放疗设备新进展一瞥

清华大学  工程物理系

医学物理与工程研究所

王 石

医学物理 Medical Physics

n   医学物理学是把物理学的原理和方法应用于人类疾病的预防、诊断、治疗和保健的交叉学科

n   医学物理传统分类：

n   放射治疗 (Radiation Therapy)

n   医学影像：CR, DR, CT, MRI

n   核医学 (Nuclear Medicine): PET, SPECT

n   保健物理（辐射防护）

     简单分类：放疗、诊断

放射治疗

n 放射治疗已有一百多年的历史，是恶性肿瘤的三大治疗手段之一。据国内外文献统计，约50-70%的恶性肿瘤患者需要接受放射治疗。按治疗目的，分为根治性放疗、辅助性放疗和姑息性放疗。近代肿瘤放射治疗的发展是建立在临床放射肿瘤学、放射物理学及放射生物学基础上的。最近十多年，随着计算机技术广泛应用，影像学及仪器设备的进步，放射治疗得了迅速发展。

放射治疗历史

n  1895年伦琴发现了X 线

n  1913年研制成功了X线管

n  1951年制造了钴60远距离治疗机和加速器

n  1957年在美国安装了世界上第一台直线

    加速器,标志着放射治疗形成了完全独立的学科

n  70年代,制造出三维治疗计划系统和多叶光栅,实现了三维适形放疗,放射治疗学进入了从二维到三维治疗的崭新时代

n  80年代出现了多叶光栅,可调节X 射线的强度,开创了调强放射治疗IMRT

n  近十年：IGRT, IMAT, Tomotherapy……

目录

n  传统IGRT设备

n  Tomotherapy: Hi Art

n  O-Ring

n  MRIgRT

n  MultiBeam Tomotherapy: TOM5

n  IMAT

n  清华在行动

几个概念

n  IMRT：Intensity Modulated Radiation Therapy调强放射治疗

n  IGRT：Imaging Guild Radiation Therapy 图像引导放疗

n  IMAT：Intensity Modulated Arc Therapy 调强弧度放疗  

n  ART ：Adaptive RT，自适应放疗，或称循变放疗

n  SKV ：Stereoscopic KV，双束正交KV成像

IGRT: Elekta’s Synergy

Elekta’s Synergy全球已经卖了近300台，中国23台

售价约： $2,300,000

Varian OBI (Trilogy)

瓦里安和医科达在 IGRT 系统上的竞争过程

日期

医科达

瓦里安

其他相关重要事件

1992~1999年

美国William Beaumont Hospital自行研发XVI系统

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1999年

XVI在Beaumont试验运转成功； 两家医院组成Elekta Synergy Research Group

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Varian Medical System从Varian Associates Inc.拆分，公司独立运行

2000年

医科达正式启动Synergy项目；ASTRO首次展出Synergy XVI

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瓦里安规划”心血管放疗”系统，准备开辟新的市场（或为刺激股票）

瓦里安收购IMPAC失败

2001年

工厂参与研制生产正式样机

规划IGRT系统；

研制ExactArm和kV aSi平板成像系统

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2002年

Elekta Synergy Research Group扩充到四家；

安装四台Synergy正式样机

Acuity模拟机推出；

ASTRO首次展出OBI模型

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2003年

Synergy在欧美成功上市

CBCT on Acuity模块推出

Tomotherapy系统推出，引起IGRT热潮；

2004年

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OBI推出（kV + positioning / gating + CBCT）；

欧美四家医院发表试用报告

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2005年

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升级4D ITC工作站

医科达收购IMPAC

2006年

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RPM + positioning推出

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Siemens 的 Artiste IGRT

Siemens 的 Artiste IGRT 加速器的同轴反向 KV/MV 结构似乎与此“同源双束”结构有些关联。

中国还没销售

可能是未来几年的明星！

Simens MVision

MV级CBCT

“机载式”IGRT系统

n 我们现在所见到的Varian OBI 或 Elekta Synergy 的这种 IGRT 系统结构，称为“机载式”IGRT系统。这种机载式的IGRT的限制在于“动态放疗”的应用能力非常有限！

