 线, 使 患 者 在 放 射 治 疗 状 态 下, 进 行 放 射 治 疗 计 划 设 计 但 其 结 构 还 是 属 于 X 射 线 机 诊 断 床 治 疗 床 基 本 结 构 是 由 床 体 公 转 底 座 床 面 升 降 机 构 床 面 前 后 运 动 机 构 床 面 左 右 运 动 机 构 床 面 自 转 机 构 和 床 面 板 组 成 床 体 公 转 底 座 以 辐 射 束 轴 为 中 心 做 旋 转 运 动, 其 旋 转 范 围 一 般 大 于 180 床 体 公 转 底 座 要 求 刚 性 良 好, 除 了 承 载 床 体 重 量 还 要 承 载 患 者 的 重 量 承 载 患 者 后 变 形 应 符 合 国 家 标 难 要 求 床 体 公 转 底 座 做 等 中 心 旋 转 应 平 稳 准 确 等 中 心 偏 差 应 符 合 国 家 标 难 床 面 升 降 机 构 是 沿 辐 射 束 轴 使 床 面 做 垂 直 运 动 的 机 构 运 动 范 围 最 低 以 方 便 患 者 上 下 床 方 便 为 好, 最 高 到 等 中 心 或 稍 高 于 等 中 心 为 好 床 面 升 降 结 构 目 前 国 内 有 三 种 形 式 :

178 (1) 以 梯 形 丝 杠 或 滚 珠 丝 杠 为 传 动 机 构, 直 接 带 动 床 面 作 升 降 运 动 ; (2) 以 丝 杠 驱 动 滚 轮, 平 行 四 边 形 剪 式 结 构 实 现 床 面 升 降 运 动 ; (3) 以 链 条 为 传 动 机 构, 通 过 三 个 升 降 桶 差 动 实 现 床 面 升 降 运 动 ; 无 论 哪 种 运 动 方 式, 都 应 做 到 升 降 运 动 噪 声 小, 运 动 平 稳 ; 沿 辐 射 束 轴 做 垂 直 运 动 时, 床 面 水 平 方 向 的 偏 移 都 应 符 合 国 家 标 准 的 规 定 床 面 纵 向 横 向 运 动 机 构 驱 动 床 面 纵 向 横 向 移 动 床 面 纵 向 横 向 运 动 要 平 稳, 锁 定 可 靠 ; 承 载 患 者 的 能 力 应 符 合 国 家 标 准 的 规 定 床 面 自 转 机 构 是 床 面 以 床 体 的 偏 心 轴 为 中 心 进 行 旋 转 ( 非 等 中 心 旋 转 ), 以 适 合 患 者 特 殊 部 位 的 放 射 治 疗 计 划 设 计 床 面 运 转 要 平 稳, 锁 定 要 牢 靠 床 面 板 除 了 具 有 承 载 患 者 的 能 力 外, 还 应 有 良 好 的 X 射 线 穿 透 性 能 现 在 多 采 用 碳 素 纤 维 做 主 要 材 料, 以 保 证 床 面 板 有 良 好 的 刚 度 和 良 好 的 X 射 线 穿 透 性 能 床 面 板 的 铅 当 量 或 X 射 线 的 吸 收 率 应 符 合 国 家 标 难 的 规 定 4. 操 作 控 制 中 心 操 作 控 制 中 心 是 放 射 治 疗 模 拟 机 的 神 经 中 枢, 它 对 放 射 治 疗 模 拟 机 的 各 种 机 械 运 动 进 行 控 制 ; 对 X 射 线 发 生 装 置 X 射 线 曝 光 条 件 进 行 控 制 ; 对 放 射 治 疗 模 拟 机 的 运 动 状 态 进 行 显 示 检 测 ; 控 制 各 种 连 锁 保 护 装 置 的 启 闭 放 射 治 疗 模 拟 机 控 制 系 统 的 原 理 框 图 如 图 所 示 电 源 控 制 柜 增 强 器 监 视 器 控 制 台 X 射 线 管 移 动 臂 机 架 增 强 器 移 动 臂 高 压 发 生 器 X 射 线 管 内 部 控 制 器 图 模 拟 定 位 机 控 制 原 理 5.X 射 线 系 统 X 射 线 系 统 由 以 下 几 部 分 组 成 : (1)X 射 线 发 生 装 置 (X 射 线 管 套,X 射 线 管, 旋 转 阳 极 启 动 器 ) X 射 线 发 生 装 置 的 核 心 部 件 是 X 射 线 管 放 射 治 疗 模 拟 机 在 临 床 中,X 射 线 管 距 人 体 及 影 像 增 强 器 的 距 离 远 远 大 于 诊 断 用 X 射 线 机 它 大 多 处 于 高 电 压 长 时 间 透 视 工 作 状 态, 较 少 处 于 照 相 状 态, 所 以 要 求 X 射 线 管 的 选 取 应 适 应 它 的 使 用 情 况 具 体 地 讲, 对 X 射 线 管 的 技 术 要 求 是 : a. 旋 转 阳 极 ; b. 最 大 管 电 压 为 125~150KV; c. 双 焦 点 : 大 焦 点 面 积 为 :1.6~2mm 2, 功 率 大 于 等 于 30KW, 小 焦 点 面 积 为 mm 2, 功 率 大 于 等 于 2KW; d. 要 有 足 够 的 热 容 量 和 散 热 效 率 ; 配 备 具 有 良 好 性 能 X 射 线 管 的 放 射 治 疗 模 拟 机, 即 可 获 得 高 清 晰 度 的 影 像 质 量, 又 可 长 时 间 连 续 工 作 X 射 线 管 在 管 套 中 的 装 配 位 置 十 分 重 要 装 配 时,X 射 线 管 的 焦 点 一 定 要 对 准 管 套 射 线

179 窗 中 心 X 射 线 管 焦 点 的 形 状, 对 影 像 质 量 的 影 响 极 大 理 想 的 X 射 线 管 焦 点 是 边 缘 清 楚 的 近 似 正 方 形 的 视 在 焦 点 旋 转 阳 极 启 动 器 : 由 于 放 射 治 疗 模 拟 机 在 透 视 条 件 下 工 作 时 间 长, 所 以 最 好 在 诊 视 时 让 旋 转 阳 极 启 动 器 工 作 几 次, 使 X 射 线 管 在 透 视 条 件 下, 旋 转 阳 极 在 运 转 状 态 (2) 高 压 发 生 装 置 放 射 治 疗 模 拟 机 长 期 工 作 在 透 视 条 件 下, 特 点 是 千 伏 级 的 管 电 压 和 长 时 间 连 续 工 作, 这 就 要 求 放 射 治 疗 模 拟 机 用 的 高 压 发 生 装 置 的 技 术 性 能 设 计 必 须 适 应 这 一 点 放 射 治 疗 模 拟 机 采 用 的 高 压 发 生 装 置, 其 技 术 性 能 介 于 诊 断 X 射 线 机 和 治 疗 X 射 线 机 之 间 目 前, 高 频 X 射 线 发 生 装 置 已 开 始 普 及 高 频 X 射 线 发 生 装 置 的 优 点 为 : a. X 射 线 品 质 好, 软 射 线 干 扰 少, 摄 片 图 像 质 量 高 特 别 是 对 厚 体 层 的 摄 片, 更 能 显 示 其 优 点 ; 同 时 也 可 大 大 减 少 患 者 的 X 射 线 吸 收 剂 量 b. 由 于 高 频 X 射 线 发 生 装 置 采 用 技 术 调 频 或 调 宽 调 节 和 稳 定 X 射 线 管 电 压, 因 此 X 射 线 管 电 压 精 度 高 ; 又 因 为 工 作 频 率 高, 高 压 发 生 器 的 体 积 明 显 变 小, 重 量 明 显 变 轻 综 上 所 述, 高 频 X 射 线 发 生 装 置 的 使 用, 将 是 今 后 放 射 模 拟 定 位 机 的 发 展 方 向 (3) 控 制 电 路 和 高 压 电 缆 基 本 控 制 电 路 包 括 : 高 压 初 次 级 控 制 电 路, 限 时 电 路, 灯 丝 电 路, 空 间 电 荷 补 偿 电 路 和 KV 补 偿 电 路 等 高 压 电 缆 应 有 足 够 的 电 介 强 度, 能 满 足 长 期 高 电 压 工 作 和 工 业 环 境 的 要 求, 同 时 应 尽 可 能 的 柔 软 和 纤 细 6. 医 用 电 视 系 统 医 用 电 视 系 统 包 括 :X 射 线 影 像 增 强 器, 摄 像 头 ( 含 镜 片 ) 和 监 视 器 (1)X 射 线 影 像 增 强 器 X 射 线 影 像 增 强 器 是 20 世 纪 如 年 代 出 现 的 X 射 线 影 像 载 体, 它 能 将 输 入 屏 上 微 弱 的 X 射 线 影 像 增 强 一 万 倍 左 右, 在 输 出 屏 上 可 以 见 到 清 晰 明 亮 的 X 射 线 影 像 几 十 年 来, 经 过 多 次 反 复 的 改 进,X 射 线 影 像 增 强 器 的 技 术 性 能 有 了 明 显 的 提 高 X 射 线 影 像 增 强 器 的 电 子 聚 焦 系 统 有 三 极 聚 焦 和 五 极 聚 焦 两 种 结 构 后 者 较 复 杂 且 所 用 高 压 电 源 也 略 有 不 同, 但 对 图 像 边 缘 的 分 辨 率 有 改 进, 输 出 图 像 能 变 野, 总 长 度 也 有 所 缩 短 但 因 X 射 线 影 像 增 强 器 阴 阳 极 间 距 离 较 大, 而 二 极 间 电 位 差 只 有 25~30 KV; 相 对 而 言, 电 场 不 够 强, 故 较 易 受 周 围 磁 场, 特 别 是 地 磁 场 的 影 响 有 些 设 备 的 安 装 位 置, 受 此 影 响 极 大, 造 成 了 图 像 的 S 畸 变 ; 增 强 器 的 枕 型 失 真, 也 是 目 前 现 存 的 另 一 缺 陷 另 外, 影 像 增 强 器 内 部 几 次 能 量 的 转 换, 产 生 的 量 子 干 扰 累 加 在 一 起 是 很 明 显 的 在 薄 体 位 ( 如 肺 部 ) 应 用 时 尚 不 明 显, 但 对 厚 体 位 ( 如 腹 部 ), 量 子 干 扰 就 很 明 显 了 为 了 克 服 图 像 的 S 畸 变, 有 的 设 计 了 抵 消 调 节 电 路, 尝 试 消 除 S 畸 变, 并 取 得 了 一 定 的 效 果 但 特 殊 场 地 及 安 装 位 置, 还 不 能 完 全 消 除 S 畸 变, 还 得 用 很 薄 的 导 磁 金 属 片 做 成 屏 蔽 罩 以 消 除 地 磁 的 影 响 对 X 射 线 影 像 增 强 器 阶 性 能 指 标 要 求, 我 国 已 制 定 了 国 家 标 准, 可 按 国 家 标 准 进 行 验 收 (2) 摄 像 头 ( 含 镜 片 ) X 射 线 影 像 增 强 器 的 输 出 屏 通 过 光 学 镜 头 的 连 接 成 为 摄 像 机 的 输 入 摄 像 机 目 前 有 两 种 形 式 : 一 种 是 摄 像 管 ( 电 子 管 ), 一 种 是 半 导 体 器 件 摄 像, 即 CCD CCD 不 但 简 化 了 电 路, 大 大 缩 小 了 摄 像 机 的 体 积, 降 低 了 制 造 成 本, 而 且 光 学 镜 头 结 构 也 得 到 了 简 化 但 CCD 影 像 噪 声 大, 也 就 是 影 像 中 杂 波 干 扰 增 多 其 实 CCD 本 身 并 不 产 生 干 扰 但 当 CCD 惰 性 低 到 一 定 程 度 时, 它 就 会 把 X 射 线 影 像 增 强 器 中 的 量 子 干 扰 全 部 反 映 出 来 了 过 去 透 选 摄 像 管 的 各 项 技 术 指 标 时, 特 别 重 视 摄 像 管 阶 惰 性 指 标, 因 为 恰 当 地 选 取 惰 性 指 标 既 不 影 响 对 动 态 的 观 察, 又 不 会 将 产 生 于 X 射 线 影 像 增 强 器 中 的 量 子 干 扰 过 分 的 暴 露 所 以,CCD 也 采 取 了 相 应 的 措 施, 一 般 称 为 : 降 噪

180 或 净 噪 措 施 当 前 多 采 用 叠 加 平 均 法 : 将 几 幅 CCD 输 出 图 像 叠 加, 有 用 信 号 得 到 加 强, 干 扰 信 号 相 互 抵 消, 但 这 种 做 法 增 加 了 实 时 影 像 的 惰 性 如 四 幅 叠 加 平 均 后 的 影 像, 噪 声 没 有 了, 但 惰 性 指 标 没 有 得 到 改 善 采 用 折 中 办 法 : 即 增 加 一 个 选 择 开 关, 把 1 幅 影 像 直 接 输 出,2 幅 平 均,3 幅 平 均,4 幅 平 均 分 成 几 个 档 次, 由 应 用 者 自 己 选 择 (3) 监 视 器 放 射 治 疗 模 拟 定 位 机 医 用 电 视 系 统, 一 般 配 置 两 台 监 视 器 : 主 监 视 器 置 于 控 制 室, 副 监 视 器 置 于 机 房 机 房 的 监 视 器 用 于 机 房 操 作 时 提 供 X 射 线 图 像, 如 介 入 治 疗, 骨 科 应 用 等 医 用 电 视 综 合 分 辨 率 要 达 到 1.25~1.6Lp/mm, 即 能 满 足 放 射 治 疗 模 拟 机 的 工 作 需 求 由 于 电 子 学 的 飞 速 发 展, 增 强 器, 摄 像 管, 监 视 器 质 量 和 技 术 指 标 提 高 很 快, 高 扫 描 的 电 视 系 统 已 普 及 应 用 增 强 器 的 中 心 分 辨 率 可 达 6.1Lp/mm 以 上 ; 摄 像 管 的 中 心 分 辨 率 可 达 3000TVL 以 上 ; 监 视 器 的 分 辨 率 提 高 得 更 快 : 扫 描 体 制, 我 国 为 1125 行, 帧 频 达 到 100Hz 逐 行 扫 描, 图 像 质 量 近 似 于 在 观 片 机 上 阅 读 对 比 适 度 的 X 射 线 胶 片 的 效 果 放 射 治 疗 模 拟 机 的 X 射 线 电 视 系 统 的 图 像 后 处 理 功 能 应 包 括 : (1) 全 中 文 操 作 界 面, 可 实 时 显 示 从 放 射 治 疗 模 拟 机 得 到 的 图 像, 并 可 保 持 显 示 ; (2) 可 进 行 多 幅 图 像 显 示, 图 像 可 以 方 便 的 进 行 存 储 调 阅 远 程 传 输 和 删 除 ; (3) 患 者 信 息 的 输 入, 存 储 和 查 询 ; (4) 可 对 图 像 的 亮 度 对 比 度 阈 值 进 行 调 整 ; 图 像 灰 阶 变 换, 兴 趣 域 放 大 或 缩 小 旋 转 删 除 ; 正 负 片 变 换, 标 注 等 ; (5) 图 像 的 旋 转 和 任 意 角 度 的 翻 转 ; 正 负 片 处 理 ; 兴 趣 域 距 离 面 积 的 计 算 求 取

181 第 二 节 模 拟 机 CT 与 CT 模 拟 机 放 射 治 疗 是 一 门 快 速 发 展 的 学 科, 在 过 去 20 年 中, 由 普 通 常 规 放 射 治 疗 发 展 到 立 体 定 向 放 射 治 疗 三 维 适 形 放 射 治 疗 乃 至 调 强 放 射 治 疗 特 别 是 在 治 疗 计 划 及 传 递 设 备 方 面 由 二 维 治 疗 计 划 发 展 到 三 维 治 疗 计 划, 乃 至 逆 向 三 维 治 疗 计 划 其 中,CT 模 拟 机 的 出 现 及 成 熟 是 放 射 治 疗 实 现 突 破 进 展 的 关 键 因 素 之 一 CT 模 拟 机 是 将 CT 扫 描 机 计 算 机 化 的 定 位 系 统 和 三 维 治 疗 计 划 系 统 通 过 数 据 传 输 系 统 进 行 网 络 连 接, 实 现 CT 扫 描 CT 数 据 的 获 取 进 行 三 维 重 建 靶 区 定 位 虚 拟 模 拟 治 疗 计 划 设 计 等 过 程 随 着 CT 扫 描 机 的 技 术 进 步, 计 算 机 三 维 图 像 重 建 技 术 及 虚 拟 技 术 的 兴 起 和 广 泛 应 用, 使 CT 模 拟 机 进 入 了 一 个 实 际 应 用 的 时 代 CT 模 拟 机 使 放 射 治 疗 真 正 做 到 精 确 设 计 和 准 确 定 位, 做 出 最 佳 的 照 射 方 案 并 加 以 实 施, 因 而 有 可 能 使 某 些 肿 瘤 的 控 制 率 得 以 提 高 CT 模 拟 机 是 立 体 定 向 放 射 治 疗 适 形 放 射 治 疗 乃 至 调 强 放 射 治 疗 必 不 可 少 的 设 备 一 CT 模 拟 机 的 发 展 20 世 纪 60 年 代 发 明 的 常 规 X 射 线 放 射 治 疗 模 拟 机 成 为 放 射 治 疗 进 行 肿 瘤 定 位 的 一 种 不 可 缺 少 的 工 具 常 规 X 射 线 放 射 治 疗 模 拟 机 实 际 上 只 是 一 台 与 放 射 治 疗 设 备 在 治 疗 时 所 要 求 的 几 何 条 件 完 全 一 致 的 X 射 线 机 它 将 患 者 治 疗 部 位 或 病 变 部 位 的 三 维 实 体 变 成 二 维 图 像, 虽 然 图 像 质 量 很 高, 但 解 剖 结 构 的 重 叠 失 去 了 许 多 有 价 值 及 定 位 价 值 的 作 息 20 世 纪 70 年 代 末 80 年 代 初, 提 出 利 用 常 规 X 射 线 放 射 治 疗 模 拟 机 产 生 类 似 CT 断 层 的 影 像 的 设 想 引 进 了 数 字 技 术, 对 图 像 质 量 进 行 改 进, 这 样 在 常 规 X 射 线 放 射 模 拟 机 的 基 础 上 形 成 模 拟 机 CT 尽 管 它 有 比 常 规 X 射 线 放 射 治 疗 模 拟 机 更 好 的 断 层 图 像, 但 由 于 扫 描 层 数 少 扫 描 速 度 慢, 加 之 人 体 胸 腹 部 呼 吸 和 器 官 移 动 的 影 响, 图 像 质 量 较 差, 不 能 适 应 三 维 适 形 放 射 治 疗 的 需 要 20 世 纪 70 年 代 末 已 有 学 者 提 出 了 CT 放 射 治 疗 模 拟 系 统 的 概 念 CT 模 拟 机 克 服 常 规 X 射 线 模 拟 机 的 缺 点, 提 供 了 断 层 面 解 剖 结 构 的 更 多 细 节 CT 模 拟 定 位 可 以 提 供 靶 体 积 重 要 器 官 三 维 结 构, 而 且 由 于 CT 提 供 密 度 信 息 图 像, 可 以 作 为 治 疗 剂 量 计 算 的 基 础 1983 年 Goitein 等 描 述 用 CT 图 像 做 多 方 向 的 治 疗 计 划, 提 出 BEV 概 念, 即 射 野 方 向 视 观 (beam eye s view), 以 便 进 行 放 射 野 的 合 理 设 计 实 际 上 这 就 是 现 代 CT 模 拟 定 位 系 统 的 雏 形 Sherouse 等 开 发 模 拟 定 位 的 软 件, 提 出 DRR, 即 通 过 多 层 扫 描 形 成 的 数 据 重 建 的 射 野 影 像 (digital reconstruction radiography), 并 讨 论 DRR 在 放 射 治 疗 定 位 中 的 应 用, 在 提 出 对 高 速 计 算 机 及 特 殊 软 件 要 求 的 同 时, 特 别 指 出 要 重 视 患 者 固 定 和 摆 位 重 复 性 Nishidai 等 人 设 计 一 套 激 光 定 位 系 统 与 CT 扫 描 机 联 合 这 个 激 光 定 位 系 统 能 接 受 治 疗 计 划 的 图 像 信 息, 并 能 投 射 到 患 者 相 应 的 皮 肤 表 面, 使 得 CT 模 拟 机 能 实 际 应 用 于 临 床 但 CT 模 拟 定 位 系 统 存 在 许 多 需 要 解 决 的 问 题 : 如 70 cmct 孔 径 较 小, 不 适 于 放 射 治 疗 特 殊 体 位 及 体 胖 者 ;CT 数 据 传 输 慢 ; 图 像 分 析 困 难 ;DRR 产 生 慢 ; 打 印 图 像 质 量 差 等 等 20 世 纪 四 年 代 初, 随 着 激 光 定 位 系 统 虚 拟 定 位 软 件 及 计 算 机 的 发 展, 美 国 已 推 出 较 成 熟 的 CT 模 拟 机 今 天, 大 孔 径 多 层 CT 高 质 量 的 激 光 定 位 系 统 多 功 能 稳 定 的 虚 拟 模 拟 定 位 软 件 包 和 高 质 量 输 出 设 备 及 三 维 治 疗 计 划 系 统 的 应 用, 标 志 CT 模 拟 机 已 成 为 现 代 放 射 治 疗 系 列 设 备 的 一 部 分 依 据 CT 模 拟 机 的 定 位 原 理, 可 分 为 三 种 实 现 方 式 第 一 种 方 式 是 放 射 治 疗 自 主 型, 它 是 在 常 规 X 射 线 模 拟 机 上 加 装 CT 功 能 替 代 CT 扫 描 机, 称 之 为 模 拟 机 CT 在 外 观 上 它 与 常 规 X 射 线 模 拟 机 没 有 什 么 区 别 由 于 图 像 质 量 差

182 扫 描 层 数 少 而 限 制 三 维 显 示 功 能 的 应 用, 另 外, 它 每 次 定 位 对 患 者 的 照 射 量 也 比 较 高 第 二 种 也 是 放 射 治 疗 自 主 型, 不 同 之 处 在 于 是 放 射 治 疗 科 有 专 用 CT 扫 描 机, 它 是 标 准 的 CT 模 拟 系 统 第 三 种 是 利 用 医 院 现 有 的 CT 扫 描 机, 再 适 当 增 加 一 些 辅 助 装 备 和 多 功 能 三 维 治 疗 计 划 系 统 以 网 络 的 形 式 连 成 一 个 系 统, 这 种 方 式 使 得 医 院 资 源 得 到 更 合 理 的 利 用, 适 用 于 大 多 数 医 院 因 此, 在 三 维 适 形 放 射 治 疗 中,CT 模 拟 机 比 模 拟 机 CT 更 适 合 临 床 的 需 要 ( 一 ) 模 拟 机 CT 模 拟 机 CT 的 设 备 是 在 常 规 X 射 线 模 拟 定 位 机 的 基 础 上, 在 常 规 X 射 线 模 拟 定 位 机 头 及 影 像 增 强 器 上 各 加 一 个 准 直 器, 并 在 影 像 增 强 器 上 加 一 套 数 据 采 集 装 置 有 的 技 术 是 将 X 射 线 淮 直 器 开 成 横 跨 患 者 身 体 的 窄 长 束, 并 偏 向 患 者 的 一 侧 ; 影 像 增 强 器 也 偏 轴 设 置 在 患 者 的 一 侧 并 包 括 等 中 心 影 像 增 强 器 的 信 号 输 出 给 线 阵 排 列 的 500 个 光 敏 二 级 管 ; 另 一 组 二 极 管 线 阵 排 列 位 于 影 像 增 强 器 的 表 面, 覆 盖 X 射 线 束 和 患 者 被 扫 描 的 范 围 机 架 旋 转 360 获 得 扫 描 截 面 的 信 息 由 于 CT 断 层 条 件 的 限 制, 加 之 受 呼 吸 及 器 官 运 动 的 影 响, 特 别 在 胸 腹 部, 图 像 质 量 较 差 但 是 可 以 利 用 数 个 CT 断 层 做 二 维 及 二 维 半 的 治 疗 计 划 模 拟 机 CT 有 效 扫 描 野 一 般 在 80~150cm, 但 每 层 扫 描 时 间 长 达 55s 左 右, 层 厚 一 般 为 2~10mm, 空 间 分 辨 率 大 于 6.7LP/cm 模 拟 机 CT 的 X 射 线 球 管 的 负 载 热 量 较 高, 这 限 制 了 模 拟 机 CT 的 扫 描 层 数, 一 般 情 况 下 可 扫 描 7~20 层 整 个 扫 描 时 向 需 要 20min 左 右, 这 也 限 制 了 它 在 临 床 中 的 实 际 应 用 但 是, 对 于 临 床 上 特 殊 体 位 的 治 疗 ( 乳 腺 癌 患 者 双 臂 上 举 位 ), 由 于 其 有 效 扫 描 野 大, 可 以 完 全 模 拟 治 疗 体 位 ( 二 )CT 模 拟 机 CT 模 拟 机 ( 图 4-2-1) 是 兼 有 常 规 X 射 线 模 拟 机 和 诊 断 CT 双 重 功 能 的 定 位 系 统, 通 过 图 CT 模 拟 机 CT 扫 描 获 得 患 者 的 定 位 参 数 来 模 拟 治 疗 的 机 器 CT 模 拟 机 由 三 部 分 组 成 :CT 扫 描 机 和 控 制 台 ; 具 有 图 像 三 维 重 建 显 示 和 射 野 模 拟 功 能 的 工 作 站 ; 激 光 标 记 系 统 和 硬 拷 贝 输 出 装 置 激 光 相 机 打 印 机 等 这 三 部 分 通 过 快 速 以 太 网 连 接 1.CT 设 备 (1)CT 扫 描 机 基 本 硬 件 同 于 诊 断 CT,CT 可 分 为 四 代 第 一 代 CT 是 采 用 X 射 线 管

183 和 一 个 探 测 器 一 起 旋 转 成 像, 第 二 代 CT 是 采 用 X 射 线 管 和 多 个 探 测 器 一 起 旋 转 成 像 ; 第 三 代 CT 是 采 用 X 射 线 管 和 排 列 成 伞 形 探 测 器 一 起 旋 转 成 像 ; 第 四 代 CT 是 探 测 器 排 列 成 环 状, X 射 线 管 在 内 单 独 旋 转 第 三 四 代 CT 图 像 清 晰, 第 三 代 CT 比 第 四 代 CT 的 效 果 差, 且 增 加 扫 描 时 间 和 噪 声 CT 模 拟 定 位 系 统 比 诊 断 CT 要 求 扫 描 层 数 多, 为 得 到 准 确 的 数 据, 一 般 选 择 层 厚 为 3 或 5mm, 每 个 患 者 需 要 40~100 层 (2)X 射 线 管 由 于 CT 模 拟 系 统 的 多 层 扫 描 要 求, 其 X 射 线 管 必 须 有 较 大 的 热 负 载 一 般 X 射 线 管 的 负 载 应 大 于 5MHL, 散 热 能 力 大 于 0.5MHL/min (3) 采 集 时 间 快 速 扫 描 可 以 减 少 人 为 误 差 尤 其 在 受 吞 咽 运 动 呼 吸 运 动 及 胃 肠 蠕 动 等 因 素 影 响 大 的 部 位 如 咽 喉 部 下 肺 部 肝 部, 如 果 不 能 连 续 快 速 扫 描, 使 重 建 图 像 发 生 扭 曲, 将 影 响 以 后 的 计 算 及 治 疗 (4) 扫 描 方 式 有 轴 位 和 螺 旋 两 种 方 式 在 轴 位 扫 描,X 射 线 管 旋 转 360 采 集 一 层 数 据, 床 位 步 进 一 层 然 后 进 行 下 一 层, 这 种 扫 描 方 式 慢 大 多 数 采 用 螺 旋 扫 描 方 式, 扫 描 时 X 射 线 管 旋 转 的 同 时 床 不 断 向 前 移 动, 形 成 X 射 线 管 围 绕 患 者 成 螺 旋 状 相 对 运 动 使 用 这 种 技 术 扫 描 速 度 更 快 多 层 CT 非 常 有 潜 力, 尤 其 是 在 易 活 动 的 部 位 ( 咽 喉 部 下 肺 部 ), 多 层 CT 更 适 合 做 呼 吸 门 控 治 疗 的 定 位 (5)CT 孔 径 对 于 诊 断 用 CT, 由 于 典 型 的 扫 描 体 位 为 仰 卧 头 朝 机 架 双 臂 放 在 身 体 两 侧 或 胸 部 腿 伸 直 70cm 的 CT 孔 径 是 足 够 的 对 于 CT 模 拟 机, 患 者 的 特 殊 体 位 如 单 臂 外 展 90,70 cm 的 CT 孔 径 不 能 进 行 扫 描 而 85cm 的 孔 径 已 足 以 满 足 特 殊 体 位 的 需 要, 85cm 孔 径 CT 使 其 扫 描 视 野 从 40cm 达 到 60cm, 这 样 可 以 扫 描 患 者 全 部 轮 廓 以 及 体 外 固 定 设 备 上 的 特 殊 定 位 标 记 可 见 大 孔 径 CT 更 适 合 CT 模 拟 定 位 系 统 ; (6)CT 床 CT 模 拟 机 的 床 是 平 板 的, 与 加 速 器 的 床 一 致 床 具 有 精 确 的 三 维 方 向 移 动 及 旋 转 功 能, 另 外, 按 加 速 器 治 疗 床 的 标 准 载 重 200Kg 时, 床 面 下 沉 不 能 超 过 2mm (7) 定 位 激 光 分 为 内 置 和 外 置 两 部 分 内 置 激 光 在 机 架 内, 用 于 扫 描 位 置 的 定 位 外 置 激 光 有 更 高 精 确 度 的 要 求 垂 直 和 水 平 激 光 固 定 安 装 在 机 架 旁 ; 冠 状 激 光 安 装 在 天 花 板 上, 是 可 移 动 的 一 段 时 间 后 激 光 系 统 都 会 有 一 定 的 漂 移, 必 须 定 期 校 正 (8) 图 像 质 量 图 像 质 量 直 接 关 系 到 靶 区 及 重 要 器 官 勾 绘 的 准 确 性, 一 般 要 求 CT 空 间 分 辨 率 为 15Lp/mm 低 噪 声 及 密 度 均 匀 (9) 打 印 机 及 洗 片 机 要 求 配 备 彩 色 打 印 机 激 光 照 相 机 有 干 洗 和 湿 洗 两 种, 一 般 干 洗 比 较 方 便 (10) 激 光 射 野 模 拟 器 激 光 射 野 模 拟 器 通 过 数 据 传 输 系 统 接 口 接 受 CT 计 划 系 统 的 治 疗 数 据, 然 后 可 将 接 受 的 射 野 的 大 小, 形 状 精 确 地 投 射 到 患 者 的 皮 肤 表 面, 以 便 于 做 体 表 标 记, 这 一 点 与 常 规 X 射 线 模 拟 机 一 致 激 光 射 野 模 拟 器 围 绕 CT 床 旋 转 角 度 是 有 限 制 的, 不 能 把 所 有 部 位 的 辐 射 野 都 投 射 到 患 者 的 皮 肤 表 面 上 等 中 心 放 射 治 疗 仅 需 要 在 患 者 的 皮 肤 表 面 上 做 等 中 心 标 记 即 可 执 行 治 疗, 因 此, 激 光 射 野 模 拟 器 的 方 法 过 于 复 杂 化, 不 是 CT 模 拟 机 必 需 的 但 其 在 辐 射 野 的 验 证 方 面 还 是 有 一 定 帮 助 的 2.CT 模 拟 机 与 常 规 X 射 线 模 拟 机 的 比 较 CT 孔 径 一 般 为 65~85cm, 有 效 扫 描 射 野 达 40~60cm 一 般 扫 描 层 厚 2~10mm, 每 层 扫 描 时 间 为 1.4s, 重 建 时 间 为 4s, 空 间 分 辨 率 为 15LP/cm CT 模 拟 定 位 系 统 提 供 三 维 信 息, 可 进 行 辐 射 野 设 计 计 算 及 评 价 CT 模 拟 机 比 常 规 X 射 线 模 拟 机 有 更 强 的 功 能 作 为 CT 模 拟 机 的 补 充, 现 在 还 有 磁 共 振 模 拟 机 和 PET-CT 模 拟 机 也 在 一 定 范 围 内 得 到 了 应 用

184 第 三 节 三 维 治 疗 计 划 系 统 整 个 放 射 治 疗 计 划 设 计 是 极 其 重 要 的 一 环 患 者 的 临 床 检 查 和 治 疗 方 针 确 定 后, 主 管 医 生 确 定 好 治 疗 体 位 和 制 作 好 体 位 固 定 器, 进 入 CT/MRI/ 模 拟 定 位, 获 得 为 进 行 治 疗 计 划 设 计 所 必 需 的 患 者 治 疗 部 位 的 解 剖 材 料, 包 括 肿 瘤 的 位 置 和 范 围 周 围 重 要 组 织 及 器 官 的 位 置 及 结 构 等, 将 这 些 信 息 送 入 治 疗 计 划 系 统 进 行 治 疗 方 案 的 设 计 和 评 估, 经 过 治 疗 前 模 拟 验 证 后 进 入 治 疗 一 计 划 设 计 定 义 计 划 设 计 定 义 为 确 定 一 个 治 疗 方 案 的 全 过 程 传 统 上, 它 通 常 被 理 解 为 计 算 机 根 据 输 入 的 患 者 治 疗 部 位 的 解 剖 材 料 如 外 轮 廓 靶 区 及 重 要 组 织 和 器 官 的 轮 廓 及 相 关 组 织 的 密 度 等, 安 排 合 适 的 射 野 ( 如 体 外 照 射 ) 或 合 理 布 源 ( 如 近 距 离 照 射 ), 包 括 使 用 楔 形 滤 过 板 射 野 挡 块 或 组 织 补 偿 器 等 进 行 剂 量 计 算, 得 到 所 需 要 的 剂 量 分 布 治 疗 计 划 系 统 只 是 一 个 代 替 手 动 剂 量 计 算 的 剂 量 计 算 器 随 着 人 们 对 计 划 设 计 及 执 行 的 全 部 过 程 的 深 入 理 解, 要 求 治 疗 计 划 系 统 成 为 整 个 治 疗 过 程 的 有 机 连 结 体 中 的 一 个 重 要 纽 带 因 此, 从 广 泛 的 意 义 上, 上 述 定 义 应 理 解 为 : 确 定 一 个 治 疗 方 案 的 量 化 的 过 程, 包 括 三 个 方 面 : 1 CT/MRI/DSA 等 图 像 的 输 入 及 处 理 ; 2 医 生 对 治 疗 方 案 包 括 靶 区 剂 量 及 其 分 布 重 要 器 官 及 其 限 量 剂 量 给 定 方 式 等 要 求 及 实 现 ; 3 计 划 确 认 及 计 划 执 行 中 精 度 的 检 查 和 误 差 分 析 等 显 然 计 划 设 计 过 程 应 是 一 个 对 整 个 治 疗 过 程 不 断 进 行 量 化 和 优 化 的 过 程 近 年 来, 最 新 发 展 的 治 疗 计 划 系 统 从 哲 理 上 打 破 了 传 统 的 计 划 设 计 的 概 念, 除 保 留 传 统 计 划 系 统 进 行 剂 量 计 算 和 剂 量 显 示 的 功 能 外, 更 多 地 强 调 了 主 管 医 生 或 物 理 师, 通 过 治 疗 计 划 设 计 对 实 现 治 疗 方 案 要 求 的 程 度 例 如, 传 统 中, 通 常 由 主 管 医 生 在 模 拟 定 位 或 CT 机 上 定 好 肿 瘤 的 位 置 和 布 好 射 野, 然 后 让 治 疗 计 划 系 统 进 行 剂 量 计 算, 得 到 并 显 示 剂 量 分 布 情 况 此 时 计 划 系 统 只 是 作 为 医 生 已 制 定 的 治 疗 方 案 的 剂 量 显 示 器 (dose display), 如 认 为 已 定 方 案 不 合 适 仅 对 它 作 局 部 修 改 现 代 计 划 设 计 的 先 进 性 在 于, 剂 量 显 示 仍 是 一 种 治 疗 方 案 的 评 估 工 具, 而 将 对 实 现 治 疗 方 案 的 要 求 视 为 最 高 的 目 标, 优 选 治 疗 条 件, 对 其 实 施 的 可 行 性 进 行 评 估, 并 与 治 疗 验 证 片 进 行 比 较, 比 较 结 果 反 馈 给 治 疗 计 划 系 统, 对 治 疗 计 划 进 行 修 改 二 二 维 和 三 维 计 划 系 统 利 用 计 算 机 进 行 二 维 治 疗 计 划 设 计 始 于 本 世 纪 50 年 代 末 二 维 系 统 有 许 多 局 限 性, 其 局 限 性 表 现 在, 由 于 当 时 没 有 CT/MRI 等 现 代 影 像 设 备, 只 能 借 助 脱 体 表 轮 廓 图 和 拍 摄 治 疗 部 位 正 侧 位 X 射 线 片 方 法, 得 到 治 疗 部 位 有 限 的 含 有 靶 区 重 要 器 官 的 几 何 近 似 的 体 模 图, 通 常 1~3 层, 其 中 一 层 必 须 位 于 射 野 中 心 轴 平 面, 沿 患 者 纵 轴 方 向 离 射 野 边 缘 一 定 距 离 ( 约 1cm 左 右 ) 处 上 下 各 置 一 层 中 心 层 上 附 有 射 野 中 心 轴 和 射 野 边 的 指 示 ;3 个 层 面 重 叠 显 示 在 同 一 张 体 模 图 上 计 算 后 的 剂 量 分 布 附 加 在 体 模 图 上 到 了 70 年 代, 由 于 CT 机 的 出 现, 患 者 治 疗 部 位 的 CT 横 截 面 图 为 计 划 设 计 提 供 了 更 多 的 信 息, 横 截 面 团 层 面 数 也 比 以 前 的 多 由 于 只 有 横 截 面 团, 置 放 射 野 挡 块 非 常 不 直 观, 而 且 只 能 作 共 面 射 野 的 计 划, 非 共 面 射 野 几 乎 不 可 能 二 维 系 统 的 局 限 性 还 表 现 在, 剂 量 计 算 也 忽 略 了 射 野 本 身 线 束 的 扩 散 度 ; 由 于 患 者 治 疗 部 位 的 解 剖 材 料 不 全, 又 不 能 作 诸 如 组 织 密 度 层 间 散 射 等 因 素 对 剂 量 分 布 的 影 响, 最 后 的 剂 量 分 布 只 能 分 层 显 示, 由 于 没 有 评 估 工 具, 一 般 只 能 观 察 等 剂 量 线 与 靶 区 和 重 要 器 官 间 的 关 系 三 维 计 划 系 统 有 多 种 功 能 不 仅 有 患 者 治 疗 部 位 三 维 图 像 的 重 建 与 显 示, 计 划 设 计 者 有

185 更 多 的 自 由 度 去 选 择 观 察 和 设 定 射 野 的 入 射 方 向 及 射 野 的 形 状, 或 放 射 源 的 位 置, 利 用 一 维 或 三 维 剂 量 计 算 模 型 进 行 空 间 体 积 剂 量 的 计 算 一 个 完 善 的 三 维 治 疗 计 划 系 统 不 仅 能 克 服 二 维 系 统 的 局 限 性, 而 且 能 使 计 划 设 计 者 有 更 多 的 自 由 去 充 分 利 用 已 有 的 治 疗 技 术, 得 到 精 确 可 行 的 治 疗 计 划 ( 一 ) 正 向 与 逆 向 三 维 治 疗 计 划 1. 三 维 的 概 念 国 际 上 所 谓 三 维 (3D) 治 疗 计 划 系 统 的 3D 概 念 尚 未 有 明 确 的 定 义, 但 从 计 算 机 图 像 学 和 放 射 物 理 学 角 度 来 看, 它 的 内 涵 应 从 计 算 机 硬 件 和 软 件 两 大 方 面 去 阐 述 (1) 硬 件 方 面 应 具 备 的 条 件 a. 硬 件 是 软 件 的 物 质 基 础, 它 应 能 提 供 3D 软 件 运 行 和 调 用 的 基 本 硬 件 环 境 ( 芯 片 和 存 储 器 等 ), 否 则 3D 无 从 谈 起 应 具 有 3D256 灰 级 及 3D 彩 色 图 形 加 速 卡 (AGP), 支 持 纹 理 映 射, 阴 影 三 态 和 重 叠 示 模 式 b. 三 维 立 体 定 位 和 摆 位 框 架 系 统 c. 三 维 治 疗 机 等 (2) 软 件 方 面 应 在 操 作 系 统 算 法 模 型 图 像 显 示 治 疗 计 划 等 四 个 方 面 均 对 3D 有 具 体 要 求 : a. 软 件 平 台 : 因 为 所 有 软 件 都 是 建 立 在 某 一 个 相 应 的 软 件 操 作 系 统 平 台 上 的, 如 OpenVMS UNIX Window NT 等 操 作 系 统 应 安 装 运 行 调 用 标 准 三 维 图 像 平 台 ( 库 ), 如 Open 3D+Phigs,Open GL 等 b. 算 法 模 型 :3D 数 学 模 型 ( 精 度 较 高, 不 精 确 度 3%), 并 采 用 3D 算 法, 如 蒙 特 卡 罗 笔 束 卷 积 VDG 3D 矩 阵 (matrix), 充 分 考 虑 散 射 线 影 响 等 c. 图 像 显 示 : 应 提 供 CT/MRI 影 像 数 字 化 1:1 无 误 差 的 直 接 传 输 手 段,3D 模 式 CT-MRI CT-PET/SPECT 图 像 融 合 功 能, 可 进 行 立 体 透 射 式 或 网 格 可 视 化 显 示, 以 及 BEV/REV/ DRR 等 显 示 模 式 d. 治 疗 计 划 可 进 行 非 共 面 治 疗 计 划 设 计 ( 转 床 ),DVH 评 估, 任 意 斜 切 面 和 空 间 剂 量 分 布 评 估, 靶 区 剂 量 按 ICRU50 报 告 要 求 计 算 Dmax Dmin Dmean Dmodal Daverage Disocenter 等 以 上 的 综 合 指 标 构 成 了 真 三 维 立 体 定 向 放 射 治 疗 计 划 系 统 的 充 分 必 要 条 件 2. 正 向 与 逆 向 的 含 义 (1) 正 向 设 计 是 先 选 择 好 照 射 方 案, 计 算 出 剂 量 分 布, 如 达 不 到 所 确 定 的 目 标 和 剂 量 分 布 要 求, 就 修 改 照 射 方 案, 显 然 这 需 要 经 过 多 次 反 复 修 改, 才 能 接 近 所 确 定 的 目 标 和 剂 量 分 布 要 求 正 向 三 维 治 疗 计 划 系 统 用 于 三 维 适 形 放 射 治 疗, 是 使 用 较 多 的 方 法 (2) 逆 向 设 计 (inverse planning) 就 是 根 据 所 确 定 的 目 标 和 剂 量 分 布 要 求 ( 设 定 靶 边 缘 剂 量 分 布 要 求, 相 邻 危 及 器 官 保 护 剂 量 要 求 等 ) 作 为 出 发 点, 按 一 定 的 数 学 方 法 ( 如 迭 代 法 模 拟 退 火 法 等 ), 通 过 计 算 机 计 算, 推 导 出 一 个 可 执 行 的 照 射 方 案, 并 满 足 目 标 剂 量 分 布 与 实 际 照 射 剂 量 分 布 的 偏 差 趋 于 零 的 处 理 过 程, 也 就 是 说 通 过 逆 向 优 化 计 算 得 出 最 接 近 目 标 剂 量 分 布 函 数 的 实 际 计 划 方 案 ( 包 括 射 野 参 数, 权 重, 野 形 状 尺 寸,MU 等 ) 从 数 学 上 讲, 所 谓 逆 向 设 计, 即 先 设 置 所 想 要 的 目 标 函 数 ( 如 靶 区 边 缘 处 方 剂 量 重 要 危 及 器 官 保 护 剂 量 等 ), 然 后 由 计 算 机 自 动 优 化 设 计 计 算 给 出 所 有 照 射 参 数 ( 包 括 射 野 尺 寸, 床 角, 机 架 旋 转 起 止 角, 权 重 设 置,MU 等 ) 或 者 通 过 DVH 直 方 图, 选 择 目 标 函 数, 并 使 : e=d( 目 标 剂 量 分 布 )-D( 实 际 计 算 剂 量 分 布 ) 0 逆 向 设 计 有 许 多 便 利 性, 它 把 满 足 剂 量 分 布 与 复 杂 形 状 的 靶 区 适 形 以 及 充 分 的 防 护 相 邻 危 及 器 官 的 优 化 选 择 委 托 给 智 能 化 的 计 算 机 去 完 成, 放 大 大 节 省 了 计 划 设 计 时 间 而 且, 对

