MM50电子回旋加速器性能及临床应用的探讨

仪器原理

ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＴＨＥＯＲＹ

ＭＭ５０电子回旋加速器性能及临床应用的探讨

杨晓霞

（第三军医大学大坪医院

重庆市

４０００４２）

摘要关键词

阐述ＭＭ５０跑道式电子回旋加速器基本原理、基本结构及技术特性，探讨其在临床放射治疗中的应用。

ＭＭ５０；电子回旋加速器；调强放射治疗

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００３－８８６８（２００６）１０－００７３－０３

中图分类号：ＴＨ７７４

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭＭ５０ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎ

ＹＡＮＧＸｉａｏ－ｘｉａ

（ＤａｐｉｎｇＨｏｓｐｉｔａｌ，ｔｈｅＴｈｉｒｄＭｉｌｉｔａｒｙＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４２，Ｃｈｉｎａ）

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＭＭ５０ｒａｃｅｗａｙｅｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎ．Ｉｔｓｃｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

ＫｅｙｗｏｒｄｓＭＭ５０；ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎ；ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ１

引言

放射治疗是一种肿瘤局部治疗方式，在各种肿瘤治疗方式中处于重要地位，已成为现代肿瘤治疗的三大主要手段之一，据统计约７０％的肿瘤患者需要进行放射治疗［１］。尽管放射治疗的疗效在不断提高，但肿瘤未控和远处转移仍然是肿瘤放射治疗失败的主要原因，故人类一直在探索和寻找更有效的放射治疗设备及相应的技术，以提高肿瘤的局部控制率，降低正常组织的放射损伤，尽而最终达到提高肿瘤放疗的治疗比和提高肿瘤患者生存质量的目标。调强放射治疗（ＩＭＲＴ）是由Ｂｊａｒｎｇａｒｄ［２］、Ｋｉｉｅｗｓｋｉ［３］、Ｃｈｉｎ［４］等于２０世纪７０年代末８０年代初提出来。这项技术的提出为达到这一目标翻开了崭新一页，因此，被公认为百年放射治疗史中革命性的进步，是２１世纪放射肿瘤学发展的方向［５］。

放射治疗的工具主要有３类：（１）产生光子、电子、质子、中子及其它重粒子射线的各种带电粒子加速器；（２）装有各种同

２５２位素（如１９２Ｉｒ、Ｃｆ等）的后装治疗机；（３）装有６０Ｃｏ源的钴治疗机

医用电子回旋加速器。它是以跑道式电子回旋加速器作为射线源，提供７．５￣５０ＭｅＶ电子射线和１０￣５０ＭＶ光子射线，以程控扫描系统控制射束。因采取磁偏转控制电子束击靶方向，可以产生强度不同、方向各异的Ｘ射线笔形束，以及电子束扫描产电子生强度不同的电子射线笔形束，故使该机既具有Ｘ射线、线的强度调制功能，也可同时进行Ｘ线和电子线的三维适形调强治疗。所以，从功能上讲，ＭＭ５０电子回旋加速器是代表了新一代的三维调强适形放射治疗机［７］。

２基本设计原理

普通电子回旋加速器用单个谐振腔加速电子。电子每转

一圈加速一次，受谐振腔能建立起来的最高场强的限制，电子每次加速的能量增益仅有１～２个静止能量。要把电子加速到几十ＭｅＶ，需要转几十圈。随着圈数的增多，导致电子流强度下降，可能发生共振而失去稳定性。ＭＭ５０跑道式回旋加速器电子轨迹是一组相切于驻波腔链轴线，由小到大的闭合跑道形曲线，如图１所示。也可以认为是采用多腔结构的电子直线加速器作电子回旋加速器中加速电子的部件，以替代原有的单个谐振腔。这种结构可以把每次加速电子的能量增益提高到加速腔放在没有磁铁的自由空间，磁极几ＭｅＶ，甚至几十ＭｅＶ。

间隙的高度只需考虑电子流的通过，缩小了磁铁的尺寸，由于提高了每次加速的能量增益，实际的轨道磁感应强度已接近磁铁的饱和值，使磁铁效率得到显著提高。在满足同步谐振、相稳定及空间聚焦稳定等电子回旋加速的基本条件下。电子由外置电子枪经磁偏转注入到加速段，经过优化的加速腔结构使电子以光速多次通过加速段时都能得到加速，这样给出恰当的偏转磁场值，就可以使不同轨道上的电子，在同一引出位置偏转相同的角度，实现不同能量的电子在同一轴线上引出。跑道式电子