“外置式”或“室内In-Room“的结构IGRT

图示：美国Accuray的CyberKnife的Xsight系统

“外置式” 结构IGRT特点

n  上述的IGRT系统都共有一个结构特点：Stereoscopic KV（SKV，双束正交KV成像）。我们知道，一个目标的两幅互为正交的图像可聚合计算出该目标的三维坐标（在后装放疗中经常遇到）。利用SKV的坐标变换能力，SKV很自然地被用于动态放疗的IGRT应用中！可以实时跟踪靶区的运动！

n  因此，在IGRT的动态（跟踪）放疗应用中，SKV具有重要的基础应用价值！

目前IGRT的问题

n   在目前已商业化的 IGRT 系统中，例如，Elekta 的 Synergy 系统、Siemens 的 Artiste 系统和 Varian 的 Clinac iX（OBI-On Board Imager）系统，其 KV 成像和 MV 成像/投照都是分开的，分别由 KV 球管和 MV 加速管作为两种放射源。

n   Tomotherapy 系统则利用一个加速管切换3MeV/6MeV 输出的方法来分别实现成像和治疗。从物理和几何的根本原理上说，只有 Tomotherapy 这种放射源的“同源”结构，才能最大限度的保证治疗空间坐标和成像空间坐标的一致性、减小系统误差！ 

KV/MV 同源双束加速管：IGRT的新一轮竞争即将开始

n  在 1993 年提出 Tomotherapy 原理后，各厂家均开始重视“KV/MV 同源双束”加速管技术的研发。所谓“同源”，是指加速管的原始设计输出能量相同，所有束流在同轴输出；“双束”是指该加速管可以输出不同能量级别的束流。“同源双束”技术原理最早被 Varian 用于双光子加速器上的“能量开关”上。而现代的 IGRT 技术，则要求加速器具有 KV/MV 同源双束输出的能力。

“KV/MV 同源双束”的重要性

n   据说，当年时任 Siemens OCSG 的 Marketing Director 的 John Hughes 曾开玩笑地说，“三家厂家，如果哪一家首先发展了一种加速管，它能提供高能电子供治疗，又能提供低于 1MeV 的电子供成像，那其他两家就完了”。可见，专家们已经在十年前就认识到“KV/MV 同源双束”加速管技术在 IGRT 系统中的重要性。

Elekta 率先开发了“KV/MV 同源双束”加速管技术

n  2000 年 8 月，Elekta 率先开发了“KV/MV 同源双束”加速管技术，经过公示期后，于 2004 年 3 月 23 日正式获得美国发明专利权，编号：US 6,710,557 B1。

n  这项设计在理论上可以在一个驻波边耦合结构加速管上产生 100~300KeV 的束流输出。但还存在一些技术问题，其中最大问题是，该设计是工作在 TE111 模式，而不是基波 TM01 模式，导致附加的耦合腔引起加速管谐振频率不稳定，减速状态时加速管结构不再工作在 π/2 模式，稳定性变差，并使输出能量发生异动。另外，由于加速管结构的限制（加速管横置，使 KV 束流无法通过偏转系统出束打靶）也使 Elekta 的这项发明变得无用武之地！（这或许可以旁证 Elekta 为何收购 BMEI 的一个原因）

n  此外，为 KV/MV 双束应用而设计一个双束分离的偏转系统，在目前也是不切实际的！

姚充国“相位开关式”“KV/MV 同源双束”加速管技术

n 2008年7月8日，我国加速器专家姚充国发明的“相位开关式”“KV/MV 同源双束”加速管技术也获得了美国专利权，编号 US 7,397,206 B2。见下图。在此之前，该项发明已经获得欧盟（EP 1 715 730 A1）和中国（ZL 2004 1 00217603）的发明专利权。

姚充国发明的“同源双束”加速管

它的基本思想是在现有的边腔的基础上增加一组旁通的三腔系统。当边腔被短路时，结构通过旁通的三腔系统形成新的谐振。由于旁通的三腔系统也工作在 π/2 模式，开关的后段相对前段的相位与正常状态相比有 180° 的改变，使加速腔由加速电场变为减速电场。在旁通的三腔系统中，中间一个腔像是“加速腔”，但它不在加速管轴线上，可以增大它与相邻两个边腔的耦合，从而降低其中的场强和旁通的三腔系统对频率的敏感性，用在 S-band/C-band/X-band 都无碍。