186 某 些 凹 嵌 形 状 的 肿 瘤 也 只 有 采 用 逆 向 设 计 的 调 强 补 偿 板 (MLC+dose compensator/modulator) 或 动 态 叶 片 变 更 组 合 (MLC+sliding window) 等 调 强 放 射 治 疗 才 能 达 到 目 的 ; 不 过, 它 也 存 在 局 限 性, 如 果 限 制 条 件 苛 刻 ( 或 边 界 条 件 过 多 ), 则 计 算 时 间 冗 长, 甚 至 拒 绝 计 算 逆 向 设 计 只 是 一 种 可 供 选 择 的 优 化 工 具, 它 的 作 用 不 能 过 分 夸 大, 使 用 时 应 很 慎 重 实 践 来 看, 正 向 设 计 和 逆 向 设 计 结 合 起 来 使 用 最 好 不 管 如 何, 机 器 最 终 应 由 人 来 校 验 指 导 和 把 握 逆 向 设 计 用 于 调 强 放 射 治 疗 的 三 维 治 疗 计 划 系 统 设 计 过 程 ( 二 ) 三 维 治 疗 计 划 系 统 的 组 成 主 要 硬 件 部 分 有 : 工 作 站 大 屏 幕 显 示 器 数 字 化 仪 胶 片 扫 描 仪 洗 片 机 和 彩 色 打 印 机 如 同 所 有 软 件 一 样, 易 使 用 快 速 多 功 能 是 决 定 软 件 成 功 的 主 要 因 素 以 下 是 一 种 工 作 站 系 统 的 硬 件 配 置, 主 要 有 : (1)Compag/digital ALPHA Station 500/333(255/233),Compaq Ap250/DELL P4/1G /512 大 型 图 像 工 作 站, 内 存 128~l024M, 硬 盘 20~40GB,21 英 寸 高 分 辨 率 大 屏 幕 彩 色 显 示 器,24 英 寸 平 面 真 三 维 3D 彩 色 图 形 加 速 卡,CD-RW, 以 太 网 Ethernet, 集 群 支 持 Cluster 等 (2)HP/IBM 高 级 Postscript 图 文 激 光 网 络 打 印 机, 以 及 彩 色 喷 墨 打 印 机 (3) 网 络 / 光 盘 机 / 磁 带 机 ( 患 者 影 像 数 据 直 接 数 字 化 传 输 用 ) (4) 高 级 医 用 彩 色 / 透 射 式 扫 描 仪 ( 医 用 胶 片 输 入, 尽 量 不 用 这 种 方 法 输 入 它 的 精 确 度 差 ) (5)UPS 高 性 能 不 间 断 电 源 等 治 疗 计 划 系 统 的 种 类 很 多, 以 上 只 是 一 个 具 体 例 子, 随 着 计 算 机 技 术 的 迅 速 发 展 治 疗 计 划 系 统 也 不 断 进 步, 速 度 更 快, 功 能 更 完 善, 操 作 更 方 便 ( 三 ) 加 速 器 物 理 参 数 测 量 与 分 析 (PDD 或 TMR OCR 等 ) 以 及 数 据 输 入 精 确 放 射 治 疗 所 涉 及 加 速 器 和 准 直 器 的 物 理 参 数 较 多, 要 求 测 量 精 确, 包 括 开 放 野 和 安 装 各 种 准 直 器 下 的 百 分 深 度 剂 量 PDD 或 组 织 最 大 比 TMR 离 轴 比 OCR 以 及 各 种 相 关 因 子 等 通 常 采 用 如 下 设 备 条 件 做 加 速 器 物 理 参 数 实 测 和 分 析 : (1) 三 维 辐 射 野 分 析 仪 ( 简 称 三 维 水 箱 ) (2) 剂 量 仪 (3) 电 离 室 ( 探 头 ф1~2mm 和 ф3.5mm 两 种, 源 - 探 测 器 距 离 可 用 SSD 法 和 SAD 法 (4) 图 像 分 析 仪 ( 如 IBAS-2000) (5)OCR 测 量 水 深, 各 种 治 疗 计 划 系 统 的 要 求 不 同 (6) 源 - 胶 片 距 离 视 具 体 要 求 而 定 (7) 低 感 光 胶 片 等 (8) 技 术 分 析 工 具 胶 片 灰 度 ( 剂 量 ) 自 动 测 量 分 析 系 统 : 该 系 统 能 自 动 分 析 测 量 各 种 胶 片 参 数, 提 供 射 野 尺 寸 大 小 半 影 偏 心 距 胶 片 验 证 和 配 准 以 及 计 划 与 实 际 照 射 剂 量 对 比 等 功 能 需 要 提 醒 的 是 : 计 划 系 统 中 剂 量 分 布 计 算 的 精 确 性, 除 与 采 用 的 数 学 计 算 模 型 有 关 外, 较 大 程 度 上 还 决 定 于 直 接 测 量 的 第 一 手 数 据 的 可 靠 性 和 精 度 特 别 要 注 意 的 是 数 据 测 量 时 所 用 的 条 件, 如 探 头 大 小 探 头 响 应 ( 能 量 和 剂 量 响 应 ) 治 疗 机 输 出 的 稳 定 性, 以 及 测 量 时 各 式 方 形 野 的 尺 寸 间 隔 和 测 量 范 围 等 在 把 物 理 测 量 和 分 析 数 据 往 计 算 机 计 划 工 作 站 里 输 入 时, 要 认 真 校 验 比 对, 注 意 数 据 量 级 统 一 和 数 据 格 式 正 确, 并 且 在 计 算 机 屏 幕 上 显 示 相 关 曲 线 以 作 观 察 对 比, 否 则 会 影 响 剂 量 计 算 和 显 示 结 果, 影 响 和 误 导 整 个 治 疗 计 划 的 评 估, 这 是 不 允 许 发 生 的 ( 四 ) 三 维 治 疗 计 划 的 设 计 评 估 与 输 出

187 三 维 治 疗 计 划 设 计 的 前 提 是 配 备 立 体 定 位 的 基 础 环 定 位 框 架 定 位 板 CT/MRI 适 配 器 等 定 位 配 件 这 些 配 件 为 定 位 必 需 配 件, 其 中 定 位 板 中 含 有 定 位 线, 固 定 在 患 者 肿 瘤 相 应 位 置 并 利 用 适 配 器 与 CT/MRI 扫 描 机 器 相 连, 通 过 这 种 专 用 定 位 设 备 扫 描 出 的 图 像 叫 定 位 图 像, 才 是 治 疗 计 划 系 统 需 要 的 图 像 1. 患 者 影 像 数 据 传 输 系 统 患 者 的 CT/MRI 影 像 数 据 需 要 传 输 或 转 换 到 工 作 站 当 中 才 能 设 计 治 疗 计 划 患 者 治 疗 部 位 解 剖 数 据 的 获 得 与 输 入 是 治 疗 计 划 设 计 的 主 要 内 容 之 一, 它 的 获 得 方 式 和 数 据 的 完 整 性 不 仅 直 接 影 响 治 疗 方 案 设 计 的 优 劣, 也 是 划 分 二 维 或 三 维 治 疗 计 划 系 统 的 标 准 之 一 在 整 个 治 疗 计 划 设 计 过 程 中, 患 者 治 疗 部 位 的 解 剖 数 据 或 信 息 主 要 用 于 下 述 几 个 方 面 : 1 阐 明 或 帮 助 医 生 了 解 患 者 患 病 部 位 的 临 床 情 况, 包 括 病 变 的 性 质 特 征 等 ; 2 提 供 有 关 靶 区 范 围 及 靶 区 与 周 围 重 要 组 织 和 器 官 的 相 互 关 系 ; 3 进 行 治 疗 方 案 的 初 步 选 择 ; 4 显 示 照 射 野 或 放 射 源 的 位 置 ; 5 显 示 和 评 估 剂 量 分 布 ; 6 治 疗 计 划 的 模 拟 验 证 及 比 较 ; 7 观 察 照 射 反 应 ICRU 第 42 号 报 告 总 结 了 目 前 获 得 患 者 治 疗 部 位 数 据 的 常 用 工 具 获 得 方 式 和 输 入 到 治 疗 计 划 系 统 的 途 径 ( 图 4-3-1) 图 治 疗 计 划 系 统 的 获 取 途 径 现 代 治 疗 计 划 系 统 中, 解 剖 结 构 主 要 取 自 于 CT/MRI 及 其 他 影 像 装 置 众 所 周 知,CT /MRI 影 像 扫 描 工 作 站 显 示 的 是 数 字 化 图 像 (digital image), 可 作 为 图 像 文 件 格 式 和 数 据 流 格 式 存 储 在 硬 盘 / 光 盘 / 磁 带 上, 或 通 过 网 络 / 光 盘 机 / 磁 带 机 方 式 直 接 数 传 递, 可 实 现 数 字 数 字 1:1 无 误 差 传 输 ; 但 是 如 果 把 CT/MRI 影 像 拍 成 胶 片, 先 进 行 数 字 模 拟 转 换, 再 由 光 学 扫 描 仪 将 胶 片 扫 入 立 体 放 射 治 疗 工 作 站 进 行 模 拟 数 字 再 转 换, 则 往 往 产 生 不 容 忽 视 的 数 字 模 拟 数 字 的 图 像 传 输 和 转 换 误 差 问 题 ; 如 显 定 影 随 机 差 异 胶 片 污 迹 不 同 批 次 的 胶 片 本 底 灰 度 不 一 致 等 多 种 复 杂 因 素, 均 会 导 致 灰 度 和 像 素 损 失 与 失 真 另 外 用 扫 描 仪 输 入

188 多 层 ( 通 常 有 30~40 层 左 右 )CT 图 像 时 手 工 对 中 (centering alignment) 会 造 成 CT 层 面 交 错 扭 曲, 重 建 后 存 在 较 明 显 台 阶 状 表 面 按 常 用 的 扫 描 条 件, 即 矩 阵 图 像 评 估, 一 个 像 素 尺 寸 (pixel) 约 0.75~1.0mm 左 右, 而 由 光 学 扫 描 输 入 引 起 的 综 合 误 差 会 累 计 达 1.5~2.0nm, 多 层 对 中 造 成 的 错 移 现 象 使 误 差 在 原 有 量 级 上 还 会 增 大 考 虑 到 系 统 还 有 定 位 计 划 治 疗 摆 位 等 多 种 误 差 因 素 的 影 响 累 积 因 此, 做 立 体 定 向 放 射 治 疗 时 不 宜 采 用 光 学 扫 描 仪 输 入 的 方 式, 而 应 直 接 采 用 数 字 化 1:1 方 式 进 行 CT/MRI 图 像 数 据 传 输 和 转 换, 这 样 才 能 既 保 证 数 据 传 输 准 确 不 失 真, 又 省 时 省 力 用 视 频 截 取 的 办 法 也 有 误 差, 其 误 差 范 围 介 于 1:1 数 字 化 转 换 和 光 学 扫 描 仪 之 间 2.CT/MRI 影 像 定 位 标 记 自 动 识 别 与 图 像 质 量 解 析 校 验 三 维 治 疗 计 划 系 统 要 求 多 幅 图 像 同 屏 显 示, 能 任 意 改 变 图 像 灰 度, 对 比 度 和 亮 度, 显 示 图 像 边 缘 增 强 和 局 部 器 官 信 息 ( 如 肺 纹 理 等 ), 同 时 能 自 动 识 别 CT/MRI 影 像 定 位 标 记 点, 确 定 图 像 坐 标 系 (x,y,z) 对 于 肿 瘤 放 射 治 疗 来 说, 要 对 CT/MRI 定 位 影 像 做 图 像 质 量 解 析 校 验 因 为 CT/MRI 机 器 在 医 院 使 用 很 频 繁, 有 的 服 役 时 间 长 达 五 年 以 上, 通 常 设 备 会 出 现 一 些 机 械 磨 损 现 象, 以 及 床 端 面 下 沉 扫 描 孔 机 架 校 准 不 归 零 等 精 度 偏 差, 加 上 CT/MRI 定 位 仪 ( 或 头 颅 / 体 部 框 架 ) 的 置 放 也 或 多 或 少 存 在 着 不 完 全 水 平 垂 直 的 现 象 这 些 都 将 导 致 其 扫 描 成 像 发 生 非 平 行 性 扫 描 偏 差, 如 不 等 间 距 扫 描 图 像 倾 斜 (tilt) 旋 转 (rotation) 等 现 象 这 些 误 差 单 凭 医 生 肉 眼 观 察 不 易 发 现, 而 且 对 于 影 像 定 性 诊 断 来 说 问 题 不 大, 但 是 对 于 肿 瘤 立 体 定 向 放 射 治 疗 来 说 就 显 得 重 要 了, 因 为 立 体 定 向 放 射 治 疗 的 系 统 误 差 量 级 为 毫 米 (mm), 与 CT/MRI 的 图 像 分 辨 率 量 级 相 近, 故 有 必 要 做 图 像 定 位 解 析 校 验, 定 量 分 析 定 位 仪 各 基 准 标 记 点 之 间 的 距 离 关 系, 并 进 行 不 等 间 距 扫 描 倾 斜 角 旋 转 角 等 计 算, 最 后 把 角 度 和 位 移 偏 差 在 计 算 未 来 层 面 和 靶 点 坐 标 时 加 以 纠 正 如 忽 视 此 问 题, 至 少 会 有 2mm 甚 至 还 要 多 的 偏 差 3. 图 像 登 记 患 者 治 疗 部 位 的 解 剖 信 息 以 图 像 方 式 进 入 计 划 系 统 后, 系 统 对 其 进 行 图 像 登 记 登 记 的 主 要 目 的 是 : 1 建 立 患 者 坐 标 系 它 是 通 过 附 在 图 像 上 的 内 外 标 记 点 建 立 的 该 坐 标 系 直 接 反 映 患 者 在 治 疗 时 的 体 位, 体 位 固 定 器 是 维 持 从 定 位 到 摆 位 的 整 个 治 疗 过 程 中 坐 标 系 不 变 的 关 键 措 施 2 在 该 坐 标 系 中 重 建 出 治 疗 部 位 的 三 维 解 剖 结 构, 确 定 靶 区 及 靶 区 与 周 围 重 要 组 织 和 器 官 的 关 系 2 利 用 已 建 立 的 患 者 坐 标 系, 将 不 同 来 源 的 图 像 如 CT/MRI/PET 模 拟 机 射 野 模 拟 片 加 速 器 射 野 证 实 片 等 进 行 融 合 叠 加 和 比 较 4 等 剂 量 分 布 在 不 同 图 像 中 相 互 映 射 到 目 前 为 止,CT 图 像 仍 然 是 肿 瘤 放 射 治 疗 计 划 设 计 的 基 本 图 像 对 二 维 系 统,CT 图 像 层 片 一 般 不 超 过 10 片 ; 对 三 维 系 统, 必 须 有 足 够 数 量 的 CT 层 片, 才 能 保 证 三 维 数 字 重 建 后 的 图 像 (DRR) 的 质 量 CT 层 片 数 的 多 少, 很 大 程 度 上 依 赖 于 肿 瘤 的 部 位 和 治 疗 计 划 系 统 的 容 量 扫 描 范 围 必 须 远 大 于 肿 瘤 的 体 积, 一 方 面 为 了 与 其 他 设 备 的 图 像 如 MRI 等 融 合 时 有 较 大 的 灵 活 性, 另 一 方 面 为 布 置 射 野 提 供 足 够 的 组 织 范 围 CT 图 像 用 于 治 疗 计 划 设 计 的 缺 点, 是 CT 图 像 的 软 组 织 分 辨 率 较 差, 而 MRI 在 这 方 面 显 示 较 大 的 优 越 性 虽 然 MRI 不 能 提 供 为 剂 量 计 算 需 用 的 诸 如 组 织 的 电 子 密 度 阻 止 本 领 等 参 数, 放 疗 计 划 设 计 直 接 使 用 MRI 图 像 有 一 定 的 困 难, 但 由 于 MRI 扫 描 能 直 接 提 供 横 断 面 冠 状 面 矢 状 面 以 及 T 1 T 2 加 权 扫 描, 使 得 MRI 成 为 放 疗 计 划 设 计 中 仅 次 于 CT 的, 在 某 些 部 位 甚 至 优 于 CT 的 图 像 的 主 要 来 源 为 了 有 效 地 利 用 MRI, 为 计 划 设 计 目 的, 作 MRI 扫 描 前 必 须 确 认 :

189 1 MRI 图 像 能 够 从 几 何 ( 即 坐 标 系 ) 上 与 CT 图 像 融 合 ; 2MRI 图 像 能 够 对 肿 瘤 诊 断 靶 区 勾 画 或 重 要 组 织 和 器 官 的 确 定 有 用 除 去 CT MRI 图 像 外, 其 他 来 源 的 图 像 如 PET SPECT X 射 线 片 射 野 证 实 片 体 模 图 等 都 可 以 作 为 计 划 设 计 和 验 证 的 图 像 的 来 源 由 于 这 些 图 像 的 存 储 格 式 几 何 大 小 分 辨 率 图 像 维 数 等 差 别 很 大, 需 要 经 过 坐 标 的 相 应 转 换, 变 成 统 一 格 式 后 给 予 登 记 拍 摄 这 些 图 像 时, 只 有 体 位 的 内 外 标 记 是 不 够 的, 必 须 使 用 相 应 的 立 体 定 位 框 架 实 现 从 一 种 影 像 A( 如 MRI 图 像 ) 到 另 一 种 影 像 B( 如 CT 扫 描 图 像 ) 间 的 融 合 或 变 换 分 为 两 步 : 首 先 实 现 从 图 像 A 到 图 像 B 间 的 坐 标 变 换, 然 后 按 坐 标 变 换 格 式 进 行 图 像 相 应 解 剖 点 或 组 织 结 构 间 的 转 换 设 某 一 点 在 两 种 图 像 各 自 的 坐 标 系 中 的 坐 标 分 别 为 X A 和 X B, 它 们 间 的 变 换 关 系 为 X B =A X A +b, 其 中 A 为 坐 标 系 旋 转 矩 阵, 包 括 x,y,z 三 轴 方 向 的 转 换 比 例 和 平 面 偏 转 ;b 为 坐 标 系 平 移 矢 量 旋 转 和 平 移 包 含 三 组 9 个 参 数 : 三 个 旋 转 参 数 (Q x, Q y,q z ); 三 个 平 移 参 数 (T x,t y,t z ) 及 三 个 比 例 参 数 (S x,s y,s z ) 旋 转 和 平 移 计 及 了 在 不 同 影 像 设 备 上 作 影 像 时 患 者 的 位 置 和 方 向 的 变 化 ; 比 例 变 换 是 统 一 各 种 影 像 检 查 时 图 像 标 尺 的 一 致 性 确 定 上 述 三 组 9 个 参 数 的 途 径 或 技 术 有 :1 特 定 点 相 互 对 应 技 术 特 定 点 一 般 为 在 患 者 治 疗 部 位 设 立 的 内 外 解 剖 标 记 点, 外 部 定 位 框 架 标 记 点 等 该 技 术 至 少 需 要 4 个 非 共 面 点 才 能 确 定 上 述 9 个 参 数 此 方 法 的 优 点 是 简 单 直 接 易 于 比 较, 但 当 用 内 外 解 剖 标 记 点 时 一 定 要 确 保 该 解 剖 标 记 点 在 各 种 影 像 上 能 显 示 出 来, 而 且 位 置 最 好 不 发 生 位 移 2 直 线 或 曲 线 标 记 变 换 技 术 由 于 作 不 同 影 像 检 查, 范 围 不 一 定 很 大, 治 疗 部 位 设 立 的 内 外 标 记 点, 不 一 定 能 被 包 括 在 相 应 图 像 上 ; 或 在 相 应 影 像 检 查 前 就 没 有 考 虑 标 记 点, 此 时 必 须 根 据 特 殊 的 解 剖 结 构 如 体 中 轴 线 或 骨 组 织 突 等 为 依 据, 确 定 变 换 参 数 ;2 曲 面 变 换 技 术 此 技 术 是 线 性 变 换 技 术 的 推 广, 以 特 殊 解 剖 结 构 的 表 面 如 颅 骨 表 面 盆 骨 表 面 等, 作 为 确 定 变 换 参 数 的 标 记, 曲 面 上 对 应 点 的 寻 找 可 采 取 最 小 二 乘 法 线 面 相 交 计 算 法 Chamfer 对 应 法 等 4 体 积 变 换 技 术 体 积 变 换 是 两 种 影 像 间 解 剖 结 构 的 交 叉 比 较, 将 它 们 的 体 积 重 叠 最 简 单 的 作 法 是 通 过 计 算 解 剖 结 构 体 积 内 的 三 个 位 移 量 而 实 现 的 : 整 个 体 积 质 量 质 量 中 心 和 惯 性 张 量 两 种 影 像 的 整 个 体 积 质 量 之 比, 反 映 了 两 种 图 像 的 整 体 比 例 因 子 ; 质 量 中 心 确 定 了 两 种 图 像 的 平 移 ; 惯 性 张 量 的 主 轴 分 量 提 供 了 图 像 的 旋 转 参 数 和 各 向 比 例 标 尺 体 积 变 换 技 术 要 求 两 种 图 像 中 能 够 整 体 显 示 出 用 于 比 较 的 解 剖 结 构, 如 实 际 操 作 有 困 难, 可 用 相 对 体 积 概 念 5 交 互 式 变 换 技 术 交 互 式 变 换 就 是 操 作 者 利 用 鼠 标 或 键 盘 输 入 两 种 图 像 的 相 应 的 解 剖 结 构 进 行 人 机 交 互 式 对 片 移 动 和 登 记, 操 作 对 象 可 以 是 解 剖 结 构 的 特 殊 点 线 或 曲 面, 最 后 凭 视 觉 确 定 4. 勾 画 和 定 义 皮 肤 靶 区 和 有 关 重 要 器 官 的 轮 廓 按 治 疗 计 划 的 定 义 要 求, 需 要 将 经 过 上 述 输 入 和 登 记 的 图 像, 转 换 为 包 括 体 表 在 内 的 体 表 外 轮 廓 靶 区 轮 廓 重 要 组 织 和 器 官 轮 廓 某 些 解 剖 结 构 的 轮 廓 等 靶 区 及 重 要 器 官 的 勾 画 是 治 疗 计 划 最 花 费 时 间 的 所 以 软 件 应 具 备 一 系 列 自 动 半 自 动 编 辑 功 能, 如 靶 区 的 勾 画 轮 廓 移 动 删 除 拷 贝 扩 大 旋 转 扩 展 上 下 及 中 间 层 复 制 边 界 修 改 边 界 自 动 勾 画 边 界 均 匀 或 非 均 匀 增 大 测 量 手 动 和 自 动 挡 块 等 各 组 织 区 域 ( 靶 区 及 有 关 重 点 组 织 器 官 ) 可 用 多 种 不 同 颜 色 表 示 和 区 分 这 些 轮 廓 在 剂 量 分 布 计 算 中 的 作 用 是 求 得 体 内 任 意 剂 量 计 算 点 到 各 轮 廓 线 与 原 射 线 交 点 间 的 距 离, 这 些 距 离 的 计 算 精 度 直 接 影 响 了 形 成 剂 量 分 布 的 准 确 性 轮 廓 勾 画 的 方 法 有 两 种, 一 种 是 多 边 形 近 似 法, 另 一 种 是 极 坐 标 系 法 当 用 多 边 形 近 似 法 勾 画 轮 廓 时, 每 个 轮 廓 一 般 不 能 取 少 于 20 个 的 适 当 选 择 的 点, 使 折 线 形 状 尽 量 与 解 剖 的 轮 廓 一 致 当 用 极 坐 标 系 时, 注 意 原 点 的 位 置 的 难 确 ; 当 用 x(t) y(t) 参 数 多 项 式 进 行 曲 线 拟 合 时, 精 度 可 以 提 高 ; 样 条 函 数 曲 线 拟 合, 相 对 较 容 易 地 勾 画 出 较 复 杂 的 轮 廓 线 放 射 治 疗 中 需 要 三 维 解 剖 结 构, 实 际 上, 多 数 治 疗 计 划 系 统 中, 将 三 维 结 构 变 成 系 列 两 维 横 断 面 形 成 按 上 述 的 方 法 之 一 进 行 轮 廓 勾 画, 然 后 按 平 行 直 接 叠 放 或 三 角 连 线 形 成 解 剖

190 结 构 的 三 维 表 面 利 用 Polyhedral 近 似 法 计 算 每 个 横 截 面 片 的 柱 形 体 积, 然 后 相 加 得 到 靶 区 或 重 要 组 织 和 器 官 等 的 体 积 ; 或 利 用 几 何 图 形 单 元 ( 如 椭 圆 形 Parab010id 等 ) 合 成 的 方 法 求 得 每 个 解 剖 结 构 的 体 积 该 体 积 对 计 算 剂 量 体 积 直 方 图 是 需 要 的 为 了 进 行 剂 量 计 算, 需 要 知 道 上 述 解 剖 结 构 的 轮 廓 线 ( 面 ) 内 的 平 均 密 度 或 相 对 电 子 密 度 在 设 计 治 疗 方 案 时, 需 要 给 出 射 野 调 整 的 一 系 列 功 能, 如 射 野 大 小 角 度 等 射 野 方 向 视 观 BEV 可 了 解 不 同 方 向 和 不 同 角 度 辐 射 野 形 状 及 大 小 5. 靶 区 边 界 定 义 的 准 确 与 调 整 图 像 融 合 (fusion) 靶 区 边 界 定 义 的 准 确 与 否 对 于 肿 瘤 治 疗 成 败 是 至 关 重 要 的 有 一 些 部 位, 特 别 是 在 颅 内, 有 时 从 CT 上 难 以 辨 别 靶 区 及 解 剖 结 构 一 旦 医 生 不 能 正 确 地 勾 画 肿 瘤 区 (gross tumor volume,gtv) 釉 临 床 靶 区 (clinic target volume,ctv), 必 将 误 导 物 理 人 员 设 计 错 误 的 计 划 靶 区 (planning target volume,ptv), 影 响 肿 瘤 控 制 率 TCP, 也 自 然 影 响 到 正 常 组 织 合 并 症 NTCP, 由 此 为 肿 瘤 治 疗 埋 下 隐 患 当 今 随 着 影 像 技 术 和 计 算 机 图 像 处 理 技 术 的 发 展, 各 种 影 像 如 解 剖 学 影 像 (CT MRI) 功 能 学 影 像 (PET/SPECT MRS) 乃 至 分 子 学 影 像 (electronic paramagnetic rasonance imaging, EPRI) 等 之 间 可 以 相 互 做 融 合 (fusion) 分 析, 结 合 多 种 方 法 确 定 病 灶 靶 区, 避 免 对 肿 瘤 边 界 误 判 和 错 判 做 法 是, 按 可 比 性 和 一 致 性 原 则, 把 MRI/PET/SPECT 图 像 中 靶 区 边 界 重 叠 到 CT 图 像 上 显 示, 这 样 做 极 大 地 改 善 了 靶 区 勾 画 的 可 靠 性, 为 提 高 肿 瘤 放 射 治 疗 控 制 率 提 供 了 保 障 目 前 二 维 图 像 融 合 要 求 CT MRI PET 扫 描 层 距 严 格 一 致, 并 有 定 位 标 记 识 别 通 过 CT 与 MRI PET SPECT 图 像 的 融 合 功 能, 使 医 生 掌 握 更 多 信 息, 在 设 计 辐 射 野 时, 有 助 于 医 生 更 全 面 地 包 括 肿 瘤 区, 更 有 效 的 保 护 正 常 组 织 及 器 官 6. 治 疗 计 划 设 计 治 疗 计 划 系 统 至 少 具 有 如 下 功 能 : (1) 数 字 图 像 重 建 数 字 重 建 技 术 (DRR) 是 计 划 系 统 最 重 要 的 三 维 展 示 功 能 DRR 是 利 用 数 字 重 建 技 术 获 得 和 放 射 治 疗 条 件 完 全 一 致 的 辐 射 野 的 三 维 照 片, 使 医 生 全 面 地 了 解 辐 射 野 与 周 围 解 剖 结 构 的 关 系, 有 利 于 验 证 辐 射 野 的 合 理 性 和 准 确 性 (2)BEV REV 显 示 所 谓 BEV(beam s eye view) 是 从 射 野 方 向 观 视 射 野 与 靶 区 适 合 情 况 及 与 其 他 组 织 器 官 的 相 对 空 间 关 系 REV(room observer s eye view) 是 从 观 察 医 生 角 度 观 视 治 疗 机 及 射 野 状 态 与 靶 区 适 合 情 况 及 与 其 他 组 织 器 官 的 相 对 空 间 关 系 (3) 自 动 计 算 显 示 靶 区 等 中 心 空 间 坐 标, 且 可 根 据 医 生 需 要 人 工 干 预 修 改 和 调 整 其 等 中 心 坐 标 (4) 通 过 BEV/REV, 设 计 确 定 共 面 或 非 共 面 对 称 或 非 对 称 固 定 野 或 弧 形 辐 射 野 设 计 以 及 在 各 野 下 所 对 应 的 治 疗 床 的 角 度 (table) 每 个 治 疗 床 角 下 的 机 架 (gantry) 角 度 或 旋 转 起 始 (start) 和 终 止 (end) 角 度, 以 及 准 直 器 (collimator) 转 角 (5) 射 线 束 路 径 直 观 显 示, 检 查 射 线 束 照 射 区 域 内 或 弧 形 照 射 区 域 内 是 否 照 射 和 扫 射 到 正 常 组 织 器 官 (6) 数 据 合 成 的 射 线 影 像 数 据 合 成 的 射 线 影 像 (digital composition radiography,dcr) 是 在 DRR 的 基 础 上 抑 制 或 增 强 某 一 范 围 组 织 的 CT 值 更 好 的 显 示 另 一 些 组 织 的 图 像 DCR 允 许 切 除 某 部 分 组 织 或 器 官, 使 感 兴 趣 的 组 织 或 器 官 被 显 示 得 更 清 楚 [ (7) 多 层 面 的 射 线 影 像 在 三 维 功 能 显 示 中, 还 看 会 层 面 的 射 线 影 像 (multi plannar radiography,mpr), 即 在 三 维 模 拟 图 像 上, 空 间 任 意 切 面 的 显 示, 并 可 以 把 DRR,DCR, MPR 放 在 一 幅 画 面 中 显 示 (8) 剂 量 计 算 医 生 及 物 理 师 设 计 治 疗 方 案 后, 应 具 备 快 速 剂 量 计 算 功 能, 模 型 计 算 ( 光 子 / 电 子 ) 均 为 三 维 计 算, 如 : 蒙 特 卡 罗 卷 积 笔 束 等, 考 虑 散 射 线 影 响 提 供 剂 量 体 积 直 方 图 以 评 价 治 疗 方 案, 并 在 二 维, 三 维 和 辐 射 野 DRR,DCR,MPR 上

191 显 示 剂 量 分 布 情 况 的 显 示 (9) 物 理 组 织 补 偿 剂 量 调 强 提 供 非 均 匀 性 组 织 密 度 修 正, 楔 形 板 (wedge/gap wedge) 组 织 填 充 物 (bolus) 剂 量 补 偿 器 (3D compensator)( 三 维 物 理 调 强 IMRT) 等 (10) 肿 瘤 处 方 剂 量 (tumor prescription dose) 设 置 ( 由 医 生 设 置 ), 合 理 分 配 各 辐 射 野 (BEAM i ) 的 权 重 (weight i ), 作 加 权 剂 量 计 算 weight ) = 1 ( i (11) 支 持 圆 形 不 规 则 靶 区 和 多 个 相 邻 靶 区 的 治 疗 计 划 设 计 : 圆 形 准 直 器 : 针 对 颅 内 及 类 圆 形 肿 瘤 照 射 治 疗 对 多 个 相 邻 靶 区 ( 如 转 移 瘤 等 ), 先 分 别 时 每 个 靶 区 ( 等 中 心 ) 进 行 弧 形 治 疗 设 计, 然 后 作 总 的 计 算 和 剂 量 分 布 评 估 ( 在 一 次 计 划 中 完 成, 剂 量 计 算 / 显 示 累 加 ) 挡 铅 (block): 自 动 / 人 工 修 改 设 计, 输 出 不 规 则 野 模 板 图 形 和 比 例 多 叶 准 直 器 (MLC, 手 动 / 电 动 / 气 动 ): 可 自 动 / 人 工 修 改 设 计, 输 出 模 板 图 形 和 比 例, 以 及 叶 片 相 对 运 动 的 位 移 等 参 数 6. 治 疗 计 划 评 估 ( 主 要 是 射 野 验 证 剂 量 分 布 等 评 估 ) 计 划 系 统 应 至 少 提 供 ; (1)DRR 图, 同 时 显 示 等 中 心 比 例 尺 寸 射 野 形 状 靶 区 危 及 器 官 等 ; (2) 横 断 面 矢 状 面 冠 状 面 及 任 意 斜 切 面 的 剂 量 分 布 显 示 ; (3) 垂 直 于 各 射 野 的 等 中 心 处 截 面 剂 量 分 布 及 射 野 形 状 显 示 (all beam cut); (4) 任 意 点 剂 量 测 量 分 析 ; (5) 空 间 体 剂 量 包 络 显 示 ; (6)DVH 剂 量 体 积 直 方 图 显 示 ( 靶 区 及 重 要 器 官 体 积, 最 大 最 小 和 平 均 剂 量 值 ) 多 器 官 多 计 划 方 案 比 较 分 析 ( 多 个 DVH 同 屏 显 示 ) 等 评 估 的 目 标 是 : 辐 射 野 设 计 合 理 安 全 有 效,90% 或 至 少 80% 等 剂 量 线 ( 面 ) 应 包 络 靶 区 边 缘, 周 围 正 常 组 织 器 官 处 于 安 全 照 射 剂 量 范 围 之 内 7. 输 出 打 印 治 疗 计 划 报 告 包 括 : 任 意 图 形 打 印 输 出, 以 及 患 者 信 息 ( 姓 名 ID 计 划 次 数 时 间 治 疗 机 厂 家 及 型 号 ), 医 师 物 理 师 意 见 与 签 名,CT/MRI 像 素 尺 寸, 加 速 器 CBP(cGy/MU), 靶 区 等 中 心 空 间 坐 标, 靶 区 及 各 重 要 组 织 器 官 之 最 大 最 小 平 均 剂 量 值, 总 剂 量 及 各 射 野 之 权 重, MU, 射 野 状 尺 寸, 床 角 机 架, 小 机 头 转 角, 剂 量 分 布 图,DVH 图 等

192 第 四 节 三 维 剂 量 计 算 模 型 和 治 疗 方 案 优 化 一 照 射 野 及 其 有 关 名 词 的 规 定 射 线 源 (S): 在 没 有 特 别 说 明 的 情 况 下, 一 般 指 放 射 源 的 前 表 面 的 中 心, 或 产 生 射 线 的 靶 面 中 心 射 线 中 心 轴 : 表 示 射 线 束 的 中 心 对 称 轴 线 临 床 上 一 般 用 放 射 源 S 穿 过 照 射 野 中 心 的 连 线 作 为 射 野 中 心 轴 照 射 野 (A): 表 示 射 线 束 经 准 直 器 后 中 心 轴 垂 直 通 过 体 模 的 范 围, 它 与 体 模 表 面 的 截 面 即 为 照 射 野 的 面 积 临 床 剂 量 学 中 规 定 体 模 内 50% 同 等 剂 量 曲 线 的 延 长 线 交 于 体 模 表 面 的 区 域 为 照 射 野 的 大 小 参 考 点 (P): 一 般 情 况 下, 为 剂 量 计 算 或 测 量 参 考, 规 定 体 模 表 面 下 照 射 野 中 心 轴 上 的 一 个 点 体 模 表 面 到 参 考 点 的 深 度 为 参 考 深 度 校 准 点 (C): 在 照 射 野 中 心 轴 上 指 定 的 测 量 点 体 模 表 面 到 校 准 点 的 深 度 为 校 准 深 度 入 射 点 : 射 线 中 心 轴 与 人 体 ( 或 体 模 ) 表 面 的 交 点, 位 于 射 线 进 入 人 体 ( 或 体 模 ) 的 那 一 点 出 射 点 : 射 线 中 心 轴 与 人 体 ( 或 体 模 ) 表 面 的 交 点, 位 于 射 线 离 开 入 体 ( 或 体 模 ) 的 那 一 点 源 皮 距 (SSD): 表 示 射 线 源 到 体 模 表 面 照 射 野 中 心 的 距 离 源 瘤 距 (STD): 表 示 射 线 源 沿 照 射 野 中 心 轴 到 肿 瘤 内 所 考 虑 点 的 距 离 源 轴 距 (SAD): 表 示 射 线 源 到 机 架 旋 转 轴 的 距 离 中 心 轴 百 分 深 度 剂 量 (PDD): 体 模 内 照 射 野 中 心 轴 上 任 一 深 度 d 的 吸 收 剂 量 率 射 野 中 心 轴 上 参 考 点 吸 收 剂 量 率 D d 0 的 比 的 百 分 率 即 : d d 0 D PDD= D 100% D d 与 照 二 临 床 剂 量 学 原 则 根 据 临 床 的 要 求 和 我 们 多 年 的 临 床 剂 量 学 实 践, 一 个 较 好 的 治 疗 计 划 应 满 足 下 列 四 项 条 件 : 1 肿 瘤 剂 量 要 求 准 确 放 射 治 疗 和 手 术 治 疗 一 样, 是 一 种 局 部 治 疗 手 段 照 射 野 应 对 准 所 要 治 疗 的 肿 瘤 区 即 靶 区 一 般 用 临 床 检 查 方 法 就 可 以 查 知 肿 瘤 的 体 积, 对 那 些 肿 瘤 范 围 不 易 确 定 或 手 术 后 的 患 者, 在 施 行 根 治 性 放 疗 时, 就 必 须 注 意 将 潜 在 转 移 区 域 也 包 括 在 内 2 治 疗 的 肿 瘤 区 域 内, 剂 量 分 布 要 均 匀, 剂 量 变 化 不 能 超 过 ±5%, 即 要 达 到 90% 的 剂 量 分 布 3 照 射 野 设 计 应 尽 量 提 高 治 疗 区 域 内 剂 量, 降 低 照 射 区 正 常 组 织 受 量 范 围 显 然 靶 区 和 治 疗 区 是 有 区 别 的 靶 区 是 根 据 患 者 的 肿 瘤 分 布 情 况 解 剖 截 面 图 形 来 说 明, 而 不 能 用 剂 量 分 布 来 确 定 因 肿 瘤 形 状 不 规 则, 靶 区 当 然 不 规 则 常 规 放 疗 中, 由 于 技 术 条 件 的 限 制, 不 可 能 设 计 一 个 治 疗 方 案, 使 得 90% 等 剂 量 线 按 靶 区 形 状 的 要 求 分 布, 只 能 做 到 使 绝 大 部 分 靶 区 位 于 90% 等 剂 量 曲 线 之 内, 因 此 提 出 了 治 疗 区 的 概 念 利 用 适 形 治 疗 特 别 是 调 强 适 形 治 疗 技 术, 可 以 大 大 改 善 治 疗 区 的 形 状 与 靶 区 形 状 的 三 维 适 合 度 根 据 治 疗 区 的 定 义,90% 等 剂 量 线 的 范 围 和 形 状 依 赖 于 具 体 的 治 疗 计 划 的 设 计 所 谓 照 射 区, 即 为 50% 等 剂 量 线 所 包 括 的 区 域 显 然 在 满 足 12 两 点 基 本 要 求 的 基 础 上,50% 等 剂 量 线 所 包 括 的 范 围 愈 小 愈 好 4 保 护 肿 瘤 周 围 重 要 器 官 ( 如 食 管 癌 治 疗 时 保 护 脊 髓 ) 免 受 照 射, 至 少 不 能 使 它 们 接 受 超 过 其 允 许 耐 受 剂 量 范 围 的 照 射

193 以 上 四 点, 简 称 临 床 剂 量 学 四 原 则 剂 量 计 算 在 放 射 治 疗 计 划 设 计 中 具 有 很 重 要 的 地 位 研 究 证 明, 剂 量 的 ±5% 变 化 就 会 引 起 无 并 发 症 的 肿 瘤 控 制 概 率 的 显 著 改 变 为 达 到 变 化 不 到 5% 的 剂 量 准 确 性, 受 照 体 积 内 任 意 一 点 剂 量 计 算 的 不 精 确 度 不 应 超 过 3%, 就 要 建 立 和 发 展 三 维 剂 量 计 算 模 型 三 高 能 X(γ) 射 线 的 三 维 剂 量 计 算 模 型 ( 一 ) 射 野 剂 量 分 布 的 数 字 表 达 患 者 治 疗 部 位 的 解 剖 数 据 的 三 维 表 达 以 CT 图 像 的 CT 值 为 基 础, 建 立 了 以 包 括 靶 区 重 要 组 织 和 器 官 等 解 剖 部 位 的 轮 廓 图 为 边 界 的 三 维 电 子 密 度 分 布 图, 它 以 像 素 单 元 或 体 素 单 元 空 间 矩 阵 表 示 这 种 表 达 方 式 同 样 适 合 于 射 野 剂 量 分 布 的 数 字 表 达 常 规 治 疗 中, 都 是 用 一 维 或 二 维 表 格 的 形 式 展 示 射 野 的 中 心 轴 上 剂 量 分 布 ( 如 PDD,TMR,SMR 等 ) 和 离 轴 剂 量 分 布 ( 如 OAR,POAR 等 ) 这 些 数 据 代 表 了 射 野 内 中 心 轴 主 平 面 内 有 限 点 的 测 量 得 到 的 剂 量 数 据 任 意 平 面 内 任 意 点 的 剂 量 原 则 上 可 用 三 维 扫 描 水 箱 直 接 测 得, 存 入 类 似 于 主 平 面 内 的 表 格 形 式 由 于 数 据 如 此 之 多, 不 仅 耗 去 大 量 人 力 物 力, 而 且 占 据 计 算 机 大 量 存 储 空 间 即 使 可 以 这 样 做, 将 这 些 数 据 直 接 用 于 患 者 体 内 亦 很 困 难 因 此, 为 得 到 射 野 内 任 意 平 面 任 意 点 的 剂 量, 必 须 借 助 一 定 的 剂 量 计 算 模 型 三 维 剂 量 计 算 模 型 中, 最 常 用 的 剂 量 数 据 的 表 达 方 式 是 使 用 剂 量 网 格 矩 阵, 它 们 依 据 所 采 用 的 坐 标 系 统 的 结 构 形 式 的 不 同, 可 以 与 患 者 体 内 的 解 剖 矩 阵 按 比 例 一 致, 亦 可 以 略 有 差 别 目 前 常 采 用 的 剂 量 网 格 坐 标 系 有 下 述 四 种 : 直 角 坐 标 系 这 是 最 直 观 的 网 格 矩 阵 表 示 方 法, 网 格 点 大 小 按 剂 量 精 度 选 择, 射 野 边 缘, 剂 量 变 化 梯 度 较 大 的 地 方, 网 格 点 大 小 应 选 小 极 坐 标 系 特 别 适 用 于 旋 转 照 射 的 剂 量 计 算, 缺 点 是 距 极 坐 标 原 点 ( 等 中 心 ) 越 远, 网 格 点 越 大 扇 形 线 坐 标 系 在 该 坐 标 系 中, 网 格 点 为 源 于 放 射 源 ( 或 有 效 源 ) 位 置 的 扇 形 线 ( 源 发 射 线 ) 与 平 行 于 模 体 或 患 者 皮 肤 表 面 的 平 行 线 ( 深 度 线 ) 的 交 点 扇 形 线 间 距 随 偏 离 中 心 轴 而 变 化, 半 影 区 扇 形 线 较 密 扇 形 线 一 般 与 原 射 线 射 向 一 致, 便 于 剂 量 计 算 等 离 轴 比 线 ( 或 剂 量 递 减 线 ) 坐 标 系 等 离 轴 比 线 为 位 于 同 一 离 轴 比 线 上 诸 点 ( 如 0.8 线 上 诸 点 ) 的 剂 量 率 与 模 体 内 同 一 深 度 处 中 心 轴 上 剂 量 率 之 比 为 常 数 (OAR=0.8) 剂 量 网 格 点 为 平 行 于 模 体 或 患 者 皮 肤 表 面 的 不 同 深 度 线 与 相 应 离 轴 比 线 的 交 点, 表 示 方 法 亦 比 较 直 接 射 野 边 缘 等 离 轴 比 线 靠 得 比 较 近, 射 野 中 心 区 域, 等 离 轴 比 线 相 距 较 远 上 述 四 种 网 格 坐 标 系 的 选 择 直 接 决 定 于 采 用 的 剂 量 计 算 模 型 ( 二 )X(γ) 射 线 剂 量 计 算 的 物 理 学 原 理 1. 剂 量 计 算 模 型 中 应 考 虑 的 物 理 因 素 影 响 射 野 内 剂 量 分 布 ( 中 心 轴 百 分 深 度 剂 量 和 离 轴 比 等 ) 的 物 理 和 几 何 因 素, 总 结 起 来 主 要 有 射 线 能 量 源 皮 距 射 野 面 积 组 织 深 度 放 射 源 大 小 挡 块 楔 形 板 人 体 曲 面 和 组 织 不 均 匀 性 等 在 建 立 和 理 解 射 野 内 剂 量 分 布 计 算 的 数 学 模 型 时, 除 必 须 要 充 分 考 虑 到 这 些 宏 观 因 素 外, 还 必 须 充 分 了 解 对 模 体 或 组 织 内 任 意 点 剂 量 作 贡 献 的 那 些 物 理 因 素 及 其 作 用 过 程 本 节 进 一 步 叙 述 剂 量 计 算 模 型 依 据 的 物 理 原 理 加 速 器 中 高 能 电 子 轰 击 钨 ( 或 金 ) 靶 产 生 的 X 射 线, 经 过 圆 锥 形 一 级 准 直 器 和 射 野 均 整 器 均 整 后, 在 治 疗 距 离 处 形 成 最 大 可 能 的 照 射 野 ; 再 经 二 级 或 治 疗 准 直 器 调 节, 变 成 临 床 治 疗 需 要 的 照 射 野 原 射 线 包 括 从 靶 直 接 发 出 的 穿 过 一 级 准 直 器 射 野 均 整 器 和 监 测 电 离 室 等 的 始 发 X 射 线, 以 及 经 一 级 准 直 器 射 野 均 整 器 散 射 的 穿 过 监 测 电 离 室 后 的 称 之 治 疗 头 散 射 的 X 射 线 射 野 均 整 器 不 仅 使 射 野 平 坦 区 展 宽, 而 且 使 射 线 能 谱 发 生 了 改 变 因 均 整 器 形 状 一 般 为 圆 锥 形, 中 间 厚 四 周 薄, 中 间 部 分 的 射 线 能 量 较 四 周 的 高 ; 源 于 治 疗 头 的 散 射 X 射 线