图１

跑道式电子回旋加速器原理图

和γ刀等。目前，全球放射治疗专用加速器已近６０００台，使用的射线能量多为ＭＶ级，加速模式分一过式加速和循环式加速

２种。在各种用于放射治疗的医用加速器中，属于前者的电子

直线加速器和属于后者的电子回旋加速器各有其特点：电子直线加速器能量输出性能好，制造技术成熟，是用于放射治疗的主流机型，在常规放疗设备中占绝对优势。１９４４年，前苏联学者Ｖ．Ｉ．Ｖｅｋｓｌｅｒ首先提出了电子回旋加速器原理，１９４８年第一台４．８ＭｅＶ的电子回旋加速器在加拿大建成，我国在２０世纪５０年代开始研究，并在清华大学加速器研究室建成了一台用于教学的能量为２．５ＭｅＶ的电子回旋加速器。它的建造为１９８４年建成的２５ＭｅＶ供辐射剂量标准用的电子回旋加速器积累了一定的经验［６］。电子回旋加速器是通过改变倍频系数的方法，保证电子谐振加速的回旋式谐振加速器。电子轨道随能量增高而扩大，形成以加速腔为共点的直径递增的多圈圆轨道，其具有诸如能散度小、发散角小、能量的稳定度高和大范围内能连续精细调节能量等独特的性能。

ＭＭ５０（ＭｅｄｉｃａｌＭｉｃｒｏｔｒｏｎ５０ＭｅＶ）是比利时ＩＢＡ公司生产的

医疗卫生装备・２００６年第２７卷第１０期

・ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ２００６Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１０７３

仪器原理

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回旋加速器靠调节磁铁间的距离，加速电场强度和轨道磁场来满足谐振加速条件，由于以上参数可以灵活调整，所以在电子轨道保持不变的条件下，可以大范围地、连续地调节引出电子的能量。

统。剂量监测探头由８对电离室组成，安装在初级准直器下各电极探方。位于射野中心的电离室，监测和控制输出剂量。测的扫描基束剂量信号经计算机分析，可以准确定位扫描基束并实时控制扫描偏差。在扫描调强照射中，若计算机分析积分剂量数据发生偏差，设备中的验证系统可随时终止照射和采取补偿措施纠正己发生的偏差。在监测电离室下方安装有射野影像系统，通过光学反射镜，对射野进行视频监控。监控功能包括：多叶准直器显示的射野大小和形状，射野灯投影显示的病人皮肤射野位置，以及靶区在照射过程中的运动情况。如果在患者靶体积内置标记，射野影像系统可实时验证患者的治疗体位和移动。

３基本结构及技术特点３．１加速器系统

粒子加速系统是ＭＭ５０治疗系统的核心，与ＭＭ２２回旋加速器不同的是ＭＭ５０采用跑道式轨道加速。它是在一台５ＭｅＶ

电子直线加速器的基础上建造的，直线加速器安装在一对主磁铁之间，电子从一端注入后，直线加速器需要精确调谐的高低能量微波信号第一次通频３ＧＨｚ信号，调整驻波以加速电子。

过微波振荡器发生，然后这一信号通过速调管两极放大到速调管调制器驱动最后的带高压５ＭＷ，并输送到直线加速器。

脉冲的速调管与系统中稳定脉冲同步，于是加速电子经直线加速器加速５ＭｅＶ射出。如果需要更高能量，则由主磁铁产生的强磁场引导电子束返回直线加速器，进行反复加速。电子束每通过一次直线加速器，其能量就提高５ＭｅＶ，这一独特的粒子轨道系统确保电子束有非常窄的能谱和最大的能量（如

３．４机械性能

多叶准直器和治疗床等。机ＭＭ５０机械部份主要包括：机架、

架旋转范围大于３６０°，机架等中心精度在１ｍｍ为半径的球以内，等中心高度为１２８ｃｍ。多叶准直器采用２×４０叶片，双聚焦，单叶独立程控，在标准治疗条件下：叶片等中心处投影宽度为ｌｃｍ，等中心处最大射野为４０ｃｍ×４０ｃｍ，叶片运动速度为１０ｍｍ／ｓ。为了实现电子适形调强以及混合束照射技术，需要光子与电子通用的准直器。根据蒙卡模拟计算分析的结果，优化设计影响电子线散射的各项参数，使电子射束通过多叶准直器后，剂量学特性仍故与其他医用加速器符合要求，故完全取代传统的电子限束筒。