姚已经被Tomotheraphy收购

n  2008年4月17日，美国媒体报道了Tomotherapy收购了中国的一家民营高科技企业“成都双峰加速器技术有限公司”，该企业的掌舵人姚充国先生是我国著名的直线加速器专家，他的双峰公司的一项重要的产品就是“改进型6MeV加速管”，其输出剂量和运行寿命都较原来采用的Phoenix加速管大幅提高。其实，TomoTherapy公司看中成都双峰的另一个重要原因在于，姚充国先生还发明了一种“KV/MV双束加速管”技术，如果将来被用于Tomotherapy设备上，可以一举解决KV/MV双束成像和MV投照的问题，从而完成1993年当初设计的Tomotherapy系统的构想，同时又精简了一套KV成像系统硬件。  （Tomotherapy收购成都双峰的第三个原因估计是，原来的加速管供应商——西门子——已经把加速器业务搬回了德国，正在重建生产线，导致供货中断，需另寻供货商，并减低成本）

n  这则收购消息揭示，除了采用C/X波段加速器技术路线实现加速器的小型化满足KV系统安装空间的要求之外，还可以采用 “KV/MV双束加速管”技术。据了解，Siemens 和 Elekta 等在此类技术上已开发多年。

医科达合资控股BMEI（北京医疗器械研究所）

2006年3月31日，Elekta 花费了约 2000 万美元现金收购了 BMEI （北京医疗器械研究所）的80% 股权，获得了 BEMI 的驻波 6MeV 加速管技术、生产厂房、技术工人、和 BMEI 的 260 个国内用户资源。经过两年半时间的改造， 2007年9月10日，医科达在 ESTRO 年会上向市场推出了 Compact单光子“驻波”加速器，并获得 CE 认证。

医科达收购BMEI的根本目的

n   目前掌握这种 6MeV 单能量高效率驻波加速管设计和生产技术的只有瓦里安、西门子、以及中国的几个单位： BMEI、原揭阳威达 和“成都双峰”。其中“成都双峰”没有整机的经验（相信医科达原来并不知道“成都双峰”），威达的人马已散，医科达只有合并颇有实力和规模的 BMEI，才能获取这个加速管的设计和生产技术，符合医科达一贯的“拿来主义”的发展规则；

n   由于 BMEI 在单光子驻波加速器方面具有研发实力和整机生产能力，医科达合并 BMEI 后，先期推出 BMEI 曾经的拳头产品——单光子驻波加速器，这是进入“驻波”领域的最合理的一条捷径；并佯装“为全球低端市场和 SRS/SRT 专用机型”，以模糊和掩盖其整个“驻波”战略；（请记住，国内外没有一个大公司会去关心低端市场的！不要抱有任何柏拉图式的幻想！）

n   BMEI 所在地的北京，拥有中科院高能所、清华大学工程物理系等雄厚的加速器技术库存和高级人才基地；

n   方便进行加速器的小型化研发改造，以实现医科达的新一代的“小型化驻波加速器”的设计；

n   医科达为 BMEI 生产的第一款驻波单光子加速器取名为“Compact”，可谓“意味深长”！

医用加速器小型化

n 医用加速器其实也跟着在小型化的方向上快速前进，CyberKnife 采用了 X 波段的加速器；日本 O-ring 采用了 C 波段的加速器，Tomotherapy 正在积极开发X波段的第二代产品，瓦里安在……可见，医用加速器正在悄悄地向小型化发展。小型化加速器的特点就是：驻波是必需，X 波段是方向，而且产品和技术有的是现成的

加速器小型化的前景和难点

n  Accuray公司则是第一个实现了X波段加速器商业化，其CyberKnife采用X波段（11.4GHz）加速器后，机头重量减低为150KG！而常规6MeV单光子加速器采用的S波段（2.8GHz）加速器技术路线，重量约为2000~3000KG。可以设想，如果在Tomotherapy的机架中安装上这种小型化的加速器，整个机架的旋转惯量将降低多少？空间又会富裕出多少？系统散热能力能改善多少？

n  已经提出了“加速器小型化”的概念。但是在技术实现上，小型化的X波段加速器仍旧遇到了障碍，主要原因是X波段微波功率源（磁控管）的输出功率限制，无法满足高剂量率输出的要求。