194 亦 具 有 较 高 的 穿 透 力, 它 的 能 谱 与 始 发 X 射 线 的 叠 加, 形 成 原 射 线 的 能 谱 当 二 级 或 治 疗 准 直 器 打 开 时, 允 许 有 更 多 的 散 射 线 离 开 治 疗 头, 增 加 了 原 射 线 的 射 线 注 量 ; 但 当 治 疗 准 直 器 开 口 增 大 时, 由 治 疗 准 直 器 反 向 散 射 到 监 测 电 离 室 的 射 线 会 减 少, 电 路 负 反 馈 导 致 灯 丝 发 射 电 流 的 增 加 两 个 效 应 的 总 效 果 是 使 输 出 剂 量 率 随 射 野 增 加, 称 之 为 准 直 器 散 射, 归 一 后 称 为 准 直 器 散 射 因 子 (Sc), 就 好 像 准 直 器 叶 片 不 是 作 为 散 射 线 的 开 口, 而 是 准 直 器 叶 片 本 身 产 生 了 少 量 的 前 向 散 射 线 散 射 线 指 在 模 体 内 或 患 者 体 内, 由 上 述 原 射 线 与 组 织 作 用 后 产 生 的 散 射 光 子 它 与 治 疗 头 产 生 的 散 射 X 射 线 的 一 样, 也 具 有 较 强 的 穿 透 力, 并 随 射 野 增 加 而 增 加 源 于 治 疗 头 的 散 射 X 射 线 和 源 于 体 内 的 散 射 线 对 剂 量 的 贡 献 随 射 野 形 状 和 大 小 的 变 化 比 较 复 杂 在 较 大 深 度, 模 体 内 散 射 占 主 要 ; 在 较 浅 深 度, 特 别 是 当 高 能 X 射 线 入 射 时, 治 疗 头 散 射 线 的 贡 献 相 对 较 多 位 于 治 疗 头 和 患 者 体 表 间 的 线 束 修 整 装 置 如 楔 形 板 等 产 生 的 散 射 线 对 剂 量 的 贡 献 相 对 比 治 疗 头 的 散 射 线 和 模 体 散 射 线 的 剂 量 贡 献 少 它 们 主 要 是 以 衰 减 形 式 影 响 原 射 线 的 强 度 和 改 变 射 线 质, 它 所 产 生 的 散 射 线 较 少 到 达 模 体 或 患 者 皮 肤 表 面 楔 形 因 子 计 入 了 楔 形 板 对 原 射 线 的 衰 减 和 少 量 散 射 线 对 剂 量 的 影 响 当 射 野 较 大 时, 楔 形 板 产 生 的 散 射 线 的 影 响 会 逐 步 加 大, 造 成 楔 形 因 子 随 射 野 大 小 和 深 度 变 化 治 疗 头 中 以 及 治 疗 头 和 患 者 皮 肤 间 的 空 气 中 产 生 的 次 级 电 子, 称 为 原 射 线 中 的 电 子 污 染 电 子 污 染 主 要 是 影 响 建 成 区 ( 包 括 皮 肤 表 面 ) 的 剂 量, 特 别 是 大 野 时, 这 种 影 响 较 大 次 级 电 子 输 运 X(γ) 射 线 为 间 接 电 离 辐 射 线, 它 通 过 与 组 织 相 互 作 用 后 产 生 的 次 级 电 子 将 能 量 传 递 给 组 织 次 级 电 子 的 射 程 正 比 于 X(γ) 射 线 的 能 量 对 于 高 能 X 射 线, 其 次 级 电 子 的 射 程 可 达 数 厘 米 它 们 主 要 沿 X(γ) 射 线 入 射 方 向 向 前 运 动, 经 散 射 慢 降, 最 后 停 止 由 于 次 级 电 子 有 一 定 的 射 程, 模 体 或 患 者 皮 肤 表 面 由 X(γ) 射 线 产 生 的 次 级 电 子 会 继 续 行 进 一 段 距 离, 约 在 电 子 最 大 射 程 附 近 剂 量 达 到 最 大 由 于 次 级 电 子 的 这 种 效 应, 使 得 X(γ) 射 线 入 射 处 的 皮 肤 ( 表 面 ) 剂 量 随 X(γ) 射 线 的 能 量 的 增 加 而 减 少, 最 大 剂 量 建 成 深 度 随 X(γ) 射 线 能 量 增 加 而 增 加 模 体 内 深 度 大 于 次 级 电 子 射 程 的 某 一 点 或 某 一 小 区 域, 如 果 停 止 于 该 点 ( 区 域 ) 的 次 级 电 子 所 携 带 的 能 量 等 于 离 开 此 点 ( 区 域 ) 的 次 级 电 子 的 能 量, 认 为 在 该 点 存 在 电 子 平 衡 在 电 子 平 衡 条 件 下, 任 意 一 点 的 剂 量 将 正 比 于 X(γ) 射 线 光 子 的 能 量 注 量 因 此, 电 子 平 衡 成 立 的 主 要 标 志 是 在 次 级 电 子 射 程 范 围 内,X(γ) 射 线 光 子 的 能 量 注 量 应 为 常 数 但 在 患 者 体 内 的 不 均 匀 组 织 内 组 织 边 界 处, 射 野 边 缘 的 半 影 区, 甚 至 调 强 束, 会 失 去 电 子 平 衡 射 野 边 缘 的 半 影 区 因 离 开 射 野 边 缘 的 次 级 电 子 不 能 被 补 偿, 电 子 平 衡 不 能 建 立 组 织 密 度 低 于 软 组 织 或 水 的 不 均 匀 组 织 如 肺 组 织 内, 因 肺 组 织 中 的 次 级 电 子 射 程 会 数 倍 长 于 软 组 织 或 水 内 的 次 级 电 子 的 射 程, 穿 过 肺 组 织 的 射 野 半 影 变 得 更 宽 由 于 骨 组 织 的 密 度 大 于 软 组 织 的 密 度, 对 剂 量 的 影 响 较 小 2. 原 散 射 线 剂 量 计 算 比 释 动 能 法 X(γ) 射 线 在 组 织 中 的 传 输 一 直 受 到 理 论 上 的 重 视 和 实 验 的 研 究 原 射 线 光 子 在 一 级 散 射 的 任 一 点 P 点 与 组 织 相 互 作 用, 产 生 次 级 电 子, 光 子 改 变 方 向 形 成 散 射 光 子 相 互 作 用 过 程 中, 原 射 线 释 放 给 单 位 质 量 组 织 的 比 释 动 能 由 康 普 顿 散 射 光 子 产 生 的 吸 收 可 以 分 成 两 部 分 : 由 一 级 散 射 光 子 产 生 的 吸 收 剂 量 和 由 多 级 散 射 光 子 产 生 的 吸 收 剂 量 一 级 散 射 光 子 与 组 织 的 相 互 作 用 仍 遵 从 原 射 线 的 一 级 碰 撞 定 律 对 钴 -60 γ 射 线,10 cm 直 径 射 野, 在 深 度 15cm 处, 由 原 射 线 和 康 普 顿 一 级 散 射 线 产 生 的 剂 量 约 为 全 部 剂 量 的 90%, 多 级 散 射 线 的 剂 量 约 为 10% 对 能 量 为 15MV 的 X 射 线, 同 样 大 小 射 野, 相 同 深 度 处, 多 级 散 射 产 生 的 剂 量 只 占 总 剂 量 的 4% 有 人 建 议 多 级 散 射 产 生 的 剂 量 仍 可 按 一 级 散 射 产 生 的 剂 量 的 类 似 方 式 进 行 处 理, 但 因 不 遵 从 一 级 碰 撞 定 律, 只 能 用 蒙 特 卡 罗 模 拟 方 式 了 解 这 些 多 级 散 射 光 子 在 组 织 中 的 径 迹 传 统 的 经 验 作 法 是, 只 区 分 原 射 线 和 散 射 线 的 剂 量 贡 献 对 散 射 线 剂 量 不 再 细 分 一 级 散

195 射 和 多 级 散 射 这 样 在 均 匀 介 质 中, 原 散 射 线 对 Q 点 的 剂 量 总 贡 献 为 : D Q (d,r 0 )=D 原 +D 散 =D m [f(r 0 )TMR(d,0) 十 dθ f ( r0 + r) ( dtmr / dr) dr] 式 中 Dm 为 最 大 剂 量 点 处 剂 量 ;r 0 为 离 轴 距 离,f(r 0 ) 为 包 括 离 轴 比 变 化 在 内 的 原 射 线 的 衰 减 ; 微 分 散 射 最 大 剂 量 比 [dtmr(d,r)/dr] 从 TMR 值 推 导 出 来, 用 于 确 定 来 自 扇 形 单 元 rdθ 内 的 散 射 线 贡 献 ;r 为 离 开 r 0 的 径 向 距 离 ;f(r 0 +f) 为 入 射 到 扇 形 单 元 rdθ 原 射 线 的 离 轴 分 布 上 式 右 边 的 双 重 积 分, 给 出 了 整 个 受 照 体 积 在 点 (d,r 0 ) 处 的 散 射 线 总 剂 量 临 床 二 维 或 三 维 治 疗 计 划 系 统 一 般 用 上 式 来 计 算 原 散 射 线 的 剂 量 贡 献 计 算 中 所 需 要 的 射 野 数 据, 包 括 各 种 方 形 野 的 中 心 轴 百 分 深 度 剂 量 或 组 织 最 大 剂 量 比, 和 一 定 深 度 处 的 离 轴 比 值, 包 括 楔 形 野 甚 至 不 规 则 挡 块 野 组 织 补 偿 器 的 相 关 数 据 经 过 组 织 中 不 同 电 子 密 度 对 组 织 深 度 和 射 野 大 小 的 修 正, 也 可 用 于 不 均 匀 组 织 中 剂 量 的 计 算 同 样, 上 述 计 算 均 假 定 所 有 次 级 电 子 的 能 量 沉 积 在 作 用 点, 忽 略 了 因 次 级 电 子 的 传 输 对 剂 量 的 影 响, 因 此 它 只 能 应 用 于 有 电 子 平 衡 的 区 域, 应 该 对 其 进 行 修 正, 以 适 应 失 去 电 子 平 衡 的 区 域, 如 剂 量 建 成 区 和 组 织 界 面 处 3. 卷 积 技 术 比 释 总 能 法 卷 积 (convolution) 就 是 用 一 个 核 函 数 (kernel function) 去 滤 过 一 个 输 入 分 布 核 函 数 有 两 个 基 本 特 征 :1 它 对 输 入 分 布 的 域 的 积 分 是 一 个 有 限 的 数 ;2 它 的 函 数 形 式 是 空 间 ( 或 时 间 ) 的 不 变 量 如 果 一 个 问 题 能 够 化 解 为 一 个 卷 积 的 形 式, 计 算 就 变 得 非 常 简 单 因 为 输 出 分 布 函 数 的 傅 里 叶 变 换 就 是 输 入 分 布 函 数 和 核 函 数 的 傅 里 叶 变 换 的 乘 积 信 号 处 理 中 的 滤 过 平 滑 相 关 等 技 术 就 是 卷 积 技 术 的 一 维 应 用 ; 用 探 头 的 点 分 布 函 数 使 图 像 清 晰 或 模 糊 是 卷 积 技 术 的 二 维 应 用 探 头 的 点 分 布 函 数 就 是 卷 积 用 的 核 函 数 如 果 核 函 数 是 非 常 局 限 的, 如 δ 函 数, 此 核 对 输 入 分 布 的 卷 积 能 够 重 现 输 入 分 布 ; 相 反 输 出 分 布 会 变 得 相 对 模 糊 X(γ) 射 线 与 组 织 相 互 作 用 产 生 的 次 级 电 子 在 均 匀 组 织 中 的 输 运 和 能 量 沉 积 可 用 蒙 特 卡 罗 方 法 模 拟 如 果 它 们 形 成 的 剂 量 分 布 的 形 式 在 组 织 中 为 空 间 的 不 变 量, 则 它 可 作 为 计 算 组 织 内 三 维 剂 量 分 布 的 卷 积 核, 称 为 蒙 特 卡 罗 模 拟 的 能 量 沉 积 核 输 出 的 剂 量 分 布 可 认 为 是 一 个 输 入 的 能 量 注 量 分 布 和 能 量 沉 积 核 的 卷 积 实 际 上, 组 织 密 度 的 不 均 匀 性 体 表 及 各 器 官 ( 包 括 靶 区 ) 轮 廓 的 不 规 则 等 效 射 线 深 度 射 线 质 硬 化 等, 都 会 影 响 能 量 卷 积 核 的 空 间 不 变 性 因 此, 或 者 需 要 对 上 述 简 单 卷 积 核 进 行 修 正, 这 样 反 过 来 减 弱 了 卷 积 计 算 的 优 点 ; 或 者 只 认 为 对 剂 量 分 布 的 上 述 影 响 仅 限 于 某 些 重 要 器 官, 则 卷 积 计 算 的 优 点 仍 可 保 持 不 管 如 何, 两 种 情 况 下 都 显 示 出 利 用 输 入 的 能 量 注 量 分 布 和 能 量 沉 积 核 的 卷 积 为 复 杂 的 三 维 剂 量 计 算 提 供 了 简 便 的 算 法 原 理 上, 能 量 卷 积 核 可 以 用 解 析 方 法 计 算, 或 直 接 从 已 测 的 剂 量 分 布 中 解 译 出, 或 可 直 接 用 测 量 法 测 出 来, 但 常 用 蒙 特 卡 罗 (Monte Carlo) 方 法 模 拟 4. 比 释 总 能 和 点 分 布 函 数 电 子 平 衡 条 件 是 原 散 射 线 计 算 的 先 决 条 件 由 于 高 能 X 射 线 的 次 级 电 子 射 程 都 较 长, 上 述 算 法 会 产 生 误 差 ; 同 时, 原 散 射 线 模 型 不 方 便 处 理 诸 如 不 规 则 野 身 体 轮 廓 等 对 剂 量 分 布 的 影 响 Ahnesjo 等 提 出 比 释 总 能 Terma 和 点 分 布 函 数 PSF 概 念, 将 原 射 线 因 与 介 质 相 互 作 用 释 放 的 总 能 量, 与 这 些 能 量 在 介 质 中 通 过 一 级 和 多 级 散 射 光 子 光 电 子 康 普 顿 电 子 正 负 电 子 对 韧 致 X 射 线 俄 歇 电 子 光 核 反 应 粒 子 等 的 传 输 联 系 起 来 前 者 用 比 释 总 能 表 示 ; 后 者 用 点 分 布 函 数 表 示 点 分 布 函 数 形 式 为 空 间 不 变 量, 可 用 卷 积 技 术 进 行 计 算 ; 点 分 布 函 数 形 式 为 空 间 可 变 量, 须 用 叠 加 技 术 进 行 计 算 5. 叠 加 技 术 比 释 总 能 法 叠 加 技 术 中 使 用 一 个 非 卷 积 核 (nonconvolution kernel) 概 念 所 有 入 射 到 患 者 不 规 则 皮 肤 2π 0 r 0 0

196 表 面 上 的 笔 形 束 在 体 内 形 成 的 合 成 剂 量 分 布 通 过 非 卷 积 核 进 行 叠 加 计 算 非 卷 积 核 涵 盖 了 所 有 微 观 物 理 的 过 程, 此 核 可 以 直 接 由 蒙 特 卡 罗 方 法 计 算 得 到 为 了 加 快 计 算, 笔 形 束 核 的 能 量 分 布 可 事 先 按 深 度, 沿 笔 形 束 主 轴 和 垂 直 主 轴 方 向 列 表 笔 形 束 方 向 由 射 野 方 向 定, 挡 块 楔 形 板 组 织 补 偿 器 等 对 射 野 的 影 响, 表 达 成 相 应 笔 形 束 的 权 重 使 用 的 计 算 网 格 大 小 正 比 于 线 束 的 几 何 扩 散 度, 沿 线 束 方 向 的 不 同 深 度 查 找 相 应 网 格 点 笔 形 束 能 量 分 布 值 对 不 均 匀 组 织, 对 每 个 笔 形 束, 按 相 应 网 格 点 处 电 子 密 度 值, 计 算 出 相 应 的 射 线 深 度 射 野 边 缘 的 剂 量 分 布, 可 用 点 分 布 函 数 核 进 行 卷 积, 此 核 由 测 量 的 射 野 边 缘 剂 量 分 布 函 数 推 导 出 6. 蒙 特 卡 罗 技 术 蒙 特 卡 罗 (Monte Carlo) 技 术 是 用 随 机 抽 样 技 术 去 模 拟 三 个 过 程 :1 由 加 速 器 X 射 线 靶 产 生 的 X 射 线 和 一 级 准 直 器 均 整 器 产 生 的 散 射 X 射 线 组 成 的 原 射 线 的 能 谱 及 其 离 轴 分 布 ; 2 原 射 线 及 散 射 线 光 子 在 介 质 中 的 输 运 过 程 ;2 模 拟 由 光 子 与 物 质 相 互 作 用 后 产 生 的 次 级 电 子 的 输 运 和 能 量 沉 积 过 程 目 前 已 有 蒙 特 卡 罗 程 序, 如 EGS4 和 EGS4-BEAM 等, 不 仅 能 够 模 拟 均 匀 介 质 中 上 述 三 种 过 程, 而 且 能 够 精 确 模 拟 不 均 匀 介 质 中, 光 子 和 经 一 级 和 二 级 碰 撞 产 生 的 次 级 电 子 的 径 迹, 和 计 算 它 们 的 能 量 沉 积 为 了 得 到 一 个 满 意 的 精 确 的 解, 对 一 个 治 疗 射 野, 蒙 特 卡 罗 模 拟 往 往 需 要 跟 随 上 亿 个 光 子 事 件 的 能 量 沉 积 过 程 运 算 量 仍 然 超 过 现 今 最 快 速 运 行 的 计 算 机 所 能 达 到 的 速 度 快 速 并 行 计 算 机 可 以 加 快 计 算 速 度 数 倍 但 就 目 前 的 软 件 和 硬 件 的 发 展 情 况, 蒙 特 卡 罗 模 拟 技 术 完 全 用 于 治 疗 计 划 系 统 的 三 维 剂 量 计 算, 仍 然 需 要 一 段 时 间 ( 三 ) 剂 量 计 算 数 学 模 型 综 上 所 述, 体 内 组 织 的 不 规 则 轮 廓 和 不 均 匀 性 密 度, 会 改 变 原 射 线 和 散 射 线 光 子 的 能 量 注 量 分 布 以 及 次 级 电 子 的 输 运 和 能 量 沉 积 对 组 织 密 度 不 均 匀 性 的 处 理 能 力 和 对 次 级 电 子 的 能 量 沉 积 的 处 理 方 式, 是 剂 量 计 算 数 学 模 型 优 劣 的 重 要 标 志 数 学 模 型 对 不 均 匀 组 织 的 处 理 分 为 一 维 (1D) 二 维 (2D) 和 三 维 (3D) 三 种 不 同 方 式 一 维 处 理 方 式 认 为 计 算 点 ( 位 于 j 层 平 面 ) 处 的 肺 组 织 是 一 个 长 条 带, 所 有 层 面 的 肺 组 织 的 位 置 和 原 度 是 一 样 的 ; 二 维 处 理 方 式 认 为 计 算 点 处 的 肺 组 织 不 再 是 一 个 长 条 带, 而 是 计 算 点 所 在 平 面 的 实 际 肺, 但 相 邻 层 面 (i 层 k 层 ) 的 肺 的 位 置 和 形 状 仍 假 设 与 j 层 的 一 样 ; 唯 有 三 维 处 理 方 式 才 真 正 符 合 患 者 治 疗 部 位 的 实 际 情 况 将 均 匀 模 体 内 剂 量 分 布 转 换 到 患 者 体 内 时, 组 织 不 均 匀 性 对 剂 量 分 布 的 影 响 用 组 织 不 均 匀 性 校 正 因 子 表 示, 它 定 义 为 计 算 点 处 不 均 匀 性 组 织 中 的 剂 量 率 与 均 匀 模 体 内 空 间 同 一 点 剂 量 率 之 比 一 维 处 理 方 式 只 考 虑 了 所 在 平 面 内 计 算 点 位 置 处 的 肺 组 织 的 厚 度, 而 没 有 考 虑 本 平 面 内 肺 的 实 际 形 状 ; 二 维 处 理 方 式 表 面 上 同 时 考 虑 了 所 在 平 面 内 计 算 点 位 置 处 的 肺 组 织 的 厚 度 和 肺 的 实 际 形 状, 它 与 一 维 处 理 方 式 的 不 同 点 仅 在 于, 当 计 算 点 平 行 移 动 时, 后 者 的 肺 厚 度 不 变, 前 者 的 肺 厚 度 在 变 但 因 为 它 们 都 没 有 考 虑 到 相 邻 层 面 对 计 算 点 剂 量 的 影 响, 即 从 射 野 方 向 看, 肺 校 正 因 子 只 考 虑 了 肺 厚 度 对 剂 量 分 布 的 影 响 这 就 是 二 维 计 划 系 统 中 使 用 的 算 法 因 它 们 只 考 虑 了 沿 射 野 方 向 的 不 均 匀 组 织 的 厚 度 因 子, 故 称 之 为 一 维 数 学 模 型 如 果 不 但 考 虑 计 算 点 所 在 平 面 内 木 均 勾 组 织 厚 度 因 素, 还 同 时 考 虑 所 在 平 面 及 相 邻 层 面 不 均 匀 组 织 对 该 点 剂 量 的 影 响, 称 之 为 三 维 数 学 模 型 用 一 维 数 学 模 型 去 处 理 三 维 解 剖 结 构 是 目 前 多 数 商 售 的 三 维 计 划 系 统 采 用 的 算 法 显 然 一 维 算 法 忽 略 了 计 算 点 周 围 不 均 匀 组 织 的 散 射 线 的 影 响 为 了 提 高 计 算 精 度 必 须 采 用 三 维 算 法, 目 前 亦 有 商 售 的 三 维 计 划 系 统 已 经 采 用 数 学 模 型 对 次 级 电 子 在 介 质 中 输 运 和 能 量 沉 积 的 处 理 有 两 种 方 式 :1 认 为 X (γ) 射 线 与 物 质 作 用 产 生 的 次 级 电 子, 不 离 开 作 用 点 位 置, 将 全 部 能 量 沉 积 在 作 用 点 位 置 ;2 因 为 次 级 电 子 有 一 定 的 能 量, 具 有 一 定 的 射 程, 要 运 动 一 段 距 离 后 停 止, 将 能 量 传 递 给 作 用 点 以 外 的 组 织 当 原 射 线 光 子 和 散 射 线 光 子 的 能 量 很 低 时, 第 一 种 处 理 方 式 可 以 成 立 ; 但 当 射 线 能 量 较 高 时, 次 级 电 子 的 射 程 可 长 达 数 厘 米, 必 须 考 虑 次 级 电 子 的 输 运 过 程, 特 别 在 非 电 子 平 衡 区 域 如 剂 量 建 成 区 和 组 织 界 面 处, 否 则 将 引 起 剂 量 计 算 的 误 差

197 根 据 上 述 的 对 组 织 不 均 匀 性 和 对 次 级 电 子 能 量 沉 积 处 理 方 式, 可 将 用 于 三 维 计 划 系 统 的 剂 量 计 算 模 型 分 成 四 类 三 维 计 划 系 统 所 用 剂 量 计 算 模 型 的 分 类 算 法 维 数 能 量 局 部 沉 积 ( 次 级 电 子 不 输 运 ) 能 量 非 局 部 沉 积 ( 次 级 电 子 输 运 ) 一 维 类 l 线 性 衰 减 RTAR( 如 EPL, 有 效 源 皮 距, 等 剂 类 3: 笔 形 束 卷 积 技 术 笔 形 束 FFT/ 沉 积 技 本 量 曲 线 平 移 等 ),Batho 幂 指 数 三 维 类 2:ETAR DSAR δ 体 积 类 4:DSA 变 形 DSAR 微 分 笔 形 束 筒 串 卷 积 蒙 特 卡 罗 四 高 能 电 子 束 剂 量 计 算 模 型 高 能 电 子 束 由 于 自 身 是 带 电 粒 子, 在 组 织 中 具 有 一 定 的 射 程, 在 射 程 以 内, 剂 量 分 布 均 匀, 射 程 附 近, 剂 量 骤 然 下 降, 可 保 护 射 程 后 的 正 常 组 织, 因 此 电 子 束 为 体 外 照 射 的 一 种 重 要 的 工 具, 用 于 治 疗 偏 位 的 表 浅 的 肿 瘤 与 高 能 X(γ) 射 线 一 样, 为 计 算 电 子 束 在 患 者 体 内 的 剂 量 分 布, 需 要 建 立 相 应 的 剂 量 计 算 模 型 本 节 将 要 介 绍 的 目 前 较 实 用 的 模 型, 仍 然 不 能 获 得 精 确 度 好 于 5% 的 患 者 体 内 的 剂 量 分 布, 需 要 进 一 步 的 开 发 有 关 电 子 束 剂 量 分 布 计 算 中 所 用 的 数 学 表 达 方 式, 如 矩 阵 扇 形 线 等, 基 本 上 与 高 能 X(γY) 射 线 的 相 同, 此 处 不 再 赘 述 ( 一 ) 经 验 模 型 与 X(γ) 射 线 的 一 样, 射 野 内 任 意 一 点 的 剂 量 可 表 示 为 射 野 中 心 轴 上 的 百 分 深 度 剂 量 和 离 轴 剂 量 分 布 的 乘 积 早 期 研 究 中, 不 少 研 究 工 作 集 中 在 建 立 一 个 数 学 公 式 去 拟 合 临 床 使 用 射 野 测 量 的 百 分 深 度 剂 量 和 离 轴 分 布 它 们 之 中 有 经 验 公 式 半 经 验 公 式 等 通 过 这 些 公 式, 利 用 距 离 平 方 反 比 定 律, 应 用 到 任 意 源 皮 距 处 的 剂 量 分 布 的 计 算 ; 并 利 用 等 效 吸 收 厚 度 AETE 和 等 效 厚 度 系 数 法, 将 均 匀 水 介 质 中 的 剂 量 分 布 扩 展 到 不 均 匀 组 织 中 等 效 厚 度 法 在 电 子 束 临 床 剂 量 计 算 中 起 过 重 要 作 用, 对 射 野 中 心 区 域 的 剂 量 计 算 亦 能 得 到 一 定 的 精 度 ( 二 ) 陈 化 扩 散 方 程 模 型 Kawach 于 1975 年, 将 陈 化 扩 散 理 论 (age-diffusion theory) 用 于 电 子 束 矩 形 野 在 均 匀 介 质 中 剂 量 分 布 的 计 算 由 带 电 粒 子 束 ( 宽 束 ) 陈 化 扩 散 方 程 推 导 出 的 电 子 束 剂 量 陈 化 扩 散 方 程 为 : Κ 2 De ( x, y, z, kτ ) De ( x, y, z, kτ ) = 0 (10 48) τ 式 中 从 D e ( x, y, z, kτ ) 为 电 子 束 在 水 中 的 吸 收 剂 量 ;k 为 介 质 的 扩 散 系 数 ;τ 为 弗 米 陈 化 参 数 ; 2 为 拉 普 拉 斯 (Laplace) 算 符 陈 化 扩 散 方 程 模 型 能 够 精 确 描 述 均 匀 介 质 中 的 剂 量 分 布, 但 用 到 不 均 匀 介 质 中 显 得 有 些

198 困 难 ( 三 ) 原 射 和 散 射 分 量 的 分 别 计 算 Dutriex 等 及 Van de Geijn 等 在 X(γ) 射 线 原 散 射 线 分 别 计 算 模 型 的 启 发 下, 提 出 电 子 束 的 原 射 (direct) 和 散 射 分 量 分 开 计 算 的 数 学 模 型 从 实 验 测 量 得 到 的 电 子 束 的 各 个 射 野 的 百 分 深 度 剂 量 曲 线 外 推 到 零 射 野 ( 射 野 半 径 为 零 ) 的 百 分 深 度 剂 量 曲 线, 即 为 电 子 束 的 原 射 分 量 ; 电 子 束 的 散 射 空 气 比 的 模 拟 量, 从 模 体 中 用 不 同 半 径 的 圆 形 野 测 量 得 到 的 散 射 线 剂 量 推 算 出 这 种 模 型 的 最 大 优 点 是, 将 x(y) 射 线 计 算 程 序 中 有 关 斜 入 射 不 规 则 野 剂 量 计 算 的 子 程 序 稍 加 修 改, 就 可 以 用 于 电 子 束 的 剂 量 计 算 这 种 模 型 因 无 物 理 基 础, 亦 应 属 于 经 验 公 式 范 畴 五 治 疗 方 案 优 化 放 射 治 疗 作 为 肿 瘤 的 一 种 局 部 治 疗 手 段, 一 直 在 不 断 寻 求 解 决 的 一 个 基 本 问 题 是, 如 何 较 好 地 处 理 肿 瘤 组 织 和 周 围 正 常 组 织 的 剂 量 关 系, 使 肿 瘤 得 到 最 大 限 度 的 局 部 控 制 而 周 围 正 常 组 织 和 器 官 的 放 射 损 伤 最 小 临 床 经 验 证 明, 肿 瘤 的 局 部 控 制 率 与 正 常 组 织 的 放 射 损 伤 有 一 定 的 关 系 多 数 临 床 情 况 下, 肿 瘤 控 制 率 与 正 常 组 织 损 伤 成 正 比 例, 即 提 高 肿 瘤 的 局 部 控 制 率 必 然 造 成 对 正 常 组 织 的 更 多 的 损 伤 这 固 然 有 肿 瘤 组 织 和 周 围 正 常 组 织 的 放 射 敏 感 性 的 因 素 的 影 响, 如 因 肿 瘤 组 织 的 放 射 抗 拒 周 围 正 常 组 织 的 放 射 敏 感 而 不 可 避 免, 但 更 多 的 还 是 因 为 当 时 的 治 疗 条 件 ( 如 诊 断 水 平 放 射 源 照 射 技 术 等 ) 和 对 肿 瘤 行 为 的 认 识 的 限 制 临 床 经 验 亦 证 明, 通 过 改 进 照 射 技 术 选 择 合 理 的 时 间 剂 量 因 子, 在 保 持 同 等 水 平 的 肿 瘤 控 制 率 的 情 况 下, 可 减 低 正 常 组 织 的 放 射 损 伤, 以 改 进 患 者 愈 后 的 生 存 质 量 ; 或 在 维 持 正 常 组 织 的 放 射 损 伤 不 超 过 一 定 的 允 许 水 平 的 情 况 下, 最 大 限 度 地 提 高 肿 瘤 的 局 部 控 制 率, 以 挽 救 患 者 的 生 命 治 疗 方 案 的 优 化 是 实 现 上 述 治 疗 个 体 化 的 途 径 之 一 ( 一 ) 治 疗 方 案 优 化 与 逆 向 计 划 设 计 治 疗 方 案 的 优 化, 就 是 治 疗 方 案 的 个 体 化 优 化 的 过 程 就 是 治 疗 方 案 的 不 断 改 进 的 过 程 因 此, 治 疗 方 案 的 优 化 应 贯 穿 于 整 个 放 射 治 疗 的 计 划 设 计 和 执 行 的 过 程 中, 包 括 靶 区 和 重 要 组 织 及 器 官 范 围 的 确 定 治 疗 目 标 的 选 择 和 物 理 方 案 的 设 计 与 实 施 二 十 世 纪 70 年 代 以 来, 由 于 计 算 机 技 术 的 高 速 发 展,CT/MRI 等 影 像 学 技 术 的 临 床 应 用 和 发 展, 数 字 化 控 制 的 医 用 加 速 器 的 诞 生 和 临 床 应 用, 高 能 X(γ) 射 线 电 子 束 剂 量 计 算 模 型 的 逐 渐 成 熟, 三 维 剂 量 生 物 效 应 模 型 的 建 立 与 发 展 等, 将 我 们 带 入 一 个 崭 新 的 肿 瘤 的 三 维 影 像 诊 断 和 三 维 治 疗 的 时 代 它 的 基 本 特 征 是, 能 够 实 施 精 确 的 肿 瘤 定 位 精 确 的 治 疗 计 划 设 计 和 精 确 的 治 疗 计 划 执 行 的 三 精 治 疗 这 不 仅 给 治 疗 方 案 的 优 化 提 供 了 充 分 的 条 件, 而 且 只 有 进 行 治 疗 方 案 的 优 化, 才 能 有 效 地 实 施 三 精 治 疗 传 统 的 治 疗 方 案 的 优 化 过 程, 是 医 生 或 计 划 设 计 者 按 治 疗 方 案 的 要 求 根 据 自 己 的 经 验 选 择 射 线 种 类 射 线 能 量 射 野 方 向 射 野 剂 量 权 重 外 加 射 野 挡 块 或 楔 形 板, 计 算 在 体 内 的 剂 量 分 布, 利 用 剂 量 学 四 原 则, 对 计 划 进 行 评 估, 最 后 确 定 治 疗 方 案 这 是 一 个 正 向 计 划 设 计 的 过 程, 又 称 为 人 工 优 化 此 方 法 目 前 仍 得 到 广 泛 的 应 用 治 疗 方 案 的 好 坏 很 大 程 度 上 决 定 于 医 生 和 计 划 设 计 者 的 经 验 尽 管 目 前 三 维 治 疗 计 划 系 统 中 带 有 多 种 治 疗 计 划 的 设 计 工 具 和 计 划 评 估 工 具, 正 向 设 计 的 计 划 往 往 是 可 接 受 的 方 案, 但 不 是 较 优 的 方 案 特 别 是 当 射 野 数 目 很 多 时, 人 工 优 化 会 遇 到 更 多 的 困 难 ; 即 使 用 人 工 优 化 手 段 找 到 一 个 可 接 受 的 方 案 时, 也 不 能 肯 定 此 方 案 是 最 好 的 为 了 解 决 上 述 困 难, 必 须 将 传 统 的 正 向 设 计 过 程 颠 倒 过 来, 称 为 逆 向 治 疗 计 划 设 计 放 射 治 疗 计 划 设 计 的 真 实 过 程 是 一 个 逆 向 设 计 的 过 程, 它 是 由 预 期 的 治 疗 结 果 来 决 定 应 使 用 的 治 疗 方 案, 而 不 是 相 反 因 为 计 划 设 计 过 程, 应 该 是 不 断 在 寻 找 最 好 的 布 野 方 式 ( 或 布 源 方 式 一 近 距 离 治 疗 ), 包 括 射 线 能 量 射 野 方 向 射

199 野 形 状 剂 量 权 重 以 及 每 个 射 野 的 强 度 分 布 等, 使 肿 瘤 得 到 最 大 可 能 的 控 制 而 保 持 正 常 组 织 的 放 射 损 伤 最 小 正 向 计 划 设 计 与 逆 向 计 划 设 计 的 基 本 区 别 在 于, 前 者 是 先 设 计 一 个 治 疗 方 案, 然 后 观 察 剂 量 分 布 是 否 满 足 治 疗 的 要 求 ; 后 者 是 根 据 治 疗 要 求 确 定 的 剂 量 分 布 去 设 计 一 个 治 疗 方 案 显 然, 在 整 个 计 划 设 计 过 程 中, 对 一 个 较 为 复 杂 的 治 疗, 前 者 不 仅 会 遇 到 上 述 的 困 难, 而 且 寻 找 一 个 较 好 的 治 疗 方 案 更 多 地 依 赖 于 设 计 者 的 经 验 后 者 不 仅 符 合 任 何 医 疗 实 践, 包 括 放 射 治 疗 实 践 的 思 维 过 程, 而 且 能 够 为 放 射 治 疗 提 供 较 为 客 观 的 优 化 的 治 疗 方 案 由 于 影 响 治 疗 效 果 的 因 素 太 多, 有 些 因 素 目 前 仍 在 探 索 之 中, 一 个 真 正 的 能 被 普 遍 接 受 的 优 化 计 划 不 可 能 得 到 因 此, 任 何 一 个 优 化 的 治 疗 方 案 都 是 有 条 件 的 更 为 重 要 的 是, 优 化 的 方 案 必 须 要 与 治 疗 实 施 的 可 能 性 结 合 起 来, 不 能 脱 离 本 部 门 的 治 疗 机 及 辅 助 设 备 能 够 提 供 的 条 件 根 据 患 者 的 肿 瘤 的 实 际 情 况 和 能 够 得 到 的 治 疗 条 件, 求 得 一 个 相 对 完 美 的 治 疗 计 划 才 是 治 疗 优 化 的 真 正 含 意 它 包 括 优 化 设 计 的 数 学 模 型 和 算 法 以 及 合 理 选 择 射 野 入 射 方 向

200 第 五 节 射 野 影 像 系 统 射 野 影 像 系 统 (portal imaging system) 是 当 射 线 束 照 射 靶 区 时, 采 用 电 子 或 非 电 子 技 术 在 射 线 出 射 方 向 获 取 图 像 的 工 具, 获 得 的 图 像 称 为 射 野 图 像 射 野 照 相 (portal radiograph) 是 传 统 的 射 野 影 像 工 具,70 年 代 出 现 了 光 激 荧 光 板 影 像 系 统 (computed radiograph), 最 新 的 技 术 是 电 子 射 野 影 像 系 统 (electronic Fortal imaging device, 简 称 EPID) 射 野 影 像 系 统 是 治 疗 计 划 执 行 阶 段 的 重 要 质 量 保 证 工 具, 其 主 要 功 能 是 验 证 治 疗 摆 位, 在 验 证 剂 量 方 面 也 有 一 些 应 用 本 节 将 介 绍 射 野 照 相 光 激 荧 光 板 影 像 系 统 和 电 子 射 野 影 像 系 统 的 原 理 以 及 它 们 在 位 置 验 证 (Position verification) 和 剂 量 验 证 (dose verification) 两 方 面 的 应 用 一 射 野 照 相 按 照 美 国 医 学 物 理 学 家 协 会 (AAPM) 的 定 义, 射 野 照 相 (portal radiography) 有 定 位 照 相 (localization radiography) 验 证 照 相 (verification radiography) 和 双 曝 光 照 相 (double radiog raphy) 三 种 类 型 定 位 照 相 是 指 在 正 式 照 射 之 前 预 照 数 个 机 器 跳 数 的 照 相 过 程 通 过 及 时 检 查 定 位 片 可 以 发 现 和 校 正 大 的 摆 位 误 差, 但 是 这 个 过 程 很 费 时, 不 适 合 在 每 个 分 次 治 疗 前 均 采 用 验 证 照 相 是 指 在 治 疗 开 始 前 将 慢 感 光 胶 片 放 好, 直 至 照 射 结 束 才 将 其 取 出 冲 洗 的 照 相 过 程 这 个 过 程 对 治 疗 干 扰 少, 但 如 有 错 误, 也 只 能 等 下 次 治 疗 时 校 正, 另 外, 照 射 时 患 者 体 位 的 细 微 变 化 会 降 低 验 证 片 图 像 质 量 双 曝 光 照 相 是 指 在 正 式 照 射 之 前 将 准 直 器 分 别 开 到 一 个 比 实 际 射 野 位 置 大 的 位 置 和 实 际 射 野 位 置 时 分 别 预 照 数 个 机 器 跳 数 的 照 相 过 程 它 的 优 点 是 可 以 看 清 射 野 外 的 解 剖 结 构, 有 助 于 判 断 患 者 体 位 二 光 激 荧 光 板 影 像 系 统 光 激 荧 光 板 影 像 系 统 用 一 个 可 重 复 使 用 的 光 激 荧 光 板 代 替 胶 片 放 在 暗 盒 内 曝 光, 形 成 潜 影, 然 后 用 激 光 束 扫 描 荧 光 板, 通 过 光 电 倍 增 管 收 集 发 出 的 荧 光, 光 电 倍 增 管 输 出 信 号 经 数 字 化 后 形 成 二 维 数 字 图 像 图 像 经 计 算 机 做 适 当 处 理 后 ( 如 对 比 增 强 过 缘 锐 化 ), 可 显 示 存 贮 或 复 制 到 胶 片 上 当 用 普 通 光 源 照 射 擦 去 潜 影 后, 荧 光 屏 又 可 以 再 次 使 用 与 胶 片 技 术 比 较, 它 具 有 这 样 一 些 优 点 :1 软 组 织 和 骨 结 构 看 得 更 清 楚 ;2 动 态 范 围 宽, 消 除 了 因 曝 光 量 选 择 不 当 引 起 的 重 复 拍 片 情 况 ;2 数 字 图 像 无 论 是 处 理 还 是 存 贮 都 会 更 方 便 但 仍 存 在 非 实 时 性 价 格 贵 的 缺 点 三 电 子 射 野 影 像 系 统 为 解 决 布 野 和 患 者 摆 位 的 实 时 验 证 问 题, 早 在 1958 年 Andrews 就 设 计 了 第 一 个 电 子 射 野 影 像 系 统 (electronic portalimaging device), 用 于 监 测 2MV X 射 线 治 疗,1962 年 Benner 也 设 计 了 一 个 EPID 用 于 监 测 30 MV X 射 线 治 疗 尽 管 当 时 的 图 像 对 比 度 很 差, 但 这 些 早 期 研 究 为 放 射 治 疗 的 实 时 验 证 开 辟 了 道 路 其 后, 在 荧 光 剂 设 计 和 摄 像 机 技 术 方 面 取 得 的 进 步 大 大 改 进 了 荧 光 型 EPID 的 图 像 质 量 自 80 年 代, 固 体 探 测 器 和 液 体 探 测 器 开 始 用 于 EPID 的 设 计 EPID 系 统 是 指 附 加 于 医 用 电 子 直 线 加 速 器 上 的 一 个 独 立 装 置, 它 处 于 医 用 加 速 器 具 有 的 辐 射 束 防 护 挡 块 的 位 置, 做 成 可 伸 缩 的 装 置, 不 用 时 或 为 方 便 摆 位 时 可 收 缩 进 机 架 内 其 接 收 屏 位 于 治 疗 床 下 与 辐 射 束 轴 垂 直 装 置 可 随 机 架 一 起 旋 转, 使 端 口 图 像 始 终 投 射 于 它 的 接 收 屏 上 同 时 还 需 要 一 套 计 算 机 辅 助 的 显 示 及 控 制 工 作 站 图 为 EPID 系 统 原 理 图 EPID 影 像 系 统 的 射 线 源 即 为 治 疗 用 的 MV 级 医 用 电 子 直 线 加 速 器 射 线 束, 因 而 可 在 放 射 治 疗 过 程 实 时 获 得 治 疗 的 图 EPID 系 统 原 理 图

