直線加速器的應(yīng)用及創(chuàng)新發(fā)展

鄒宇濤 王昕晨 朱輝 劉思敏 柳彪 王雨航

摘? 要：隨著人們生活質(zhì)量的提高，人均壽命不斷延長(zhǎng)，隨之而來(lái)的各種疾病也在增多。腫瘤問(wèn)題一直是威脅健康的重要因素之一，放射性治療能較好地控制腫瘤病情?？萍疾粩嗟匕l(fā)展促進(jìn)放射腫瘤學(xué)的進(jìn)步，越來(lái)越多的惡性腫瘤經(jīng)過(guò)放射性治療取得顯著效果。放射性治療在腫瘤治療中的地位舉足輕重。直線加速器應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域具有穩(wěn)定、簡(jiǎn)便和效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類治療腫瘤的醫(yī)療設(shè)備中。本文將對(duì)直線加速器的應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展加以分析。

關(guān)鍵詞：直線加速器? 直線加速器應(yīng)用? 創(chuàng)新發(fā)展? 臨床醫(yī)療技術(shù)

中圖分類號(hào)：TL53 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0071-03

Application and Innovative Development of Linear Accelerator

ZOU Yutao? WANG Xinchen? ZHU Hui? LIU Simin? LIU Biao? WANG Yuhang

（Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan Province， 610059 China）

Abstract： With the improvement of the per capita quality of life， the per capita life expectancy continues to extend， and various diseases that follow are also increasing.Tumor problems have always been one of the important factors threatening health， and radiotherapy can better control the tumor. The continuous development of science and technology has promoted the progress of radiation oncology， and more and more malignant tumors have achieved remarkable results through radiotherapy. Radiotherapy plays an important role in tumor treatment. Linear accelerators are used in the medical field with the characteristics of stability， simplicity and good effects， and are widely used in various medical equipment for the treatment of tumors. This article will analyze the application and innovative development of linear accelerators.

Key Words： Linear accelerator; Linear accelerator application; Innovation and development; Clinical medical technology

直線加速器應(yīng)用于醫(yī)療中，主要通過(guò)電子線對(duì)腫瘤進(jìn)行照射達(dá)到治療的目的。放射線對(duì)不同細(xì)胞群損傷效果不同，可以消除或損傷小腫瘤，對(duì)較大腫瘤的治療效果更佳。近幾年腫瘤發(fā)病死亡率不斷提升，直線加速器在醫(yī)療方面的應(yīng)用是改善腫瘤病癥的突破口，本文將綜述直線加速器的應(yīng)用及發(fā)展。

1? 直線加速器的含義及特點(diǎn)

1.1 直線加速器的含義

所謂直線加速是運(yùn)用高頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生加速粒子，這些加速粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡呈直線，而使加速粒子加速運(yùn)動(dòng)的高頻直線加速器被稱為直線加速器。通常按照加速粒子的不同進(jìn)行分類[1]。

1.2 直線加速器的特點(diǎn)

直線加速器具有傳輸效率高、束流強(qiáng)的特點(diǎn)，方便注入和引出，可根據(jù)分段設(shè)計(jì)進(jìn)行不同需求下的調(diào)節(jié)。因?yàn)榧铀倨鞑皇芷D(zhuǎn)束同步輻射束縛，能極大限度增強(qiáng)電子束能量，雖然費(fèi)用較高，但已經(jīng)提出運(yùn)用超導(dǎo)加速器來(lái)降低費(fèi)用。

2? 直線加速器的應(yīng)用

2.1 醫(yī)用直饋型行波加速器

直饋型行波加速器是由圓柱形加速管進(jìn)行波導(dǎo)，電子被電子槍送入耦合器進(jìn)行電磁波加速運(yùn)動(dòng)[2]。由于電子質(zhì)量極小甚至可以忽略不計(jì)，因此在加速時(shí)能夠接近光速運(yùn)轉(zhuǎn)。電子初速度低于光速經(jīng)過(guò)加速后電磁波相速高于光速。為了達(dá)到電子和電磁波同步需要減慢電磁波的加速，改善加速管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將組成加速管的圓盤和圓柱進(jìn)行盤荷波導(dǎo)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電磁波相速與電子束加速運(yùn)動(dòng)相匹配。由于醫(yī)用加速器長(zhǎng)度一般在2～3m，使得加速管能量受限，超過(guò)2m以上的加速管難以獲得高能量。

