肿瘤放射治疗设备的发展(综述)

肿瘤放射治疗设备的发展

魏党

放射治疗设备是利用电离辐射对肿瘤进行治疗的装置，主要有γ刀、电子直线加速器、近距离放疗设备和通过计划系统完成的三维适形调强放疗仪等。近距离放疗是将封装好的放射源，通过施源器或输源导管植入患者的肿瘤部位进行照射[1]，或是将细针管插植于肿瘤体内导入射线源实施照射的放疗技术；而调强适形是通过改变射束剖面强度分布，达到形状适形和剂量适形的放疗技术。

一．发展概述

恶性肿瘤是我国居民主要死亡原因之一。目前人类对恶性肿瘤还没有特效治疗方法，放射治疗、化学药物治疗和手术治疗是现阶段治疗肿瘤的三大手段。约有70％的肿瘤患者需要进行放射治疗；治疗时各种不同类型的射线穿过机体，会受肌体中大量存在的水分子的阻挡，其射线的能量可以使水分子电离或激发，形成正、负离子，进而生成活泼自由基或强氧化剂，使细胞中的DNA、RNA等分子键断裂，最后导致细胞变形、遗传基因改变或死亡。放射治疗除了与临床肿瘤学、放射物理学和放射生物学有关外，放射治疗设备的发展起了非常重要的作用；放疗设备是利用电离辐射对肿瘤进行治疗的装置。从1895年伦琴发现了X线后不久就开始了放疗技术。其发展过程大致为：

1. 1898年天然放射性核素镭分离成功；1913-1937年各种能量的X射线管研制成功，为早期的放射治疗提供了两种辐射源-镭源（226Ra）和X射线治疗机，它们产生的放射能量均在千电子伏（keV）范围，而相应的X线管电压在kV范围。所以1896-1950年这一时期放疗叫“kV”阶段。

2. 1951年至今，放射治疗的放射能量进入到“MV”阶段。

通过反应堆生产出人工放射性核素钴-60（60Co）后，在1951年加拿大人首先产生出60Co 治疗机。1948年后各种医用加速器研制成功，加速器可以产生电子束、X线束。最早在1951年电子感应加速器应用于临床。1953年电子直线加速器应用于临床。1970年电子回旋加速器应用于临床。其辐射能量达到MeV范围，治愈率比“kV”阶段有了显著提高。

我国在20世纪60年代开始制造钴-60治疗仪，是当时主要放疗设备，发射γ射线，其能量相当于3～4MV的X线。其特点是：γ射线皮肤剂量低，穿透力强，深部剂量高，适合深部肿瘤治疗；骨组织吸收量低，适合于骨肿瘤治疗及骨旁病变的治疗。γ射线主要是向前散射，旁向散量少，降低了全身剂量，全身反应轻。缺点是装源量小，半衰期短，需要定期

更换钴源。60Co治疗设备可分成固定式、旋转式和γ刀三种。目前各级医疗单位采用的60Co 治疗机80%以上是国产机。

1951年瑞典神经外科学家Lars Leksell提出立体定向放射手术概念[2]。利用立体定向三维定位的方法，把高能射线准确的汇聚于颅内病灶，以达到外科手术切除或损毁病变的治疗效果。1967年，Lars Leksll等研制出了第一代γ刀，将179个60Co源按不同角度排列在半球面上，通过准直器将179束γ射线集于靶点上，经照射后的靶点坏死组织边界清晰，如刀切的一般，所以叫γ刀。1988年第三代γ刀问世，把201个钴源在空间按一定的要求分布，根据病灶情况，计算机控制各个钴源的开闭，完成对病灶立体定位放射治疗[3]。1997年我国深圳奥沃公司研制的头部旋转式γ刀，由30个60Co源组成，可提供等中心旋转照射，等效于许多个钴源，每个准直器可以随时调变，只用一个头盔。

3. 立体定向适形放射治疗技术。20世纪70年代由BIAMGARD等提出。90年代中期研制成适形放疗设备应用于临床肿瘤治疗。适形放疗给予肿瘤非常高的放射剂量对周围正常组织放射量很低，减少放射导致的早期和后期放射损伤，是放疗史上一个重大进步[4]。