201 端 口 影 像, 从 而 实 时 地 监 测 与 验 证 治 疗 过 程 进 一 步 还 可 实 现 治 疗 过 程 的 自 动 控 制 目 前 其 主 要 功 能 为 验 证 治 疗 摆 位, 获 得 摆 位 误 差 从 而 纠 正 摆 位 偏 差 它 的 另 一 主 要 功 能 是 为 放 射 治 疗 作 剂 量 验 证 及 分 析, 包 括 调 强 剂 量 分 布 的 验 证 及 分 析 因 此, 它 成 为 放 射 治 疗 质 量 保 证 及 开 展 新 技 术 的 一 个 有 力 的 新 手 段 EPID 系 统 由 两 个 主 要 部 分 组 成 : 射 线 探 测 ( 影 像 检 测 ) 器 及 其 运 动 部 件 ; 操 作 显 示 及 控 制 和 射 线 信 号 处 理 用 的 辅 助 计 算 机 工 作 站 不 同 系 统 的 差 别 主 要 表 现 在 前 一 个 部 分, 后 一 个 部 分 对 所 有 系 统 均 是 相 同 或 相 似 的 影 像 检 测 器 为 射 野 成 像 的 核 心 部 件, 是 影 像 质 量 及 各 项 性 能 的 关 键 部 件, 也 是 研 究 与 发 展 的 重 点 目 前 影 像 检 测 器 可 分 为 三 类 : 荧 光 影 像 系 统 固 体 探 测 器 系 统 液 体 电 离 室 系 统 1. 荧 光 影 像 系 统 (fluorescence imaging system) 如 图 所 示, 它 由 一 个 覆 盖 金 属 板 的 荧 光 屏 45 倾 角 的 反 射 镜 透 镜 及 摄 像 机 组 成 射 线 入 射 荧 光 屏 并 发 生 相 互 作 用 而 产 生 荧 光 产 生 的 荧 光 影 像 经 45 反 射 镜 和 透 镜 组 成 的 光 通 道 传 送 到 摄 像 机, 经 摄 像 机 后 的 数 字 化 图 像 传 送 到 信 号 处 理 计 算 机 进 行 显 示 或 作 进 一 步 图 像 处 理 图 荧 光 影 像 系 统 结 构 示 意 图 此 类 系 统 的 优 点 包 括 : (1) 探 测 荧 光 屏 可 以 做 得 足 够 大, 监 测 的 射 野 面 积 较 大 ; (2) 空 间 分 辨 率 较 高, 主 要 取 决 于 荧 光 屏 的 厚 度 ; (3) 成 像 速 度 快, 可 达 约 每 秒 30 帧 此 种 系 统 的 一 个 缺 点 是, 由 于 其 光 通 道 需 占 据 较 大 的 体 积, 因 而 不 利 于 治 疗 患 者 的 摆 位, 它 也 不 能 安 装 在 带 有 射 束 遮 挡 块 (beam stopper) 的 医 用 电 子 直 线 加 速 器 上 图 荧 光 影 像 系 统 基 本 组 成 图 为 荧 光 影 像 系 统 基 本 组 成, 它 包 括 荧 光 成 像 系 统 和 控 制 盒 目 前, 典 型 荧 光 影 像 系 统 的 检 测 装 置 可 伸 缩 以 利 于 治 疗 摆 位, 亦 可 在 一 定 范 围 内 上 下 调 节 检 测 器 的 位 置, 它 采 用 双 微 处 理 器 控 制 系 统 并 作 实 时 影 像 处 理 一 般 具 有 三 种 影 像 获 得 模 式 : (1) 单 次 曝 光, 即 在 给 予 患 者 低 至 1~2cGy 剂 量 后 立 即 获 得 并 显 示 治 疗 摆 位 的 射 野 影 像 ; (2) 双 曝 光, 即 两 次 照 射 分 别 获 得 开 野 的 影 像 以 及 治 疗 的 影 像, 并 立 即 形 成 二 者 合 成 的 影 像, 以 显 示 是 否 对 准 了 所 有 患 者 的 解 剖 部 位 ; (3) 治 疗 实 时 影 像, 即 在 治 疗 过 程 中 以 每 秒 一 帧 的 速 率 记 录 并 显 示 一 系 列 的 影 像 随 着 治 疗, 影 像 可 以 选 定 的 速 率 连 续 调 出 以 考 察 辐 射 野 运 动 ( 如 旋 转 ) 导 致 的 影 响 也 可 以 获 得 并 存 贮 整 个 治 疗 过 程 中 累 积 总 剂 量 所 形 成 的 一 个 端 口 影 像, 用 作 透 射 剂 量 (exit dose) 的 验 证 与 研 究 另 有 一 种 采 用 光 导 纤 维 来 代 替 折 射 镜 的 光 导 纤 维 荧 光 系 统, 它 克 服 了 镜 子 荧 光 系 统 体 积 大 的 缺 点 ( 二 ) 固 体 探 测 器 系 统 1986 年,Lam 设 计 了 一 个 由 256 个 半 导 体 探 头 构 成 的 线 阵, 用 一 块 1.1mm 厚 的 铅 板 覆 盖, 相 邻 探 头 中 心 之 间 的 距 离 均 为 2mm 线 阵 由 步 进 电 机 驱 动, 以 2mm 步 距 扫 描 整 个 射 野 区 域 这 个 系 统 一 次 只 能 收 集 射 野 一 个 窄 条 的 信 息, 因 此 需 要 较 高 的 照 射 剂 量 才 能 得 到 整 个

202 射 野 图 像, 如 长 度 为 20~45cm 的 射 野 需 要 照 射 27~60 cgy 系 统 的 另 一 个 局 限 是 半 导 体 探 头 之 间 的 间 距 决 定 了 系 统 的 空 间 分 辨 率 不 高 非 晶 形 硅 影 像 阵 列 (amorphous silicon imaging array) 可 以 克 服 半 导 体 线 阵 的 缺 点, 它 由 光 电 二 极 管 (photo diode) 和 场 效 应 管 (field effect transistor, 简 称 FET) 组 成, 紧 贴 金 属 / 荧 光 转 换 板, 每 一 个 光 电 二 极 管 对 应 隅 合 到 一 个 场 效 应 管 当 采 集 图 像 信 号 时, 所 有 的 FET 线 保 持 负 电 压 以 便 使 整 个 FET 阵 列 不 导 通 荧 光 高 效 地 转 换 为 光 电 二 极 管 本 征 层 的 电 子 空 穴 对, 随 后 被 收 集 贮 存 在 光 电 二 极 管 的 电 容 中 当 为 一 幅 图 像 采 集 了 足 够 的 信 号 后, 改 变 某 一 条 FET 的 电 压 使 位 于 相 应 行 的 所 有 FET 导 通 存 贮 在 光 电 二 极 管 的 信 号 由 FET 传 到 数 据 线, 经 外 部 电 子 仪 器 转 换 为 一 行 数 字 图 像 这 条 FET 线 的 电 压 回 到 初 始 状 态, 类 似 地 改 变 下 一 条 FET 的 电 压 便 可 以 得 到 下 一 行 的 图 像, 逐 行 进 行 直 至 所 有 行 的 信 号 被 读 出, 得 到 整 幅 图 像 这 种 探 测 器 有 可 能 提 供 大 面 积 高 效 率 高 分 辨 率 的 影 像 系 统 这 种 系 统 中 的 金 属 / 荧 光 转 换 板 和 荧 光 系 统 是 完 全 相 同 的, 而 非 晶 形 硅 影 像 阵 列 的 作 用 是 代 替 荧 光 系 统 中 的 光 路 和 摄 像 机 自 扫 描 非 晶 形 硒 探 测 器 (self-scanned a-se detector) 是 用 非 晶 形 硒 做 成 的 光 导 体 直 接 将 X 射 线 转 换 成 代 表 图 像 的 电 荷, 后 者 可 以 用 一 个 有 源 矩 阵 (active matrix) 读 取 非 晶 形 硒 层 的 下 表 面 与 有 源 矩 阵 接 触, 而 其 上 表 面 接 高 压 偏 置 电 极, 因 而 可 以 在 非 晶 形 硒 层 中 形 成 电 场 有 源 矩 阵 的 每 个 像 素 由 一 个 薄 膜 晶 体 管 (TFT), 一 个 像 素 电 极 和 一 个 贮 存 电 容 构 成 水 平 布 置 的 门 线 每 次 打 开 一 行 TFT, 使 图 像 电 荷 从 像 素 电 极 传 输 到 垂 直 布 置 的 数 据 线, 再 经 数 据 线 传 到 外 部 电 荷 放 大 器, 最 后 由 同 轴 电 缆 将 放 大 了 的 并 行 信 号 转 换 成 串 行 输 出 与 非 晶 形 硅 影 像 阵 列 比 较, 此 方 法 不 需 要 金 属 / 荧 光 转 换 板, 因 此 它 是 一 种 更 直 接 的 方 法 ( 三 ) 液 体 电 离 室 芬 兰 癌 症 研 究 所 开 发 的 EPID 系 统 采 用 扫 描 液 体 电 离 室 (scanning liquid ionization chamber, 简 称 SLIC) 作 为 射 线 探 测 器 SLIC 是 一 个 的 液 体 电 离 室 矩 阵, 覆 盖 着 1mm 厚 的 钢 板 作 为 剂 量 建 成 材 料, 电 离 室 高 压 电 极 之 间 填 充 着 1mm 厚 异 辛 烷 作 为 电 离 介 质 每 个 矩 阵 单 元 的 大 小 是 1.27mm 1.27mm 通 过 依 次 接 通 每 一 行 电 离 室 的 极 化 电 压,256 个 静 电 计 同 时 读 取 这 一 行 内 的 256 个 电 离 室 的 电 离 电 流 32.5cm 32.5cm FOV 的 扫 描 时 间 是 5.9s, 更 短 的 时 间 可 通 过 降 低 空 问 分 辨 率 的 办 法 实 现 E763 SLIC 和 相 关 的 读 取 线 路 封 装 在 一 个 52cm 52cm 4cm 的 盒 子 中, 可 以 很 方 便 地 安 装 在 加 速 器 机 架 上 ( 四 )EPID 性 能 参 数 EPID 重 要 的 性 能 参 数 有 空 间 分 辨 率 和 对 比 分 辨 率, 其 他 的 参 数 还 有 信 噪 比 扫 描 时 间 FOV 和 显 示 矩 阵 大 小 空 间 分 辨 率 是 反 映 系 统 分 辨 邻 近 小 物 体 的 能 力, 与 放 射 源 大 小 源 患 者 探 测 器 三 者 之 间 的 几 何 关 系 以 及 显 示 矩 阵 有 关 ( 五 ) 射 野 图 像 登 记 射 野 图 像 登 记 (portal image registration) 包 括 两 方 面 的 工 作 : 一 是 登 记 射 野, 也 就 是 找 出 射 野 边 界, 并 与 参 考 图 像 中 的 射 野 比 较, 确 定 射 野 形 状 大 小 和 位 置 的 误 差, 协 助 用 户 找 出 这 些 误 差 产 生 的 原 因, 如 挡 块 位 置 不 对 或 忘 记 加 挡 块 等 二 是 登 记 患 者 解 剖 特 征, 如 解 剖 标 记 点 标 记 线, 并 与 参 考 图 像 的 解 剖 特 征 比 较, 确 定 患 者 摆 位 误 差 参 考 图 像 可 以 是 数 字 重 建 X 光 片 (DRR) 模 拟 定 位 片 或 已 经 验 证 的 第 一 次 治 疗 时 射 野 图 像 由 于 射 野 边 缘 处 的 图 像 信 噪 比 很 高, 射 野 登 记 可 以 用 多 种 边 缘 追 踪 算 法 (edge tracking algorithm) 迅 速 自 动 地 完 成 相 反 地, 由 于 代 表 患 者 解 剖 特 征 的 图 像 区 对 比 度 低, 并 且 解 剖 特 征 的 几 何 结 构 复 杂, 尽 管 已 有 许 多 的 登 记 算 法, 但 尚 无 一 种 能 准 确 自 动 迅 速 地 登 记 来 自 各 种 EPID 的 射 野 图 像 目 前 的 登 记 算 法 可 归 纳 为 三 种 类 型 : 1. 交 互 式 算 法 (interactive algorithm)

203 用 户 操 作 鼠 标 或 键 盘 反 复 移 动 旋 转 和 缩 放 射 野 图 像, 然 后 借 助 一 些 图 形 工 具 来 观 察 每 一 次 操 作 后 射 野 图 像 和 参 考 图 像 是 否 已 完 全 重 叠 匹 配 ; 如 用 户 认 为 已 匹 配 好, 系 统 可 计 算 出 患 者 位 置 的 平 移 旋 转 和 缩 放 误 差 一 种 常 用 的 图 形 工 具 是 以 国 际 象 棋 盘 形 式 同 时 显 示 射 野 图 像 和 参 考 图 像, 白 色 格 是 相 应 位 置 的 射 野 图 像, 黑 色 格 是 相 应 位 置 的 参 考 图 像 另 一 种 常 用 工 具 是 在 参 考 图 像 中 勾 画 一 些 解 剖 轮 廓, 这 些 解 剖 轮 廓 可 称 为 模 板 ; 模 板 被 显 示 在 射 野 图 像 的 对 应 位 置, 用 户 便 可 以 观 察 到 模 板 和 解 剖 轮 廓 图 像 的 匹 配 效 果 其 他 类 似 的 工 具 还 有 卷 帘 和 开 窗 显 示 模 式 2. 以 标 记 为 基 础 的 算 法 (landmark-based algorithm) 采 用 这 类 算 法 的 软 件 以 定 义 点 对 和 或 线 对 开 始, 计 算 机 自 动 或 要 求 用 户 手 动, 在 射 野 图 像 和 参 考 图 像 中 找 出 一 些 特 征 点 和 ( 或 ) 线 的 位 置, 然 后 计 算 机 自 动 计 算 出 为 最 优 地 匹 配 这 些 点 对 和 ( 或 ) 线 对 所 需 要 的 空 间 变 换 这 些 特 征 点 线 可 以 是 人 体 解 剖 特 征, 也 可 以 是 外 部 植 入 的 微 小 标 记 物 标 记 物 要 用 高 密 度 的 生 物 兼 容 性 材 料 制 作, 如 金 3. 交 叉 关 联 算 法 (cross-correlation algorithm) 这 种 算 法 要 求 以 手 动 或 自 动 方 式 在 参 考 图 像 中 选 取 一 些 具 有 解 剖 特 征 的 图 像 区 域, 这 些 区 域 称 为 参 考 商 然 后 计 算 机 自 动 在 射 野 图 像 中 为 每 一 个 参 考 窗 划 出 一 个 包 括 它 的 较 大 图 像 范 围, 这 个 图 像 范 围 称 为 搜 索 窗, 并 自 动 在 搜 索 窗 内 不 断 调 整 参 考 窗 位 置, 计 算 相 应 位 置 的 射 野 图 像 区 和 参 考 窗 的 相 关 系 数, 最 终 找 出 相 关 系 数 最 大 的 位 置 并 计 算 出 患 者 摆 位 误 差 在 这 三 种 算 法 中, 第 一 种 最 简 单, 但 自 动 化 程 度 很 低, 需 要 用 户 主 观 判 断 匹 配 的 好 坏 ; 第 二 种 算 法 自 动 化 程 度 提 高 了, 但 一 般 仍 需 要 手 工 完 成 标 记 点 对 和 ( 或 ) 线 对 的 定 义 第 三 种 算 法 一 般 不 需 要 人 工 干 预, 即 使 需 要 也 只 是 画 一 些 方 框 来 标 出 参 考 窗 的 位 置, 在 三 种 算 法 中 自 动 化 程 度 最 高, 其 缺 点 是 计 算 量 很 大, 费 时 最 多 ( 六 ) 辅 助 计 算 机 工 作 站 EPID 影 像 系 统 的 操 作 数 据 处 理 图 像 显 示 等 功 能 均 在 辅 助 的 计 算 机 工 作 站 上 进 行 计 算 机 阶 性 能, 特 别 是 处 理 信 号 的 软 件 功 能 以 及 操 作 者 的 水 平 均 对 影 像 质 量 有 较 大 的 影 响 借 助 于 计 算 机 图 像 处 理 技 术 和 配 准 ( 匹 配 对 准 登 录 ) 技 术 可 改 善 图 像 的 质 量 图 像 处 理 技 术 虽 不 能 增 加 影 像 的 信 息, 但 它 能 改 善 图 像 的 显 示, 增 强 对 某 些 信 息 的 辨 别 能 力, 便 于 人 眼 识 别, 提 高 判 断 的 准 确 度 计 算 机 辅 助 的 手 动 或 自 动 配 准 技 术 使 图 像 配 准 快 速 而 准 确, 并 可 报 告 量 化 结 果, 客 观 评 价 摆 位 误 差, 完 善 射 野 验 证 系 统 辅 助 计 算 机 的 功 能 包 括 : 1. 图 像 获 取 显 示 功 能 屏 幕 上 并 列 显 示 参 考 图 像 ( 可 以 是 数 字 重 建 的 X 射 线 胶 片, 即 DRR, 模 拟 定 位 片 或 已 验 证 过 的 第 一 次 治 疗 图 像 ) 以 及 获 得 的 端 口 图 像 2. 图 像 分 析 工 具 (1) 尺 度 变 换 和 图 像 旋 转, 可 进 行 局 部 放 大 和 缩 小 ; (2) 具 有 尺 子 和 量 角 器 ; (3) 对 比 度 增 强 常 用 方 法 包 括 : a. 强 度 窗 (intensity window) 可 连 续 调 节 窗 位 窗 宽 以 改 进 某 一 灰 度 区 间 的 对 比 度 ; b. 直 方 图 修 改 技 术 ; c. 适 应 强 度 变 换, 根 据 人 的 视 觉 系 统 对 局 部 对 比 度 很 敏 感 的 特 点, 增 强 局 部 的 对 比 度 ; d. 边 界 勾 画, 包 括 射 野 边 界 标 记 点 及 解 剖 结 构 的 勾 画, 可 用 鼠 标 手 工 勾 画, 也 可 采 用 边 界 追 踪 算 法 (edge tracking algorithm) 自 动 描 迹 轮 廓 ; e. 图 像 配 准, 提 供 不 同 的 配 准 方 法 ( 如 模 板 法, 标 记 点 法 ) 和 相 应 的 算 法 ; f. 整 合 显 示, 即 观 察 重 叠 在 一 起 的 融 合 图 像, 有 开 窗 卷 帘 透 视 三 种 方 法 3. 结 果 报 告

204 定 量 结 果 中 报 告 摆 位 的 误 差, 二 维 系 统 报 告 x-y 平 面 内 x 方 向 的 平 移 误 差 y 方 向 的 平 移 误 差 以 及 绕 z 轴 的 旋 转 误 差 定 性 结 果 根 据 临 床 实 际 情 况, 判 断 当 前 摆 位 误 差 是 否 超 出 允 许 范 围, 从 而 确 定 是 否 需 要 进 行 摆 位 调 整 四 临 床 应 用 ( 一 ): 位 置 验 证 在 治 疗 计 划 的 执 行 阶 段, 射 野 位 置 和 患 者 摆 位 都 会 存 在 误 差, 甚 至 出 现 一 些 严 重 的 错 误 因 此 位 置 验 证 是 非 常 必 要 的, 利 用 射 野 影 像 系 统 可 以 测 量 误 差, 当 发 现 误 差 超 过 预 定 的 范 围 时, 便 可 以 来 取 相 应 的 校 正 措 施 在 只 有 胶 片 的 时 代, 因 为 拍 片 洗 片 过 程 费 时, 进 行 位 置 验 证 的 频 度 很 低 当 有 了 EPID 以 后, 情 况 就 完 全 不 一 样 了, 可 以 在 每 个 分 次 治 疗 时 验 证 患 者 体 位 射 野 影 像 系 统 在 位 置 验 证 方 面 的 应 用 目 前 主 要 有 治 疗 前 校 正 射 野 离 线 评 价 患 者 摆 位 治 疗 间 校 正 患 者 摆 位 治 疗 前 校 正 患 者 摆 位 四 种 形 式, 将 来 还 会 有 第 五 种 形 式, 即 在 治 疗 进 行 过 程 中 实 时 调 整 射 野 参 数, 确 保 射 线 束 总 是 对 准 靶 区 照 射 ( 一 ) 治 疗 前 校 正 射 野 布 野 时 可 能 发 生 挡 块 位 置 放 错 或 拿 错 挡 块 之 类 的 差 错 对 于 没 有 配 备 验 证 记 录 系 统 的 加 速 器, 还 会 发 生 诸 如 射 野 大 小 准 直 器 角 度 之 类 的 机 械 运 动 参 数 出 现 误 差 的 情 况 差 错 会 严 重 影 响 患 者 的 治 疗 效 果, 甚 至 造 成 医 疗 事 故, 因 此 应 及 时 发 现 及 时 校 正 发 现 差 错 最 简 单 的 方 法 是 技 术 员 在 每 次 治 疗 开 始 时 注 意 观 察 射 野 图 像, 如 发 现 有 错, 则 立 即 关 机 第 二 种 方 法 是 每 次 治 疗 开 始 时 预 照 数 跳 获 得 射 野 图 像, 在 技 术 员 确 认 射 野 正 确 时 照 射 余 下 的 机 器 跳 数 第 三 种 方 法 是 利 用 一 些 EPID 系 统 提 供 的 自 动 登 记 射 野 的 功 能, 当 系 统 发 现 布 野 误 差 超 过 预 设 的 限 值 时, 自 动 关 机 ( 二 ) 治 疗 前 校 正 患 者 摆 位 每 次 治 疗 前, 预 照 一 些 跳 数 获 得 射 野 图 像 并 在 线 评 估, 如 摆 位 符 合 要 求, 则 继 续 照 射 余 下 的 剂 量 ; 如 摆 位 误 差 超 过 允 许 范 围, 校 正 摆 位, 继 续 监 测 治 疗 前 校 正 患 者 摆 位 可 以 有 效 地 减 少 摆 位 误 差, 但 治 疗 时 间 会 延 长 ( 三 ) 离 线 评 价 患 者 摆 位 如 果 将 一 个 疗 程 中 每 个 分 次 的 射 野 图 像 以 时 间 流 逝 序 列 (time-1apse sequence) 的 形 式 显 示, 就 可 以 动 态 观 察 到 射 野 和 患 者 体 位 的 逐 日 变 化 情 况, 因 此 它 是 一 种 回 顾 整 个 疗 程 摆 位 重 复 性 的 快 速 方 法, 可 作 为 常 规 质 量 保 证 程 序 的 一 部 分 对 于 患 同 一 种 肿 瘤 的 患 者 群 体, 如 果 对 其 整 个 疗 程 所 有 射 野 图 像 进 行 回 顾 性 分 析, 就 可 以 了 解 患 者 群 体 摆 位 误 差 分 布 情 况, 为 治 疗 计 划 设 计 提 供 PTV 和 CTV 之 间 的 间 隙 (margin) 数 据 ( 四 ) 治 疗 间 校 正 患 者 摆 位 患 者 摆 位 误 差 无 论 是 平 移 量, 还 是 旋 转 量, 均 由 系 统 误 差 和 随 机 误 差 两 项 构 成 系 统 误 差 用 所 有 分 次 的 摆 位 误 差 的 平 均 值 表 示, 随 机 误 差 用 所 有 分 次 的 摆 位 误 差 的 标 准 差 表 示 在 设 计 某 个 患 者 的 治 疗 计 划 时,PTV 和 CTV 之 间 的 间 隙 是 根 据 患 者 群 体 摆 位 误 差 分 布 情 况 确 定 的 但 实 际 上 由 于 个 体 之 间 的 差 异, 每 个 患 者 实 际 需 要 的 间 隙 是 不 一 样 的, 针 对 这 种 情 况, 目 前, 有 一 种 自 适 应 放 疗 的 思 想 (adaptive radiation therapy), 具 体 实 施 过 程 是 这 样 的 : 自 疗 程 开 始 时 起, 每 次 放 疗 时 获 取 射 野 图 像, 用 离 线 方 式 测 量 每 次 的 摆 位 误 差 根 据 最 初 数 次 的 测 量 结 果 预 测 整 个 疗 程 的 系 统 误 差 和 随 机 误 差 在 平 移 系 统 误 差 精 度 要 求 为 l mm 随 机 误 差 精 度 要 求 为 0.5mm 置 信 度 大 于 95% 的 条 件 下, 所 需 的 测 量 次 数 最 多 不 超 过 9 次 如 果 在 测 量 中 发 现 误 差 有 随 时 间 变 化 的 趋 势, 则 在 预 测 系 统 误 差 时 要 采 用 加 权 平 均 的 方 法 当 预 测 的 平 移 系 统 误 差 大 于 2mm 或 旋 转 角 度 系 统 误 差 超 过 2 时, 调 整 准 直 器 叶 片 位 置 或 准 直 器 旋 转 角 度 以 校 正 之 如 果 计 划 时 预 留 的 间 隙 量 不 足 以 包 括 随 机 误 差 表 示 的 患 者 位 置 变 化, 则 适 当 加 大 射 野

205 ( 五 ) 治 疗 中 调 整 射 野 体 位 固 定 装 置 可 以 减 少 患 者 体 位 在 治 疗 中 的 变 化 对 于 头 颈 部 肿 瘤, 靶 区 位 置 和 体 位 可 以 认 为 是 相 对 不 变 的, 体 位 固 定 了 也 就 保 证 了 靶 区 位 置 的 固 定 对 于 胸 腹 部 肿 瘤, 当 体 位 固 定 后, 靶 区 在 体 内 仍 存 在 一 定 范 围 的 运 动 这 些 运 动 主 要 是 呼 吸 引 起 的, 其 他 如 胃 肠 蠕 动 血 液 流 动 也 会 有 影 响 为 减 少 因 呼 吸 引 起 的 靶 区 运 动, 最 简 单 的 方 法 是 照 射 时 要 求 患 者 屏 气, 但 因 屏 气 能 坚 持 的 时 间 一 般 比 照 射 时 间 短, 在 临 床 使 用 的 效 果 不 理 想 Kubo 建 立 一 项 利 用 一 个 呼 吸 传 感 器 监 测 患 者 呼 吸 的 呼 吸 选 通 放 疗 技 术 (respiration gated therapy) 当 患 者 开 始 吸 气 时 出 束 照 射, 一 直 持 续 到 患 者 开 始 呼 气 时 停 止 照 射, 直 到 下 一 次 吸 气 开 始 时 再 恢 复 照 射, 如 此 可 以 保 证 在 整 个 治 疗 过 程 中 只 有 当 靶 区 位 于 射 野 内 时 出 束 目 前 还 没 有 EPID 在 这 方 面 应 用 的 报 道, 究 其 原 因 有 两 个 方 面 其 一 是 获 取 一 幅 射 野 图 像 一 般 需 要 3~5s( 不 包 括 荧 光 型 EPID), 并 且 图 像 质 量 较 差 ; 其 二 是 尚 未 研 究 成 功 一 种 实 时 准 确 的 射 野 图 像 登 记 算 法 不 过, 利 用 EPID 监 测 靶 区 的 位 置 变 化, 实 时 调 整 准 直 器 叶 片 位 置 和 准 直 器 转 角, 确 保 射 线 束 总 是 对 准 靶 区 照 射 即 自 动 跟 踪 放 疗 为 实 现 这 样 一 种 放 疗 技 术, 必 须 保 证 从 获 取 图 像 至 完 成 登 记 的 时 间 不 超 过 1s, 这 有 赖 于 EPID 和 图 像 登 记 算 法 性 能 的 巨 大 改 进 五 临 床 应 用 ( 二 ): 剂 量 验 证 剂 量 验 证 是 确 认 患 者 实 际 受 到 的 照 射 剂 量 是 否 等 于 计 划 给 予 剂 量 的 过 程 用 半 导 体 热 释 光 剂 量 仪 可 以 在 患 者 体 表 监 测 入 射 剂 量 (entrancedose) 和 出 射 剂 量 (exitdose), 但 它 们 只 能 实 现 少 数 几 个 点 的 剂 量 验 证 射 野 影 像 系 统 的 最 初 设 计 目 的 和 主 要 功 能 是 位 置 验 证, 但 因 为 它 实 际 上 是 一 个 辐 射 探 测 器, 因 此 经 过 适 当 的 刻 度, 也 可 以 作 为 剂 量 仪 使 用 测 量 结 果 是 探 测 器 所 在 乎 面 的 剂 量 分 布, 这 种 剂 量 分 布 称 为 透 射 剂 量 分 布 (transmission dose distribution), 如 果 是 用 图 像 形 式 表 示, 则 称 为 射 野 剂 量 图 像 (portal dose image, 简 称 PDI) 通 过 与 参 考 透 射 剂 量 比 较, 或 由 透 射 剂 量 的 测 量 结 果 反 推 出 射 剂 量 或 中 平 面 剂 量, 甚 至 重 建 体 内 三 维 剂 量 分 布 这 三 种 应 用 形 式, 射 野 影 像 系 统 可 以 验 证 患 者 的 实 际 受 照 情 况 与 半 导 体 热 释 光 剂 量 仪 相 比, 射 野 影 像 系 统 的 一 个 突 出 优 点 是 一 次 可 以 完 成 二 维 平 面 的 测 量, 无 论 是 数 据 处 理 或 是 存 贮 都 会 更 方 便

206 第 五 章 调 强 适 形 放 射 治 疗 系 统 第 一 节 适 形 放 疗 的 分 类 和 发 展 放 射 治 疗 就 是 利 用 射 线 的 高 能 量 和 强 穿 透 性, 对 人 体 肿 瘤 细 胞 有 损 毁 和 抑 制 作 用, 来 达 到 治 疗 的 目 的 放 射 治 疗 的 基 本 理 论 是 : 当 射 线 作 用 于 人 体 时, 肿 瘤 组 织 和 健 康 组 织 对 射 线 敏 感 性 和 恢 复 能 力 有 差 异, 肿 瘤 组 织 敏 感 恢 复 能 力 差, 因 而 可 以 进 行 大 面 积 ( 非 精 确 定 位 ) 多 次 数 的 照 射, 来 杀 死 肿 瘤 细 胞, 正 常 组 织 略 受 伤 害 但 可 以 部 分 恢 复 放 疗 是 一 种 局 部 治 疗 手 段, 其 追 求 目 标 是 提 高 放 射 治 疗 的 增 益 比, 将 放 射 线 最 大 限 度 地 集 中 到 靶 区 内, 以 便 杀 死 肿 瘤 细 胞, 并 有 效 地 保 护 正 常 组 织 和 器 官 为 了 解 决 这 个 问 题, 人 们 用 方 形 圆 形 遮 光 筒 腔 内 筒 进 行 照 射, 有 时 也 加 一 些 铅 块 等 对 正 常 组 织 进 行 保 护, 这 就 是 最 早 的 适 形 放 疗 真 正 的 适 形 放 疗 开 始 于 60 年 代 日 本 学 者 高 桥 信 次 所 发 明 的 多 叶 光 栅 系 统 他 首 次 提 出 并 阐 述 了 适 形 放 疗 的 基 本 概 念 以 及 实 施 的 方 法 他 及 同 道 用 自 行 设 计 的 一 个 机 械 控 制 系 统, 控 制 多 叶 准 直 器 (MLC) 的 开 口 形 状 与 射 野 方 向 的 靶 区 投 影 形 状 一 致, 绕 患 者 进 行 旋 转 适 形 治 疗 与 此 间 时,Proimos 博 士 及 同 道, 独 立 地 提 出 了 同 步 挡 块 旋 转 照 射 方 法 同 步 挡 块 法 是 将 特 殊 设 计 的 铅 挡 块 安 装 在 患 者 和 机 头 淮 直 器 之 间, 并 且 挡 块 能 够 随 机 架 或 患 者 的 旋 转 作 同 步 运 动, 保 证 挡 块 的 形 状 随 时 与 照 射 的 靶 区 的 投 影 形 状 一 致 同 步 挡 块 可 以 产 生 一 个 较 好 的 剂 量 分 布, 特 别 适 合 于 防 护 靶 区 内 或 靶 区 附 近 的 正 常 组 织 和 器 官 但 因 设 计 一 个 同 步 挡 块 非 常 复 杂 花 费 时 间, 不 利 于 临 床 推 广 Green 于 1959 年 首 先 提 出 循 迹 扫 描 的 原 理 并 在 英 国 伦 敦 皇 家 北 区 医 院 建 立 了 这 种 系 统 的 机 器 和 计 划 设 计 的 方 法 所 谓 循 迹 法, 就 是 依 靠 治 疗 机 和 治 疗 床 的 相 互 配 合 的 运 动. 使 得 靶 区 每 个 截 面 中 心 总 是 位 于 机 器 的 旋 转 中 心 上, 而 射 野 的 形 状 和 大 小 靠 准 直 器 的 扩 缩 以 及 床 的 纵 向 ( 与 机 架 旋 转 平 面 垂 直 ) 运 动 得 到 的 因 此, 循 迹 扫 描 的 结 果, 使 得 高 剂 量 区 的 横 纵 方 向 上 均 与 靶 区 形 状 致 显 然 治 疗 范 围 即 射 野 大 小, 不 仅 由 准 直 器 限 定, 同 时 也 由 床 的 纵 向 运 动 范 围 确 定, 而 机 架 旋 转 的 速 度 和 床 的 纵 向 运 动 的 速 度 决 定 剂 量 的 大 小 循 迹 法 可 以 治 疗 任 意 形 状 和 大 小 的 肿 瘤 特 别 对 治 疗 食 管 脊 髓 盆 壁 胸 壁 等 部 位 形 状 弯 曲 的 肿 瘤 最 有 利 调 强 治 疗 最 初 由 Bjarngard, Kijewski 及 其 它 同 道 于 20 世 纪 70 年 代 提 出 由 于 当 时 的 计 算 机 技 术 和 剂 量 计 算 模 型 条 件 的 限 制, 调 强 治 疗 虽 然 不 能 实 现, 但 他 们 的 研 究, 播 下 了 调 强 治 疗 新 时 代 的 种 子 多 叶 准 直 器 的 建 立 与 发 展, 及 其 计 算 机 控 制 系 统, 为 调 强 治 疗 铺 平 了 道 路 多 叶 准 直 器 的 原 初 设 计, 主 要 目 的 是 为 了 替 代 传 统 的 射 野 外 加 挡 块, 更 加 方 便 于 治 疗 的 摆 位 用 独 立 准 直 器 生 成 动 态 楔 形 野, 启 发 了 用 多 叶 准 直 器 进 行 动 态 调 强 照 射 中, 利 用 每 一 对 叶 片 的 相 对 运 动, 可 得 到 两 维 强 度 ( 输 出 ) 不 均 匀 分 布 的 照 射 野 由 于 计 算 机 硬 件 和 软 件 技 术 的 发 展, 放 射 治 疗 的 计 划 设 计 有 了 长 足 的 进 步, 放 射 肿 瘤 学 家 采 用 立 体 照 射 技 术, 成 功 地 使 高 剂 量 放 射 线 在 三 维 方 向 上 的 分 布 形 状 与 病 灶 组 织 一 致, 从 而 提 高 了 治 疗 效 果 进 入 80 年 代 以 来, 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展, 外 照 射 式 放 射 治 疗 出 现 了 智 能 化 的 发 展, 治 疗 计 划 系 统 (TPS) 自 动 化 控 制 系 统 的 出 现, 使 放 射 治 疗 变 得 更 安 全, 更 方 便, 更 有 效 自 此, 放 射 治 疗 和 影 像 诊 断 通 过 计 算 机 这 个 桥 梁 融 为 一 体, 从 而 使 放 射 治 疗 第 一 次 显 现 了 在 某 些 领 域 优 于 手 术 和 其 它 肿 瘤 治 疗 手 段, 从 辅 助 治 疗 变 成 了 主 要 治 疗 手 段 之 一 可 以 看 出, 放 射 治 疗 的 进 步 需 要 新 的 放 疗 技 术, 新 的 放 疗 技 术 需 要 新 的 放 疗 设 备, 新 的 放 疗 设 备 与 科 学 技 术 的 发 展 息 息 相 关 从 某 种 意 义 上 来 说, 正 是 科 技 的 发 展 带 来 了 新 设 备 的 成 功 开 发 和 应 用, 从 而 带 动 了 放 射 治 疗 的 进 步 一 放 射 治 疗 的 发 展 过 程

207 放 射 治 疗 按 照 精 确 先 进 等 级 可 以 分 为 常 规 放 疗 精 确 ( 适 形 ) 放 疗 调 强 放 疗 按 照 发 展 的 顺 序 组 合 可 以 分 成 常 规 放 疗 适 形 放 疗 立 体 定 向 放 射 手 术 立 体 定 向 放 射 治 疗 ( 三 维 适 形 放 疗 和 三 维 逆 向 计 划 调 强 放 疗 ) 二 适 形 放 疗 的 分 类 目 前 比 较 先 进 的 放 射 治 疗 技 术 的 应 用 主 要 有 以 下 三 种 : 1. 立 体 定 向 放 射 手 术 (SRS): SRS(Stereo Radiation System) 是 神 经 外 科 与 放 射 治 疗 之 间 跨 学 科 的 治 疗 技 术, 用 Co-60 进 行 的 SRS 俗 称 伽 马 刀 (γ 刀 ), 用 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 SRS 俗 称 X 刀 或 光 子 刀 SRS 是 指 将 高 能 放 射 线 聚 集 于 头 颅 内 某 一 局 限 性 靶 区 的 单 次 照 射, 使 之 发 生 放 射 性 反 应, 而 靶 区 外 周 组 织 因 剂 量 迅 速 递 减 而 免 受 累 及, 从 而 在 边 缘 形 成 一 如 刀 割 样 的 界 面, 这 种 治 疗 方 式 酷 似 手 术 效 果, 因 而 形 象 地 称 其 为 " 刀 " SRS 基 本 用 于 颅 内 良 性 肿 瘤 血 管 畸 形 功 能 性 疾 病 和 体 积 较 小 的 恶 性 肿 瘤 X 刀 和 γ 刀, 统 称 高 能 光 子 刀, 此 外 还 有 荷 电 离 子 刀 ( 包 括 质 子 氦 离 子 线 等 ), 俗 称 " 粒 子 刀 " 近 年 来, 颅 内 肿 瘤 的 立 体 定 向 放 射 治 疗 ( γ 刀 和 X 刀 ) 在 国 内 外 已 经 取 得 了 长 足 的 发 展 2. 立 体 放 射 治 疗 (SRT) 立 体 放 射 治 疗 (SRT) 分 为 三 维 适 形 放 射 治 疗 和 调 强 治 疗 两 大 分 支 (1) 三 维 适 形 放 射 治 疗 (3D-CRT): 三 维 适 形 放 疗 (3D-CRT)(3D-Conformal Radiation Theraphy ) 早 在 1959 年 PRIMUSE 首 先 提 出, 适 形 放 疗 也 称 为 立 体 放 疗 或 原 体 照 射 适 形 放 疗 是 一 种 能 够 使 高 剂 量 区 的 剂 量 分 布 在 三 维 方 向 上 和 病 灶 区 的 实 际 形 状 相 一 致 的 照 射 技 术 适 形 放 疗 是 放 射 肿 瘤 学 的 发 展 方 向 和 未 来 它 的 实 现 方 式 有 以 下 几 种 方 法 :(1) 固 定 野 适 形 照 射 野 法 ;(2) 同 步 挡 块 法 ;(3) 多 叶 准 直 器 ( 多 叶 光 栅 ) 法 目 前, 用 多 叶 准 直 器 实 现 适 形 放 疗 是 发 展 最 快 的 适 形 放 疗 技 术, 其 主 要 优 点 如 效 率 高, 占 用 空 间 小, 工 作 环 境 好, 不 用 切 割 铅 快, 劳 动 强 度 小 而 且 使 用 灵 活 决 定 了 它 是 放 疗 的 发 展 趋 势 (2) 调 强 放 疗 调 强 放 疗 (IMRT)(Intensity Modulated Radiation Therapy) 是 通 过 改 变 病 灶 区 内 的 射 线 度, 使 病 灶 区 内 任 何 一 点 都 能 达 到 理 想 的 剂 量 通 俗 的 讲, 适 形 放 疗 是 将 照 射 野 从 三 维 几 何 形 状 上 拟 合 病 灶 的 形 状 实 施 照 射, 而 调 强 放 疗 不 仅 从 射 野 的 三 维 几 何 上 而 且 从 三 维 的 剂 量 体 积 上 拟 合 病 灶, 从 而 达 到 最 大 限 度 地 将 剂 量 传 递 到 病 灶 区 域 而 使 周 边 的 正 常 组 织 接 受 最 小 的 剂 量 调 强 放 疗 的 实 现 有 两 种 方 式, 第 一 种 是 在 照 射 过 程 中 利 用 多 叶 准 直 器 叶 片 间 距 大 小 运 动 方 向 和 运 动 速 度 的 动 态 变 化 达 到 调 强 的 目 的 ; 第 二 种 是 利 用 笔 型 射 线 束 扫 描 式 照 射, 通 过 调 节 打 靶 前 电 子 束 的 打 靶 方 向 和 束 流 强 度 而 产 生 所 需 要 的 不 同 强 度 的 笔 型 射 线 束 总 之, 调 强 适 形 放 射 治 疗 是 一 种 新 的 治 疗 技 术, 调 强 适 形 放 射 治 疗 系 统 是 适 应 放 疗 发 展 的 需 求, 完 成 调 强 适 形 放 射 治 疗 的 一 套 系 统 ; 它 不 是 完 全 的 独 立 新 设 备, 而 是 建 立 在 直 线 加 速 器 的 基 础 之 上, 通 过 研 究 开 发 形 成 的 一 套 计 算 机 软 硬 件 综 合 系 统 它 包 括 多 叶 准 直 器 系 统 定 位 系 统 计 算 机 三 维 计 划 系 统 等 组 成

208 第 二 节 调 强 治 疗 的 方 式 及 实 现 放 射 治 疗 的 基 本 目 标 是 努 力 提 高 放 射 治 疗 的 治 疗 增 益 比, 即 最 大 限 度 地 将 放 射 线 的 剂 量 集 中 到 病 变 ( 靶 区 ) 内, 杀 灭 肿 瘤 细 胞, 而 使 周 围 正 常 组 织 和 器 官 少 受 或 免 受 不 必 要 的 照 射 肿 瘤 致 死 剂 量 与 正 常 组 织 耐 受 剂 量 之 间 的 差 别 一 般 不 是 太 大, 而 且 正 常 组 织 特 别 是 所 谓 并 行 组 织 的 耐 受 剂 量 的 大 小 取 决 于 受 照 射 组 织 的 范 围, 范 围 越 大, 组 织 耐 受 射 线 的 能 力 越 小 在 深 部 肿 瘤 的 放 疗 过 程 中, 一 些 重 要 器 官 如 脑 干 脊 髓 肾 性 腺 等 位 于 或 接 近 肿 瘤 ( 靶 区 ), 要 特 别 注 意 保 护 因 此, 理 想 的 放 射 治 疗 技 术 应 按 照 肿 瘤 形 状 给 靶 区 很 高 的 致 死 剂 量, 而 靶 区 周 围 的 正 常 组 织 不 受 到 照 射 要 使 治 疗 区 的 形 状 与 靶 区 形 状 一 致, 必 须 从 三 维 方 向 上 进 行 剂 量 分 布 的 控 制 X(Y) 线 立 体 定 向 治 疗 和 高 能 质 子 治 疗 的 成 功 的 临 床 经 验 揭 示 并 证 明 了, 采 用 物 理 手 段 不 仅 能 够 改 善 病 变 ( 靶 区 ) 与 周 围 正 常 组 织 和 器 官 的 剂 量 分 布, 而 且 能 够 有 效 地 提 高 治 疗 增 益 比 适 形 放 射 治 疗 (Conformal Radiation Theraphy ) 是 一 种 提 高 治 疗 增 益 的 较 为 有 效 的 物 理 措 施 适 形 治 疗 作 为 一 种 治 疗 技 术, 使 得 高 剂 量 区 分 布 的 形 状 在 三 维 方 向 上 与 病 变 ( 靶 区 ) 的 形 状 一 致 从 这 个 意 义 上 讲, 学 术 界 将 它 称 为 三 维 适 形 放 射 治 疗 (3D-Conformal Radiation Theraphy(3D-CRT)) 为 达 到 剂 量 分 布 的 三 维 适 形, 必 须 满 足 下 述 的 必 要 条 件 : 1 在 照 射 方 向 上, 照 射 野 的 形 状 必 须 与 病 变 ( 靶 区 ) 的 形 状 一 致 ; 2 要 使 靶 区 内 及 表 面 的 剂 量 处 处 相 等, 必 须 要 求 每 一 个 射 野 内 诸 点 的 输 出 剂 量 率 能 按 要 求 的 方 式 进 行 调 整 满 足 上 述 两 个 必 要 条 件 的 第 一 个 条 件 的 三 维 适 形 治 疗 (3DCRT) 称 之 为 经 典 ( 或 狭 义 ) 适 形 治 疗 (Clsstcal Conformal Radiation Theraphy); 同 时 满 足 上 述 两 个 必 要 条 件 的 三 维 适 形 治 疗 (3DCRT), 称 之 为 调 强 ( 或 广 义 ) 适 形 放 射 治 疗 (Intensity Modulated Radiation Theraphy, IMRT) 调 强 适 形 放 射 治 疗 是 放 射 肿 瘤 学 史 上 的 一 次 变 革 一 调 强 放 疗 的 方 式 调 强 放 疗 (IMRT) 即 三 维 适 形 调 强 放 疗 的 简 称, 属 于 精 确 放 疗 的 范 畴 如 前 所 述, 适 形 放 射 治 疗 分 为 两 个 技 术 发 展 阶 段 第 一 阶 段 是 射 野 几 何 投 影 适 形, 即 让 射 野 形 状 与 在 该 方 向 上 靶 区 的 投 影 形 状 相 同, 用 一 组 固 定 角 度 照 射 野 或 旋 转 照 射 时, 在 射 野 中 采 用 剖 面 强 度 均 匀 分 布 的 射 束, 或 用 一 些 简 单 的 楔 形 板 和 补 偿 块 来 修 改 射 束 内 的 射 束 强 度 分 布 该 方 式 可 称 为 传 统 的 三 维 适 形 放 射 治 疗 常 规 做 法 一 种 是 用 低 熔 点 铅 合 金 制 成 所 需 照 射 野 形 状 的 挡 块, 照 射 前 进 入 治 疗 室 手 工 加 上 挡 块 ; 另 一 种 是 用 普 通 多 叶 光 阑, 即 使 用 一 系 列 窄 条 钨 片, 其 典 型 宽 度 是 投 影 在 等 中 心 处 时 宽 度 为 1 厘 米, 每 个 叶 片 可 分 别 移 动, 用 计 算 机 控 制 形 成 所 需 的 照 射 野 形 状, 代 替 原 来 正 方 形 或 矩 形 野 光 阑 第 二 个 阶 段 是 采 用 逆 向 计 划, 通 过 改 变 射 束 剖 面 强 度 分 布 ( 调 强 ), 使 剂 量 适 形 正 常 的 治 疗 计 划 是 计 划 者 设 置 一 系 列 射 束, 计 算 这 些 射 束 产 生 的 剂 量 分 布, 再 评 价 该 计 划 是 否 合 理 把 该 问 题 反 过 来 看, 通 过 指 定 射 野 内 各 个 解 剖 位 置 的 剂 量 限 制 以 给 出 所 需 的 剂 量 分 布, 由 数 学 公 式 计 算 出 最 合 适 的 射 束 及 射 束 内 的 强 度 分 布 设 置, 即 根 据 预 定 靶 区 和 危 险 器 官 结 构 计 算 出 射 束 剖 面 的 强 度 分 布 并 使 靶 区 获 得 最 佳 剂 量 分 布 的 方 法 称 之 为 放 射 治 疗 计 划 的 逆 向 方 法 IMRT 与 常 规 放 疗 相 比 的 优 势 在 于 : 采 用 精 确 的 体 位 固 定 和 立 体 定 位 技 术 : 如 头 体 膜 和 负 压 袋 固 定, 用 CT 和 ( 或 )MRI 定 位