Tomotherapy

n  2002 年 1 月 29 日收到 FDA 的许可

n  2002 年 8 月 21 日， Jim Welsh 在威斯康星大学治疗了第一个人类患者

n  目前全球销售近200台，中国2台。售价$5,000,000

Tomotherapy系统结构简述

n  Tomotherapy系统被一致认为是在放疗历史上具有里程碑意义的重要发明：把放疗真正引入了IGRT时代。在设备的结构设计上，Tomotherapy所引入的CT扇扫方式，可能对其他的设计革新更有启发意义。

n  螺旋断层自适应放疗

Tomotherapy系统的构想图

n  1993年T.R.Mackie发表的第一篇论文中的Tomotherapy系统的构想图 ，在此构想中包含了MV+KV两套射线装置。但实际上正式推向市场的第一代产品的结构中是没有KV成像系统的，而改由MVCT来执行成像功能。原因很简单，因为加速器硬件几乎占满了机架空间，没有空间余地再安装KV系统了

Tomotherapy结构图

n  设计组曾计划采用X波段(11.4GHz)的加速器，委托GE设计生产，但GE在1997年终结了放疗业务，设计组只能改用西门子的PrimArt单光子加速器核心（或称Phoenix加速管，特点是创新采用了类似CT球管的旋转靶结构，剂量率提高到800cGy/min）。其微波驱动系统为常规S波段（2.8GHz），致整体结构较大，故机架内没有空间再安置KV系统。这就是我们现在所看到的第一代的Tomotherapy系统的真实情况

Tomotherapy系统剖面图

Linac

Pulse Forming

Network and

Modulator

Detector

Beam Stop

High Voltage

Power Supply

Control

Computer

Magnetron

Data Acquisition System

Circulator

Gun Board

Hi-Art 螺旋 Tomotherapy

n  威斯康星州大学人类肿瘤学系主任 Minesh Mehta 站在 Hi-Art 螺旋 Tomotherapy 前，正准备对他的一个病人进行治疗

Hi-Art 螺旋断层放疗系统两个创新特征

一、计划系统具有内置的质量保证系统

　在计划完成后，选择一个预先已经扫描好的模体CT图像用于测量投照剂量。用与病人相同的强度模式计算出模体中的剂量。在模体中插入胶片或者电离室进行照射。读出电离室读数，将胶片扫描，然后将测量的数据输入计划系统中的分析软件进行评估。评估工具包括比较计算的和测量的等剂量曲线，任意方向的剂量比较的图示， GAMMA 分析图 (Low 等 1998)， GAMMA 直方图，和点剂量的计算值与绝对值之间的比较。最近， Thomas (Thomas 等 2005a, 2005b) 报告，高剂量区的平均百分差异为−0.5% ± 1.1%。 

二、Hi-Art 具有循变放疗（自适应放疗）功能

　“所谓的循变放疗是由一系列确保治疗过程和治疗计划充分吻合(不吻合则进行修改)的操作组合而成 (Olivera 等 1999)。” “当摆位偏差和测量不确定性的大小相当时，就没有必要进行摆位修正。”．尽管有此瑕疵，Tomotherapy 还是很好地定义了 IGRT。 IGRT 的根本目的就是 ART。离开了 ART 这个根本目的，IGRT 就是没有实质内容的”蓬莱楼阁“

 Tomotherapy 的重大意义

一、Tomotherapy 是 CT 投影重建的逆向投照。从理论上说，采用 Tomotherapy 的原理，可以在人体内任意位置重建出任意形状的剂量分布！不管是“内凹”、“外凸”“圈状”等平常认为较为复杂的剂量分布，在 Tomotherapy 中都极易实现。就像我们看 CT 片一样，CT 片上表现出体内的各种复杂的结构；通过 Tomotherapy，能够在体内绘制出任意复杂的剂量分布！这就是 Tomotherapy 的重大意义所在！包括医科达的 VMAT、瓦里安的 RapidArc、BestNomos 的步进式 STAT 等属于 IMAT 一类新的治疗方式，都是向 Tomotherapy 这种 CT 扇扫方式转化中的产品。因此可以预言，Tomotherapy 的这种 CT 扇扫方式的放疗投照模式，将是今后放疗系统发展所采用的基本结构！