不同的是，多叶准直器在ＭＭ５０中只用来构成射野的形状，不参与射束的调制。治疗床由铜合金制成，最大承重１３５ｋｇ，等中心精度±１ｍｍ。床运动及控制与直线加速器无异。

５０ＭｅＶ）。随着能量不断提高，电子束轨道相应扩大，形成跑道

式回旋加速轨道，当预定能量达到后，电子束被引出，经传输系统导入旋转机架中。

３．２线束优化系统

由电子枪发射的电子，通过加速管转换产生的电子束和

均整，调制成适打靶后产生的Ｘ射线，都需要进行射束扩展、

合于临床治疗的均匀射野。在射束路径中安装的靶、均整器、准直器等调制器件，将降低射线的强度，并改变射束的能谱，使射束质量恶化。高能射线产生光核反应，还将造成次生放射性污染。ＭＭ５０治疗机通过采用射束扫描系统、优化靶设计、设置净化磁铁以及机头充氦等技术，优化和改善射束质量。

首先，磁场扫描系统包括２对扫描电磁铁，上磁铁控制Ｇ－

３．５控制系统

研究ＭＭ５０控制系统有４种不同的操作模式即：临床模式、

模式、剂量测定系统的校准模式和线束调准模式。前２种也可统称为患者治疗模式，临床模式用于标准的患者治疗，研究模式也用于患者的治疗，不同的是它涉及到新的放射治疗技术。例如：动态多叶准直器或电子窄束扫描实现的调强治疗技术。瑞典Ｅｌｅｋｔａ公司Ｐｒｅｃｉｓｅ加速器治疗系统称该模式为高级治疗模多叶式。后２种模式也可统称为维修模式，其中靶区几何形状、准直器、剂量测定、线束形成、以及加速器参数，都可以通过计算机设定、调整，并在治疗过程中进行检验核实。

Ｔ方向扫描，下磁铁控制Ａ－Ｂ方向扫描。在几微秒时间内最大

扫描面积，可达到５０ｃｍ×扫描磁场由计算机按照调制要５０ｃｍ。

求计算出的扫描模式图进行程控。由传输系统进入的电子束脉冲，在扫描磁场的作用下，将准确导入预定的射野坐标位置。扫描周期的积分结果就是调制达成的强度分布。采用磁场扫描进行射束调制，其灵活性和准确性都优于传统的器件调制，从而可以完全消除调制器件对射束的不良影响。其次，

４４．１

临床应用

高能电子线治疗

高能电子线治疗主要用于表浅部病变，是由于电子线的

百分深度剂量分布随电子线能量的改变有很大变化，随射线能量增高电子线的临床剂量学优势逐渐减弱，表现为深度剂量下降趋缓以及向散射增加。因此，使用能量一般在１８ＭｅＶ以下。此外，电子线治疗通常需要制作个体化的铅挡块，也阻碍了电子线治疗的广泛应用。ＭＭ５０提供最高能量达５０ＭｅＶ的电子线。它以笔束扫描合成射野，使射野剂量分布显著改善。可以直接使用多叶准直器，使照射变得更加方便。采用这种技术可做任何深部肿瘤的照射。典型的治疗方式是两野对穿照射，适用于许多深部肿瘤。例如，膀胱癌常规用Ｘ射线四野或三野照射，而用高能电子线两野对穿，剂量分布良好，与质子扩峰照射相似［９］。

Ｘ射线治疗时，使用较窄的扫描基束，采用的是低原子序数铍钨薄靶，可使束流半高宽降到３ｃｍ以下。为进一步消除电子污染，在靶下还设置了高场强磁铁，对Ｘ射线进行净化，免受电

子及正电子的污染，以减少表面剂量，同时又起着一级准直器的作用。而来自空气散射的污染，包括电子射线的多次散射和光子散射的康普顿散射。实践证明，充氦可以有效地减少电子散射和光子康普顿散射，并减小电子半影和Ｘ线的电子污染。ＭＭ５０机头从真空窗至多叶准直器（ＭＬＣ）底端，均充以氦气取代空气。这些净化措施使ＭＭ５０射束成为临床使用的最纯净的电子和光子射线。