209 加 三 维 重 建, 大 大 提 高 了 放 疗 的 定 位 精 度 摆 位 精 度 和 照 射 精 度 ; 2 采 用 精 确 治 疗 计 划 : 逆 向 计 算 (inverse planning), 即 医 生 首 先 确 定 最 大 优 化 的 计 划 结 果, 包 括 靶 区 的 照 射 剂 量 和 靶 区 周 围 敏 感 组 织 的 耐 受 剂 量, 然 后 由 计 算 机 给 出 实 现 该 结 果 的 方 法 和 参 数, 从 而 实 现 治 疗 计 划 的 自 动 最 佳 优 化 ; 3 采 用 精 确 照 射 : 能 够 优 化 配 置 射 野 内 各 线 束 的 权 重, 使 高 剂 量 区 的 分 布 在 三 维 方 向 上 与 靶 区 的 实 际 形 状 相 一 致, 从 而 可 以 较 大 幅 度 地 增 加 肿 瘤 剂 量 和 ( 或 ) 减 少 敏 感 组 织 的 受 量 ; 4 可 在 一 个 计 划 中 同 时 实 现 大 野 照 射 及 小 野 的 追 加 剂 量 照 射 (simultaneously integrated boosting, SIB), 使 不 同 靶 区 获 得 相 应 所 需 的 剂 量, 同 时 缩 短 总 的 治 疗 时 间 IMRT 可 满 足 放 疗 的 四 最 要 求 : 即 靶 区 的 受 照 剂 量 最 大, 靶 区 周 围 正 常 组 织 受 照 剂 量 最 小 靶 区 的 定 位 和 照 射 最 准 以 及 靶 区 内 的 剂 量 分 布 最 均 匀 其 临 床 结 果 可 增 加 肿 瘤 的 局 部 控 制 率, 并 减 少 正 常 组 织 的 放 射 损 伤 二 调 强 的 实 现 调 强 主 要 实 现 方 式 分 为 两 类, 第 一 类 是 用 加 速 器 多 叶 光 阑 ( MLC) 进 行 调 强, 包 括 多 叶 准 直 器 静 态 调 强 (step and Shoot) 多 叶 准 直 器 动 态 调 强 (sliding window) 第 二 类 是 用 剂 量 补 偿 器 ( dose compensator) 并 采 用 逆 向 计 划 进 行 调 强 此 外, 还 有 其 它 调 强 方 式, 如 断 层 调 强 放 疗 (tomotherapy) 笔 形 束 电 磁 扫 描 调 强 (pensil beam) 等 第 一 类 技 术 目 前 主 要 有 step and Shoot 调 强 方 式, 即 将 微 型 多 叶 光 阑 附 加 在 一 个 标 准 的 直 线 加 速 器 上, 用 旋 转 方 式 照 射 一 个 薄 层 扇 形 射 束 由 一 个 个 小 孔 射 束 组 成, 用 计 算 机 控 制 微 型 多 叶 光 阑 各 叶 片 的 开 关 这 样 逐 层 完 成 整 个 射 野 的 照 射 也 有 类 似 于 螺 旋 CT 扫 描 方 式, 治 疗 床 在 照 射 中 连 续 移 动 而 进 行 螺 旋 方 式 照 射 这 类 技 术 比 传 统 三 维 适 形 放 射 治 疗 复 杂, 但 能 使 剂 量 分 布 与 靶 区, 特 别 在 靶 区 与 正 常 组 织 相 互 包 绕 时, 高 度 适 形 该 类 技 术 的 另 一 方 式 是 多 固 定 野 调 强 方 式 类 似 动 态 楔 形 板, 用 计 算 机 控 制 每 一 对 多 叶 光 阑 在 相 应 缝 隙 中 扫 过 靶 区, 产 生 所 需 的 剂 量 分 布 该 方 式 也 叫 动 态 多 叶 光 阑 方 式 将 动 态 多 味 光 阑 和 非 共 面 弧 形 治 疗 方 法 结 合, 完 成 适 形 照 射, 这 种 方 式 称 为 动 态 弧 形 多 叶 光 阑 调 强 方 式 ( dynamic MLC), 属 于 此 类 方 法 的 有 : 动 态 叶 片 (dynamic-leaf collimation) 调 强 旋 转 (IMAT) 动 态 MLC 扫 描 (scanning-leaf) 等 他 们 的 特 征 是 : 叶 片 运 动 过 程 中, 射 线 一 直 处 于 ON 状 态 第 二 类 剂 量 补 偿 器 技 术 使 用 立 体 CT 数 据, 根 据 补 偿 档 块 不 仅 可 补 偿 表 面 组 织 欠 缺, 而 且 可 补 偿 体 内 组 织 不 均 匀 性 的 原 理, 使 用 逆 向 方 法 进 行 治 疗 设 计, 并 用 数 控 研 磨 机 ( milling machines) 自 动 制 成 补 偿 挡 块, 使 照 射 野 产 生 所 需 的 剂 量 剖 面 强 度 分 布 而 完 成 适 形 治 疗 这 种 补 偿 档 块 方 式 相 对 直 接 并 被 临 床 证 明 最 易 实 现 断 层 调 强 放 疗 (tomotherapy) 技 术, 因 模 拟 X 射 线 计 算 机 断 层 技 术 而 得 名, 它 是 利 用 特 殊 设 计 的 MLC 形 成 的 扇 形 束 绕 患 者 体 纵 轴 ( 此 轴 一 般 与 加 速 器 机 架 旋 转 轴 一 致 ) 旋 转 照 射, 完 成 一 个 切 片 治 疗 然 后 利 用 床 的 步 进, 完 成 下 一 个 切 片 的 治 疗 本 方 法 非 常 类 似 于 英 国 Green 倡 导 的 循 迹 扫 描 (tracking) 技 术 按 床 的 步 进 方 式 的 不 同, 在 美 国 的 两 个 不 同 地 方, 分 别 独 立 地 发 展 了 两 种 不 同 的 断 层 治 疗 的 方 式 : 步 进 (Index) 方 式 和 螺 旋 (Spiral) 方 式 前 者 是 在 每 次 旋 转 照 射 完 毕 后, 床 步 进 一 段 距 离 ; 后 者 采 取 类 似 螺 旋 CT 扫 描 方 式, 机 架 边 旋 转 床 边 缓 慢 前 进 从 技 术 意 义 上 讲, 后 者 才 是 真 正 的 断 层 治 疗 笔 形 束 电 磁 扫 描 调 强 (pensil beam) 是 用 计 算 机 控 制 电 子 回 旋 加 速 器 束 流 偏 转 磁 铁, 改 变 撞 击 靶 的 电 子 束 角 度 和 强 度, 使 产 生 的 韧 致 辐 射 达 到 所 需 的 射 束 剖 面 强 度 分 布, 而 完 成 适 形 照 射 由 于 一 些 原 因 这 些 方 法 目 前 还 未 能 广 泛 应 用 可 以 预 料, 今 后 还 会 有 更 新 的 调 强 治 疗 方 式 目 前 临 床 应 用 最 普 遍 的 是 电 动 多 叶 光 栅 调 强 技 术

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211 第 三 节 适 形 放 疗 的 设 备 要 求 放 射 治 疗 的 进 步 是 伴 随 着 设 备 的 进 步 前 进 的, 新 的 适 形 放 疗 也 同 样 需 要 设 备 与 其 密 切 配 合 才 能 实 现 一 适 形 放 疗 系 统 组 成 动 态 多 叶 光 栅 适 形 调 强 放 射 治 疗 系 统, 主 要 由 多 叶 光 栅 控 制 系 统 定 位 系 统 治 疗 计 划 系 统 组 成 配 合 CT 扫 描 仪 加 速 器 使 用 二 适 形 放 疗 的 设 备 要 求 1. 放 射 治 疗 计 划 系 统 放 射 治 疗 计 划 系 统 (Treatment Planning System,TPS) 是 多 叶 光 栅 适 形 放 射 治 疗 系 统 的 核 心 组 成 部 分 TPS 系 统 运 行 于 图 形 工 作 站 上, 系 统 内 存 在 256M 以 上, 大 容 量 硬 盘, 配 有 磁 带 海 量 存 储 器, 选 用 图 形 加 速 卡, 采 用 21 高 分 辨 率 ( 以 上 ) 显 示 器, 并 配 有 网 卡 治 疗 计 划 设 计 是 放 射 治 疗 过 程 中 极 其 重 要 的 一 环, 治 疗 计 划 系 统 是 放 射 治 疗 的 一 个 重 要 组 成 部 分 和 联 系 纽 带 治 疗 计 划 系 统 的 主 要 功 能 是 接 受 CT/MRI/PET 输 出 的 图 像 ( 通 过 网 络 中 间 介 质 等 ), 病 变 ( 靶 区 ) 及 重 要 器 官 和 组 织 轮 廓 的 勾 画 及 段 建, 建 立 患 者 治 疗 坐 标 系, 制 订 一 个 优 化 的 治 疗 方 案, 输 出 治 斤 方 案 实 施 的 细 节 到 治 疗 机 的 控 制 计 算 机, 以 及 到 为 实 施 该 治 疗 办 案 所 需 要 的 治 疗 辅 助 工 具 ( 如 挡 块 组 织 补 偿 等 ) 制 作 器 上 三 维 放 射 治 疗 计 划 系 统 是 构 成 调 强 适 形 精 确 放 疗 系 统 的 核 心 技 术 部 分 放 射 治 疗 计 划 系 统 (TPS) 在 放 射 治 疗 中 的 应 用, 使 放 射 治 疗 进 入 精 确 放 疗 年 代 治 疗 计 划 系 统 的 应 用, 可 以 使 得 放 射 治 疗 做 到 精 确 定 位 精 确 设 计 肿 瘤 靶 区 剂 量 分 布, 在 提 高 肿 瘤 局 部 的 控 制 率 的 同 时, 最 大 限 度 地 限 制 正 常 组 织 地 损 伤, 从 而 提 高 生 存 率 适 合 三 维 适 形 放 疗 用 的 3D 计 划 系 统 必 须 具 有 下 述 几 大 特 征 : 1 必 须 使 用 立 体 定 位 框 架, 确 立 摆 位 过 程 中 患 者 坐 标 系 和 维 持 它 的 不 变 性 2 精 确 重 建 患 者 治 疗 部 位 的 三 维 图 像, 和 给 出 靶 区 及 重 要 器 官 的 三 维 形 状 及 体 积 3 安 排 和 设 计 射 野 时, 能 够 模 拟 常 规 模 拟 定 位 机 的 射 野 选 择 功 能, 包 括 准 直 器 种 类 ( 对 称 独 立 多 叶 准 直 器 等 ), 利 用 射 野 方 向 观 视 (BEV) 功 能, 设 置 射 野 挡 块 MLC 叶 片 位 置 等 4 不 仅 要 采 用 较 为 精 确 的 正 向 剂 量 算 法 ( 特 别 对 散 射 线 和 电 子 平 衡 失 衡 的 处 理 ) 外, 还 必 须 有 逆 向 算 法, 给 出 调 强 射 野 的 强 度 分 布 5 具 有 多 种 剂 量 显 示 和 计 算 评 估 功 能, 包 括 多 平 面 剂 量 分 布 显 示 3D 剂 量 分 布 显 示 积 分 DVH 图 显 示 TCP 和 NTCP 的 计 算 与 评 估 等 6 治 疗 方 案, 特 别 是 射 野 的 安 排, 利 用 DRR 能 与 模 拟 定 位 机 和 治 疗 机 射 野 影 像 系 统 的 射 野 确 认 片 进 行 比 较 7 治 疗 方 案 确 定 后, 治 疗 条 件 能 够 送 到 治 疗 机 的 控 制 计 算 机 中, 包 括 : 机 架 准 直 器 治 疗 床 的 转 角 与 范 围 ; 射 野 大 小 方 向,MLC 叶 片 的 设 置 运 动 范 围 及 速 度 等 ; 治 疗 辅 助 设 备 如 挡 块 补 偿 器 的 制 作 器 上 ;CT 模 拟 机 或 模 拟 机 的 射 野 激 光 指 示 器 上 等 目 前 三 维 放 射 治 疗 计 划 可 进 行 自 动 或 半 自 动 图 像 分 段 ( 勾 画 正 常 组 织 和 靶 区 结 构 ) 及 进 行 虚 拟 模 拟 显 示, 可 以 对 各 种 轮 廓 作 透 视 纹 理 光 照 等 三 维 物 体 表 面 渲 染 在 计 算 方 法 上, 三 维 放 射 治 疗 计 划 将 直 接 使 用 蒙 特 卡 罗 方 法 计 算 剂 量 这 种 根 据 未 经 简 化 的 粒 子 输 运 理 论 的 黄 金 标 准 计 算 方 法 原 则 上 可 计 算 放 射 治 疗 中 任 意 情 况 下 的 剂 量 分 布, 特 别 是 对 人 体 轮 廓 及 非 均 质 组 织 的 影 响 能 得 到 精 确 的 结 果, 但 目 前 计 算 时 间 过 长, 并 需 对 射 束 进 行 详 细 描 述 三 维 放 射 治 疗 计 划 强 调 自 动 优 化, 特 别 对 剖 面 强 度 分 布 不 均 匀 的 强 度 调 节 放 射 治 疗 更 需 要 采 用 逆 向 治 疗 计 划 优 化 问 题 由 来 已 久, 一 度 为 放 射 生 物 等 效 剂 量 问 题 所 冲 淡, 即 肿 瘤 控

212 制 不 单 纯 取 决 于 物 理 剂 量, 而 与 分 次 剂 量 分 次 数 总 剂 量 模 式 有 关, 但 最 近 随 三 维 放 射 治 疗 计 划 的 发 展 再 度 引 起 重 视 计 算 机 优 化 一 般 由 两 部 分 组 成, 即 优 化 条 件 指 定 和 优 化 ( 搜 索 ) 公 式 在 限 制 条 件 下 使 用 优 化 条 件 可 表 述 为 描 述 特 定 计 划 优 点 的 数 字 化 目 标 ( 代 价 ) 函 数, 以 及 其 最 大 化 最 小 化 需 满 足 的 限 制 条 件 常 将 多 个 治 疗 方 案 的 目 标 函 数 用 简 单 的 值 ( 得 分 ) 来 排 列 不 同 临 床 情 况 需 采 用 不 同 目 标 函 数 目 标 函 数 大 多 基 于 剂 量 参 数, 特 别 是 基 于 剂 量 - 体 积 关 系 近 来 研 究 显 示 还 应 考 虑 如 肿 瘤 控 制 概 率 和 正 常 组 织 并 发 症 概 率 等 生 物 分 次 条 件, 以 及 用 卡 诺 夫 斯 基 生 存 质 量 指 标 正 常 组 织 因 治 疗 体 积 增 大 而 面 临 的 耐 受 问 题 等 限 制 给 出 优 化 条 件 后, 优 化 公 式 根 据 使 目 标 函 数 最 大 或 最 小 来 确 定 相 应 的 剂 量 学 参 数 如 果 目 标 函 数 和 限 制 条 件 可 表 达 成 计 划 参 数 的 线 性 或 二 次 函 数, 则 有 完 美 的 优 化 数 学 方 法 完 成 优 化 ; 如 果 不 能 写 成 计 划 参 数 的 线 性 或 二 次 函 数, 则 需 使 用 非 线 性 优 化 技 术 由 于 理 论 计 算 中 产 生 的 射 束 剖 面 负 分 布 在 实 际 上 不 可 能 得 到, 目 前 在 考 虑 非 负 补 偿 限 制 下 确 定 射 束 剖 面 强 度 分 布 的 数 字 方 法 主 要 有 无 遗 漏 搜 索 法 ( exhaus-tive search) 图 像 重 建 逼 近 法 ( image reconstruction approaches) 二 次 方 程 算 法 ( quadratic programming) 和 模 拟 退 火 法 ( simulated annealing) 用 作 强 度 调 节 治 疗 优 化 的 背 投 射 筛 选 方 法 也 能 满 足 非 负 补 偿 限 制, 但 可 能 达 不 到 剂 量 优 化 条 件 强 度 调 节 放 射 治 疗 优 化 中 有 数 种 目 标 函 数 和 优 化 搜 寻 公 式, 但 没 有 一 个 有 明 显 优 势 随 着 计 算 机 性 能 发 展, 优 化 搜 寻 公 式 均 可 在 实 际 强 度 调 节 放 射 治 疗 中 使 用 2. 治 疗 机 治 疗 机 是 实 现 精 确 治 疗 的 关 键 设 备 医 用 电 子 加 速 器 主 要 有 电 子 回 旋 加 速 器 和 电 子 直 线 加 速 器 两 种, 它 们 既 可 产 生 治 疗 深 部 肿 瘤 的 MV 级 X 射 线, 亦 可 产 生 治 疗 表 浅 肿 瘤 的 MeV 级 电 子 束 医 用 电 子 回 旋 加 速 器 以 MM50 为 代 表, 成 为 X 射 线 电 子 束 三 维 适 形 放 射 治 疗 的 新 一 代 治 疗 机 医 用 电 子 直 线 加 速 器 在 功 能 和 技 术 上 均 要 有 显 著 的 进 展, 表 现 为 : 采 用 复 合 靶 复 合 均 整 块 和 电 子 扫 描 系 统 改 善 X 线 和 电 子 束 的 剂 量 分 布 特 性 ; 采 用 能 量 开 关 或 功 率 分 配 技 术 获 得 能 谱 相 同 的 高 低 两 挡 X 射 线 和 实 现 X 射 线 能 量 的 连 续 调 节 ; 采 用 独 立 运 动 准 直 器, 实 现 非 共 面 相 邻 野 的 剂 量 衔 接 和 产 生 动 态 虚 拟 楔 形 板 适 合 三 维 调 强 适 形 放 疗 (IMRT) 的 电 子 加 速 器 除 具 有 上 述 的 先 进 功 能 外, 必 须 具 有 为 实 现 调 强 治 疗 的 由 计 算 机 控 制 的 相 应 调 强 器, 如 MLC 电 磁 扫 描 束 等 MLC( 包 括 MIMiC, 独 立 准 直 器 等 ) 运 动, 包 括 在 照 射 方 向 上 射 野 大 小 和 形 状 的 自 动 设 置, 和 在 照 射 过 程 中 叶 片 能 按 预 定 要 求 调 节 射 野 内 的 输 出 剂 量 率 ( 通 过 调 节 照 射 时 间 ) 为 配 合 动 态 治 疗 和 非 共 面 动 态 旋 转, 要 求 治 疗 机 的 机 架 准 直 器 和 治 疗 床 在 照 射 过 程 中 实 现 计 算 机 控 制 的 联 合 运 动 治 疗 机 中 控 制 计 算 机, 第 一 要 能 与 计 划 系 统 通 讯 ( 通 过 网 络 等 中 间 介 质 ), 接 收 从 计 划 系 统 传 来 的 有 关 治 疗 方 案 的 详 细 信 息 第 二 要 能 将 治 疗 机 上 的 射 野 影 像 系 统 的 射 野 验 证 片 和 有 关 剂 量 信 息 送 到 计 划 系 统 进 行 比 较 第 三 要 实 现 与 治 疗 机 中 的 运 行 计 算 机 和 治 疗 验 证 系 统 实 现 双 向 控 制, 确 认 治 疗 方 案 被 准 确 安 全 地 执 行 3. 治 疗 验 证 治 疗 证 实 是 适 形 治 疗 被 准 确 执 行 的 重 要 保 证, 包 括 治 疗 前 治 疗 条 件 的 模 拟 ( 利 用 CT 模 拟 机 和 常 规 模 拟 机 ); 治 疗 中 治 疗 条 件 的 验 证 与 记 录 验 证 记 录 系 统 ; 照 射 中 射 野 及 体 位 的 监 测 射 野 影 像 系 统 ; 患 者 体 内 剂 量 监 测 活 体 剂 量 测 量 系 统 等 4. 定 位 系 统 整 个 治 疗 过 程 中 必 须 保 证 从 CT 定 位 到 加 速 器 治 疗 的 整 个 过 程 中 患 者 体 位 的 一 致, 必 须 使 用 类 似 X(γ) 线 立 体 定 向 治 疗 的 定 位 摆 位 框 架 适 形 放 疗 (3D-CRT), 能 够 使 高 剂 量 分 布 的 形 状 与 靶 区 ( 病 变 ) 的 形 状 在 三 维 方 向 上 一 致. 同 时 避 免 了 对 周 围 重 要 器 官 的 照 射, 它 是 一 种 高 精 度 的 放 射 治 疗 因 此, 适 形 放 射 治 疗

213 的 实 施, 必 须 有 两 个 前 提 条 件 : 1 靶 区 ( 病 变 ) 及 周 围 重 要 器 官 的 三 维 空 间 定 位 20 世 纪 70 年 代 CT 的 出 现 给 放 射 治 疗 的 肿 瘤 定 位 提 供 了 一 种 较 有 效 的 和 较 精 确 的 工 具. 特 别 是 现 代 螺 旋 CT 的 出 现, 为 三 维 适 形 放 疗 (3D CRT) 提 供 了 直 接 的 准 确 的 病 变 ( 靶 区 ) 及 器 官 的 三 维 信 息, 使 三 慧 维 适 形 放 疗 有 了 准 确 的 目 标 加 之 MRI PET 等 先 进 影 像 工 具 的 辅 助 和 图 像 融 合 技 术 的 发 展, 使 靶 区 的 三 维 精 确 定 位 上 升 到 一 个 更 高 的 阶 段 2 像 常 规 放 疗 一 样, 三 维 适 形 放 疗 也 需 要 分 次 照 射 保 证 从 肿 瘤 定 位 到 每 天 重 复 照 射 时, 体 位 的 精 确 重 复, 是 实 施 三 维 适 形 放 疗 的 根 本 措 施 采 用 精 确 的 治 疗 体 位 的 固 定 技 术, 不 仅 使 适 形 放 疗 具 有 实 际 的 临 床 意 义, 而 且 能 够 进 一 步 缩 小 计 划 靶 区 (PTV) 的 范 围, 使 它 更 加 接 近 临 床 靶 区 (CTV) 因 此, 与 作 X(γ) 射 线 立 体 定 向 治 疗 时 一 样, 三 维 适 形 放 疗 过 程 中, 必 须 采 用 立 体 定 向 定 位 摆 位 框 架 立 体 定 向 技 术, 是 开 展 X(γ) 线 立 体 定 向 治 疗 的 首 要 条 件, 是 精 确 治 疗 的 基 本 特 征, 也 是 开 展 适 形 放 疗 首 要 条 件 之 一 因 为, 没 有 立 体 定 位 框 架, 就 不 能 保 证 治 疗 过 程 中 患 者 坐 标 系 的 一 致 件 ; 没 有 患 者 坐 标 系 的 一 致 性, 适 形 治 疗 将 变 得 无 临 床 意 义 三 维 适 形 系 统 需 要 配 置 颅 内 头 颈 及 胸 腹 治 疗 体 位 的 固 定 框 架 在 适 形 治 疗 的 模 式 下, 通 过 电 子 计 算 机 构 成 的 网 络 系 统, 将 上 述 系 统 连 成 一 体, 可 实 现 高 精 度 的 病 变 ( 靶 区 ) 及 器 官 的 三 维 定 位, 高 精 度 的 计 划 设 计 ( 包 括 剂 量 计 算 ) 和 高 精 度 的 治 疗

214 第 四 节 多 叶 准 直 器 适 形 放 疗 调 强 放 疗 的 关 键 技 术 之 一 就 是 多 叶 准 直 器 系 统 (MLC), 其 结 构 如 图 所 示 可 以 这 样 讲, 离 开 了 多 叶 准 直 器 系 统, 适 形 放 疗 调 强 放 疗 就 是 一 句 空 话 放 疗 临 床 中 使 用 多 叶 准 直 器 有 三 个 主 要 原 因 : 第 一 常 规 放 疗 中, 使 用 射 野 挡 块 有 许 多 缺 点 :1 射 野 挡 块 的 制 作 费 时 费 力, 且 在 熔 铅 和 挡 块 加 工 过 程 中 产 生 的 蒸 发 气 体 和 铅 粉 尘 会 对 工 作 人 员 健 康 有 影 响 ;2 射 野 挡 块 都 比 较 重, 治 疗 摆 位 效 率 不 仅 低, 而 且 操 作 不 方 便 多 叶 准 直 器 的 最 初 设 计 主 要 是 用 图 多 叶 准 直 器 于 替 代 射 野 挡 块, 形 成 不 规 则 射 野, 提 高 治 疗 摆 位 的 效 率 第 二 采 用 计 算 机 后, 旋 转 照 射 过 程 中, 可 用 MLC 调 节 射 野 形 状 跟 随 靶 区 (PTV) 的 投 影 形 状 第 三 在 照 射 过 程 中, 利 用 计 算 机 控 制 的 叶 片 运 动, 实 现 静 态 MLC 和 动 态 MLC 的 调 强 由 于 上 述 三 个 原 因,MLC 已 逐 渐 成 为 医 用 加 速 器 治 疗 准 直 器 的 标 准 配 置, 它 的 出 现 和 完 善, 为 放 疗 临 床 提 供 了 极 其 便 利 的 治 疗 工 具 一 多 叶 准 直 器 基 本 结 构 图 多 叶 准 直 器 基 本 结 构

215 MLC 的 构 成 单 元 是 单 个 叶 片, 它 一 般 由 钨 或 钨 合 金 制 成 如 图 所 示 的 形 状 叶 片 的 宽 度 (width) 为 垂 直 于 射 线 穿 射 方 向 和 叶 片 运 动 方 向 的 叶 片 的 物 理 厚 度, 它 等 于 叶 片 两 侧 面 (side) 间 的 宽 度 ; 叶 片 长 度 (1ength) 为 平 行 于 叶 片 运 动 方 向 的 叶 片 的 物 理 长 度 ; 叶 片 顶 面 (top) 为 近 放 射 源 一 侧 的 叶 片 表 面, 叶 片 底 面 (bottom) 为 近 患 者 皮 肤 一 侧 的 叶 片 表 面 ; 叶 片 高 度 (depth) 为 沿 射 线 入 射 方 向 的 叶 片 顶 面 (top) 和 底 面 (bottom) 间 的 物 理 高 度 ; 叶 片 伸 入 射 野 内 形 成 射 野 边 界 的 表 面, 称 为 叶 片 端 面 (1eaf end) 相 邻 叶 片 沿 宽 度 方 向 平 行 排 列, 构 成 叶 片 组, 两 个 相 对 叶 片 组 组 合 在 一 起, 构 成 MLC 叶 片 的 宽 度 决 定 了 MLC 形 成 的 不 规 则 射 野 与 靶 区 (PTV) 形 状 的 几 何 适 合 度, 改 善 靶 区 几 何 适 合 度 的 方 法 有 两 种 :1 减 小 叶 片 宽 度 ;2 由 计 算 机 控 制 叶 片 在 治 疗 照 射 中 沿 照 射 边 界 多 次 移 动 位 置, 形 成 登 加 的 等 效 边 沿 剂 量 分 布 后 者 可 以 得 到 更 好 的 边 界 几 何 适 合 度 并 可 减 小 半 影 宽 度, 还 可 避 免 因 增 加 叶 片 数 而 带 来 的 泄 漏 剂 量 增 加 的 问 题 叶 片 宽 度 越 薄, 适 合 度 越 好 ; 但 叶 片 越 薄, 制 作 越 困 难, 造 价 也 相 应 提 高, 因 此 必 须 在 两 者 之 间 进 行 折 中 叶 片 高 度 必 须 使 原 射 线 的 穿 射 不 到 原 来 强 度 的 5%, 以 代 替 常 规 射 野 挡 块, 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 降 低 叶 片 对 原 射 线 的 衰 减 效 果, 叶 片 高 度 应 适 当 加 厚, 一 般 需 要 5cm 厚 的 钨 合 金 如 果 想 进 一 步 将 叶 片 的 衰 减 效 果 由 5% 提 高 到 1%, 则 必 须 附 加 2.5cm 钨 合 金 设 计 时 亦 应 综 合 考 虑 叶 片 纵 截 面 的 设 计 非 常 重 要 而 且 复 杂, 它 的 形 状 决 定 于 两 个 重 要 的 因 素 :1 叶 片 的 底 面 和 顶 面 必 须 在 与 叶 片 运 动 方 向 垂 直 的 平 面 内 聚 焦 于 放 射 源 ( 即 X 射 线 靶 ) 的 位 置 ;2 相 邻 叶 片 组 合 在 一 起, 必 须 使 叶 片 间 的 漏 射 线 剂 量 最 小 第 一 个 因 素 决 定 了 叶 片 的 横 截 面 必 须 是 梯 形 结 构, 顶 面 宽 度 小 于 底 面 宽 度 第 二 个 因 素 决 定 了 叶 片 的 侧 面 必 须 采 用 凹 凸 槽 (tongue-and-groove) 的 结 构 相 邻 叶 片 的 凸 槽 和 凹 槽 彼 此 镶 嵌 在 一 起, 不 让 射 线 直 接 通 过 叶 片 间 存 在 两 种 漏 射 线 : 相 邻 叶 片 间 的 漏 射 和 相 对 叶 片 合 拢 时 端 面 间 的 漏 射 为 了 将 相 对 叶 片 关 闭 时 的 漏 射 线 剂 量 减 低 到 规 定 要 求 的 水 平, 使 用 后 备 二 级 准 直 器 ( 如 Philips MLC 中 的 back-up jaws) 和 常 规 准 直 器 (Varian 的 准 直 器 ) 的 自 动 射 野 跟 随 (auto follow-up) 系 统 是 非 常 必 要 的 目 前 基 本 上 有 两 种 不 同 类 型 的 设 计 : 弧 形 端 面 ( 如 Varian MLC 和 Philips MLC) 和 直 立 端 面 ( 如 Siemens MLC 和 Scanditronix MLC) 直 立 端 面 型 叶 片, 为 了 使 得 叶 片 处 于 任 何 位 置 时 的 端 面 与 原 射 线 的 扩 散 度 相 切, 叶 片 必 须 沿 以 X 射 线 靶 为 中 心 的 圆 弧 形 轨 迹 运 动 (Scanditronix MLC 方 式 ); 如 果 叶 片 沿 线 束 中 心 轴 垂 直 方 向 的 直 线 轨 迹 运 动 的 话, 叶 片 在 到 达 指 定 的 位 置 后, 它 必 须 自 转 一 个 小 角 度, 以 使 其 直 立 端 面 与 原 射 线 的 扩 散 度 相 切, 目 前 Siemens MLC 采 取 这 种 设 计 由 于 此 两 种 叶 片 的 端 面 和 截 面 均 采 取 聚 焦 方 式, 这 种 叶 片 被 称 为 双 聚 焦 型 (doublefocus) 准 直 器 对 独 立 准 直 器 来 说, 因 只 有 四 个 叶 片,Siemens 方 式 设 计 制 作 相 对 较 易, 但 对 多 个 MLC 叶 片, 它 们 的 设 计 制 作 相 对 较 难 由 于 这 个 原 因,Philips 和 Varian 的 MLC 采 取 弧 形 端 面 设 计 叶 片 端 面 采 取 弧 面 后, 叶 片 沿 线 束 中 心 轴 垂 直 方 向 运 动 的 任 何 位 置, 均 能 使 原 射 线 与 端 面 相 切 采 用 弧 形 端 面, 射 野 的 半 影 可 能 增 大, 同 时 半 影 的 大 小 会 随 叶 片 离 开 线 束 中 心 轴 的 位 置 而 变 化, 因 此 在 端 面 形 状 设 计 时 要 充 分 考 虑 上 述 两 个 因 素 二 多 叶 准 直 器 的 安 装 位 置 目 前 MLC 以 三 种 不 同 方 式 安 装 于 医 用 加 速 器 的 治 疗 头 中 第 一 种, 以 Philips( 现 E1ekta) 公 司 为 代 表,MLC 替 代 原 Philips 加 速 器 的 G-T 或 Y 方 向 的 上 叶 准 直 器 (upper-jaw replacement), 并 在 MLC 和 下 叶 准 直 器 间 增 设 一 对 后 备 型 (back-up) 薄 片 准 直 器, 它 跟 随 MLC 叶 片 运 动, 进 一 步 减 少 MLC 叶 片 间 的 漏 射 线 剂 量 这 种 安 装 的 优 点 是, 因 叶 片 靠 近 放 射 源, 得 到 相 同 射 野 大 小 时,MLC 叶 片 运 动 范 围 较 小, 叶 片 长 度 可 缩 短,

216 MLC 结 构 紧 凑 其 缺 点 是, 因 叶 片 远 离 等 中 心, 叶 片 宽 度 的 加 工 和 运 动 位 置 的 控 制 比 下 述 两 种 类 型 安 装 要 求 严 格 第 二 种, 以 Siemens,5canitronix,GE 等 公 司 为 代 表,MLC 替 代 原 加 速 器 的 下 叶 准 直 器 (lower-jaw rep1acement) Siements MlC 和 Scanditronix MLC 的 叶 片 端 面 均 采 取 直 立 型 设 计, 聚 焦 于 X 射 线 靶 的 位 置, 而 GE MLC 的 叶 片 端 面 采 取 类 似 Philips MLC 的 弧 面 设 计, 并 在 其 上 侧 附 加 一 对 消 半 影 片 (trimmer) 第 三 种, 以 Varian 公 司 和 NOMOS 公 司 为 代 表,MLC 替 代 射 野 挡 块 托 架 的 位 置, 成 为 三 级 准 直 器 (tertiary collimator), 直 接 位 于 标 准 二 级 准 直 器 下 方 这 种 结 构 的 最 大 优 点 是, 一 旦 MLC 出 了 故 障, 可 直 接 将 MLC 从 治 疗 头 上 拆 下, 使 用 射 野 挡 块, 患 者 能 继 续 得 到 治 疗 不 足 之 处, 因 MLC 较 重, 增 加 了 治 疗 机 臂 的 重 力 负 荷, 同 时 缩 短 了 准 直 器 到 等 中 心 的 距 离 三 多 叶 准 直 器 叶 片 的 控 制 虽 然 不 同 厂 家 生 产 的 MIC 采 取 不 同 的 叶 片 控 制 方 式, 以 使 叶 片 达 到 准 确 的 位 置, 但 必 须 包 括 下 述 三 项 重 要 内 容 或 步 骤 :1 叶 片 位 置 的 监 测 ;2 叶 片 控 制 逻 辑 ;8 叶 片 运 动 到 位 的 机 构 叶 片 位 置 的 监 测 包 括 使 用 机 械 限 位 开 关, 监 测 叶 片 的 开 关 状 态 ( 如 NOMOS MIMiC) 光 学 摄 像 系 统 (video-optical system), 以 及 线 性 编 码 器 (linear encoders) 等 叶 片 控 制 逻 辑 包 括 叶 片 开 关 状 态 ( 如 NOMOS MIMiC) 叶 片 位 置 叶 片 运 动 速 度 和 剂 量 补 偿 等 叶 片 运 动 到 位 机 构 用 于 控 制 叶 片 到 位 及 其 到 位 的 方 式 是 采 用 数 字 式 还 是 模 拟 式 等 多 叶 准 直 器 叶 片 的 驱 动 方 式 分 为 两 大 类 : 一 为 开 关 型 ( 又 称 二 进 制 式, 只 有 开 和 关 两 种 状 态 ), 一 般 采 用 活 塞 气 动 式 控 制, 使 叶 片 快 速 处 于 开 或 关 的 状 态 这 种 类 型 的 多 叶 准 直 器 的 叶 片 到 位 监 测 使 用 机 械 限 位 开 关 优 点 是 几 乎 实 时 完 成 到 位 动 作, 到 位 准 确, 缺 点 是 噪 音 较 大 ; 二 为 非 开 关 型, 采 用 电 机 驱 动, 每 一 个 叶 片 对 应 单 独 的 电 机, 由 丝 杠 将 电 机 的 旋 转 运 动 变 为 叶 片 的 直 线 运 动 它 的 叶 片 到 位 检 测 可 以 用 高 精 度 编 码 器 或 CCD 照 相 编 码 器, 前 者 电 路 复 杂 铆 接 维 护, 后 者 简 单 准 确 但 CCD 像 机 会 受 辐 射 影 响 寿 命 下 降 非 开 关 型 叶 片 的 运 动 方 向, 亦 即 准 直 器 的 角 度 会 极 大 地 影 响 MIC 形 成 的 射 野 与 讨 划 靶 区 (PTV) 的 符 合 度 实 际 应 用 中 必 须 由 专 门 的 加 上 处 方 准 备 系 统 (MLC prescription preparation system,mlcpps) 通 过 评 估 计 算 其 叶 片 位 置 和 控 制 驱 动 文 件, 再 由 MLC 控 制 计 算 机 执 行 MLCPPS 也 可 以 集 成 在 CT 模 拟 机 或 治 疗 计 划 系 统 中 直 接 输 出 给 MLC 的 控 制 计 算 机 四 自 动 多 叶 准 直 器 系 统 自 动 多 叶 准 直 器 系 统 又 称 自 动 多 叶 光 栅 是 一 套 机 电 一 体 化 设 备 ( 图 图 5-4-4) 自 动 多 叶 片 准 直 器 是 多 叶 准 直 器 的 发 展 方 向, 它 在 设 计 上 根 据 安 装 方 式 不 同 分 为 内 置 式 和 外 置 式 两 种 两 种 设 计 的 基 本 由 钨 合 金 叶 片 ( 即 准 直 器 ) 叶 片 导 轨 拖 动 机 构 安 装 适 配 盘 控 制 单 元 检 测 单 元 和 治 疗 规 划 系 统 七 大 部 分 组 成 图 外 置 式 自 动 多 叶 准 直 器 自 动 多 叶 光 栅 的 原 理 虽 然 很 简 单, 但 实 际 制 作 却 非 常 复 杂 : 每 个 叶 片 需 要 一 套 驱 动 系 统 多 个 驱 动 系 统 要 合 理 有 序 的 安 装 在 一 个 不 大 的 箱 体 中 每 驱 动 和 控 制 一 个 叶 片 需 要 一 套 控 制 系 统, 多 个 控 制 系 统 简 单 累 加 会 占 有 相 当 大 的 空 间, 必 须 系 统 集 成 并 与 驱 动 系 统 一 起 放 在 一 个

217 不 大 的 体 积 中 叶 片 组 箱 体 如 果 移 动, 需 要 同 样 的 驱 动 和 控 制 系 统, 也 要 装 在 相 同 的 体 积 中 叶 片 间 的 漏 射 要 控 制 在 1~2% 以 内, 叶 片 要 能 做 均 速 和 变 速 运 动, 这 对 叶 片 平 面 度 变 形 度 叶 片 与 导 轨 的 吻 合 度 都 提 出 了 很 高 的 要 求, 需 要 特 殊 的 制 作 工 艺 才 能 完 成 另 外, 为 实 现 对 自 动 多 叶 光 栅 的 控 制, 还 需 要 一 套 能 与 TPS 和 直 线 加 速 器 接 口 的 控 制 软 件 不 能 把 手 动 光 栅 和 自 动 光 栅 混 为 一 谈, 手 动 光 栅 不 便 实 施 多 角 度 照 射 也 无 法 实 施 调 强 自 动 多 叶 光 栅 经 过 多 年 的 发 展, 基 本 形 成 了 两 种 规 格 : 图 内 置 式 自 动 多 叶 准 直 器 一 种 是 标 准 射 野 光 栅 ( 简 称 标 准 光 栅 ), 光 栅 的 最 大 射 野 为 400mm 400mm, 与 直 线 加 速 器 的 最 大 射 野 一 致 标 准 光 栅 的 重 量 一 般 曲 80~100kg, 固 定 在 直 线 加 速 器 机 头 下 端 区 别 安 装 位 置 不 同, 分 为 内 置 光 栅 和 外 置 光 栅 内 置 光 栅 取 代 了 直 线 加 速 器 的 一 对 下 叶 准 直 器 下 钨 门 或 上 叶 准 直 器, 叶 片 呈 弧 形, 叶 片 端 面 为 直 面, 在 运 动 过 程 中 始 终 与 射 线 的 发 散 方 向 平 行, 可 完 全 消 除 射 线 的 穿 透 伴 影, 也 称 为 双 聚 焦 光 栅 外 置 光 栅 固 定 在 直 线 加 速 器 下 叶 准 直 器 下 端, 叶 片 直 线 运 动, 叶 片 端 面 呈 弧 形, 只 能 减 少 不 能 完 全 消 除 穿 透 伴 影 两 种 光 栅 各 有 利 弊, 内 置 光 栅 治 疗 空 间 ( 光 栅 底 端 至 等 中 心 平 面 的 距 离 ) 大, 伴 影 小 还 有 光 源 几 何 伴 影 和 散 射 伴 影, 但 由 于 光 栅 已 构 成 直 线 加 速 器 的 有 机 组 成 部 分, 无 论 常 规 还 是 精 确 放 疗, 叶 片 都 处 于 运 行 状 态, 加 大 了 对 叶 片 驱 动 和 控 制 系 统 的 损 耗, 特 别 是 某 个 叶 片 出 现 故 障 时, 加 速 器 将 无 法 使 用 外 置 光 栅 伴 影 相 对 较 大, 治 疗 空 间 小 但 由 于 光 栅 与 加 速 器 相 对 独 立, 当 光 栅 出 现 故 障 时 不 会 影 响 直 线 加 速 器 的 正 常 运 行 另 一 种 规 格 的 光 栅 是 微 型 射 野 光 栅 简 称 微 型 光 栅, 图 所 示 微 型 光 栅 为 外 挂 式 光 栅, 使 用 时 安 装 在 直 线 加 速 器 机 头 下 端, 不 用 时 取 下 为 方 便 技 术 人 员 安 装 和 拆 卸 光 栅 不 能 做 得 大 重, 一 般 在 35kg 左 右 受 重 量 的 限 制, 微 型 光 栅 的 射 野 一 般 在 100mm l00mm 左 右, 如 瓦 里 安 微 型 光 栅 的 射 野 为 100mm 100mm,Radionics 微 型 光 栅 的 射 野 为 100mm 120mm, 重 量 38kg, 较 大 射 野 的 微 型 光 栅 不 多 见 因 为 光 栅 重 图 微 型 光 栅 结 构 图 量 的 60~70% 是 钨 合 金 制 成 的 叶 片 的 重 量 钨 合 金 的 比 重 为 18g/m 3 左 右, 叶 片 重 量 与 射 野 面 积 有 着 近 乎 线 性 的 关 系 射 野 面 积 加 倍, 叶 片 重 量 也 会 加 倍, 光 栅 重 量 会 大 幅 增 加 100mm l00mm 的 照 射 野 会 满 足 多 数 情 况 下 的 肿 瘤 治 疗 为 使 多 叶 光 栅 同 时 满 足 适 形 和 调 强 放 疗, 要 求 叶 片 有 足 够 的 行 程 调 强 射 野 长 边 ( 沿 叶 片 移 动 方 向 ) 的 计 算 公 式 是 :2 [ 叶 片 宽 度 + 叶 片 过 照 射 野 中 线 的 距 离 ] 可 见 叶 片 过 中 线 越 多, 调 强 野 越 大 由 于 钨 合 金 的 比 重 不 同, 叶 片 的 厚 度 一 般 在 65mm~70mm, 以 控 制 射 线 的 透 射 率 小 于 2%