4. 随着科学技术的飞速发展，放射治疗已经进入了一个令人振奋的时代———三维适形调强治疗（Three Dimensional conformal radiation therapy，3DCRT）时代。利用先进的科学技术设备，在提高对肿瘤杀伤效应的同时，减少正常组织的损伤，即提高肿瘤放疗的治疗比。实现这一过程有赖于先进的放疗和影像设备的应用。随着影像学的发展如PET、fMRI、MRS，分子显像，基因显像等，放射治疗将个体化[5]。肿瘤放射生物学研究如时间-剂量，放射效应预测指标，放射增敏剂，放射防护剂特别是放射治疗与化疗的综合治疗都将提高恶性肿瘤患者的生存率及生存质量[6]。

二．近距离放射治疗设备

放射治疗设备按照射方式可分为两种，体外远距离照射用放疗仪及在人体体腔内或组织间照射用的近距离放疗仪。近距离放疗设备是指将封装好的放射源经人体腔道放在肿瘤体附近或表面，或是将细针管插植于肿瘤体内导入射线源实施照射的放疗技术总称。这种方法由于治疗距离近，贴近肿瘤组织，降低了肿瘤周围正常组织的放射损伤，又叫内照射。

1892年12月，居里夫妇发现了镭，1904年用于治疗皮肤恶性肿瘤，开创了近距离放疗。由于放射防护比较困难，使得近距离放疗发展缓慢。1980年以来，近距离治疗后装技术的发展和完善，使得内照治疗得以复兴。

后装技术（after loading）是指先把不带放射源的施源器放入治疗部位，再以手工或机械的方法，在有屏蔽的条件下，将贮源器内的放射源送到施源器中实施照射的治疗技术。

常用的产生γ射线的放射源有钴-60（60Co）、碘-125（125I）、铱-192（192Ir）、铯-137（137Cs）等；用作中子辐射的放射源有锎-252（252Cf）；作为敷贴治疗用的发射β射线的放射源有锶-89（89Sr）[7]。

现代近距离后装机的特点是：有计算机控制的遥控步进微型源，按参考点预设定剂量，计算各驻留点驻留时间，经优化处理后，得出理想的剂量分布；完全自动的照射方案，自动进源和准确定位，假源核定治疗位置，容易、安全迅速换源，源的衰减可自动校正[8]。这种后装机技术，降低了医务人员的受照剂量，提高了摆放精度，减轻了病人痛苦。

近距离遥控后装机由放射源、贮源器、管道、驱动机构、施治器、控制台、治疗床等组成。其放射源参数包括放射性核素的名称、活度、形状、活性区尺寸、外形尺寸等，贮源器分为供运输或暂时存放用的运输贮源器和在治疗室内使用的工作贮源器。主要参数有允许装源活度、距离表面5 cm处任何位置泄漏辐射的空气比释动能率、距离放射源1 m处球面上泄漏辐射的空气比浮功能率。驱动机构包括驱动电源、电机、位置探测器等部件。其性能参数包括：铅管道个数及通畅性和符合性，每个管道的驻留点数、位置精度（应当为±1 mm）、步长、送源时间（应当小于 5 s）、驻留时间及计时误差（应为±0.1 s）。施治器为针状、管状或其它特殊形状的源容器，可通过连接器与管道相连。控制台上显示：治疗通道、治疗状态及时间，提供辐射监测报警、监视对讲及门机联锁等安全保护装置。

近距离放疗仪在使用前，要根据病变情况确定治疗方案，用模拟源通过特定的坐标重建方式，确定放射源位置，核算照射剂量，在治疗中，根据病变部位变化情况，不断调整施治器位置，获得合理的剂量分布。

三．远距离放射治疗设备

远距离放疗设备主要包括γ射线治疗仪、X射线治疗仪，医用电子加速器、医用中子发生器、质子加速器、医用重离子加速器、医用π-介子发生器等等。对于大多数肿瘤病人，采用外照射方法，目前世界上应用最广泛的是γ射线和X射线治疗仪器，而采用带电粒子：质子、重离子及π-介子加速器治癌，其装置十分昂贵，难以普及。但由于带电粒子在物质中的射程有限，能量越高射程越长，在接近射程末端区域的剂量高，特别适合尽可能彻底杀死癌细胞，同时尽可能减少健康组织损伤是放疗的基本原则，所以带电粒子发生器的研究和推广应用正在蓬勃发展。

1. 钴-60远距离治疗机

钴-60远距离治疗机是利用人工放射性核素60Co，在自动衰变过程中产生的γ射线，经准直器治疗人体深部肿瘤的装置。可以产生多束经准直器后变成细束的γ射线从四面八方交