2.2 醫(yī)用反饋型行波加速器

反饋型行波加速器與直饋型行波加速器結(jié)構(gòu)大體相同，多加環(huán)形波導(dǎo)橋，用來(lái)反饋終端多余功率。所謂環(huán)形波導(dǎo)橋是一個(gè)四端微波，將末端剩余功率經(jīng)過(guò)移相器調(diào)節(jié)后進(jìn)入波導(dǎo)橋，達(dá)到較輕的束流負(fù)荷，能在電子線下工作達(dá)到顯著效果[3]。

2.3 醫(yī)用直束型駐波加速器

直束型駐波加速器多采用邊耦合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加速管采用全封閉結(jié)構(gòu)通過(guò)與電子槍連接成一體形成緊湊結(jié)構(gòu)，具有效率高靈巧便捷等特點(diǎn)。加速管短小，行波能快速傳導(dǎo)，使微端剩余較多的功率被吸收，顯示出能量增益高的優(yōu)勢(shì)。如果管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，可以提升微波利用率，兩者相較而言增益基本相等[4]。

2.4 故障樹分析

醫(yī)用直線加速器的加速管由真空系統(tǒng)、治療束系統(tǒng)等部分構(gòu)成。電子槍將電子放入磁場(chǎng)，利用微波電場(chǎng)的加速產(chǎn)生靶向射線進(jìn)行腫瘤治療。通過(guò)定量分析來(lái)描述定量事件發(fā)生概率。分析故障樹數(shù)據(jù)，對(duì)故障樹進(jìn)行分割集比較，提前明確事件發(fā)生概率，并作好相應(yīng)記錄。

2.5 雙光子與三光子

醫(yī)用雙光子與三光子直線加速器是利用加速管微波能量，產(chǎn)生不同高低能量的x射線，對(duì)不同程度的腫瘤進(jìn)行治療，對(duì)電子束的能量選擇十分便利。

2.6 多葉準(zhǔn)直器

所謂多葉準(zhǔn)直器技術(shù)就是以控制多對(duì)光柵葉片在計(jì)算機(jī)下形成不同的瘤體形態(tài)，通過(guò)原體照射野技術(shù)逼近的稱之多葉準(zhǔn)直器醫(yī)用直線加速器。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)能判斷腫瘤的形狀尺寸使照射野更接近于真實(shí)的腫瘤形狀，能有效減少細(xì)胞被破壞，保護(hù)正常器官和組織。通過(guò)使用多葉準(zhǔn)直器技術(shù)提高病情的治療效果，成為臨床使用率極高的技術(shù)[5]。

2.7 三維調(diào)強(qiáng)適形放療

通常醫(yī)用直線加速器的射線能量是均勻的，而腫瘤的大小形狀是不規(guī)則的，因此在進(jìn)行射線照射時(shí)會(huì)對(duì)周圍的正常組織產(chǎn)生破壞影響。三維調(diào)強(qiáng)適形放療通過(guò)調(diào)強(qiáng)器輸出不同能量射線，根據(jù)腫瘤的不同情況進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。三維調(diào)強(qiáng)適形放療使目前最為普遍的應(yīng)用方式，將多頁(yè)準(zhǔn)直器與之配合使用，通過(guò)觀察腫瘤情況進(jìn)行放射線調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)控制病變，提高治療效果，對(duì)腫瘤進(jìn)行針對(duì)性劑量放療，其他正常部位減少射線，極大限度地減少病變可能。

2.8 載原刀系統(tǒng)

載原刀是結(jié)合直線加速器、準(zhǔn)直器和三維治療計(jì)劃系統(tǒng)共同作用，進(jìn)行定向放射治療。通過(guò)立體定位技術(shù)對(duì)人體腫瘤進(jìn)行分割，進(jìn)行多次放療治療，實(shí)現(xiàn)切除腫瘤治療的效果。通過(guò)載原刀系統(tǒng)可以進(jìn)行一些不能進(jìn)行手術(shù)部位的治療，是國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要領(lǐng)域。但其在系統(tǒng)應(yīng)用上要求更高，對(duì)穩(wěn)定性和精密性需求更大。

2.9 實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)