218 第 五 节 X(γ) 射 线 立 体 放 射 外 科 系 统 一 X(γ) 射 线 立 体 放 射 外 科 系 统 概 述 ( 一 ) 立 体 放 射 外 科 简 介 立 体 放 射 外 科 (Stereotactic Radiosurgery, SRS) 这 一 概 念 源 于 瑞 典 斯 德 哥 尔 摩 卡 罗 林 斯 卡 (Karolinska) 学 院 的 神 经 外 科 医 生 Leksell 的 早 期 (1950) 创 新 设 想, 他 主 张 在 外 照 射 的 基 础 上, 辅 以 精 确 的 定 位 和 聚 束 手 段, 对 病 变 靶 区 (Target Volume) 进 行 多 角 度 单 次 大 计 量 照 射, 由 此 产 生 不 可 逆 的 生 物 毁 损, 用 于 多 种 脑 部 疾 患 的 治 疗 : 包 括 脑 血 管 疾 病, 如 动 脉 瘤 动 静 脉 畸 形 (AVM); 外 科 手 术 不 可 切 除 的 脑 瘤, 术 后 残 存 肿 瘤, 年 老 及 健 康 状 况 不 适 于 手 术 的 脑 瘤 : 如 听 神 经 瘤 垂 体 瘤 松 果 体 瘤 颅 咽 管 瘤 脑 膜 瘤 脑 转 移 瘤 等 ; 神 外 功 能 性 疾 患 : 如 三 叉 神 经 痛 震 颤 麻 痹 和 其 它 运 动 障 碍 性 疾 病 等 首 台 原 型 机 于 1951 年 开 始 研 究, 主 要 设 备 是 一 台 300KV 深 部 X 线 机, 后 因 剂 量 学 特 性 不 能 满 足 要 求 而 放 弃 ;1968 年 正 式 投 入 临 床 使 用 的 设 备 是 采 用 179 个 聚 焦 于 同 中 心 的 多 源 钴 -60 机, 它 产 生 缝 隙 状 (Slit-like) 射 线 切 割 病 变, 故 有 γ 刀 之 称 随 后 于 1975 年 改 进 了 聚 束 方 式 籍 以 产 生 球 型 剂 量 分 布, 二 十 世 纪 年 代 这 一 设 备 得 到 推 广, 发 展 成 为 第 三 代 产 品 新 一 代 设 备 有 多 达 201 个 直 径 1mm, 长 20mm 的 钴 源, 源 活 度 为 1.1τBq( 约 30, 源 - 等 中 心 距 SAD=40.3cm,201 个 源 均 布 在 圆 弧 面 拱 顶 上, 治 疗 时 可 针 对 病 变 位 置 形 状 和 大 小 启 用 全 部 或 部 分 钴 源 进 行 照 射, 形 成 特 定 的 剂 量 分 布 ; 未 选 用 的 钴 源 被 加 以 屏 蔽, 全 部 钴 源 启 用 时 在 同 中 心 产 生 最 高 达 约 400 的 剂 量 率, 全 部 钴 源 被 屏 蔽 后 有 约 1.4cGy/min 的 本 底, 占 全 部 钴 源 被 开 启 时 总 剂 量 率 的 0.35% 单 束 照 射 时 剂 量 率 很 低, 以 至 于 在 测 量 时 可 明 显 看 到 单 束 离 轴 比 座 落 在 60% 之 多 的 本 底 肩 上 这 种 大 型 放 射 装 置 相 继 在 阿 根 廷 布 宜 诺 斯 艾 利 斯 (Buenos Aires), 英 国 谢 菲 尔 德 (Sheffield) 及 美 国 匹 兹 堡 (Pittsbugh) 安 装, 近 几 年 在 我 国 各 省 市 先 后 安 装 数 量 已 达 14 台, 成 为 国 际 上 名 副 其 实 的 使 用 大 户, 它 与 核 磁 共 振 CT 和 数 字 减 影 等 现 代 影 像 装 置 以 及 先 进 的 计 算 机 治 疗 计 划 系 统 相 配 合, 在 靶 区 定 位, 解 剖 结 构 和 剂 量 分 布 2D 3D 显 示 等 方 面 有 了 突 破 性 进 展, 使 该 项 治 疗 技 术 日 臻 完 善, 对 上 述 疾 患 的 治 疗 取 得 了 相 当 的 成 功, 也 对 传 统 常 规 放 疗 技 术 产 生 了 深 刻 的 影 响 另 一 类 放 射 外 科 设 备 是 利 用 高 能 回 旋 加 速 器 (Cyclotrons) 产 生 质 子 束, 质 子 束 不 同 于 X 线 和 电 子 线, 它 射 入 人 体 后 能 量 量 在 不 同 深 度 的 沉 积 份 额 由 粒 子 运 动 速 度 决 定, 并 随 粒 子 速 度 的 减 弱 缓 慢 递 增 趋 势, 在 接 近 射 程 的 终 止 区 段 会 呈 现 孤 注 一 掷 的 能 量 释 放 现 象, 即 形 成 所 谓 的 Bragg 峰, 最 后 达 到 静 止 状 态, 能 量 释 放 锐 减 至 零 这 种 物 理 特 征 本 不 适 合 一 般 肿 瘤 的 放 射 治 疗 需 求, 原 因 是 Bragg 峰 宽 太 窄, 需 调 整 能 量 或 附 加 吸 收 体 的 方 式 加 宽, 但 这 样 的 分 布 却 十 分 适 合 神 经 外 科 照 射 小 病 灶 的 要 求, 该 技 术 于 50 年 代 就 在 瑞 典 Uppsala, 美 国 Berkeley 及 Boston 高 能 核 物 理 实 验 室 用 与 临 床,70~80 年 代 进 一 步 扩 展 到 采 用 同 步 回 旋 加 速 器 (Synchro-cyclotron) 产 生 的 氦 (Helium) 离 子 和 其 它 重 离 子 用 于 同 一 目 的 粒 子 束 用 于 放 射 外 科 的 另 一 个 重 要 原 因 是 其 良 好 的 生 物 特 性 尽 管 所 有 的 带 电 粒 子 束 都 有 Bragg 峰 现 象, 但 剂 量 效 应 却 不 完 全 相 同, 因 为 在 Bragg 峰 发 生 的 能 量 转 换 与 粒 子 的 质 量 大 致 成 正 比, 在 碳 粒 子 束 的 电 密 度 及 能 量 在 Bragg 峰 处 转 换 是 质 子 的 十 倍 电 离 密 度 可 用 线 形 能 量 转 换 LET(keV/um) 表 示 LET 高, 相 对 生 物 效 应 也 高 ; 反 之 亦 然 上 述 两 种 方 式 设 备 昂 贵, 运 行 开 销 较 大, 使 医 务 界 逐 步 转 向 较 经 济 的 方 式, 几 乎 与 第 三 代 γ 刀 装 置 临 床 安 装 使 用 的 同 时 及 稍 后, 美 国 同 道 提 出 用 直 线 加 速 器 的 6-15MV X 线 非 共 面 多 弧 度 等 中 心 旋 转 实 现 多 个 小 野 三 维 集 束 照 射 病 变 起 到 与 γ 刀 一 样 的 作 用 故 称 为 X 线 刀 (X-Knife) 它 利 用 回 转 型 等 中 心 医 用 加 速 器 的 高 能 X 线 (6~15MV), 采 用 旋 转 照 设 计 术 ( 包 括 机 架 和 治 疗 床 的 旋 转 ), 在 原 有 线 束 准 直 系 统 的 基 础 上, 附 加 孔 径 只 有 0.5~5cm 的 一 套 圆 锥 筒 型 限 光 装 置, 再 配 合 立 体 定 位 装 置 获 得 雷 同 的 效 果 这 一 领 域 的 开 拓 者 有 Colombo,Betti,Hartmann,Lutz, 和 Podgorsak 等 归 纳 起 来, 典 型 的 治 疗 方 式 不 外 乎 有 四 种 : 单 面 旋 转 照 射 (Single plane Rotation), 非 共 面 多 弧 度 聚 束 照 射 (Non-Coplanary Multi-converging ARC ) 及 动 态 旋 转 (Dynamic Rotaton) 锥 型 旋 转 (Conial Rotation), 照 射 时 靶 体 中 心 准 确 定 位 在 等 中 心 处, 其 中 单 平 面 旋 转 照 射 与 放 射 ARC 术 相 近, 但 射 野 呈 圆 形, 直 径 小 于 Φ0.5~5cm; 非 公 面 多 弧 度 聚 束 技 术 与 动 态 旋 转 照 射 都 是 利 用 机 架 和 转 床 两 个 运 动 合 成 效 果, 避 免 出 现 单 平 面 旋 转 时 可 能 出 现 的 对 穿 野 照 射 (Opposing Fields) 的 情 况 这 一 限 制 十 分 重 要, 因 为 对 穿 照 射 合 成 得 计 量 分 布 会 导 致 半 影 区 加 宽 野 外 计 量 剃 度 变 化

219 更 缓 慢, 故 不 利 与 邻 中 正 长 组 织 的 保 护 : 非 公 面 多 弧 度 技 术 中 涉 及 的 弧 面 数 目 多 寡 不 等,Lutz 四 弧 面 照 射 技 术 的 床 转 角 (CA) 分 别 为 0º 45º 90º 和 -45º, 机 架 角 (CA) 旋 转 为 50º~310º; 动 态 照 射 时 转 床 与 机 架 旋 转 同 步 完 成, 既 CA 由 75º 转 至 -75º 时, 机 架 亦 完 成 30º~330º 的 旋 转, 平 均 每 转 1º 床, 机 架 旋 转 2º 这 种 技 术 因 利 用 加 速 器 的 X 射 线, 同 样 具 有 刀 的 特 性, 因 此, 相 对 于 伽 马 刀 称 之 为 X- 刀 所 谓 立 体 定 向 放 射 手 术 : 即 用 多 个 小 野 三 维 集 束 单 次 大 剂 量 照 射 颅 内 不 能 手 术 的, 诸 如 脑 动 静 脉 畸 形 (AVM) 病 等 良 性 病 变 由 于 多 个 小 野 集 束 定 向 照 射, 周 围 正 常 组 织 受 量 很 小, 射 线 对 病 变 起 到 类 似 于 手 术 的 作 用 立 体 定 向 放 射 手 术 治 疗 方 式 较 传 统 外 科 手 术 有 许 多 优 点 : 无 需 开 颅, 避 免 诸 如 麻 醉 意 外 术 中 大 出 血 功 能 结 构 损 伤 及 术 后 血 肿 脑 水 肿 颅 内 感 染 等 问 题, 因 此 得 到 迅 速 普 及 近 年 来 该 照 射 技 术 还 扩 展 到 头 颈 部 其 它 肿 瘤 ( 如 鼻 咽 癌 等 ) 以 及 体 部 原 发 肿 瘤, 与 此 同 时 也 发 展 了 相 应 的 体 架 系 统 但 要 指 出, 上 述 扩 展 的 立 体 放 射 治 疗 在 概 念 上 与 放 射 神 经 外 有 所 区 别, 一 是 瘤 体 生 物 学 特 性 可 能 不 同, 必 须 采 用 多 次 分 割 照 射 (SFRT), 用 以 减 少 瘤 体 乏 氧 细 胞 对 射 线 的 抗 拒 以 及 减 少 正 常 组 织 放 射 反 应 和 并 发 症 发 生 率, 单 次 剂 量 显 著 减 低 ; 二 是 照 射 体 积 可 能 较 大, 形 状 更 不 规 整, 而 采 用 小 型 圆 锥 限 光 筒 及 多 中 心 照 射 技 术 往 往 很 难 得 合 理 的 剂 量 学 分 布 为 此, 对 不 规 则 的 瘤 体 应 该 用 因 人 而 异 的 不 规 则 野 限 光 筒 或 微 型 多 叶 准 直 器 (Micro-MLC) 做 适 形 照 射, 这 时 照 射 技 术 应 划 归 立 体 放 射 治 疗 范 畴, 两 者 有 一 定 的 学 术 分 界 随 着 SRS 技 术 在 肿 瘤 分 次 治 疗 中 的 推 广 应 用, 以 及 适 形 放 疗 对 定 摆 位 精 度 的 要 求, 它 们 的 结 合 称 为 立 体 定 向 放 疗 (stereotactic radiotherapy), 简 称 为 SRT 它 们 在 治 疗 中 各 过 程 的 名 称 基 本 一 致, 只 是 内 容 略 有 不 同, 有 时 为 叙 述 方 便, 将 x(γ) 线 立 体 定 向 放 疗 (SRT) 和 立 体 定 向 放 射 手 术 (SRS) 统 一 简 称 为 X(γ ) 线 SRT(SRS) ( 二 )X(γ ) 线 SRS 系 统 基 本 结 构 功 能 及 特 点 1.X(γ ) 线 SRS 治 疗 的 过 程 X(γ ) 线 SRS 治 疗 一 般 要 经 过 三 个 过 程 : 病 变 三 维 空 间 定 位 计 划 设 计 和 放 射 治 疗 利 用 立 体 定 向 装 置 (ster-eotaxy) CT 核 磁 共 振 和 X 线 数 字 减 影 等 先 进 影 像 设 备 及 三 维 重 建 技 术, 确 定 病 变 和 邻 近 重 要 器 官 的 准 确 位 置 和 范 围, 这 个 过 程 叫 作 三 维 空 间 定 位, 也 叫 立 体 定 向 ; 然 后 利 用 三 维 治 疗 计 划 系 统, 确 定 X(γ )SRT(SRS) 的 线 束 方 向, 精 确 地 计 算 出 一 个 优 化 分 割 病 变 和 邻 近 重 要 器 官 间 的 剂 量 分 布 计 划, 叫 计 划 设 计 ; 放 射 治 疗 将 设 计 好 的 计 划 付 诸 于 放 疗, 使 射 线 对 病 变 实 施 手 术 式 照 射 2.X(γ ) 线 SRT(SRS) 系 统 基 本 结 构 X(γ) 线 SRS 的 基 本 结 构 包 括 立 体 定 向 系 统 治 疗 计 划 设 计 系 统 治 疗 实 施 系 统 三 大 部 分 立 体 定 向 系 统 和 治 疗 计 划 系 统 是 X 线 和 γ 线 SRS 所 共 有 的, 它 们 间 的 区 别 仅 在 于 X 线 SRS 治 疗 实 施 系 统 是 以 直 线 加 速 器 为 基 础 的, 而 γ 线 SRS 为 γ 刀 Co-60 源 治 疗 装 置 3. 三 大 部 件 的 基 本 任 务 是 : (1) 建 立 患 者 治 疗 部 位 的 坐 标 系, 进 行 靶 区 ( 病 变 ) 及 重 要 器 官 及 组 织 的 三 维 空 间 定 向 定 位 和 摆 位 ; (2) 制 定 一 个 优 化 分 割 病 变 ( 靶 区 ) 和 重 要 器 官 及 组 织 的 治 疗 方 案 ; (3) 实 施 立 体 定 向 照 射 4. 各 部 件 具 体 构 成 (1) 立 体 定 向 系 统 1) 基 础 环 : 立 体 定 向 系 统 是 保 证 X(γ) SRS 治 疗 精 度 的 最 基 本 的 系 统, 包 括 影 像 定 位 和 治 疗 摆 位 两 大 部 分, 其 形 状 为 一 圆 环 ( 参 照 图 摆 位 系 统 ) 联 系 影 像 定 位 和 治 疗 摆 位 两 大 部 分 的 核 心 部 件 是 基 础 环 1 2 2) 定 位 摆 位 框 架 ( 图 5-5-1): 基 础 环 图 X-SRS V 型 定 位 框 架 (1) 三 维 摆 位 框 架 (2) 和 金 点 提 供 了 患 者 坐 标 的 参 考 物 它 与 定 位 摆 位 框 架 一 起, 构 成 患 者 治 疗 部 位 的 坐 标 系 用 于 CT/MRI 定 位 的 定 位 框 架 由 相 应 的 线 段 状 的 显 像 材 料 构 成 N 或 V 字 型 N 字 型 和 V 字 型 框 架, 一 般 由 四 片 组 成, 固 定 于 基 础 环 上 后, 组 成 一 个 长 方 体 如 图 5-5-1(1) 所 示, 它 们 的 特 点 是 具 有 坐 标 的 直 读 性

220 定 位 框 架 和 治 疗 摆 位 框 架 是 立 体 定 向 系 统 的 一 个 重 要 织 成 部 分 它 通 过 基 础 环 和 各 自 的 适 配 器 CT/MRI/DSA 等 影 像 设 备 的 诊 断 床 和 加 速 器 的 治 疗 床 连 结 3) 治 疗 准 直 器 X 线 SRT(SRS) 的 治 疗 准 直 器 ( 图 5-5-2) 通 过 准 直 器 适 配 器 附 加 于 直 线 加 速 器 的 治 疗 准 直 器 下 形 成 三 级 准 直 器, 多 种 准 直 器 为 治 疗 时 射 线 枪 口 1 2 图 X 线 SRT(SRS) 准 直 器 部 件 (1) 准 直 器 适 配 器 (2) 多 种 准 直 器 (3) 治 疗 计 划 系 统 三 维 治 疗 计 划 系 统 是 X(γ ) 线 SRT(SRS) 治 疗 系 统 中 不 可 缺 少 的 极 其 重 要 的 组 成 部 分 治 疗 计 划 系 统 的 重 要 任 务 是 : 1) 根 据 输 入 的 带 有 定 位 标 记 点 的 CT/MRI/DSA 图 像 ( 图 5-5-3), 重 建 出 治 疗 部 位 的 体 表 靶 区 ( 病 变 ) 和 重 要 器 官 以 及 其 他 组 织 结 构 的 二 维 立 体 图 像 ; 2) 规 划 射 野 入 射 方 向 大 小 和 剂 量 权 重 以 及 等 中 心 位 置. 制 定 出 优 化 分 割 病 变 相 正 常 组 织 特 别 是 留 要 器 官 的 受 照 剂 量 的 治 疗 方 案 ; 3) 打 印 输 出 治 疗 方 案 的 细 节 及 治 疗 摆 位 的 详 细 数 据 图 带 有 定 位 标 记 点 的 CT 图 像 X(γ) 刀 治 疗 计 划 系 统 功 能 要 求 一 个 好 的 X(γ ) 刀 治 疗 计 划 系 统 应 具 备 下 述 基 本 功 能 : 1 系 统 必 须 是 三 维 的 包 括 三 维 图 像 重 建 及 显 尔 功 能, 其 中 至 少 有 横 断 冠 状 欠 状 及 治 疗 床 在 不 问 位 置 时 加 速 器 机 架 旋 转 平 面 的 CT/MRI 图 像 的 重 建 及 显 示 ; 2 剂 量 计 算 必 须 是 三 维 的 剂 量 归 一 方 式 及 参 考 剂 量 线 ( 面 ) 的 选 取 必 须 遵 从 ICRU 50 号 报 告 的 有 关 规 定 ; 3 系 统 具 有 下 列 基 本 的 评 价 治 疗 方 案 的 工 具 : a 通 过 病 变 ( 靶 区 ) 及 重 要 器 官 的 横 断 冠 状 矢 状 面 内 以 CT/MRI 图 像 为 背 景 的 等 剂 量 曲 线 (isodose) 分 布 及 截 面 剂 量 (dose Profile) 分 布 ; b 提 供 射 野 方 向 观 视 (BEV) 功 能 从 放 射 源 方 向 观 察 射 野 与 病 变 ( 靶 区 ) 的 适 合 度 以 及 重 要 器 官 和 组 织 结 构 的 相 互 空 间 关 系 ; c 实 现 CT/MRI 图 像 与 X 线 血 管 造 影 ( 正 测 位 ) 片 间 等 中 心 位 置 及 等 剂 量 曲 线 显 示 的 映 射 这 是 一 项 极 其 重 要 的 功 能, 它 帮 助 医 生 进 一 步 确 认 制 定 的 治 疗 方 案 的 等 剂 量 分 布 与 病 变 ( 靶 区 ) 的 适 合 情 况 ; d 病 变 ( 靶 区 ) 及 重 要 器 官 与 组 织 内 剂 量 体 积 直 方 图 (DVH) 显 示 DVH 图 以 定 量 的 方 式 告 诉 医 生 或 计 划 设 计 者, 靶 区 或 重 要 器 官 内 剂 量 大 小 与 受 照 射 体 积 间 的 关 系 一 个 好 的 治 疗 计 划 应 使 靶 区 内 接 受 参 考 剂 量 线 水 平 剂 量 的 体 积 应 不 小 于 靶 区 总 体 积 的 90%

221 5. 治 疗 应 用 过 程 立 体 放 射 外 科 治 疗 应 用 过 程 为 : 病 人 选 择 靶 区 定 位 治 疗 计 划 治 疗 实 施 治 疗 后 观 察 高 度 重 复 性 (1) 靶 区 定 位 1 坐 标 系 的 建 立 : 目 的 是 联 系 精 确 定 位 和 治 疗 时 摆 位 的 一 致 性, 对 颅 脑 病 人 的 头 部 γ 刀 和 头 部 X 刀 主 要 依 靠 基 础 头 环 ; 对 于 体 部 γ 刀 和 体 部 X 刀 主 要 依 靠 定 位 箱 2 固 定 装 置 : 颅 脑 病 变 的 固 定 包 括 有 创 固 定 和 无 创 固 定 ; 对 体 部 病 变 固 定 依 靠 负 压 袋 固 定, 体 部 固 定 有 许 多 问 题 尚 未 解 决, 例 如 器 官 的 自 主 运 动 和 不 自 主 运 动, 皮 肤 标 记 点 的 弹 性 移 位 等 3 扫 描 机 器 : 包 括 CT 机 的 精 度 扫 描 层 厚 大 小 扫 描 层 面 和 基 础 头 环 及 定 位 箱 断 面 的 平 行 度 床 倾 斜 度 以 及 扫 描 前 病 人 的 准 备 及 扫 描 时 病 人 的 配 合 程 度 等 (2) 治 疗 计 划 系 统 SRR 的 治 疗 计 划 系 统 主 要 包 括 图 像 的 采 集 传 输, 图 像 的 三 维 重 建 显 示 及 计 算, BEV 功 能 DRR 技 术 以 及 DVH 技 术 等 (3) 治 疗 实 施 步 骤 1 头 部 γ 刀 和 采 用 圆 形 准 直 器 的 头 部 X 刀 治 疗 时, 当 靶 区 为 大 野 或 不 规 则 野 时, 适 形 是 通 过 多 靶 点 拟 合 技 术 完 成 的 2 体 部 X 刀 圆 形 准 直 器 照 射 时, 对 单 一 准 直 器 能 包 括 的 病 变 建 议 行 单 一 野 照 射, 对 大 野 或 不 规 则 野 建 议 用 铅 档 块 或 多 叶 准 直 器 (MLC) 技 术 ; 对 于 用 圆 形 准 直 器 多 靶 点 拟 合 技 术, 由 于 体 部 器 官 的 自 主 运 动 和 不 自 主 运 动, 难 以 达 到 均 匀 的 剂 量 分 布 3 治 疗 时 要 确 保 和 定 位 时 体 位 高 度 的 重 复 性 4 治 疗 机 器 精 度 的 保 证 6.X(γ ) 线 SRT(SRS) 的 特 点 X(γ) 线 SRS 的 小 野 具 有 高 斯 形 的 剂 量 分 布, 它 们 在 空 间 的 集 束 照 射 后 的 合 成 剂 量 分 布 具 有 下 述 四 大 特 点 : (1) 小 野 集 束 照 射 剂 量 分 布 集 中 ; (2) 小 野 集 束 照 射 靶 区 周 边 剂 量 梯 度 变 化 较 大 ; (3) 靶 区 内 及 靶 区 附 近 的 别 量 分 布 不 均 匀 ; (4) 靶 周 边 的 正 常 组 织 剂 量 很 小 这 种 剂 量 分 布 就 像 一 把 尖 刀 插 入 病 变 内 试 验 测 试 证 明, 靶 区 定 位 的 1mm 之 差 可 以 引 起 靶 周 边 最 小 剂 量 ( 参 考 剂 量 线 剂 量 ) 变 化 约 10% 的 量 级 由 此 说 明 靶 区 精 确 定 位 和 正 确 摆 位 是 X(γ) 线 SRS 治 疗 成 功 的 关 键 任 何 粗 心 大 意, 都 会 造 成 不 可 挽 回 的 损 失 从 这 个 意 义 上 讲, 靶 位 置 和 靶 体 积 的 确 定 要 比 剂 量 大 小 的 确 定 重 要 得 多 7.X(γ) 线 SRS 治 疗 靶 点 位 置 精 度 小 野 集 束 照 射 形 成 的 高 剂 量 大 梯 度 变 化 突 出 了 靶 点 位 置 精 确 度 的 要 求, 使 其 成 为 立 体 定 向 治 疗 的 第 一 要 素 立 体 定 向 治 疗 过 程 可 分 为 病 变 定 位 计 划 设 计 和 治 疗 实 施 三 个 阶 段 治 疗 实 施 阶 段 又 包 括 治 疗 摆 位 和 出 束 照 射 两 个 步 骤, 前 两 个 阶 段 构 成 靶 点 位 置 定 位 精 确 度, 治 疗 摆 位 步 骤 构 成 摆 位 精 确 度, 而 定 位 精 确 度 和 摆 位 精 确 度 的 累 积 效 果 是 靶 点 位 置 总 的 精 确 度, 称 X(γ ) 线 SRS 治 疗 精 确 度 二 伽 玛 刀 治 疗 系 统 伽 马 刀 : 分 为 头 部 伽 马 刀 和 体 部 伽 马 刀 头 部 伽 马 刀 ( 图 5-5-4) 是 将 多 个 钴 源 安 装 在 一 个 球 型 头 盔 内, 使 之 聚 焦 于 颅 内 的 某 一 点, 形 成 一 窄 束 边 缘 锐 利 的 伽 马 射 线 在 治 疗 时 ( 图 5-5-5) 将 窄 束 射 线 汇 聚 于 病 灶 形 成 局 限 的 高 剂 量 区 来 摧 毁 病 灶, 主 要 用 于 颅 内 小 肿 瘤 和 功 能 性 疾 病 的 治 疗 体 部 伽 马 刀 主 要 用 于 治 疗 头 部 以 外 的 全 身 各 种 肿 瘤 伽 玛 刀 并 不 是 真 正 的 手 术 刀, 而 是 一 种 先 进 的 放 射 治 疗 设 备, 其 全 称 是 : 伽 玛 射 线 立 体 定 向 治 疗 系 统 它 将 许 多 束 图 头 部 伽 马 刀 系 统

222 很 细 的 伽 玛 射 线 从 不 同 的 角 度 和 方 向 照 射 进 人 体, 并 使 它 们 都 在 一 点 上 汇 聚 起 来 形 成 焦 点 由 于 第 一 束 射 线 的 剂 量 都 很 小, 不 会 对 它 穿 越 的 人 体 组 织 造 成 损 害 ; 而 许 多 束 射 线 汇 聚 的 焦 点 处 则 形 成 很 高 的 剂 量, 只 要 将 焦 点 对 准 病 变 部 位, 就 可 以 象 手 术 刀 一 样 准 确 地 一 次 性 摧 毁 病 灶, 达 到 无 创 伤 无 出 血 无 感 染 无 痛 苦 迅 速 安 全 可 靠 的 疗 效 头 体 部 伽 玛 刀 的 治 疗 原 理 类 似 于 放 大 镜 的 聚 焦 过 程 把 放 大 镜 置 于 阳 光 下, 放 大 镜 下 面 会 形 成 一 个 耀 眼 夺 目 的 光 斑 即 焦 点 焦 点 以 外 的 地 方, 人 的 感 觉 如 常, 但 在 焦 点 处 却 有 很 高 的 热 度, 足 以 使 一 些 物 体 点 燃 当 然, 要 想 在 人 体 内 聚 焦, 用 太 阳 光 线 是 不 可 能 的, 而 必 图 头 部 伽 马 刀 治 疗 应 用 须 采 用 具 有 穿 透 力 的 高 能 射 线 如 伽 玛 射 线 ; 同 时, 要 让 伽 玛 射 线 聚 焦 也 不 像 放 大 镜 聚 焦 那 样 简 单, 而 要 综 合 利 用 核 物 理 计 算 机 生 物 放 射 机 电 等 一 系 列 现 代 技 术 才 能 实 现 因 此, 头 体 部 伽 玛 刀 是 二 十 世 纪 末 现 代 高 科 技 的 产 物, 作 为 一 种 崭 新 的 无 创 伤 治 疗 手 段, 它 是 医 学 治 疗 史 上 的 一 次 突 破 头 体 部 伽 玛 刀 要 由 一 组 经 专 门 训 练 的 人 员 操 作 病 人 经 过 一 系 列 检 查, 确 定 系 伽 玛 刀 适 应 症 后, 即 可 进 行 治 疗 治 疗 前, 须 给 病 人 头 体 部 安 装 立 体 定 位 框 架, 在 此 枕 额 部 进 行 消 毒 和 很 小 的 局 部 麻 醉 然 后, 病 人 带 着 头 架 进 过 程 中, 对 病 人 行 MRI 或 CT 扫 描, 以 获 取 治 疗 计 划 所 需 的 图 像 之 后, 病 人 休 息, 医 生 将 已 经 取 得 的 图 像 数 据 等 输 入 计 算 机, 由 计 算 机 自 动 制 定 治 疗 方 案 并 将 该 治 疗 方 案 传 输 给 伽 玛 刀 控 制 系 统 近 几 年, 在 头 部 伽 玛 刀 和 体 部 伽 玛 刀 治 疗 系 统 成 熟 技 术 基 础 上, 一 些 公 司 联 合 开 发 研 制 了 最 新 一 代 立 体 定 向 伽 玛 射 线 全 身 放 射 治 疗 设 备 这 种 系 统 同 样 使 用 钴 -60 放 射 源, 采 用 扇 形 聚 焦, 大 角 度 回 转 照 射 方 式, 同 时 适 用 于 头 体 部 肿 瘤 的 立 体 定 向 放 射 治 疗, 符 合 放 疗 行 业 高 精 度 高 剂 量 高 疗 效 低 损 伤 三 高 一 低 的 发 展 趋 势 该 系 统 的 研 制 成 功, 使 立 体 定 向 放 射 治 疗 技 术 又 有 了 新 的 发 展 本 部 分 主 要 分 析 讲 述 全 身 伽 马 刀 系 统 ( 一 ) 治 疗 原 理 放 射 性 元 素 钴 -60 放 射 出 的 γ 射 线 能 杀 死 和 杀 伤 有 机 体 内 的 细 胞,γ 射 线 对 不 同 的 器 官 的 致 死 剂 量 或 危 险 剂 量 并 不 相 同 伽 玛 射 线 全 身 治 疗 系 统 就 是 利 用 γ 射 线 让 患 者 的 病 灶 受 到 致 死 剂 量, 而 健 康 组 织 尽 量 只 受 到 不 造 成 损 伤 的 微 弱 剂 量, 从 而 达 到 治 疗 目 的 伽 玛 射 线 全 身 治 疗 系 统 一 般 采 用 扇 形 聚 焦 360 回 转 照 射 原 理 这 种 系 统 已 不 象 初 期 的 γ 刀 系 统 采 用 201 个 钴 源, 而 是 采 用 18~60 个 不 等 的 钴 源 作 为 放 射 源, 利 用 大 角 度 回 转 照 射 方 式, 起 到 原 先 多 源 的 作 用 ; 这 是 因 为 钴 源 多 费 用 也 多, 成 本 高, 同 时 废 钴 源 的 回 收 也 是 一 个 棘 手 的 问 题 例 如 用 18 个 钴 源 的 某 型 γ 刀 全 身 治 疗 系 统 是 将 18 个 钴 -60 放 射 源 分 为 10 个 和 8 个 两 组 在 两 个 相 邻 扇 面 上 呈 扇 形 聚 焦 布 置, 其 放 射 线 通 过 18 个 聚 焦 分 布 的 准 直 器 的 准 直 和 引 导 精 确 地 汇 聚 在 焦 点 上, 并 绕 过 该 焦 点 的 轴 线 进 行 360 回 转 照 射 图 1 所 示 为 另 一 种 C 型, 又 称 月 亮 型 全 身 伽 马 刀 系 统, 其 钴 源 为 42 个, 放 置 于 钴 源 装 置 内, 通 过 42 个 聚 焦 分 布 的 准 直 器 的 准 直 和 引 导 精 确 地 汇 聚 在 焦 点 上, 并 绕 过 该 焦 点 的 轴 线 进 行 C 型 回 转 照 射 治 疗 计 划 系 统 对 病 灶 进 行 治 疗 规 划 并 选 择 最 佳 的 射 束 入 射 回 转 照 射 区 域, 治 疗 时 按 照 治 疗 计 划 的 结 果, 立 体 定 位 控 制 系 统 自 动 将 病 灶 对 准 焦 点, 多 束 射 线 聚 集 回 转 照 射 后 在 焦 点 处 产 生 高 强 度 的 剂 量 场, 致 使 病 灶 组 织 发 生 放 射 性 坏 死, 而 周 围 的 正 常 组 织 仅 受 到 均 匀 小 剂 量 的 照 射 放 射 治 疗 一 段 时 间 后 病 灶 组 织 逐 步 坏 死, 而 周 围 的 正 常 组 织 不 受 伤 害, 从 而 达 到 无 创 伤 治 疗 的 目 的 ( 二 ) 系 统 组 成 钴 源 装 置 现 在 各 种 伽 玛 射 线 全 身 治 疗 系 统 虽 然 外 观 各 异, 但 主 要 原 理 及 结 构 却 基 本 一 致 其 组 成 主 要 由 钴 -60 放 射 源 射 源 装 置 主 机 三 维 治 疗 治 疗 床 固 定 机 架 床 定 位 装 置 电 气 控 制 系 统 治 疗 计 划 系 统 等 底 盘 组 成 系 统 参 照 原 型 如 图 所 示 图 一 种 伽 玛 射 线 全 身 治 疗 系 统 示 意 图

223 1. 主 机 机 械 包 括 射 源 装 置 三 维 治 疗 床 准 直 器 库 外 装 饰 罩 和 主 机 机 架 及 底 座 伽 马 刀 治 疗 系 统 的 机 械 传 动 装 置 采 用 大 轴 承 回 转 支 撑 结 构, 钴 源 装 置 绕 机 架 回 转, 治 疗 床 可 以 旋 转, 二 者 配 合 完 成 多 角 度 多 弧 面 照 射, 运 转 能 够 充 分 保 证 系 统 精 度 长 期 稳 定 可 靠 射 源 装 置 包 括 装 有 多 个 钴 -60 源 的 球 冠 形 源 体, 射 线 通 过 预 准 直 器 引 导 指 向 球 心 源 体 内 有 同 轴 的 球 冠 形 准 直 体, 其 上 有 四 组 与 源 体 对 应 的 准 直 孔, 其 中 一 组 装 屏 蔽 棒, 其 它 三 组 装 不 同 直 径 的 准 直 器, 引 导 射 线 指 向 球 心, 并 控 制 射 线 束 之 大 小, 即 得 不 同 大 小 的 焦 点 剂 量 场 初 装 钴 源 时 焦 点 处 的 剂 量 率 大 于 3Gy/min 准 直 体 由 电 机 驱 动, 可 带 动 源 体 同 步 旋 转 ; 亦 可 进 行 准 直 孔 换 位 为 了 防 护 辐 射, 源 体 外 包 覆 着 屏 蔽 体, 在 球 冠 下 部 设 有 屏 蔽 门 系 统 的 放 射 源 在 非 治 疗 状 态 下 可 以 通 过 机 械 装 置 撤 回 屏 蔽 罐 中, 整 个 系 统 如 同 无 源 设 备 ( 屏 蔽 罐 严 格 按 防 护 要 求 设 计 生 产 ), 从 而 保 证 了 医 护 人 员 和 患 者 尽 可 能 避 免 杂 散 射 线 的 辐 射, 也 最 大 限 度 减 少 杂 散 射 线 对 环 境 的 污 染 三 维 治 疗 床 是 实 现 三 维 ( 水 平 横 向 X 水 平 纵 向 Z 及 垂 直 方 向 Y) 准 确 运 动 和 定 位 的 装 置 利 用 它 载 着 病 人, 依 靠 治 疗 计 划 系 统 选 定 方 案, 由 计 算 机 控 制 做 单 点 定 时 治 疗 或 多 点 有 序 的 适 形 照 射 治 疗 射 源 装 置 以 侧 向 短 轴 悬 挂 在 机 架 横 梁 上, 三 维 治 疗 床 就 安 装 在 机 架 里 面, 处 于 射 源 装 置 下 方 三 维 治 疗 床 采 用 致 密 的 碳 纤 维 材 料 和 先 进 的 成 型 工 艺 制 作, 对 射 线 吸 收 量 非 常 小, 从 而 保 证 三 维 治 疗 床 基 本 没 有 杂 散 射 线 的 沉 淀 积 累, 保 证 医 护 人 员 和 患 者 的 健 康 ; 同 时 三 维 治 疗 床 通 过 三 维 控 制, 保 证 有 足 够 的 治 疗 空 间, 方 便 定 位 和 治 疗 准 直 器 准 直 器 库 存 放 有 四 种 不 同 规 格 的 准 直 器 ( 如 果 使 用 者 需 要 定 制, 还 可 以 存 放 多 种 规 格 准 直 器 ), 可 以 方 便 地 更 换 准 直 器, 使 系 统 的 操 作 更 为 便 捷 外 装 饰 罩 采 用 了 构 思 新 颖 的 工 业 工 程 设 计, 使 系 统 显 得 开 放 大 方 柔 和, 具 有 很 强 的 人 性 亲 和 力 2. 控 制 系 统 电 气 控 制 系 统 由 操 作 台 电 控 柜 等 组 成 全 身 伽 马 刀 治 疗 系 统 的 控 制 系 统 负 责 主 机 机 械 各 个 运 动 轴 的 自 动 控 制, 能 根 据 治 疗 计 划 系 统 规 划 的 治 疗 方 案, 全 自 动 地 完 成 照 射 治 疗 同 时 能 监 控 主 机 设 备 的 运 行 状 况 和 安 全 连 锁, 确 保 设 备 安 全 可 靠 地 运 行 并 能 处 理 故 障 提 示 / 引 导 和 保 存 出 故 障 时 必 须 保 留 的 数 据, 能 智 能 续 接 被 中 断 的 治 疗 全 身 伽 马 刀 治 疗 系 统 的 安 全 连 锁 系 统 设 置 了 安 全 连 锁 机 制, 用 于 保 障 设 备 安 全 和 人 身 安 全 3. 定 位 装 置 立 体 定 位 装 置 是 立 体 定 向 伽 玛 射 线 全 身 治 疗 系 统 主 要 组 成 部 分 之 一 包 含 负 压 定 位 床 和 可 安 装 在 三 维 治 疗 床 上 和 定 位 机 器 CI MRI 的 头 体 部 专 用 框 架, 用 它 来 固 定 病 灶 部 位 并 置 换 检 测 和 治 疗 之 间 的 坐 标 系, 即 它 的 作 用 是 在 病 人 与 设 备 之 间 建 立 一 个 能 确 定 病 灶 位 置 的 三 维 坐 标 系 诊 断 定 位 时, 可 用 于 精 确 确 定 病 灶 形 状 大 小 和 在 坐 标 系 里 的 位 置, 配 合 治 疗 计 划 软 件 使 用 ; 治 疗 定 位 时, 又 能 将 病 灶 重 新 恢 复 到 诊 断 时 的 位 置, 从 而 实 现 准 确 多 次 重 复 定 位 立 体 定 位 装 置 的 组 成 : 本 设 备 的 立 体 定 位 装 置 分 为 头 部 定 位 装 置 和 体 部 定 位 装 置 两 大 类 : 头 部 定 位 装 置 分 为 一 次 性 高 精 度 头 钉 定 位 和 可 多 次 重 复 定 位 两 种 : (1) 一 次 性 高 精 度 头 钉 定 位 的 头 部 定 位 装 置 主 要 由 立 体 定 位 头 架 固 定 头 钉 MRI/CT 标 识 框 MRI/CT 适 配 架 等 部 件 组 成 (2) 可 多 次 重 复 定 位 的 头 部 定 位 装 置 主 要 包 括 CT 标 识 框 重 复 定 位 装 置 头 枕 热 固 成 形 膜 等 一 般 来 说 体 部 定 位 装 置 都 是 可 多 次 重 复 定 位 的, 其 中 人 体 固 定 方 式 分 为 两 种 : 真 空 体 模 袋 和 热 固 成 形 膜 4. 治 疗 计 划 系 统 全 身 伽 马 刀 治 疗 系 统 的 治 疗 计 划 系 统 是 由 SGI 工 作 站 及 相 应 的 图 像 采 集 和 重 建 系 统 将 CT/MRI 信 息 与 本 机 剂 量 参 数 组 合 评 估 模 拟, 制 定 出 治 疗 方 案, 计 算 出 病 灶 将 被 治 疗 照 射 的 多 靶 点 复 合 计 量 场, 再 将 规 划 好 的 治 疗 数 据 传 送 给 本 机 控 制 系 统 实 现 自 动 照 射 治 疗 它 是 全 身 伽 马 刀 系 统 治 疗 设 备 与 临 床 治 疗 紧 密 结 合 的 一 个 重 要 组 成 部 分, 辅 助 放 疗 医 生 或 医 学 物 理 师 进 行 剂 量 规 划 该 系 统 通 过 对 病 人 医 学 影 像 资 料 的 输 入 和 处 理, 采 用 CT 模 拟 三 维 重 建 等 手 段, 辅 助 用 户 迅 速 准 确 地 获 得 体 表 病 灶 和 感 兴 趣 组 织 的 位 置 体 积 等 几 何 描 述 用 户 通 过 交 互 操 作 确 定 靶 区 并 在 靶 区 内 布 置 靶 点, 系 统 完 成 剂 量 计 算, 并 以 等 剂 量 线 和 等 剂 量 面 的 形 式 显 示 出 病 灶 及 其 周 边 组 织 和 敏 感 组 织 的 剂 量 分 布 用 户 可 以 根 据 剂 量 体 积 直 方 图 等 手 段 对 治 疗 计 划 进 行 全 面 评 估, 最 终 确 定 处 方 剂 量 靶 点 位 置 照 射 弧 段 以 及 治 疗 时 间 等 治 疗