［８］

３．３剂量和射野监测系统４．２

ＭＭ５０治疗头内设有射束剂量监测和射野影像监控系

Ｘ射线和电子线混合照射

ＭＭ５０独特的治疗头设计使光子和电子在同一个等中心

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点结合，通过改变多叶准直器叶片的位置达到适形。高能光子束增加了最大剂量深度，剂量建成区变深而减少入射点剂量，减少靶区前的照射剂量，大大降低了正常组织的损伤；高能电子束，在靶区后末端发散接近于零，最大程度的减少靶区后正常组织的损伤，当电子束与光子束在同一照射野联合使用时，形成靶区高剂量，靶区前后低剂量，形成类似于质子束的Ｂｒａｇｇ峰，而保护靶区前后的正常组织。因此，ＭＭ５０采用逆向计划设计调强Ｘ射线和电子线混合照射，可以更好地满足特殊剂量分布的需要。显然，具有广泛选择性的Ｘ射线和电子线混合照射，是应对临床复杂照射技术挑战的有力武器。Ｘ射线和电子线通用准直器及相应的电子线优化设计保证了良好的线束特性，使Ｘ射线和电子线混合照射不仅技术可靠，而且操作相对简便。临床上Ｘ射线和电子线混合照射技术用于达到以下目的：首先是改善电子线剂量分布，包括同方向叠加降低皮肤量，楔形Ｘ射线侧野增加电子线野远剂量下降梯度，以及叠加Ｘ射线窄束缩减深部半影等。其次是解决一些特殊部位的照射。例颈部）靶区的侧野照射；乳腺如：头颈部照射不同深度（鼻咽部、

癌胸壁切线野与内乳野的结合［１０］；各种补充照射及局部剂量提升等。

ＭＭ５０适用于装备在大型放疗中心，才能充分发挥其技术与效

能潜力，不仅可为大规模病人提供高质量的光子和电子放疗，还可以开展照射技术的实验性研究。优良的射线质量以及所承载的各种先进放射治疗技术，无疑为肿瘤临床和研究放射治疗提供了新的工具。尽管ＭＭ５０所产生的射线能量选择范围宽，临床剂量学性能也较好，但就临床应用而言，ＭＭ５０射线与其它加速器射线的差别幅度不大，远不如ＭＶ射线对ｋＶ射线的差别。其射线的特性不足以显著影响肿瘤患者体内的剂量分布，加之昂贵的购置、维修和维护费用。因此，希望采用ＭＭ５０如同ＭＶ射线取代ｋＶ射线那样，带来肿瘤治疗效果的显著提高，以及普及使用是不太现实的。

随着临床肿瘤、放射物理、放射生物工作者对放射治疗技呼术的临床和研究工作的深入开展，针对肿瘤靶区体积勾画、吸运动等对放射治疗造成的影响，对各种放射治疗设备又有了更高更新的要求。得益于近年来计算机、影像等技术的飞速影像检查设备、三维治疗计划等整合发展，使得放射治疗机、

成一体的放射治疗系统脱颖而出，此类设备将作为一种新的武器运用于肿瘤治疗领域。尽管放射治疗机的设计者们都非常努力地在不断提升设备的技术性能，但任何放射治疗技术都不可避免地会给患者带来一些负面的影响。如何完善放射漏射线引起的生物效应的治疗设备的功能？如何真正减少散、

改变？如何进一步整合以提高放射治疗设备的性价比？诸如此类的问题都有待于进一步探讨。

参考文献

１２３４

殷蔚伯，谷铣之．肿瘤放射治疗学．北京：中国协和医科大学出版社，

４．３调强适形治疗

ＩＭＲＴ拥有多种实现方式，诸如：多叶准直器（ＭＬＣ）动态调

强、独立准直器的静态调强、电磁扫描调强等。ＭＬＣ静态调强、调强技术是实现复杂剂量分布的手段。当前，普遍采用的调强闭来控制调制射束，ＭＬＣ调强存在技术是基于ＭＬＣ的叶片开、

叶缘散射、漏射等影响剂量，调强照射中的过多间歇导致积分剂量增加，还可能影响其生物效应。ＭＭ５０采用射束电磁扫描调强，其ＭＬＣ仅用于射野边界控制，不参与场强调制，可避免