實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)是驗(yàn)證并促進(jìn)改進(jìn)治療效果，對(duì)治療過(guò)程中的機(jī)械擺位誤差進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)糾正的工具。雖然目前圖像質(zhì)量尚不明顯但對(duì)于糾正位置效果還是極佳的。

2.10 智能化微機(jī)控制系統(tǒng)

科技發(fā)展下智能化技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，大多數(shù)高端進(jìn)口加速器宜采用智能化管理，通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)和軟件的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。將人機(jī)對(duì)話以更直觀的數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)智能化核對(duì)檢驗(yàn)，對(duì)放射治療的調(diào)控實(shí)現(xiàn)一鍵智能操控。通過(guò)加速器狀態(tài)自我檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)智能化病例存取、遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)調(diào)休等多項(xiàng)功能，方便治療過(guò)程的同時(shí)提高治療效果，方便醫(yī)患。

3? 直線加速器的創(chuàng)新

3.1 加速管

直線加速器的核心就是加速管，通過(guò)聚束段和光速段構(gòu)成組合體實(shí)現(xiàn)一體式加速器?？萍既藛T通過(guò)物理設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化加入束流動(dòng)力學(xué)以及和射頻結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過(guò)詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果與機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合，加強(qiáng)與耦合器的匹配率。耦合器應(yīng)用負(fù)載法進(jìn)行匹配的同時(shí)還需要采用數(shù)據(jù)模擬計(jì)算耦合器的具體尺寸。目前經(jīng)過(guò)技術(shù)人員的不斷研發(fā)該項(xiàng)技術(shù)已達(dá)到國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)要求，并完成工藝規(guī)范[7]。

3.2 柵控電子槍

電子槍一直是為加速器運(yùn)行提供電子束的關(guān)鍵部件。電子槍能約束加速器工作頻率，通過(guò)發(fā)射不同電子成分而組成，電子質(zhì)量是加速器運(yùn)行電子束的根本。通常在陰極表面安裝柵極來(lái)制約束流的大小，稱之為柵控電子槍。通過(guò)優(yōu)化電子槍可以控制束流輸出強(qiáng)度，能廣泛應(yīng)用于各類直線加速器中。

3.3 高壓脈沖調(diào)制器

直線加速器的重要系統(tǒng)就是高壓脈沖調(diào)制器。高壓脈沖調(diào)制器能輸出高壓脈沖電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生微波，通過(guò)加速管實(shí)現(xiàn)電子加速，是重要的能量來(lái)源。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展高壓脈沖調(diào)制器能代替調(diào)壓器等部件進(jìn)行穩(wěn)定工作，適用于多項(xiàng)機(jī)械合作運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。

3.4 平行束磁鐵

平行束是用來(lái)發(fā)散收攏束流進(jìn)行方向均化，控制束流方向，提高利用率的。磁鐵掃描后的束團(tuán)并未改變，但其產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡是不同時(shí)刻所產(chǎn)生的。一個(gè)束團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡代表著同一時(shí)間內(nèi)所有的束團(tuán)運(yùn)動(dòng)軌跡，這些束團(tuán)在平行束刺蛾貼掃描后平行運(yùn)動(dòng)[9]。