224 参 数, 并 输 出 到 全 身 伽 马 刀 治 疗 控 制 系 统 准 备 进 行 实 际 治 疗 治 疗 计 划 系 统 是 一 个 三 维 治 疗 计 划 系 统, 用 于 辅 助 放 疗 医 生 或 医 学 物 理 师 根 据 病 人 的 医 学 影 像 资 料 制 定 放 射 治 疗 计 划 治 疗 计 划 系 统 硬 件 配 置 了 完 善 的 输 入 图 形 处 理 和 输 出 手 段, 操 作 方 便 快 捷, 图 形 处 理 保 真 性 好, 能 够 很 好 地 满 足 使 用 者 的 要 求 5. 安 全 防 护 全 身 伽 玛 刀 属 于 有 能 源 医 疗 器 械 它 用 钴 -60 密 封 放 射 源 发 出 γ 射 线, 聚 集 γ 射 线 于 焦 点 对 病 灶 进 行 治 疗 准 直 器 源 体 的 旋 转, 屏 蔽 门 的 开 关, 三 维 治 疗 床 的 X Y Z 三 向 运 动 均 采 用 在 自 控 系 统 监 控 下 的 电 机 通 过 传 动 机 构 驱 动 故 本 机 既 需 要 在 机 电 系 统 设 置 安 全 防 护, 还 需 要 严 密 地 防 护 辐 射 (1) 辐 射 防 护 要 求 周 围 环 境 保 持 在 国 际 标 准 所 允 许 的 限 值 以 下, 即 : 距 源 1 米 处 的 杂 散 辐 射 引 起 的 吸 收 剂 量 率 不 大 于 0.02mGy/h; 距 屏 蔽 体 5 厘 米 处 的 任 何 位 置, 由 杂 散 辐 射 引 起 的 吸 收 剂 量 率 不 大 于 0.2mGy/h 为 达 到 此 标 准, 本 机 在 设 计 时 经 过 严 谨 计 算 制 造 了 有 足 够 厚 度 的 铸 铁 屏 蔽 体 和 屏 蔽 门 ; 对 某 些 比 较 重 要 的 部 位 加 设 了 重 金 属 防 护 层 ; 并 且 在 准 直 体 上 装 设 了 屏 蔽 棒, 对 直 射 射 线 在 非 治 疗 状 态 予 以 阻 断 衰 减, 形 成 双 重 屏 蔽 在 治 疗 室 装 设 了 辐 射 监 测 器 对 室 内 环 境 监 测, 以 声 光 报 警 方 式 确 保 杂 散 辐 射 不 会 超 标 治 疗 室 墙 壁 屋 顶 均 按 防 辐 射 要 求 的 钢 筋 混 凝 土 标 准 建 筑, 进 出 口 安 装 了 专 用 金 属 防 护 门, 除 病 人 或 医 护 人 员 进 出 时, 平 时 及 治 疗 时 均 予 关 闭, 以 保 证 周 围 不 受 辐 射 污 染 治 疗 时, 医 护 操 作 人 员 在 操 作 室 遥 控 操 作, 这 样 避 免 了 他 们 在 长 期 工 作 中 积 累 吸 收 剂 量 (2) 设 备 的 安 全 连 锁 保 护 电 气 控 制 系 统 由 集 中 在 操 作 台 上 的 PC 机 控 制 按 钮 启 动 和 控 制, 运 行 状 态 由 操 作 台 上 的 状 态 指 示 灯 和 治 疗 界 面 上 的 状 态 显 示 框 予 以 显 示 操 作 台 上 电 源 开 关 只 能 由 专 用 钥 匙 开 启 电 源 系 市 电 和 在 线 式 不 间 断 电 源 (UPS) 供 应, 可 保 证 在 外 界 断 电 后, 持 续 供 电 30 分 钟 以 上, 使 正 在 进 行 的 治 疗 过 程 不 致 突 然 中 断 若 UPS 电 力 不 足 或 发 生 故 障, 监 控 系 统 将 会 声 光 报 警 为 确 保 三 维 治 疗 床 在 有 效 的 行 程 范 围 内 运 动, 不 致 于 损 害 设 备 和 危 及 人 身 的 安 全, 采 用 了 硬 限 位 ( 行 程 开 关 实 现 ) 软 限 位 ( 软 件 实 现 ) 及 Y 轴 上 下 方 向 连 锁 等 多 重 保 护 措 施 准 直 体 - 源 体 和 三 维 床 的 运 动 采 用 编 码 器 反 馈 的 半 闭 环 控 制 方 式, 可 确 保 运 动 距 离 的 精 确 和 定 位 的 可 靠 三 维 床 治 疗 屏 蔽 门 防 护 门 之 间 的 运 动 采 用 硬 件 和 软 件 相 互 连 锁, 将 可 能 发 生 的 危 险 降 到 最 低, 确 保 治 疗 过 程 安 全 有 序 地 进 行 另 在 程 序 中 还 设 置 了 自 检 程 序 每 次 治 疗 前, 系 统 通 电 后, 整 个 系 统 自 动 检 测, 只 有 自 检 通 过 后 才 能 进 行 治 疗 治 疗 时 间 采 用 正 反 两 个 计 时 器 独 立 计 时, 它 们 的 状 况 随 时 由 PC 机 监 控, 这 样 可 保 证 治 疗 过 程 中 剂 量 的 准 确 系 统 的 运 动 情 况 由 控 制 器 适 时 监 控, PC 机 适 时 显 示 当 发 生 故 障 时, 系 统 立 即 自 动 转 入 故 障 处 理 程 序, 并 显 示 故 障 信 息 重 大 故 障 时 系 统 可 自 动 恢 复 处 理, 并 声 光 报 警, 以 保 证 运 行 的 安 全 可 靠 三 X- 刀 头 体 部 X- 刀 ( 也 叫 光 子 刀 ) 是 继 头 部 伽 马 刀 之 后 迅 速 发 展 起 来 的 立 体 放 射 治 疗 技 术 采 用 高 精 度 立 体 定 位 三 维 治 疗 计 划 与 在 直 线 加 速 器 上 进 行 非 共 面 多 轨 迹 旋 转 照 射 的 技 术 相 结 合, 使 肿 瘤 病 灶 受 到 致 死 性 高 剂 量 照 射, 而 周 围 正 常 组 织 受 量 很 少, 从 而 能 获 得 根 治 肿 瘤 的 效 果 这 种 高 精 度 的 立 体 定 向 放 射 治 疗 技 术, 能 在 放 射 剂 量 上 形 成 一 个 围 绕 病 灶 的 高 剂 量 分 布 区 域 ( 在 病 灶 和 周 围 正 常 组 织 之 间 ), 而 在 病 灶 周 围 正 常 组 织 的 剂 量 急 剧 下 降 由 此 形 成 锐 性 边 缘, 从 而 使 早 期 小 肿 瘤 不 用 开 刀 而 获 得 外 科 手 术 同 样 的 效 果, 因 而 被 称 之 放 射 外 科 疗 法, 有 人 形 象 的 称 之 为 伽 马 刀 或 X- 刀 等 据 国 外 文 献 报 道, 它 们 对 早 期 周 围 性 肺 癌 肝 癌 等 实 质 性 器 官 肿 瘤 的 疗 效 是 令 人 鼓 舞 的, 完 全 可 与 外 科 手 术 媲 美 但 需 要 在 严 格 的 适 应 症 选 择 的 同 时, 有 高 精 度 的 诊 断 定 位 体 位 固 定 三 维 计 划 系 统 和 放 疗 设 备 以 及 先 进 的 放 疗 技 术 作 保 证 X- 刀 实 际 上 是 适 形 照 射 中 的 特 例, 只 有 肿 瘤 病 灶 直 径 小 于 3cm, 形 状 较 为 规 则 时 才 适 宜 X- 刀 的 照 射 近 年 来 的 临 床 研 究 结 果 表 明, 用 X- 刀 做 多 次 中 等 剂 量 照 射 比 单 次 大 剂 量 照 射 的 疗 效 更 好 更 安 全

225 X- 刀 不 象 伽 马 刀 一 样 是 独 立 的 新 设 备, 它 不 是 独 立 的 新 设 备, 而 是 利 用 立 体 定 向 原 理 将 直 线 加 速 器 产 生 的 低 能 X 射 线 集 中 照 射 到 病 灶 的 一 种 新 技 术, 由 于 其 边 界 锐 利, 治 疗 效 果 尤 如 手 术, 故 将 其 称 为 X- 刀, 如 图 所 示 整 个 治 疗 过 程 由 计 算 机 系 统 控 制, 医 生 根 据 CT/MRI 扫 描 图 像 在 电 脑 荧 屏 上 勾 画 出 病 灶 区 及 正 常 组 织 器 官 范 围,X- 刀 软 件 系 统 自 动 制 定 出 照 射 计 划, 如 : 病 床 的 角 度, 照 射 的 角 度, 照 射 的 剂 量 等 都 可 以 给 出 精 确 数 据 治 疗 前 可 模 拟 整 个 治 疗 过 程, 医 生 可 以 根 据 需 要 对 治 疗 计 划 进 行 修 改, 因 此, 可 保 证 整 个 治 疗 过 程 安 全 有 效 X- 刀 治 疗 设 备 包 括 医 用 加 速 器 三 维 TPS 定 位 系 统 加 速 器 准 直 器 及 附 件 准 直 器 X- 刀 系 统 用 医 用 加 速 器 产 生 6MV X 射 线, 治 疗 肿 瘤 ; 定 位 系 统 准 直 器 作 用 于 伽 马 刀 类 似 ; 三 维 治 疗 计 划 系 统 就 象 广 义 的 适 形 放 疗 一 样, 是 必 备 系 统, 只 是 功 能 稍 有 不 同 摆 位 系 统 X- 刀 治 疗 计 划 系 统 ( 图 5-5-8) 采 取 精 心 设 计 的 轮 廓 勾 画 和 表 面 平 滑 技 术, 确 定 病 变 及 重 要 器 官 的 立 体 轮 廓, 并 分 别 显 示 在 横 断 面 冠 状 面 矢 状 面 及 旋 转 平 面 内 多 旋 转 平 面 和 多 旋 转 中 心 的 交 互 选 择, 采 用 多 种 显 示 方 法, 可 很 快 得 到 一 个 精 确 的 最 佳 的 治 疗 计 划 荧 屏 上 设 立 的 功 能 键, 用 于 旋 转 角 度 范 围 和 准 直 器 规 格 的 选 择 分 部 旋 转 技 术 的 采 用 等, 图 X- 刀 治 疗 系 统 协 助 计 划 设 计 者 进 行 快 速 和 有 效 的 进 行 计 划 设 计, 使 靶 区 得 到 最 大 均 匀 的 剂 量, 周 围 正 常 组 织 受 量 最 小 剂 量 计 算 结 果 以 不 同 的 方 式 选 择, 如 靶 区 等 剂 量 分 布 面 的 等 剂 量 线 显 示, 彩 色 等 剂 量 面 显 示 以 及 靶 区 的 剂 量 体 积 直 方 图 (DVH) 显 示 等 治 疗 计 划 做 好 后, 由 操 作 人 员 施 行 X- 刀 治 疗 未 来 放 射 治 疗 的 发 展 方 向 是 进 一 步 综 合 利 用 放 射 治 疗 的 先 进 设 备 和 技 术, 在 肿 瘤 治 疗 上 实 现 高 精 度 高 剂 量 高 疗 效 和 低 损 伤 ( 三 高 一 低 ) 的 现 代 放 疗 随 着 新 的 肿 瘤 诊 断 定 位 无 创 体 位 固 定 三 维 立 体 治 疗 计 划 系 统 和 放 疗 设 备 等 的 不 断 涌 现 以 及 放 疗 技 术 的 不 断 提 高, 放 射 外 科 技 术 在 肿 瘤 乃 至 其 他 功 能 性 疾 病 的 治 疗 上 将 发 挥 更 大 的 作 用 四 伽 马 刀 与 X 刀 的 比 较 1. 原 理 一 致 二 者 都 是 基 于 立 体 定 向 原 理 发 展 起 来 的 立 体 放 射 治 疗 技 术 2. 部 件 相 似 二 者 的 基 本 结 构 部 件 名 称 相 似 图 X 刀 治 疗 计 划 系 统 3. 主 设 备 不 同 伽 马 刀 (γ 刀 ) 是 一 种 新 设 备 ;X- 刀 是 附 属 于 加 速 器 的 一 套 软 硬 件 系 统 4. 应 用 效 果 相 似 γ 刀 机 械 等 中 心 精 度 可 以 做 到 ±0. 3mm,X 线 SRT(SRS) 的 等 中 心 精 度 决 定 于 医 用 直 线 加 速 器 的 等 中 心 精 度, 目 前 商 售 的 常 规 放 疗 用 的 医 用 直 线 加 速 器 的 等 中 心 精 度 只 能 达 到 ±l mm 但 是 由 于 X(γ) 线 立 体 定 向 治 疗 的 治 疗 精 度, 不 仅 决 定 于 机 械 等 中 心 精 度, 还 决 定 于 下 述 三 个 重 要 因 素 : 靶 定 位 精 度 ( 包 括 CT/MRI 定 位 靶 坐 标 重 建 ) 基 础 环 固 定 系 统 的 可 靠 性 以 及 治 疗 摆 位 时 的 准 确 性 因 此 从 治 疗 精 度 看 X 刀 和 γ 刀 装 置 看 二 者 基 本 一 致 同 时, 二 者 射 线 质 相 似, 除 此 之 外,X 线 SRT(SRS) 具 有 比 γ 线 SRT(SRS) 经 济 灵 活 等 特 点 由 于 上 述 原 因, 目 前 X 线 SRT(SRS) 用 户 和 γ 线 SRT(SRS) 用 户 都 很 多

226 第 六 章 放 射 治 疗 技 术 的 发 展 第 一 节 概 述 自 放 射 治 疗 进 入 临 床 应 用 几 十 年 来, 常 规 放 射 治 疗 使 用 的 射 线 源 主 要 是 钴 60 产 生 的 γ 射 线 加 速 器 产 生 的 X 线 和 高 能 电 子 线 尤 其 是 电 子 直 线 加 速 器, 自 问 世 以 来 一 直 是 放 射 治 疗 最 重 要 的 设 备 上 一 世 纪 80 年 代 开 始, 电 子 计 算 机 技 术 得 到 了 迅 速 的 发 展 并 对 整 个 世 界 产 生 了 巨 大 的 影 响, 电 子 计 算 机 技 术 在 医 学 领 域 的 应 用, 使 医 疗 技 术 开 始 了 全 新 的 境 界 放 射 治 疗 技 术 引 入 计 算 机 技 术 后, 尽 管 还 是 使 用 以 往 的 放 射 源, 但 放 射 治 疗 的 剂 量 分 布 控 制 却 已 从 一 维 二 维 进 入 了 三 维 的 空 间 分 布, 使 得 放 疗 医 师 能 够 按 患 者 的 疾 病 发 展 和 治 疗 需 要 去 设 计 和 分 配 剂 量 前 面 所 讲 的 三 维 适 形 放 射 治 疗 及 调 强 适 形 放 疗 就 是 其 突 出 的 发 展 三 维 放 疗 能 在 三 维 方 向 很 好 地 按 照 肿 瘤 形 状 进 行, 周 围 正 常 组 织 受 到 的 照 射 剂 量 很 小, 从 而 更 好 地 保 护 了 正 常 组 织, 因 此, 也 有 人 将 之 称 为 精 确 放 射 治 疗 它 使 得 我 们 可 以 在 不 增 加 正 常 组 织 反 应 的 前 提 下, 增 加 肿 瘤 的 放 射 剂 量, 提 高 肿 瘤 的 局 部 控 制 率, 进 而 提 高 生 存 率, 这 已 在 前 列 腺 癌 及 早 期 非 小 细 胞 肺 癌 的 放 射 治 疗 中 得 到 证 实 但 是, 在 进 行 放 疗 的 过 程 中, 还 存 在 因 器 官 移 动 而 导 致 肿 瘤 也 随 之 移 动 的 问 题, 特 别 是 呼 吸 运 动 人 体 的 呼 吸 和 器 官 运 动 可 引 起 肿 瘤 ( 靶 区 ) 及 重 要 器 官 的 移 动, 使 其 偏 离 照 射 视 野, 导 致 肿 瘤 的 低 剂 量 或 重 要 器 官 的 高 剂 量 照 射 因 而, 解 决 肿 瘤 移 动 问 题 十 分 重 要 针 对 这 些 问 题, 出 现 了 控 制 等 中 心 移 位 技 术 呼 吸 门 控 技 术 虽 然 当 前 在 放 疗 中 使 用 了 呼 吸 门 控 系 统, 但 效 果 并 不 理 想 如 果 把 时 间 因 素 也 考 虑 进 去, 就 可 以 达 到 跟 踪 肿 瘤 进 行 照 射 的 目 的, 这 就 是 四 维 放 射 治 疗 影 像 引 导 下 放 射 治 疗 断 层 放 射 治 疗 赛 博 刀 等 这 些 新 技 术 新 设 备 在 肿 瘤 放 射 治 疗 领 域 又 前 进 了 一 步, 这 些 新 技 术 将 引 起 肿 瘤 放 射 治 疗 的 一 次 大 变 革 放 射 治 疗 的 飞 速 发 展 主 要 取 决 于 近 年 来 电 子 计 算 机 技 术 医 学 影 像 技 术 和 图 像 处 理 技 术 以 及 放 射 设 备 的 不 断 发 展 和 更 新 随 着 计 算 机 技 术 的 快 速 发 展, 计 算 机 网 络 应 用 于 放 疗 领 域, 使 得 放 疗 设 备 不 在 独 立 运 行, 精 确 放 疗 更 加 实 际 可 行, 放 疗 已 进 入 了 网 络 化 时 代 可 以 说 以 计 算 机 科 学 为 代 表 的 数 字 化 技 术 推 动 了 现 代 放 射 治 疗 发 展, 而 数 字 化 网 络 是 其 中 的 核 心 技 术 之 一 第 二 节 常 规 放 射 治 疗 设 备 和 技 术 的 新 进 展 一 模 拟 定 位 技 术 的 发 展 1. 常 规 模 拟 定 位 机 和 模 拟 机 CT 近 年 来 常 规 模 似 定 位 机 的 发 展 方 向 主 要 有 以 下 几 点 :1 为 适 应 新 型 直 线 加 速 器 的 不 对 称 独 立 准 直 器, 在 模 拟 机 上 也 相 应 地 采 用 可 以 独 立 运 动 的 井 字 型 射 野 界 定 线 ; 四 条 射 野 界 定 线 ( 或 其 中 两 条 ) 的 任 一 条 都 可 以 独 立 运 动 并 可 越 过 中 线 在 不 需 要 独 立 运 动 时 可 以 自 动 切 换 成 对 称 运 动 方 式 :2 应 用 数 字 影 像 技 术 将 数 字 影 像 技 术 应 用 到 模 拟 定 位 机 上 形 成 数 字 模 拟 定 位 机 数 字 模 拟 定 位 机 上 配 有 专 用 数 字 影 像 模 拟 工 作 站, 可 以 在 工 作 站 上 调 整 X 线 定 位 影 像 的 窗 宽 和 窗 位, 测 量 感 兴 趣 点 的 深 度 和 距 离, 可 以 设 计 不 规 则 射 野 的 挡 块 或 多 叶 准 直 器 形 状, 并 可 在 图 像 上 加 上 需 要 的 说 明 文 字 或 标 记, 能 按 预 先 设 定 的 治 疗 机 的 条 件 给 出 计 划 设 计 提 示 和 自 动 生 成 各 种 不 同 治 疗 机 的 治 疗 处 方 设 计 结 果 和 影 像 可 储 存 在 计 算 机 里, 在 需 要 时 反 复 调 出 阅 读 和 比 较, 减 少 曝 光 时 间, 使 病 人 减 少 受 照 射 时 间 和 剂 量 及 延 长 X 线 球 管 的 寿 命, 储 存 的 资 料 可 以 拷 贝 打 印 或 直 接 通 过 网 络 传 输, 并 可 以 支 持 数 字 减 影 技 术 ;3 应 用 了 数 字 技 术 的 模 拟 定 位 机 可 以 配 备 网 络 传 输 接 口, 该 数 字 影 像 接 口 采 用 标 准 DICOM3 或 DICOM RT 协 议, 可 以 直 接 与 治 疗 计 划 系 统 或 直 线 加 速 器 连 接 传 输 治 疗 计 划, 或 与 直 线 加 速 器 的 电 子 射 野 影 像 系 统 (EPID) 连 接 进 行 摆 位 验 证, 实 现 放 射 治 疗 的 实 时 质 量 控 制 ;4 模 拟 机 CT 可 以 在 常 规 模 拟 机 上 产 生 类 似 CT 的 断 层 图 像, 现 在 欧 美 的 几 家 大 的 生 产 厂 商 的 模 拟 机 上 都 已 实 现 原 理 上 将 模 拟 机 的 限 束 器 开 成 沿 病 人 横 向 的 窄 缝 状, 在 影 像 增 强 器 的 表 面 放 置 数 百 个 接 收 器, 机 架 旋 转 360 同 时 出 束 照 射, 获 得 病 人 截 面 的 扫 描 信 息 2.CT 模 拟 机 : 随 着 模 拟 机 和 数 字 影 像 重 建 显 示 的 迅 速 发 展, 超 薄 CT 和 螺 旋 扫 描 技 术 的 出 现,20 世 纪 80 年 代 末 至 90 年 代 初,CT 模 拟 定 位 机 的 概 念 被 提 出 并 迅 速 应 用 于 临 床 完 整 的 CT 模 拟 定 位 系 统 包 括 一 台 扫 描 机, 一 套 虚 拟 模 拟 定 位 设 计 系 统 ( 或 放 射 治 疗 设 计 系 统 ) 和 一 套 激 光 射 野 投 影 器

227 二 电 子 直 线 加 速 器 的 技 术 进 步 和 应 用 近 年 来 各 加 速 器 厂 商 加 快 了 设 备 设 计 数 字 化 改 造, 开 发 计 算 机 控 制 驱 动 的 各 种 新 的 应 用 技 术, 支 持 三 维 适 形 治 疗 的 时 代 潮 流, 今 天 的 放 射 治 疗 用 直 线 加 速 器 尽 管 结 构 上 仍 与 过 去 的 机 器 相 似, 功 能 上 却 已 大 大 增 加 ( 一 ) 数 字 化 与 网 络 化 放 射 治 疗 用 的 电 子 直 线 加 速 器 的 数 字 化 进 程 其 实 可 以 追 溯 至 20 世 纪 80 年 代 中 期, 当 时 Philips 公 司 生 产 的 直 线 加 速 器 已 经 将 其 控 制 电 路 全 部 改 为 数 字 电 路 采 用 数 字 电 路 结 构 是 应 用 计 算 机 控 制 的 基 础, 随 着 计 算 机 技 术 的 进 步, 现 在 的 全 数 字 化 加 速 器 能 对 机 器 所 有 的 控 制 电 路 的 运 行 参 数 和 工 作 状 态 通 过 计 算 机 做 行 监 控 分 析 自 动 记 录 与 调 整, 以 及 支 持 远 程 通 信 等 已 经 实 现 的 功 能 主 要 有 : 1. 对 机 器 所 有 运 行 参 数 进 行 监 控 显 示 记 录, 按 规 定 的 数 值 范 围 出 作 调 整, 并 能 按 预 先 确 定 的 治 疗 程 序 和 处 方 要 求 自 动 完 成 复 杂 治 疗 过 程 2. 记 录 与 验 证 系 统 功 能 能 够 记 录 输 入 的 病 人 治 疗 处 方, 在 每 次 治 疗 时 可 以 按 病 人 标 识 ( 如 病 历 号 或 姓 名 ) 自 动 调 用 和 设 置 机 器 条 件, 减 少 人 工 设 置 的 时 间 和 错 误 在 人 工 设 置 时 验 证 实 际 的 摆 位 和 参 数 设 置 是 否 与 记 录 的 处 方 条 件 与 及 用 户 确 定 允 许 误 差 的 相 符 ; 检 验 各 治 疗 参 数 的 设 置 是 否 与 超 出 规 定 的 机 器 运 行 条 件 或 安 全 范 围, 例 如 在 旋 转 治 疗 过 程 是 否 可 能 发 生 碰 撞 等 3. 网 络 通 信 和 远 程 诊 断 维 护 系 统 可 以 通 过 放 射 治 疗 网 络 直 接 下 载 治 疗 计 划 或 处 方 参 数 远 程 服 务 中 心 或 维 修 工 程 师 可 通 过 网 络 连 机, 查 看 机 器 的 运 行 记 录 和 实 时 运 行 参 数 变 化, 对 机 器 进 行 远 程 或 异 地 故 障 诊 断 和 维 护 ( 二 ) 独 立 准 直 器 和 动 态 楔 型 野 技 术 独 立 准 直 器 除 传 统 地 用 于 垂 直 接 野 不 对 称 野 偏 心 野 或 切 线 野 治 疗 外, 通 过 计 算 机 控 制 独 立 准 直 器 在 治 疗 过 程 中 的 运 动, 可 以 产 生 任 意 动 态 的 楔 型 野 和 一 维 或 二 维 调 强 剂 量 分 布 ( 三 ) 多 叶 准 直 器 ( 四 ) 电 子 射 野 影 像 系 统 第 三 节 放 射 治 疗 的 新 技 术 一 适 应 性 照 射 适 应 性 照 射 (adaptive radio theraphy,art) 是 指 在 前 若 干 次 治 疗 中 每 次 都 行 影 像 学 检 查 并 验 证 照 射 野 精 度, 通 过 放 射 计 划 系 统 研 究 其 计 划 靶 区, 然 后 综 合 分 析 若 干 次 的 结 果, 修 正 后 确 定 最 终 的 计 划 靶 区, 又 称 为 可 信 任 靶 区 (confidence limited PTV), 这 一 技 术 称 为 适 应 性 照 射, 其 中 控 制 等 中 心 移 位 技 术 就 是 典 型 应 用 ART 还 有 另 外 一 种 形 式, 即 通 过 与 治 疗 机 形 成 反 馈 回 路 的 运 动 探 测 器 检 测 器 官 运 动 情 况, 靶 区 运 动 超 出 照 射 区 域 时, 馈 信 号 将 使 照 射 自 动 停 止 以 进 行 靶 区 校 正, 这 就 是 呼 吸 门 控 技 术 1. 控 制 等 中 心 移 位 技 术 控 制 等 中 心 移 位 技 术 分 为 在 线 修 正 和 离 线 修 正 两 种 西 门 子 公 司 的 Primaton 就 是 采 用 的 在 线 修 正 技 术, 它 在 加 速 器 治 疗 室 内 安 装 一 台 CT, 利 用 摆 位 时 CT 的 数 据 来 修 正 靶 区 的 移 动 离 线 修 正 是 利 用 前 若 干 次 ( 一 般 为 5 次 ) 摆 位 时 检 测 到 的 运 动 和 摆 位 的 系 统 误 差, 对 肿 瘤 ( 靶 区 ) 中 心 的 位 置 进 行 修 正 2. 呼 吸 门 控 技 术 作 为 体 内 运 动 幅 度 最 大 的 器 官, 肺 的 运 动 影 响 到 肺 纵 隔 胸 膜 肝 和 上 腹 部 肿 瘤 的 放 疗 呼 吸 运 动 的 控 制 主 要 有 以 下 两 种 方 式 : 其 一 是 限 制 病 人, 即 利 用 主 动 呼 吸 控 制 技 术 (active breat control,abc) 与 现 代 加 速 器 配 备, 使 患 者 自 计 划 到 治 疗 实 施 中 呼 吸 运 动 达 到 一 致 性 ; 其 二 是 限 制 机 器, 即 设 置 一 个 呼 吸 探 测 器 监 测 呼 吸, 当 呼 吸 动 度 超 出 限 定 范 围 时, 照 射 自 动 停 止 即 呼 吸 门 控 技 术 分 为 被 动 呼 吸 门 控 和 呼 吸 引 导 自 控 两 种 被 动 呼 吸 门 控 技 术 通 过 控 制 患 者 某 一 时 段 的 呼 吸 来 进 行 照 射, 如 美 国 纽 约 Slaon-Kettering 纪 念 癌 症 中 心 开 展 的 深 吸 气 屏 气 技 术 等 该 技 术 要 求 患 者 的 配 合 和 治 疗 前 的 适 当 呼 吸 训 练, 同 时 要 求 患 者 能 承 受 适 当 长 时 间 的 屏 气 动 作 呼 吸 引 导 门 控 技 术 不 要 求 患 者 屏 气, 检 测 的 患 者 呼 吸 脉 冲, 实 时 地 触 发 和 引 导 治 疗 机 的 出 束 照 射, 或 控 制 治 疗 床 的 运 动, 跟 随 肿 瘤 ( 靶 区 ) 的 移 动 通 过 呼 吸 门 控 的 方 法, 可 以 使 肿 瘤 在 各 个 方 向 上 的 运 动 减 少 到 5.3mm 以 下

228 二 图 像 引 导 的 放 射 治 疗 影 像 学 指 导 的 放 疗 提 高 肿 瘤 放 疗 控 制 率 的 关 键 是 剂 量 的 提 高, 由 于 肿 瘤 及 周 围 正 常 组 织 的 空 间 位 置 在 治 疗 中 以 及 在 治 疗 间 不 断 变 化, 如 果 对 这 些 变 化 及 误 差 不 给 予 充 分 重 视, 必 将 造 成 肿 瘤 脱 靶 和 ( 或 ) 正 常 组 织 损 伤 增 加, 从 而 降 低 疗 效 放 疗 过 程 中 位 置 不 确 定 性 的 影 响 因 素 主 要 归 纳 为 两 个 方 面 : 其 一 是 照 射 野 位 置 的 系 统 误 差, 指 由 于 在 影 像 定 位 计 划 和 治 疗 阶 段 的 资 料 传 送 错 误 以 及 设 计 标 记 或 治 疗 辅 助 装 置 如 补 偿 物 挡 块 等 的 位 置 误 差 ; 其 二 是 照 射 野 位 置 的 随 机 误 差, 指 由 于 技 术 员 在 进 行 每 一 次 治 疗 时 的 摆 位 状 态 和 分 次 治 疗 时 病 人 解 剖 位 置 的 变 化, 如 呼 吸 运 动 膀 胱 和 直 肠 的 充 盈 程 度 肿 瘤 的 增 大 或 缩 小 以 及 胸 腹 水 等 引 起 的 位 置 差 异 大 量 研 究 均 证 实 上 述 误 差 将 对 肿 瘤 靶 区 及 周 围 正 常 组 织 的 剂 量 分 布 产 生 明 显 影 响,, 适 形 和 调 强 治 疗 中 表 现 更 为 明 显 照 射 野 的 质 量 保 证 有 赖 于 射 野 验 证 片 或 图 像 验 证, 这 是 放 疗 极 其 重 要 的 质 量 控 制 项 目 近 年 来, 电 子 射 野 影 像 系 统 (EPID) CT 等 设 备 已 可 对 靶 区 的 不 确 定 性 进 行 更 精 确 的 研 究, 包 括 位 置 和 剂 量 的 验 证,, 通 过 离 线 和 在 线 两 种 方 式 进 行 校 正 目 前, 在 多 数 加 速 器 上 均 可 安 装 EPID, 新 型 的 EPID 在 进 行 位 置 验 证 的 同 时, 还 可 进 行 剂 量 分 布 的 计 算 和 验 证 目 前 CT 加 速 器 也 将 投 入 临 床 应 用 如 将 治 疗 机 与 影 像 设 备 结 合 在 一 起, 每 天 治 疗 时 采 集 有 关 的 影 像 学 信 息, 确 定 治 疗 靶 区, 达 到 每 日 一 靶, 即 称 为 影 像 学 指 导 的 放 疗 (imaging guided radio theraphy,igrt) 图 像 引 导 的 放 射 治 疗 也 是 目 前 放 疗 界 最 热 门 的 话 题, 它 包 括 CT 的 时 序 扫 描 和 治 疗 机 照 射 的 时 序 控 制 两 方 面 的 内 容, 即 除 了 考 虑 CT 扫 描 的 三 维 成 像 和 加 速 器 照 射 的 三 维 方 向 因 素 之 外, 还 考 虑 了 时 序 因 素, 因 此, 该 技 术 又 被 称 为 四 维 放 射 治 疗, 相 应 的 CT 时 序 扫 描 也 被 称 为 四 维 CT 肿 瘤 放 射 治 疗 正 在 从 三 维 走 向 四 维 CT 时 序 扫 描 通 过 截 取 患 者 在 某 一 时 段 内 不 同 时 刻 的 CT 扫 描 序 列, 利 用 三 维 重 建 技 术, 重 建 出 该 时 段 内 肿 瘤 或 重 要 器 官 三 维 图 像 随 时 间 变 化 的 序 列 由 于 四 维 CT 要 求 所 用 的 螺 旋 CT 必 须 具 备 薄 层 面 大 覆 盖 面 及 快 速 扫 描 的 能 力, 传 统 的 单 排 螺 旋 CT 显 然 不 能 满 足 要 求 因 此, 国 外 放 疗 界 目 前 普 遍 要 求 配 备 多 层 面 扫 描 能 力 的 螺 旋 CT 作 为 模 拟 定 位 机, 各 厂 家 也 相 应 推 出 了 各 自 的 产 品 西 门 子 公 司 最 新 推 出 多 排 大 孔 径 时 序 控 制 的 CT 模 拟 定 位 机 SOMATOM Sensation Open, 每 圈 扫 描 20 层 图 像,82 厘 米 机 架 孔 径,82 厘 米 重 建 显 示 区 域, 可 在 足 够 短 的 时 间 内 完 成 大 范 围 薄 层 面 肺 部 动 态 扫 描, 最 多 可 重 建 24 个 呼 吸 时 相 的 动 态 图 像, 为 图 像 引 导 的 放 射 治 疗 提 供 了 必 要 条 件 美 国 放 疗 界 的 一 个 很 明 显 的 趋 势 就 是,CT 模 拟 机 已 经 逐 渐 取 代 传 统 的 模 拟 定 位 机 为 适 应 适 形 调 强 放 疗 和 图 像 引 导 的 放 疗 的 要 求, 越 来 越 多 的 用 户 选 择 多 层 面 的 大 孔 径 模 拟 定 位 机 在 加 速 器 方 面, 加 速 器 的 控 制 计 算 机 利 用 兆 伏 级 和 千 伏 级 锥 形 线 束 CT 获 得 的 肿 瘤 或 重 要 器 官 的 三 维 图 像, 然 后 对 四 维 CT 序 列 的 三 维 图 像 进 行 比 较 后 进 行 实 时 照 射 兆 伏 级 和 千 伏 级 锥 形 线 束 CT 获 取 图 像 的 基 本 工 具 是 非 晶 硅 平 板 探 测 器, 这 种 探 测 器 兼 有 分 辨 率 高 灵 敏 度 高 及 能 响 范 围 宽 等 特 点, 可 以 监 测 照 射 野 的 形 状 与 位 置 目 前 有 人 在 IGRT 的 基 础 上 提 出 了 VGRT SGRT DGRT 三 个 新 概 念, 与 IGRT 相 结 合 完 善 了 肿 瘤 放 疗 的 自 适 应 调 整, 并 称 之 为 自 适 应 放 射 治 疗 自 适 应 放 射 治 疗 认 为 肿 瘤 的 放 射 治 疗 分 为 诊 断 医 生 开 具 处 方 制 定 放 疗 计 划 摆 位 和 放 射 治 疗 5 个 步 骤,IGRT 以 及 VGRT( 容 积 影 像 引 导 的 肿 瘤 放 疗 ) 通 过 调 整 摆 位, 增 强 治 疗 的 准 确 性, 但 是 这 只 能 纠 正 多 次 摆 位 之 间 的 差 异, 没 有 考 虑 肿 瘤 形 状 和 位 置 的 改 变,SGRT( 结 构 影 像 引 导 的 放 疗 ) 就 是 根 据 肿 瘤 的 变 化 及 时 修 订 治 疗 计 划 ; 而 DGRT( 剂 量 引 导 的 放 疗 ) 是 根 据 治 疗 时 获 得 的 入 射 剂 量 及 出 射 剂 量 以 及 三 位 影 像 进 一 步 对 处 方 进 行 修 订 预 测 通 过 平 板 探 测 器 实 现 三 维 重 建, 进 而 达 到 VGRT 的 技 术 不 久 将 成 为 现 实 ; 而 科 技 进 展 使 得 SGRT 成 为 可 能 ;DGRT 也 会 在 今 后 2~3 年 内 推 出 裂 隙 断 层 放 疗 - 孔 雀 系 统? 三 断 层 放 射 治 疗 断 层 治 疗 机 (TomoTheraphy HI-ART) 是 完 全 一 体 化 的 放 射 治 疗 系 统 ( 图 6-3-1), 可 以 实 施 传 统 的 放

229 疗 也 可 以 进 行 调 强 放 疗, 主 要 应 用 于 三 维 调 强 放 射 治 疗, 因 此 也 称 CT 介 导 的 三 维 调 强 放 射 治 疗 系 统 断 层 放 射 治 疗 系 统 的 外 表 与 CT 扫 描 机 相 似, 它 的 旋 转 机 头 装 置 类 似 于 CT 的 环 形 机 头 在 其 环 形 机 架 内 同 时 装 有 CT 扫 描 仪 和 直 线 加 速 器, 直 线 加 速 器 产 生 单 一 能 量 的 6 兆 伏 X 线, 配 有 多 叶 光 珊 它 的 MLC 叶 片 在 等 中 心 投 影 的 宽 度 为 6mm 断 层 治 疗 机 有 独 特 的 验 证 / 登 记 计 算 机 断 层 (VRCT), 可 以 在 治 疗 前 的 瞬 间 提 取 图 像, 其 图 像 能 够 清 晰 地 显 现 从 肺 到 骨 的 解 剖 结 构, 由 于 采 用 了 虚 拟 消 除 伪 影 技 术, 所 以 它 的 图 像 甚 至 好 于 一 般 的 诊 断 CT 在 使 用 断 层 治 疗 机 治 疗 时, 患 者 躺 在 治 疗 床 上, 治 疗 床 连 续 移 动 的 同 时 环 形 机 架 旋 转, 首 先 是 用 螺 旋 CT 是 获 取 患 者 治 疗 体 位 的 CT 图 像, 由 治 疗 计 划 系 统 进 行 逆 向 治 疗 计 划 设 计 直 线 加 速 器 则 同 CT 一 样 进 行 旋 转 式 治 疗, 当 机 架 旋 转 时 机 架 中 的 直 线 加 速 器 发 射 出 扇 形 光 子 束, 射 束 成 螺 旋 状 围 绕 患 者, 可 以 治 疗 大 体 积 肿 瘤 以 及 同 时 治 疗 多 个 部 位, 其 照 射 野 最 大 可 达 160cm 40cm 同 时, 多 叶 光 珊 也 在 工 作, 治 疗 床 自 动 向 头 侧 移 动 以 达 到 调 强 放 射 治 疗 目 的 另 外, 治 疗 过 程 中 穿 过 患 者 的 射 线 可 被 CT 探 测 器 收 集, 通 过 反 向 投 射 计 算, 可 以 得 出 患 者 实 际 接 受 到 的 剂 量 分 布, 以 便 在 下 次 治 疗 时 对 剂 量 作 出 调 整 它 是 当 前 市 场 上 最 多 才 多 艺 的 治 疗 机 断 层 放 射 治 疗 是 CT 介 导 的 三 维 调 强 放 射 治 疗, 它 将 直 线 加 速 器 和 螺 旋 CT 整 合 起 来, 使 治 疗 计 划 患 者 摆 位 和 治 疗 过 程 融 为 一 体 该 技 术 实 现 了 在 治 疗 中 以 CT 为 基 础 的 摆 位 而 且, 与 以 往 放 射 治 疗 不 同 的 是, 它 用 调 强 的 扇 形 射 线 束, 以 螺 旋 旋 转 的 方 式 以 360 对 肿 瘤 进 行 照 射 2003 年 7 月 开 始 治 疗 第 7 例 患 者, 截 止 到 2004 年 10 月, 在 美 国 已 有 14 台 断 层 放 射 治 疗 机 投 入 临 床 使 用, 治 疗 患 者 达 数 百 例 优 势 断 层 放 射 治 疗 是 CT 介 导 的 螺 旋 式 旋 转 的 调 强 放 射 治 疗 它 能 够 治 疗 不 同 的 靶 区, 从 立 体 定 向 治 疗 小 的 肿 瘤 到 全 身 治 疗, 均 由 单 一 的 螺 旋 射 线 束 完 成 通 过 治 疗 前 兆 伏 CT 与 计 划 比 较 一 个 连 续 的 照 射 野, 实 时 调 整 患 者 的 治 疗 体 位, 最 大 限 度 地 保 证 治 疗 体 位 和 计 划 体 位 的 重 复 一 致 性 通 过 每 次 治 疗 所 得 的 兆 伏 CT 图 像, 可 以 观 察 到 肿 瘤 剂 量 分 布 及 在 治 疗 过 程 中 肿 瘤 的 变 化, 及 时 调 整 靶 体 积 的 治 疗 计 划 图 断 层 放 射 治 疗 机 总 之, 断 层 放 射 治 疗 可 提 供 高 度 精 确 的 调 强 放 射 治 疗 和 实 时 的 位 置 剂 量 验 证, 是 影 像 介 导 放 射 治 疗 的 典 范 它 为 放 射 治 疗 医 师 开 辟 了 一 个 新 的 治 疗 平 台, 在 调 强 放 射 治 疗 发 展 史 上 占 有 重 要 地 位 四 赛 博 刀 赛 博 刀 (Cyberknife) 系 统 ( 图 6-3-2) 是 利 用 一 台 具 有 6 个 自 由 度 的 机 械 手 系 统, 将 一 台 6 兆 伏 的 单 光 子 直 线 加 速 器 抓 在 机 械 手 中, 在 肿 瘤 处 放 置 金 属 标 志, 在 X 线 的 定 位 系 统 的 引 导 下, 从 非 共 面 的 不 同 角 度 照 射 肿 瘤 机 械 手 臂 非 常 灵 活 是 该 系 统 的 突 出 特 点 赛 博 刀 系 统 可 以 用 来 治 疗 动 静 脉 畸 形 瘤 肿 瘤, 脑 部 颅 底 颈 胸 脊 柱 和 头 及 颈 部 病 变 Cyberknife 是 由 美 国 Stanford 大 学 医 疗 中 心 脑 外 科 副 教 授 约 翰 阿 德 尔 于 1992 年 研 发 的, 是 继 伽 玛 刀 之 后 一 种 最 新 的 可 以 切 除 脑 肿 瘤 的 微 创 手 术 Cyberknife 是 一 种 可 治 疗 多 种 癌 症 的 革 新 性 技 术, 操 作 容 易 方 便, 医 生 及 物 理 学 家 只 需 1 个 月 的 时 间, 便 能 学 懂 怎 样 操 作 整 个 系 统, 因 此 比 伽 玛 刀 更 实 用 我 国 暂 时 没 有 引 进 该 设 备, 只 在 美 国 及 日 本 的 7 所 医 院 应 用 1 系 统 组 成 它 是 一 种 影 像 引 导 的 立 体 定 向 治 疗 机, 可 以 治 疗 患 者 各 个 部 位 的 病 变 主 要 组 成 部 分 如 下 : 1 产 生 6 MV X 射 线 的 直 线 加 速 器 ; 2 支 撑 加 速 器 的 机 器 人, 可 以 将 加 速 器 旋 转 到 任 意 角 度 进 行 照 射, 其 位 置 精 度 可 达 1.1mm; 3 由 几 台 X 线 照 相 机 和 非 晶 硅 影 像 探 测 器 组 成 的 影 像 装 置, 在 治 疗 过 程 中 不 断 获 取 患 者 图 像 并 利 用 这 些 信 息 使 射 束 始 终 对 准 靶 区 图 赛 博 刀 工 作 间 分 布 4 赛 博 刀 的 治 疗 计 划 系 统, 它 是 唯 一 能 够 提 供 非 等 中 心 治 疗 计 划 的 立 体 定 向 外 科 系 统 并 且 还 有 逆 向 计 划 功 能

230 以 Cyberknife 来 作 放 射 手 术 的 成 功 率 可 逾 95% 手 术 后 病 人 并 不 会 发 生 如 头 痛 局 部 疼 痛 或 肿 胀 等 并 发 症 只 有 在 治 疗 那 些 生 长 在 脑 髓 附 近 的 肿 瘤 后, 病 人 或 许 由 呕 吐 现 象 出 现 临 床 应 用 Cyberknife 系 统 可 以 用 来 治 疗 动 静 脉 畸 形 瘤 肿 瘤, 脑 部 颅 底 (BOS) 颈 胸 脊 柱 (CTS) 头 及 颈 部 病 变, 特 别 在 脑 外 科 及 脊 髓 手 术 方 面 的 成 效 甚 为 显 著 此 系 统 可 用 来 治 疗 一 些 直 径 大 至 6cm 的 肿 瘤 2 工 作 间 分 布 (1) 诊 断 用 X 线 源 安 装 在 天 花 板 上 (2) 紧 凑 型 的 直 线 加 速 器 安 装 在 机 器 人 手 臂 上 (3) 非 晶 硅 影 像 探 测 器 3. 操 作 过 程 (1) 进 行 放 射 手 术 前, 医 生 首 先 会 经 CT 或 MRI 扫 描 出 来 的 病 灶 点 图 像 储 存 在 一 个 计 算 机 内, 而 追 踪 病 人 头 部 的 移 动, 则 利 用 一 套 整 合 的 X 线 影 像 处 理 系 统 (Image Process System, IPS), 其 中 包 括 两 个 矩 形 的 X 线 摄 像 机 X 线 摄 像 机 可 制 造 一 对 传 输 图 像, 这 些 图 像 由 一 对 荧 光 屏 幕 影 像 增 强 器 及 CCD 摄 像 机 摄 取 高 速 度 的 计 算 机 便 可 依 靠 分 析 这 些 图 像 数 据, 来 计 算 出 病 灶 点 的 位 置 (2) 当 手 术 进 行 时,X 线 追 踪 系 统 会 不 断 把 术 中 所 拍 摄 出 来 的 低 剂 量 骨 骼 剖 析 图 像 (Bony Anatomy) 与 先 前 储 存 在 计 算 机 内 的 病 灶 点 图 像 相 互 比 较, 以 便 决 定 肿 瘤 的 正 确 位 置, 再 把 这 些 数 据 输 送 至 机 械 臂, 使 其 可 对 准 病 灶 点 (3) 治 疗 计 划 系 统 (TPS) 通 过 所 获 取 的 脑 部 组 织 的 三 维 图 像, 计 算 出 病 灶 点 需 承 受 的 放 射 剂 量 放 射 光 束 从 不 同 的 方 向 聚 焦 至 病 灶 点, 使 病 灶 点 承 受 高 剂 量 的 放 射, 减 少 对 周 围 的 组 织 的 放 射 与 伽 玛 刀 相 比 其 特 点 如 下 Cyberknife 是 利 用 一 个 能 产 生 6MVX 射 线 重 285 英 镑 的 轻 型 直 线 电 子 加 速 器 (Linear Electron Accelerator), 而 非 利 用 钴 60 放 射 元 素 的 重 要 半 衰 期 该 系 统 设 有 一 个 三 维 机 械 臂, 并 把 加 速 器 依 附 在 机 械 臂 上 通 过 计 算 机 (UNIX 工 作 台 ) 运 算, 采 用 图 像 引 导 技 术 获 取 的 低 剂 量 三 维 放 射 图 像, 由 CT 扫 描 来 追 踪 肿 瘤 位 置, 然 后 再 以 正 确 剂 量 的 放 射 线 来 切 除 肿 瘤 此 技 术 的 准 确 率 非 常 高, 误 差 可 小 于 毫 米 这 种 技 术 称 为 CMSR(Computer Medicated Stereotactic Radiosurgery) 完 全 没 有 使 用 框 架 和 头 盔, 对 病 人 进 行 了 非 常 高 水 平 的 创 伤 治 疗, 解 除 了 病 人 的 忧 虑, 使 治 疗 手 术 更 有 效 地 进 行 六 生 物 适 形 调 强 放 射 治 疗 影 像 如 CT MRI 等 用 于 描 记 肿 瘤 靶 区 时, 由 于 肿 瘤 生 物 学 因 素 的 限 制, 照 射 野 应 完 整 覆 盖 计 划 靶 区 并 给 予 均 匀 剂 量 照 射 外 照 射 计 划 中 计 划 靶 区 内 剂 量 均 匀 的 要 求 是 非 常 传 统 和 保 守 的 更 重 要 的 是, 大 量 研 究 表 明, 在 靶 体 积 内, 癌 细 胞 的 分 布 是 不 均 匀 的, 由 于 血 运 和 细 胞 异 质 性 的 不 同, 不 同 的 癌 细 胞 核 团 其 放 射 敏 感 性 存 在 较 大 差 异, 而 如 果 给 整 个 靶 体 积 以 均 匀 剂 量 照 射, 势 必 有 部 分 癌 细 胞 因 剂 量 不 足 而 存 活 下 来, 成 为 复 发 和 转 移 的 根 源 ; 如 果 整 个 靶 区 剂 量 过 高, 会 导 致 周 围 敏 感 组 织 发 生 严 重 损 伤 另 外, 靶 区 内 与 周 围 正 常 组 织 结 构 的 剂 量 反 应 和 耐 受 性 不 同, 即 使 是 同 一 结 构, 其 亚 结 构 的 耐 受 性 也 可 能 不 同, 势 必 对 放 疗 方 案 的 制 定 产 生 影 响 早 在 1993 年 Ling 等 就 提 出 多 维 适 形 放 疗 的 观 念, 近 期 又 提 出 生 物 学 靶 区 (biological target volume,btv) 的 理 论, 根 据 这 一 理 论, 生 物 靶 区 可 初 步 定 义 为 由 一 系 列 肿 瘤 生 物 学 因 素 决 定 的 治 疗 靶 区 内 放 射 敏 感 性 不 同 的 区 域, 这 些 因 素 包 括 :1 乏 氧 及 血 供 ;2 增 殖 凋 亡 及 细 胞 周 期 调 控 ;3 癌 基 因 和 抑 癌 基 因 改 变 ;4 浸 润 及 转 移 特 性 等 这 些 因 素 既 包 括 肿 瘤 区 内 的 敏 感 性 差 异, 也 应 考 虑 正 常 组 织 的 敏 感 性 差 异, 而 且 这 些 因 素 的 作 用 均 可 通 过 先 进 的 综 合 影 像 学 技 术 进 行 显 示, 最 新 的 研 究 初 步 证 实 了 其 可 行 性 和 广 阔 的 发 展 空 间 X 线 CT 等 以 密 度 改 变 为 主 要 基 础, 主 要 反 映 形 态 解 剖 结 构 变 化, 属 解 剖 影 像 范 畴, 而 MRS PET SPECT 等 影 像 可 反 映 器 官 组 织 功 能 的 特 点, 属 功 能 影 像 范 畴 两 种 影 像 技 术 的 密 切 联 系 和 互 补 将 是 未 来 影 像 学 研 究 的 发 展 趋 势 目 前 已 经 广 泛 开 展 的 图 像 融 合 技 术 的 研 究, 正 是 这 一 发 展 趋 势 的 体 现, 在 未 来 几 年, 研 究 功 能 解 剖 图 像 的 真 正 融 合 方 法 仍 将 是 影 像 学 研 究 的 重 要 内 容 这 些 图 像 融 合 技 术 也 肯 定 能 应 用 于 放 射 治 疗 计 划 系 统 中, 成 为 多 维 治 疗 计 划 的 基 础 近 年 来, 功 能 性 影 像 技 术 有 了 长 足 的 发 展 利 用 18FDG PET 可 以 反 映 组 织 的 代 谢 情 况 ; 通 过 乏 氧 显 像 剂 如 氟 硝 基 咪 唑 可 以 对 肿 瘤 乏 氧 进 行 体 外 检 测 ; 通 过 11C 蛋 氨 酸 可 检 测 肿 瘤 蛋 白 质 代 谢 ; 通 过 18F 胸