二、Tomotherapy 把放疗领回了正确发展之路 ：把放疗技术与 CT 成像技术、各种应用数学有机地结合在了一起！

Tomotherapy优势

n  无机架病人碰撞可能

n  无楔形板

n  无机架角度考量

n  无准直器角度考量

n  无治疗床角度考量

n  无手控仪

n  无多叶准直器轴向考量

n  无多叶准直器马达

n  无照野大小限制

n  无照野光

n  无电子束

n  无电子夹具距离限制

完整的 IGRT

n 真正完整的 IGRT= Linac+CBCT（或 MVCT）+4DCT+SKV+ART！

放疗回归影像

n  自从 Tomotherapy 把 IGRT 技术带进放疗后，当今放疗技术的重要发展无不得益于医学影像技术的成果，所谓“放疗回归影像”，彻底改变了放疗技术发展的路线和方向。各大厂商纷纷投资进行了各种有益的探索，如 Elekta 与 Philips 在荷兰 Utrecht 大学联合进行了 MRIgRT 系统的试制（本文下有介绍）；Siemens 与 Erlangen 大学医院等合作进行的 Multibeam Tomotherapy 系统的研发（本文下有介绍）；日本三菱重工的 TM-2000 系统的临床试用；等等，不一而足。在所有这些放疗与影像紧密集成的系统结构中，都毫不例外地采用了 Tomotherapy 引入的 CT 投照技术。

日本 O-Ring 系统最新进展

n  2006年红皮杂志《Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys.》首次报道 O-Ring 系统

O-Ring 系统构造原理图

日本O-Ring系统的主要特点

n   使用C波段（5.7GHz）加速器。加速管长度35厘米；

n   整个治疗头（包括加速管、真空泵、运动伺服系统、MLC等）的重量仅约600公斤（见下图）；

n   可X/Y偏转的“万向节”式束流指向结构（见下图），指向范围：±40cm X ±40cm；

n   射线主要指标：单能6MV X线，最大剂量率500 cGy/min，射野尺寸14cmX14cm，SAD=100cm；

n   MLC主要指标：单聚焦式，30对（60片），叶片宽度5mm@等中心，最大野15cmX15cm；

n   O型的机架可绕垂直于地面的中心Z轴旋转角度+/-60°，替代了治疗床的公转，可进行非共平面照射。注意，其治疗床是不能公转的，换成了机架的旋转（与医科达专利是多么一致！只是改成机架转动了）；

n   治疗床面可进行三维运动补偿校正；

n   从结构上分析，O-ring可以集成目前几乎所有的放疗方式，Steroscopic-KV（互为正交的KV成像）、EPID、CBCT、MVCT、动态跟踪、Tomotherapy、IMAT、Topotherapy等。

O-Ring 系统的商业化进程

n   成立“三菱重工医疗系统株式会社”（MHI Medical Systems），由“柯尼卡美能达医学和图像株式会社”、“三菱股份公司”、“Seiko公司”三方合资，提供营销和支持服务；

n   将 O-Ring 系统命名为 MHI-TM2000；

n   2006年10月，在 MHI 的广岛基地开辟专门的生产厂房；

n   2007年8月29日，申请美国 FDA 510(K) 获批，许可编号 K072047；

n   同时与德国 BrainLAB（博医来）公司达成合作协议，以 OEM 产品形式，由 BrainLAB 负责全球其他国家的营销；BrainLAB 特别为此在 2007年10月17日申办了美国 FDA 许可（K072046），OEM 产品名为 ExacTrac 3rd Party，加入了 BrainLAB 著名的 ExacTrac IGRT 系列；

n   2008年1月，获得日本卫生、劳工和福利省的上市批准；

n   2008年3月，在德国慕尼黑建成首个海外演示中心。该演示中心的建筑外形以日本传统的古典建筑为特色；

n   2008年4月，参加了横滨的“2008 Pacifico 国际医疗设备展”——日本规模最大的医疗设备展览会——这是 TM2000 首次参加国际展览会；

n   2008年4月，在神户港口岛的“先端医疗振兴基金会/先端医疗中心”安装了第一台 TM2000 系统；

n   2008年5月12日，在神户“先端医疗中心”开始第一次临床治疗