4? 直線加速器的發(fā)展

自1955年我國(guó)開啟加速器時(shí)代，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)行業(yè)不斷發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)醫(yī)用直線加速器技術(shù)不斷革新[10]。20世紀(jì)80年代實(shí)現(xiàn)重要的成果轉(zhuǎn)化，將其分為輻照和探傷兩個(gè)研究方向。所謂輻照是利用輻射對(duì)材料進(jìn)行殺菌消毒處理，而探傷是利用涉嫌進(jìn)行無(wú)傷檢測(cè)。2002年國(guó)內(nèi)在高能加研發(fā)方面還是空白，主要依靠鈷源和中能電子進(jìn)行輻射裝置加工。進(jìn)口技術(shù)不僅價(jià)格昂貴，還存在售后困難的諸多因素，對(duì)加速器發(fā)展產(chǎn)生阻礙。同年通過(guò)對(duì)大功率輻照加速器的技術(shù)開發(fā)，解決了磁場(chǎng)穩(wěn)定性能等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并成功研制出我國(guó)首臺(tái)大功率電子輻照加速器。電子槍和加速管等研發(fā)取得較大成績(jī)并對(duì)設(shè)備產(chǎn)生絕對(duì)性影響。國(guó)產(chǎn)主機(jī)的設(shè)備參數(shù)較國(guó)外相比并未產(chǎn)生明顯差距，而與國(guó)外相比產(chǎn)生差距的主要原因在于數(shù)字化設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)缺乏整合完善，并不能完全契合，達(dá)到預(yù)期效果。國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品通過(guò)降低價(jià)格對(duì)國(guó)際品牌施加壓力，一些進(jìn)口品牌不得不降低價(jià)格，市場(chǎng)呈良性發(fā)展趨勢(shì)。目國(guó)產(chǎn)品牌可以運(yùn)用全球招標(biāo)方式完成生產(chǎn)。直線加速器的核心技術(shù)目前我國(guó)已掌握，雖與國(guó)際品牌相比未占明顯優(yōu)勢(shì)，但是在價(jià)格方面占據(jù)機(jī)會(huì)。直線加速器技術(shù)已從進(jìn)口向自主研發(fā)逐漸轉(zhuǎn)變。隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)化在國(guó)際市場(chǎng)上將有一席之地。隨著國(guó)產(chǎn)比例不斷擴(kuò)大，自主力量不斷加強(qiáng)，對(duì)國(guó)外技術(shù)不斷引進(jìn)學(xué)習(xí)，進(jìn)行技術(shù)，逐漸實(shí)現(xiàn)工藝熟練化，全面實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)指日可待。隨著國(guó)際市場(chǎng)的日新月異，國(guó)內(nèi)醫(yī)用直線加速器的發(fā)展趨勢(shì)極為樂觀。

5? 結(jié)語(yǔ)

隨著腫瘤發(fā)病率的不斷攀升，放射性治療被越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床治療之中。除了手術(shù)和化學(xué)藥品的治療方法外，放射治療是患者最需要的治療方式。因此在腫瘤治療方面，放射線治療的地位舉足輕重。因此市場(chǎng)對(duì)于運(yùn)用直線加速器的放射設(shè)備需求日益增多。加強(qiáng)科研技術(shù)、推動(dòng)技術(shù)研發(fā)是不斷提升醫(yī)療設(shè)備的新方向。目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和技術(shù)雖較同品牌設(shè)備略有差距，但具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)提升自身競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)研發(fā)領(lǐng)域不斷推陳出現(xiàn)，改善技術(shù)，呈現(xiàn)積極向上的發(fā)展趨勢(shì)。面對(duì)新的挑戰(zhàn)，不斷自我完善，推進(jìn)技術(shù)研發(fā)，相信未來(lái)國(guó)內(nèi)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)全面自主化，占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)，打造自己的品格魅力，推動(dòng)醫(yī)療事業(yè)的不斷創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1] 何威震，郭元媛，高俊逸，等.醫(yī)用直線加速器虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2020，34（5）：609-612.

[2] 王國(guó)寶，曾自強(qiáng)，朱志斌，等.CIAE直線加速器技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2020， 54（S1）：293-302.

[3] 毛燕青.針對(duì)性護(hù)理配合直線加速器放療在宮頸癌患者中的應(yīng)用效果[J].醫(yī)療裝備，2020，33（11）：181-183.

[4] 劉洋，王科盛，任旗，等.故障樹分析法在醫(yī)用電子直線加速器中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2019，40（9）：63-65.

[5] 吳智理，倪千喜，李忠偉，等.無(wú)線呼叫系統(tǒng)在醫(yī)用直線加速器機(jī)房中的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2019，34（7）：96-99.

[6] 朱云亮.用于高能電子成像的電子直線加速器束流動(dòng)力學(xué)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所），2019.

[7] 李春霞，任福琴，羅文，等.醫(yī)用直線加速器臨床應(yīng)用評(píng)價(jià)及數(shù)據(jù)平臺(tái)搭建[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備， 2019，16（3）：112-116.

[8] 徐天寶，高名乾.新華醫(yī)療：技術(shù)創(chuàng)新行業(yè)“領(lǐng)跑”[J].山東國(guó)資，2018（9）：66-67.

[9] 王哲.醫(yī)用電子直線加速器輻射場(chǎng)快速測(cè)量方法研究[D].北京：中國(guó)疾病預(yù)防控制中心，2018.

[10] 孫威.多種擬合算法對(duì)檢測(cè)加速器等中心的研究[D].南京：南京大學(xué)，2018.