231 腺 嘧 啶 核 苷 酸 可 检 测 肿 瘤 核 酸 代 谢 等 目 前 研 究 表 明,PET 的 应 用 可 改 变 至 少 30% 肿 瘤 的 治 疗 方 案 而 且, 随 着 CT PET 的 应 用, 大 大 提 高 了 图 像 性 能, 同 机 融 合 影 像 将 成 为 新 的 方 向 功 能 性 核 磁 共 振 (fmri) 技 术 的 研 究 也 引 人 注 目 MRS 可 以 提 供 很 多 丰 富 的 生 物 学 信 息, 包 括 水 脂 质 胆 碱 柠 檬 酸 乳 酸 激 肽 等, 使 影 像 诊 断 进 入 分 子 时 代 fmri 可 显 示 脑 功 能, 反 映 氧 供 和 血 管 生 成 状 态, 从 而 为 脑 外 科 和 脑 部 放 疗 提 供 重 要 信 息, 可 使 脑 重 要 功 能 区 得 到 最 大 程 度 的 保 护 利 用 特 殊 的 脉 冲 回 波 动 态 成 像 技 术, 可 以 扫 描 组 织 血 液 灌 注 血 脑 屏 障 渗 透 性, 不 但 可 区 分 正 常 和 肿 瘤 组 织, 还 可 评 估 肿 瘤 的 类 型 及 分 级, 预 测 和 评 价 疗 效 目 前,IMRT 的 发 展 使 放 射 治 疗 剂 量 分 布 的 物 理 适 形 达 到 了 相 当 理 想 的 程 度, 而 生 物 和 功 能 性 影 像 则 开 创 了 一 个 生 物 适 形 的 新 时 代, 由 物 理 适 形 和 生 物 适 形 紧 密 结 合 的 多 维 适 形 治 疗 将 成 为 新 世 纪 肿 瘤 放 射 治 疗 的 发 展 方 向 七 放 射 基 因 增 敏 近 年 来 随 着 人 类 基 因 组 计 划 的 初 步 完 成 及 后 基 因 计 划 的 开 展, 肿 瘤 基 因 治 疗 和 基 因 增 敏 日 益 受 到 重 视, 基 因 水 平 的 改 变 不 仅 是 预 测 肿 瘤 放 射 敏 感 性 的 重 要 指 标, 更 可 成 为 修 饰 放 射 敏 感 性 的 关 键 靶 点 放 射 增 敏 剂 可 分 为 6 大 类 :DNA 前 体 类 似 物 DNA 修 复 抑 制 剂 含 碘 化 合 物 巯 基 结 合 剂 DNA 结 合 剂 乏 氧 细 胞 增 敏 剂 理 想 的 放 射 增 敏 剂 最 好 能 满 足 以 下 要 求 :1 对 肿 瘤 细 胞 有 放 射 增 敏 作 用, 而 对 正 常 细 胞 不 增 敏 ;2 对 正 常 组 织 无 毒 性 或 毒 性 很 低 ;3 有 理 想 的 脂 水 分 配 系 数, 能 透 入 肿 瘤 细 胞 和 乏 氧 区, 而 不 分 布 或 少 分 布 到 易 引 起 毒 性 反 应 的 正 常 组 织 ;4 化 学 性 质 稳 定, 生 物 半 衰 期 适 当 ;5 在 整 个 细 胞 周 期 都 有 效 ;6 分 次 治 疗 如 2Gy 时 有 增 敏 作 用 目 前 已 有 的 增 敏 剂 还 不 能 完 全 达 到 上 述 要 求 随 着 基 因 组 计 划 的 最 终 完 成 和 基 因 治 疗 技 术 的 日 益 完 善, 基 因 增 敏 必 将 成 为 放 射 增 敏 的 重 要 形 式 同 时 也 需 要 指 出, 放 射 线 与 上 述 影 响 放 射 敏 感 性 的 基 因 及 因 子 之 间 的 作 用 是 相 互 的, 在 放 射 治 疗 过 程 中 这 些 基 因 和 因 子 的 表 达 情 况 也 会 发 生 变 化, 而 且 目 前 对 联 合 治 疗 的 临 床 疗 效 还 缺 乏 可 靠 的 评 价 手 段 在 新 的 世 纪 里, 生 物 靶 区 分 子 与 基 因 靶 区 分 子 靶 向 治 疗 分 子 影 像 学 及 物 理 调 强 和 生 物 适 形 调 强 的 进 一 步 结 合, 势 必 能 进 一 步 提 高 放 疗 的 疗 效 放 射 治 疗 新 设 备 和 新 技 术 的 发 展 已 经 给 放 射 肿 瘤 学 的 发 展 开 创 了 一 片 崭 新 的 领 域, 例 如 放 射 损 伤 较 以 往 常 规 放 疗 明 显 减 轻, 肿 瘤 的 局 部 控 制 率 增 加, 但 对 生 存 率 的 影 响 尚 待 今 后 进 一 步 研 究 形 势 要 求 放 疗 医 生 要 不 断 学 习 掌 握 新 技 术, 以 适 应 放 射 肿 瘤 学 飞 速 发 展 的 需 要 我 们 也 建 议 放 疗 医 生 在 追 求 新 技 术 和 新 设 备 的 同 时, 仍 不 能 忽 视 常 规 的 放 疗 设 备 和 技 术, 常 规 治 疗 对 我 国 的 肿 瘤 放 疗 仍 将 是 目 前 和 今 后 很 长 一 段 时 间 内 的 主 要 治 疗 手 段 第 四 节 放 射 治 疗 网 络 系 统 近 年 来 放 射 治 疗 呈 现 出 崭 新 的 发 展 趋 势, 主 要 特 征 表 现 为 精 确 定 位 精 确 计 划 和 精 确 照 射 现 代 放 射 治 疗 技 术 发 展 动 因 可 以 归 结 为 :20 世 纪 70 年 代 以 来 计 算 机 技 术 迅 猛 发 展 ;CT/MRI 等 医 学 成 像 设 备 临 床 应 用 的 普 及 ; 数 字 化 医 用 电 子 直 线 加 速 器 的 临 床 应 用 ; 高 能 X(γ) 及 电 子 辐 射 剂 量 计 算 模 型 的 逐 渐 成 熟 ;3D 剂 量 生 物 学 反 应 模 型 建 立 等 不 难 发 现, 以 计 算 机 科 学 为 代 表 的 数 字 化 技 术 是 推 动 现 代 放 射 治 疗 发 展 的 关 键 技 术, 而 数 字 化 网 络 是 其 中 的 核 心 技 术 之 一 数 字 化 网 络 技 术 在 现 代 放 射 治 疗 中 的 具 体 应 用, 就 是 在 放 射 治 疗 部 门 建 立 服 务 于 放 射 治 疗 信 息 网 络 化 管 理 的 医 学 影 像 存 档 与 通 信 系 统 (picture archiving and communication system,pacs), 实 现 诊 疗 设 备 间 信 息 共 享, 提 高 放 射 治 疗 自 动 化 和 智 能 化 水 平 20 世 纪 80 年 代 初,PACS 获 得 较 大 发 展, 但 是 由 于 成 像 设 备 厂 商 采 用 了 不 同 的 数 据 格 式, 因 此 影 响 了 不 同 厂 家 设 备 间 信 息 的 交 换 互 连 和 通 信,PACS 发 展 也 因 此 受 到 阻 碍, 正 因 如 此, 美 国 放 射 协 会 (American Coollege Radiology,ACR) 和 美 国 国 家 电 子 制 造 商 联 合 协 会 (National Elechtrical Manufacture Association, NEMA) 积 极 推 动 并 主 持 制 定 了 医 学 图 像 数 据 通 讯 协 议 及 文 件 格 式 的 标 准 DICOM3.0(digital imaging and

232 communication in medicine) DICOM RT(DICOM in radiotherapy), 是 针 对 放 射 治 疗 对 DICOM 进 行 的 扩 充, 因 此 实 现 放 射 治 疗 PACS( 以 下 称 RT PACS) 的 关 键 技 术 之 一 是 对 DICOM 的 支 持 目 前, 对 DICOM 接 口 的 支 持 已 经 成 为 许 多 放 射 成 像 和 放 射 治 疗 设 备 的 标 准 配 置, 这 既 对 设 备 制 造 商 提 出 了 要 求, 也 促 使 临 床 医 务 工 作 者 今 后 在 进 行 设 备 配 置 与 选 购 以 及 临 床 工 作 中, 对 DICOM 要 有 所 了 解 DICOM RT 的 出 现 一 方 面 是 放 射 治 疗 快 速 发 展 的 需 要, 同 时 也 从 另 一 方 面 说 明 了 信 息 技 术 在 放 射 治 疗 领 域 中 应 用 速 度 之 迅 猛 此 外, 放 射 治 疗 信 息 技 术 作 为 医 学 信 息 学 的 ; 一 个 新 的 发 展 方 向, 在 生 物 医 学 界 受 到 越 来 越 多 的 关 注, 并 且 在 生 物 医 学 应 用 研 究 领 域 的 重 要 地 位 逐 渐 得 以 确 定 本 节 主 要 介 绍 现 代 放 射 治 疗 中 的 网 络 化 技 术, 内 容 包 括 DICOM 及 其 在 放 射 治 疗 中 的 应 用 (DICOM RT) RT PACS 基 本 原 理 医 用 电 子 加 速 器 网 络 化 应 用 一 DICOM 在 放 射 治 疗 中 的 应 用 DICOMM 在 放 射 治 疗 中 的 应 用, 俗 称 DICOM RT 所 以,DICOM RT 并 不 是 一 个 新 的 标 准, 而 是 针 对 放 射 治 疗 所 涉 及 的 技 术 内 容 对 DICOM 进 行 的 扩 充, 目 的 是 对 在 放 射 治 疗 部 门 内 部 和 外 部 设 备 间 传 输 与 放 射 治 疗 相 关 数 据 的 支 持 DICOM RT 的 出 现 一 方 面 是 放 射 治 疗 发 展 的 需 要, 另 一 方 面, 也 说 明 了 信 息 技 术 在 放 射 治 疗 领 域 中 应 用 进 展 之 迅 速 此 外 还 反 映 出 放 射 治 疗 信 息 技 术 作 为 医 学 信 息 学 的 一 个 新 的 发 展 方 向, 它 在 世 界 生 物 医 学 应 用 研 究 领 域 的 重 要 地 位 和 所 受 重 视 的 程 度 ( 一 )DICOM RT 及 其 在 放 射 治 疗 中 的 应 用 1994 年 北 美 放 射 协 会 (Radiological Society of North America, RSNA ) 会 议 上, 关 于 设 备 间 放 射 治 疗 数 据 ( 内 照 射 和 外 照 射 计 划 剂 量 图 像 等 ) 传 输 的 标 准 问 题 被 明 确 提 了 出 来, 其 重 要 性 是 显 而 易 见 的, 但 是 彻 底 解 决 这 些 问 题 仅 采 用 DICOM 标 准 是 不 够 的 1994 年 RSNA 会 议 的 一 个 结 果 是 成 立 了 隶 属 NEMA 的 一 个 特 别 工 作 组 (working group), 就 是 后 来 的 第 7 工 作 组 (radiotherapy objects, 放 射 治 疗 对 象 ), 这 个 小 组 的 成 员 包 括 一 些 放 射 治 疗 设 备 制 造 商 学 术 机 构, 此 外 还 涉 及 到 了 IEC 的 成 员 在 1997 年, 根 据 工 作 组 的 11 号 补 充 报 告,4 个 DICOM RT 对 象 定 义 被 批 准, 这 4 个 DICOM RT 对 象 是 :RT 结 构 集 (RT structure set) RT 计 划 (RT plan ) RT 剂 量 (RT dose) 和 RT 图 像 (RT image ) 以 下 分 别 给 予 介 绍 1.RT 结 构 集 对 象 (RT structure set ) 包 括 与 患 者 解 剖 相 关 的 信 息, 如 组 织 结 构 标 识 点 等 中 心 等 这 些 实 体 在 CT 物 理 的 或 虚 拟 的 定 位 设 备 治 疗 计 划 系 统 等 设 备 上 是 保 持 一 致 的 2.RT 计 划 (RT plan ) 包 括 用 于 描 述 一 个 外 部 束 流 (external beam ) 和 内 照 射 (brachytherapy) 治 疗 过 程 的 几 何 和 剂 量 数 据, 如 束 流 角 度 光 阑 开 度 柬 流 调 强, 以 及 关 于 内 照 射 的 通 道 和 源 的 参 数 等 RT 计 划 实 体 可 以 在 定 位 工 作 站 上 生 成, 经 过 治 疗 计 划 系 统 进 一 步 补 充, 然 后 才 可 以 传 到 记 录 与 验 证 系 统 或 治 疗 设 备 一 个 RT 计 划 对 象 的 实 例 (instglce) 通 常 借 助 RT 结 构 集 合 对 象 实 例 对 坐 标 系 统 和 患 者 的 组 织 结 构 进 行 定 义 3.RT 图 像 (RT image) 对 锥 形 几 何 条 件 下 生 成 的 图 像 的 定 义, 如 采 用 常 规 模 拟 机 端 口 影 像 设 备 (electronic portal image device,epid) 也 可 以 是 按 照 相 同 的 锥 形 几 何 条 件 计 算 得 到 的 图 像, 如 数 字 化 重 建 放 射 图 像 (digitally reconstructed radiographs,drrs) 4.RT 剂 量 (RT dose) 包 括 由 治 疗 计 划 系 统 生 成 的 一 种 或 多 种 格 式 的 剂 量 数 据 : 三 维 剂 量 数 据 等 剂 量 曲 目 DVH 及 剂 量 点 等 5.RT 记 录 集 包 括 远 距 离 治 疗 信 息 对 象 近 距 离 治 疗 信 息 对 象 和 放 射 治 疗 综 合 记 录 信 息 对 象 ( 二 )DICOM RT 对 象 与 DICOM 对 象 的 关 系

233 患 者 访 问 检 查 检 查 访 问 RT 图 像 RT 剂 量 RT 结 构 RT 计 划 RT 治 疗 记 录 图 DICOM RT 对 象 与 DICOM 对 象 的 关 系 DICOM RT 对 象 与 DICOM 对 象 的 关 系 如 图 所 示, 为 了 解 释 DICOM RT 对 象 是 如 何 被 应 用 到 外 部 照 射 治 疗 中, 这 里 给 出 一 个 大 概 的 步 骤 以 及 其 中 涉 及 的 对 象 : (1) 思 者 经 过 凹 扫 描, 生 成 DICOM CT 图 像 检 查 (image study), 当 然 也 可 以 进 行 MR 等 其 他 检 查 (2) 采 用 DICOM 向 CT 设 备 发 出 一 个 虚 拟 模 拟 请 求 (virtal simulation application), 检 索 患 者 图 像, 进 行 虚 拟 模 拟 定 位 操 作 ; 生 成 RT 结 构 集 对 象 (RT structure set object), 其 中 包 括 肿 瘤 重 要 器 官 等 结 构 信 息 ; 制 定 相 应 地 RT 计 划, 包 括 束 流 几 何 信 息 还 可 以 生 成 RT 图 像 对 象 (RT image objects), 例 如 数 字 化 重 建 放 射 图 像 (digitally reconstructed radiographs,drrs) (3) 治 疗 计 划 系 统 (IPS) 读 取 CT 图 像 RT 结 构 集 对 象 RT 计 划, 如 果 需 要 还 可 以 增 加 束 流 调 强 描 述 参 数, 剂 量 计 算, 进 而 生 成 一 个 新 的 RT 计 划 对 象 RT 图 像 对 象 DRR 也 可 以 在 这 一 步 生 成 (4) 记 录 与 验 证 系 统 获 得 完 整 的 RT 计 划 对 象, 采 用 系 统 中 的 数 据 对 治 疗 机 进 行 治 疗 初 始 化, 或 者 治 疗 机 本 身 也 可 以 直 接 使 用 RT 计 划 对 象 采 用 EPID 可 以 生 成 验 证 图 像, 并 且 可 以 与 以 上 步 骤 中 生 成 的 DRR 进 行 比 照 (5) 在 治 疗 周 期 中, 治 疗 机 或 记 录 与 验 证 系 统 将 生 成 治 疗 记 录 对 象 (treatment record objects), 通 常 每 个 过 程 生 成 一 个 以 上 介 绍 的 过 程 仅 仅 是 个 一 般 性 的 概 述, 实 际 应 用 中 可 能 因 具 体 情 况 的 不 同 而 不 同 ( 三 ) 一 致 性 声 明 (conformance statement) 两 个 设 备 间 的 连 接 性 可 以 事 先 通 过 DICOM 一 致 性 声 明 进 行 测 评 但 是 关 于 RT 应 用 (RT application) 的 互 操 作 性 一 般 不 容 易 验 证 一 致 性 声 明 为 确 定 设 备 间 的 连 接 性 提 供 了 基 础, 当 然 也 可 以 用 来 对 设 备 间 潜 在 的 互 操 作 性 进 行 测 评, 并 且 在 某 些 情 况 下, 无 需 物 理 上 的 连 接 就 可 以 对 那 些 潜 在 性 问 题 进 行 验 证 需 要 说 明 的 是, 一 个 设 备 商 仅 仅 简 单 声 称 其 产 品 与 DICOM 保 持 兼 容 是 不 够 的, 对 于 放 射 治 疗 领 域 而 言, 互 操 作 性 是 一 个 复 杂 的 问 题, 像 本 产 品 是 DICOM 的 的 说 法 意 义 很 不 明 确 放 射 治 疗 界 应 该 要 对 任 何 宣 称 具 有 与 DICOM 或 DICOM RT 相 匹 配 的 设 备 给 出 其 一 致 性 声 明 目 前, 许 多 设 备 制 造 商 的 设 备 一 致 性 声 明 在 国 际 互 联 网 上 都 可 以 得 到 对 于 那 些 了 解 DICOM 设 备 的 工 程 师 们 来 说, 根 据 制 造 厂 商 提 供 的 不 同 设 备 的 一 致 性 声 明, 就 可 以 知 道 本 单 位 或 部 门 哪 些 设 备 可 以 进 行 互 连, 设 备 问 可 以 提 供 何 种 服 务 等 对 于 购 置 设 备 的 决 策 部 门 在 购 置 设 备 时, 如 果 必 要, 就 应 从 技 术 角 度 了 解 所 购 置 设 备 对 DICOM 支 持 的 程 度, 以 及 对 所 购 设 备 关 于 DICOM 方 面 的 性 能 指 标 的 要 求 二 RT PACS 介 绍 PACS 是 医 院 数 字 化 建 设 重 要 的 组 成 部 分 PACS(Picture Archiving and Communication System) 的 中 文 全 称 为 图 像 存 档 及 通 信 系 统, 仅 从 字 面 理 解,PACS 应 包 含 以 下 几 部 分 :(1) 可 从 各 类 成 像 设 备 中 获 取 图 像

234 (2) 可 对 各 类 影 像 信 息 进 行 在 线 近 线 离 线 归 档 管 理 (3) 通 过 网 络 技 术 实 现 影 像 的 传 输 (4) 提 供 各 类 工 作 站 ( 诊 断 工 作 站 浏 览 工 作 站 或 远 程 会 诊 工 作 站 ), 用 于 诊 断 辅 助 诊 断 教 学 科 研 及 远 程 医 疗 等 北 美 放 射 学 会 (ACR) 和 国 家 电 器 制 造 商 协 会 (NEMA) 定 义 PACS 系 统 还 包 含 与 HIS/RIS 的 接 口, 以 便 为 用 户 提 供 集 成 解 决 方 案 RT PACS 是 PACS 在 放 射 治 疗 部 门 的 一 个 缩 影, 可 以 将 其 理 解 为 一 种 微 型 PACS(mini PACS),RT PACS 网 络 物 理 结 构 见 图 图 RT PACS 的 物 理 结 构 在 放 射 治 疗 科 建 设 网 络 系 统 的 目 的 是 为 了 完 成 三 个 方 面 的 任 务 : 首 先 是 对 患 者 进 行 放 射 治 疗 的 记 录 和 验 证, 记 录 和 验 证 是 治 疗 全 过 程 的 关 键 活 动, 这 要 涉 及 在 一 些 关 键 设 备 之 间 进 行 的 实 时 通 讯 第 二 个 任 务 是 传 输 图 像, 其 中 包 括 用 于 设 计 治 疗 计 划 的 图 像 和 治 疗 时 对 患 者 定 位 验 证 的 图 像 最 后 一 个 任 务 是, 用 于 描 述 患 者 信 息 的 文 本 的 传 输 放 射 治 疗 过 程 的 记 录 和 验 证 包 括 实 时 数 据 获 取 并 传 输 可 以 到 专 门 数 据 库 服 务 器, 数 据 采 集 通 常 采 用 串 行 通 讯 的 方 式, 一 端 连 接 到 放 射 肿 瘤 科 网 络, 另 一 端 连 接 到 加 速 器 上 与 患 者 相 关 的 治 疗 信 息 不 断 被 获 取, 并 陆 续 保 存 到 专 门 数 据 库 服 务 器 中 这 种 数 据 量 不 大, 但 要 求 具 有 高 可 靠 性 目 前, 在 放 射 治 疗 科 建 设 网 络 系 统 尚 无 标 准 模 式, 根 据 网 络 作 用 范 围 的 分 类 方 法, 可 以 分 为 放 射 治 疗 科 局 部 网 络 园 区 网 络 与 广 域 网 络 三 种 网 络 方 案, 这 里 只 给 出 放 射 治 疗 科 局 部 网 络 方 案 的 介 绍 图 是 具 有 RT PACS 功 能 的 医 院 局 域 网 络 方 案 示 意 图, 网 络 的 配 置 如 下 : (1) 网 络 硬 件 交 换 机 (switche) 需 要 在 服 务 器 机 房 配 备 一 100/10Mbps 的 全 双 工 的 交 换 机 路 由 器 (routes) 为 了 减 少 医 院 网 络 其 他 功 能 ( 如 广 播 等 ) 的 影 响, 通 常 推 荐 在 放 射 肿 瘤 网 络 与 医 院 网 络 之 间 采 用 L3(1ayer3) 路 由 器 服 务 器 (severs) 对 服 务 器 的 最 低 要 求 是 具 有 100Mbps, 全 双 工 的 通 讯 能 力 (2) 服 务 器 网 卡 服 务 器 NIC 最 小 要 求 速 率 为 10/100Mbps, 原 则 上 应 为 100Mbps, 全 双 工 (3) 桌 面 工 作 站 网 卡 桌 面 工 作 站 NIC 最 小 要 求 速 率 为 10/100Mbps, 原 则 上 应 为 100Mbps, 全 双 工 (4) 电 缆 对 于 100Abps, 全 双 工 网 络 通 信, 网 线 应 采 用 5 类 线 或 更 好 的 (UTP 或 S/UTP) (5) 传 输 协 议 通 常 建 议 采 用 TCP/IP 作 为 通 信 协 议 建 议 在 放 射 肿 瘤 网 络 与 医 院 网 络 之 间 采 用 路 由 器 进 行 隔 离, 放

235 射 肿 瘤 子 网 应 尽 量 小, 为 C 类 子 网 (6)IP 地 址 IP 地 址 的 划 分 范 围, 为 可 靠 性 起 见, 所 有 关 键 设 备 应 分 配 静 态 IP 地 址, 而 其 他 设 备 可 以 使 用 动 态 主 机 配 置 协 议 (DHCP), 进 行 地 址 的 分 配 和 计 算 机 配 置 (7) 操 作 系 统 一 般 采 用 MS Windows 操 作 系 统 Win NT4 和 Windows 2000Sp2 (8) 域 对 于 网 络 通 讯, 由 于 Windows 提 供 了 点 对 点 模 式 (workgroup, 工 作 组 ), 也 提 供 了 域 模 式, 通 常 采 用 域 模 式 (9) 名 称 解 析 由 于 Windows 提 供 了 WINS 和 DNS 两 种 服 务, 通 常 两 者 都 应 配 置 (10) 其 他 软 件 应 允 许 其 他 厂 家 的 软 件 安 装 在 运 行 其 客 户 程 序 的 工 作 站 上, 但 有 些 限 制 这 些 软 件 不 能 安 装 在 关 键 设 备 上 ; 不 鼓 励 使 用 简 单 网 络 管 理 协 议 (SNMP); 不 保 证 其 他 厂 家 的 软 件 与 系 统 软 件 冲 突 (11) 数 据 保 护 为 了 患 者 数 据 库 的 安 全, 拒 绝 未 经 授 权 访 问, 进 入 患 者 数 据 库 要 受 到 严 格 限 制 由 于 应 用 程 序 具 有 访 问 数 据 库 的 功 能, 因 此, 每 个 程 序 都 必 须 拥 有 合 法 口 令 才 能 登 录 使 用 数 据 库 直 接 访 问 受 数 据 库 管 理 系 统 (DBMS) 保 护 (12) 管 理 权 限 应 用 程 序 的 安 装 和 维 护 图 医 院 局 域 网 络 方 案 示 意 图 只 有 在 授 予 管 理 员 权 限 的 情 况 下 才 能 进 行 (13) 远 程 访 问 为 了 进 行 远 程 故 障 维 修, 支 持 用 户 在 线 提 问 和 技 术 咨 询 三 放 射 治 疗 科 网 络 的 信 息 交 换 放 射 治 疗 科 信 息 网 络 中, 治 疗 计 划 系 统 以 及 CT 模 拟 定 位 信 息 与 服 务 器 之 间 的 平 滑 信 息 传 输 和 管 理 非 常 之 重 要, 目 前, 这 些 信 息 甚 至 包 括 实 现 调 强 治 疗 (IMRT) 的 动 态 多 叶 光 栅 的 信 息 将 不 同 制 造 厂 商 的 治 疗 计 划 系 统 以 及 CT 模 拟 机 等 设 备 有 机 集 成 在 一 个 放 射 治 疗 科 信 息 网 络 中, 就 要 妥 善 解 决 设 备 间 的 信 息 传 输 而 文 件 传 输 和 文 件 格 式 是 信 息 传 输 中 经 常 涉 及 的 两 个 问 题 1. 文 件 传 输 文 件 传 输 的 主 要 内 容 是 患 者 治 疗 数 据, 患 者 的 治 疗 数 据 包 括 加 速 器 参 数, 如 数 流 方 向 数 流 尺 寸 动 态 及 静 态 多 叶 光 阑 (MLC) 形 状 治 疗 床 位 置 剂 量 及 治 疗 附 件 等 这 种 传 输 可 以 通 过 采 用 DICOM 标 准 的 网 络 传 输 或 采 用 DICOM 标 准 文 件 格 式 以 磁 盘 方 式 进 行

236 2. 文 件 格 式 不 同 的 治 疗 计 划 系 统 的 文 件 格 式 可 能 是 不 同 的, 两 种 常 用 的 格 式 为 DICOM RT 与 RTPconnect, 这 里 就 这 两 种 文 件 格 式 进 行 介 绍 (1)DICOM RT 计 划 文 件 格 式 DICOM RT 对 象 在 互 操 作 方 面 扮 演 重 要 的 角 色, 但 是, 在 互 操 作 及 编 码 方 面, 有 时 并 不 是 DICOM 标 准 就 能 够 保 证 即 插 即 得 (plug and play) (2)RTP connect 文 件 格 式 RTP connect 格 式 是 IMPAC 公 司 于 1996 年 定 义 的 一 种 文 件 格 式, 目 的 是 为 了 规 范 治 疗 计 划 系 统 与 放 射 治 疗 管 理 系 统 之 间 的 数 据 交 换 1996 年, 该 文 件 格 式 升 级, 支 持 静 态 和 动 态 多 叶 光 阑 治 疗 这 种 文 件 的 一 个 潜 在 的 问 题 是, 没 有 采 用 统 一 的 刻 度 标 准 (DICOM RT 采 用 IEC-1217), 不 同 治 疗 计 划 系 统 可 能 采 用 不 同 的 坐 标 系 和 刻 度 单 位 四 RT PACS 放 疗 计 划 系 统 放 疗 计 划 系 统 是 放 射 治 疗 的 关 键 同 样,RT PACS 放 疗 计 划 系 统 是 RT PACS 系 统 的 关 键 技 术, 它 起 到 上 承 各 种 定 位 设 备, 下 启 放 射 治 疗 实 施 的 作 用, 它 的 设 计 成 功 与 否 关 系 到 整 个 RT PACS 系 统 的 成 败, 需 要 重 点 关 注 着 重 开 发 具 体 来 说,RT PACS 放 疗 计 划 系 统, 是 从 放 疗 模 拟 定 位 机 CT MRI 等 接 收 放 疗 模 拟 或 DICOM 图 像, 通 过 复 杂 的 图 像 处 理 计 算, 对 图 像 进 行 定 位 分 析 标 注 档 铅 辅 助 切 割 图 像, 辅 助 制 作 放 疗 模 具 等 ; 并 通 过 放 疗 DICOM 网 络 传 输 定 位 图 像 存 储 图 像 实 现 共 享 激 光 相 机 自 动 洗 片 和 其 它 放 疗 治 疗 计 划 系 统 相 连 接, 并 可 直 接 输 出 到 治 疗 用 直 线 加 速 器 实 施 放 射 治 疗 临 床 意 义 十 分 重 大 RT PACS 放 疗 计 划 系 统 结 合 放 疗 专 家 对 计 划 系 统 的 经 验 和 需 求, 实 现 了 放 疗 图 像 系 统 的 图 像 数 字 化 管 理 治 疗 计 划 制 定 和 辅 助 档 铅 业 务 自 动 化, 提 高 了 放 疗 临 床 的 效 率, 减 少 了 患 者 的 等 待 时 间 五 医 用 电 子 直 线 加 速 器 维 修 与 维 护 的 远 程 连 接 随 着 电 子 直 线 加 速 器 在 临 床 上 的 普 及 应 用, 其 维 修 与 维 护 是 商 家 们 关 心 的 一 个 重 要 问 题, 目 前 许 多 厂 家 已 经 开 发 出 远 程 维 修 与 维 护 模 块, 极 大 提 高 了 加 速 器 设 备 的 维 修 与 维 护 效 率 进 一 步 的 工 作 是 如 何 开 发 基 于 专 家 系 统 的 故 障 诊 断 和 维 护 系 统, 以 提 高 系 统 的 智 能 化 程 度 由 于 数 字 化 医 用 电 子 直 线 加 速 器 采 用 了 计 算 机 控 制 技 术, 使 得 远 程 维 修 与 维 护 成 为 可 能 目 前, 计 算 机 网 络 技 术 为 远 程 连 接 提 供 了 较 多 方 式 1. 直 接 共 用 交 换 电 话 网 (PSTN) 2. 远 程 服 务 连 接 方 式 远 程 服 务 连 接 也 可 以 有 多 种 方 式, 较 常 用 的 方 式 有 : (1) 共 用 交 换 电 话 网 (PSTN) (2) 综 合 服 务 数 字 网 (ISDN) 第 五 节 重 粒 子 肿 瘤 治 疗 深 部 X 射 线 钴 -60γ 射 线 加 速 器 的 X 射 线 均 为 电 磁 辐 射 粒 子, 称 为 光 子 光 子 和 电 子 因 其 质 量 较 小, 称 为 轻 粒 子 快 中 子 质 子 π 负 介 子 以 及 氮 碳 氧 氖 离 子 等, 因 其 质 量 较 大, 称 为 重 粒 子 这 些 重 粒 子 一 般 在 回 旋 加 速 器 中 产 生, 回 旋 加 速 器 是 一 种 带 电 粒 子 加 速 器, 主 要 用 于 核 物 理 研 究 放 射 治 疗 中 主 要 使 用 它 所 产 生 的 高 能 质 子 束, 或 利 用 它 加 速 氘 核 轰 击 低 原 子 序 数 铍 靶 所 产 生 的 快 中 子 束 氘 核 能 量 一 般 加 速 到 约 l 5~50 MeV 除 作 放 射 治 疗 用 途 外, 回 旋 加 速 器 还 可 用 于 生 产 医 用 短 寿 命 的 放 射 性 同 位 素

237 回 旋 加 速 器 的 工 作 原 理 如 图 所 示 它 由 一 个 具 有 高 度 真 空 的 扁 形 的 对 称 分 成 两 侧 的 D 型 盒 组 成 D 型 盒 放 入 高 场 强 的 直 流 磁 极 之 间, 两 侧 D 型 盒 加 上 交 流 高 频 高 压 被 加 速 的 带 电 粒 子 如 质 子 和 员 核 从 两 侧 D 型 盒 中 心 注 入, 在 磁 场 作 用 下, 带 电 粒 子 作 圆 周 运 动 调 整 交 流 高 频 高 压 的 频 率, 使 得 当 粒 子 由 一 侧 D 型 盒 到 另 一 侧 D 型 盒 时, 能 够 得 到 恰 当 极 性 电 场 的 加 速 粒 子 每 通 过 两 侧 D 型 盒 一 次, 能 量 得 到 增 加, 同 时 运 动 轨 道 半 径 随 着 加 大 经 过 很 多 圈 加 速 后, 粒 子 如 氘 核 的 动 能 可 达 到 30 MeV 上 述 加 速 过 程 中, 粒 子 得 到 的 能 量 是 有 限 的 根 据 相 对 论 理 论, 粒 子 达 到 高 速 度 后, 进 一 步 加 速 会 引 起 粒 子 质 量 的 增 加 粒 子 质 量 的 增 加, 会 使 其 速 度 减 缓, 进 而 造 成 与 外 加 交 流 高 频 高 压 电 场 失 图 回 旋 加 速 器 的 工 作 原 理 拍 同 步 回 旋 加 速 器 中, 由 于 采 用 了 外 加 交 流 高 频 高 压 的 频 率 调 节, 适 应 粒 子 加 速 过 程 中 速 度 减 缓 的 措 施, 克 服 了 回 旋 加 速 器 的 这 一 缺 点, 可 使 粒 子 能 量 加 速 到 更 高 重 粒 子 因 下 述 原 因, 受 到 放 疗 界 的 高 度 重 视 和 积 极 探 索 :1 以 质 子 束 和 氮 离 子 束 为 代 表, 在 组 织 内 形 成 布 喇 格 峰 型 百 分 深 度 剂 量 分 布, 以 物 理 方 式 改 善 了 靶 区 与 正 常 组 织 间 的 剂 量 比 例 ;2 以 快 中 子 为 代 表, 由 于 其 传 能 线 密 度 (LET) 值 高, 以 生 物 方 式 改 善 了 肿 瘤 组 织 与 正 常 组 织 的 射 线 效 应 ;9 以 重 离 子 为 代 表, 它 们 既 具 有 布 喇 格 峰 型 剂 量 分 布, 又 具 有 LET 值 高, 兼 备 物 理 和 生 物 的 双 重 优 势 除 质 子 外, 所 有 重 粒 子 的 LET 值 都 较 高, 故 重 粒 子 又 称 为 高 LET 射 线 除 快 中 子 不 带 电 以 外, 所 有 其 他 粒 子 都 带 电 带 电 粒 子 的 物 理 特 点 之 一 就 是 在 组 织 中 水 中 或 其 他 介 质 中 具 有 一 定 的 射 程 当 粒 子 束 射 入 介 质 时, 在 介 质 表 面, 能 量 损 失 较 慢 ; 随 着 深 度 的 增 加, 粒 子 运 动 速 度 逐 渐 减 低, 粒 子 能 量 损 失 率 突 然 增 加, 形 成 电 离 吸 收 峰, 即 布 喇 格 峰 ; 然 后 当 粒 子 最 后 静 止 时, 能 量 损 失 率 急 剧 降 为 零 一 快 中 子 治 疗 60 年 前, 加 州 大 学 的 Robert Stone 先 后 于 1937 年,1939 年 以 8MeV,16MeV 氖 核 轰 击 铍 靶, 用 产 生 的 快 中 子 束 作 放 射 治 疗, 直 到 二 战 开 始, 共 治 疗 了 226 例 肿 瘤 患 者 1948 年 他 在 总 结 已 治 疗 的 病 例 后 得 出 结 论 认 为, 因 多 数 患 者 有 严 重 的 放 射 并 发 症 而 疗 效 不 满 意 60 年 代 初, 英 国 Hammersmith 医 院 Catteral 博 士 及 其 同 事, 在 16MeV 回 旋 加 速 器 上 进 行 的 生 物 试 验, 导 致 了 1966~1969 年 快 中 子 治 疗 的 恢 复, 到 1969 年 共 收 治 了 700 例 患 者, 疗 效 令 人 鼓 舞 此 后, 在 欧 美 日 等 国 的 20 多 台 设 备 上 开 展 了 快 中 子 治 疗 放 疗 用 的 快 中 子 要 求 其 能 量 至 少 在 14MeV 以 上, 因 为 14MeV 快 中 子 束 在 水 中 百 分 深 度 剂 量 曲 线 和 钴 -60γ 射 线 近 似 相 同, 同 时 要 求 剂 量 率 在 治 疗 的 距 离 处 达 到 10~15cGy/min 以 上 有 两 种 类 型 的 中 子 设 备 可 以 产 生 快 中 子, 即 回 旋 加 速 器 和 D-T 中 子 发 生 器 前 者 产 生 中 子 的 能 量 剂 量 率 都 能 满 足 放 射 治 疗 的 要 求, 设 备 较 庞 大 ; 后 者 体 积 小 灵 活, 但 中 子 产 额 低 靶 寿 命 短, 用 于 放 疗 比 较 困 难, 目 前 已 经 放 弃 快 中 子 治 疗 面 临 的 主 要 问 题, 是 它 的 百 分 深 度 剂 量 与 钴 -60γ 射 线 的 类 似, 比 较 低 ; 晚 反 应 组 织 的 相 对 生 物 效 应 较 大 因 此, 快 中 子 治 疗 深 部 肿 瘤 时, 不 可 避 免 地 要 造 成 晚 反 应 组 织 的 严 重 损 伤 目 前 有 两 种 途 径 可 以 改 进 中 子 治 疗 的 剂 量 分 布 : 增 加 快 中 子 的 能 量 ; 使 用 硼 中 子 俘 获 治 疗 1. 中 子 刀 工 作 原 理 中 子 刀 如 图 所 示 该 设 备 的 主 要 工 作 原 理 是 预 先 将 施 源 管 安 放 到 肿 瘤 部 位, 通 过 光 定 位 技 术, 将 管 道 与 肿 瘤 的 空 间 位 置 关 系 在 大 型 计 算 机 工 作 站 上 进 行 重 建, 医 生 与 放 射 物 理 师 合 作 根 据 以 上 信 息, 将 放 射 源 准 确 送 到 患 部, 进 行 照 射, 从 而 达 到 杀 灭 癌 细 胞 的 目 的 2. 主 要 系 统 构 成 系 统 主 要 由 : 治 疗 计 划 系 统 贮 源 罐 放 射 源 驱 动 控 制 系 统 辐 射 监 控 系 统 等 几 部 分 构 成 : 治 疗 计 划 系 统 : 将 来 自 于 扫 描 等 的 图 像 信 息 进 行 三 维 重 建, 了 解 放 射 剂 量 的 分 布, 并 进 行 优 化 设 计, 使 肿 瘤 组 织 得 到 最 大 限 度 地 杀 灭, 正 常 组 织 得 到 保 护

238 贮 源 罐 : 用 于 贮 存 锎 中 子 放 射 源 驱 动 控 制 系 统 : 计 算 机 控 制 将 锎 源 准 确 送 到 肿 瘤 部 位 进 行 照 射 辐 射 监 控 系 统 : 用 于 监 测 锎 源 的 运 行 情 况, 并 预 防 放 射 源 泄 露 二 π 介 子 治 疗 60 年 代 初,Fowler 教 授 建 议 使 用 π 介 子 治 疗 肿 瘤 当 π 介 子 接 近 射 程 的 末 端 时, 被 组 织 中 的 原 子 核 俘 获, 释 放 大 量 的 能 量, 形 成 所 谓 的 星 形 (star formation) 剂 量 分 布 用 于 放 射 治 疗 的 π 介 子 束 的 能 量 最 好 为 60~80MeV, 束 流 强 度 为 10 7 ~10 8 s -1, 在 高 强 度 的 加 速 器 上 才 能 得 到 由 于 π 介 子 治 疗 疗 效 并 不 优 于 常 规 的 X 射 线 治 疗 而 被 停 止 用 于 治 疗 图 中 子 刀 系 统 三 质 子 治 疗 1946 年 Wilson 首 先 考 虑 用 质 子 治 疗 的 可 能 性 直 到 1954 年 才 在 瑞 典 的 Uppsala 大 学 安 装 的 同 步 回 旋 加 速 器 上 开 始 治 疗 用 质 子 治 疗 癌 症 日 益 受 到 人 们 的 重 视, 最 引 人 嘱 目 的 是 美 国 洛 杉 矾 的 Loma Linda 的 质 子 治 疗 中 心 如 果 该 中 心 的 所 有 治 疗 室 全 部 被 使 用, 该 中 心 每 年 可 用 质 子 治 疗 约 1000 例 患 者 E45I 到 1997 年 底, 全 世 界 单 用 质 子 治 疗 的 总 人 数 大 约 为 例 Loma Linda 治 疗 中 心 及 其 他 质 子 治 疗 部 门 的 经 验 揭 示, 质 子 治 疗 极 有 可 能 成 为 放 射 治 疗 的 一 种 常 规 治 疗 手 段