医用电子直线加速器技术现状与发展趋势

该研究描述了医用电子直线加速器的发展历程、工作原理与系统构成，概述了束流调控、多叶光栅、引导定位技术、剂量测评等医用电子直线加速器关键技术，并展望了生物引导放疗、FLASH闪疗、智慧放疗等前沿放疗技术的发展趋势。

国际原子能机构（IAEA）发布的新数据显示，世界上高收入和医疗理念先进的国家拥有较多的放射治疗设施，采用放射性治疗的患者比例也较高，其中美国高达63%，加拿大、澳大利亚、瑞典、荷兰等国家均超过40%，而我国采用放射性治疗的患者占比不到30%。

医用电子直线加速器是放疗中使用多的设备，2020年我国现有加速器2139台，每百万人口加速器台数为1.48台，远低于美国12.4台/百万人口的配置比例。

1 发展历程

1.1 主要发展阶段

• 二维放疗（2D-RT），

• 三维适形放疗（3D-CRT），

• 调强放疗（IMRT，VMAT），

• 图像引导放疗（IGRT）

• 自适应放疗（ART）等。

1.2 国内外加速器简介

加速器一般包含6MV的X射线，部分加速器还具备两档或三档能量的射线（如光子6/10 MV或电子线6/10/15 MeV）。

2 工作原理

医用直线加速器的是利用微波电磁场对电子加速，加速后的高能电子可直接用于治疗，也可以通过电子轰击靶材转换为X射线后进行放射治疗。

典型的医用直线加速器主要由机械系统、束流系统、控制系统、配电系统、图像引导系统和软件系统等组成。

3 关键技术

3.1 束流调控技术

束流调控技术是医用直线加速器的核心。剂量率的稳定性需要通过剂量伺服控制，若剂量率低于预设值，则需要通过控制手段进行剂量率补偿。一般通过电子脉冲和微波脉冲的个数控制来实现，在调整过程中，可能会导致不同剂量率下电子能量不相同的情况出现，影响后边的治疗结果。为了解决该问题，可采用栅控电子枪作为束流源，通过调整栅控枪栅压脉冲和微波脉冲之间的相位来实现剂量率调节与能量的一致性。

3.2 多叶光栅技术

国内外主流单层多叶光栅的射野为40×40cm，叶片个数较多的是80对，叶片运动速度高达80mm/s，主流速度在40mm/s左右。在等中心处，叶片厚度主流参数设计在5mm，小叶片可至3mm宽度甚至更小。

近年来，开始采用双层多叶光栅技术，双层光栅具有如下特点：

• ①减少了榫槽结构，降低了加工技术难度；

• ②肿瘤靶区适形度可以达到与单层多叶光栅相似效果；

• ③可以有效阻挡叶片缝隙的射野泄漏；

• ④消除了榫槽结构带来的摩擦阻力影响，叶片运行速度可以更快。

OPOLNJAK等提出了三层MLC设计。每层由传统的MLC构成，每层之间呈60°摆放，等中心平面投影具有对称性，不需要旋转，简化了MLC机械结构。三层MLC具有2个优点：

• ①可以不采用凹凸槽结构，解决了叶片间的漏射问题；

• ②三层MLC的叶片宽度10mm的适形精度达到了单层叶片宽度为4mm的效果。

3.3 引导定位技术

目前，已经实施于临床应用的引导技术主要有如下功能：

• ①引导摆位，修正治疗摆位误差，目前应用于摆位纠正的图像引导技术有双透视图像引导、CBCT、扇形束CT、MRI、PET引导。

• ②患者运动监控，常用的监控技术有激光定位、红外双目定位、电磁引导定位等，

3.4 剂量测评技术

剂量测评技术的核心在于获取患者治疗时的体内实际剂量分布，实现的方法有3类，分别为：

• 基于加速器日志文件；

• 基于穿透式电离室；

• 基于EPID的探测数据。

凤麟核团队发展的基于EPID的剂量测评技术，采用基于散射线特征的三维剂量重建算法。

4 技术展望

4.1 生物引导放疗 

生物引导放疗技术（BgRT）基于功能影像，通过个体优化设计计划，对靶区中功能和代谢程度不同的肿瘤区域实施个体化剂量强度分布。RefleXion装置利用PET探测器检测肿瘤区的PET信号，对肿瘤实时跟踪。

4.2 智慧放疗

由人工智能驱动的深度学习和机器学习技术可应用于放射治疗的各个阶段，以大数据分析为主要手段的新型医学治疗模式：智慧靶区勾画、智慧计划设计、智慧机器质控等。

4.3 FLASH闪疗

FLASH闪疗是一种采用不低于40Gy/s超高剂量率的前沿放射治疗技术，能在瞬间将放疗剂量注入生物靶区，触发FLASH效应。

基于医用直线加速器的FLASH闪疗在研装置主要有两类：

• 电子线FLASH装置。利用医用直线加速器可以产生20MeV左右能量的电子束。目前使用医用直线加速器做电子线FLASH效应的装置有医科达Precise、瓦里安Clinac21EX、Oriatron（eRT6）和Kinetron等。

• X射线FLASH装置。美国斯坦福团队提出多向高能快速扫描电子放射治疗（ PHASER）装置设计，利用不同角度放置的16根常温加速管和16根速调管同时出束，产生适用于FLASH闪疗的X射线，该装置目前正处于部件研发中。