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ＢｊａｒｎｇａｒｄＢＥ，ＫｉｊｅｗｓｋｉＰＫ，ＰａｓｈｂｙＣ．ＤｅｓｃｒｐｔｉｏｎＯｆａｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎ－ｔｒｏｌｌｅｄｍａｃｈｉｎｅ．ＩｎｔＪＲａｄｉａｌＯｎｃｏｌＢｉｏｌＰｈｙｓ，１９７７（２）：１４２

ＫｉｊｅｗｓｋｉＰＫ，ＣｈｉｎＬＭ，ＢｊａｍｇａｒｄＢＥ．Ｗｅｄｇｅ－ｓｈａｐｅｄｄｏｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｂｙｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｍｏｔｉｏｎ．ＭｅｄＰｈｙｓ，１９７８（５）：４２６￣４２９ＣｈｉｎＬＨ，ＫｉｊｅｗｓｋｉＰＫ，ＳｖｅｎｓｓｏｎＣＫ，ｅｔａｌ．Ｄｏｓｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｇａｎｔｒｙｒｏｔａｔｉｏｎ，ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｍｏｔｉｏｎａｎｄｄｏｓｅ－ｒａｔｅｖａｒｉａｔｉｏｎ．ＩｎｔＪＲａｄｉａｔＯｎｃｏｌＢｉｏｌＰｈｙｓ，１９８３（９）：７２３￣７２９５６７８９

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ＭＬＣ调强方式带来的影响。电磁扫描调强由治疗计划计算机

根据基束剂量数据，计算出实现预定剂量分布的扫描模式，传给治疗机执行。

用高能Ｘ线进行ＩＭＲＴ治疗，因次级电子射程长，半影较宽，可能影响紧邻靶区的危及器官受量，此外，光核反应产生的感生放射性，对生物效应有影响，需要做剂量调整。ＭＭ５０放射治疗系统７．５￣５０ＭＶ各档Ｘ线能量都可以进行扫描调强，为临床治疗提供了广泛的选择性。它产生的Ｘ射线和电子线的笔型束，具有利用率高且治疗时间短的突出优点，而且可实现电子束、光子束的调强治疗。能够提供高质量的能量束流，窄能谱能量单一的高能光子束和高能电子束，利用电子束的电磁偏转，实现方向可变、强度各异的光子束和电子束的调强笔型束的扫描式照射。笔型束技术使每个照射野的平坦度达到最佳，唯有笔型束才能完成电磁扫描调强。电磁扫描偏转扫描技术是实现调强治疗的最好方法。临床上特别适合解剖结构复杂、肿瘤形状奇异、多靶点的肿瘤的治疗。

［１２］

［１１］

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５结论

１０ＭｉｋａｅｌＫ，ＢｊｏｒｎＺ．Ｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎａｎｄｐｈｏｔｏｎｂｅａｍｓｗｉｔｈａｍｕｌ－ｔｉ－ｌｅａｆｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ．ＲａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙａｎｄＯｎｃｏｌｏｇｙ，１９９３，２９（４）：３１７￣３２６１１ＢｌｏｍｑｕｉｓｔＭ．Ｓｃａｎｎｅｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒ５０ＭＶｐｈｏｔｏｎｓ．ＰｈｙｓＭｅｄＢｉｏｌ，１９９８，４３（５）：１１８５￣１１９７

１２ＬｉｎｄＢ，ＢｒａｈｍｅＡ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｒａｄｉｏ－ｔｈｅｒａｐｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．ＩｎｔＪＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔＴｅｃｈｎｏｌ，１９９５（６）：３３￣４２

（２００６－０１－０４

收稿）

ＭＭ５０医用电子回旋加速器，集成了先进的电磁扫描式调

强照射技术，它是放射治疗用电子回旋加速器高级产品的代表效率之一。就其基本设计原理和结构而言，是一种加速性能好、高、结构紧凑的设备，其产生的束流可以供多个放射治疗室使用。考虑到病人放射治疗占用的机时中，照射时间少于１／３，多室分时治疗无疑是提高效率、降低成本的有效方法。显然，

医疗卫生装备・２００６年第２７卷第１０期

・ＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪｏｕｒｎａｌ２００６Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１０７５