Transcript 加速器应用于肿瘤治疗 - 国家同步辐射实验室

Accelerator Applications
陈怀璧
清华大学工物系
[email protected]
OCPA Accelerator School, Xiuning, August 4th, 2014
加速器应用
加速器发展的动力源自高能物理和核物理基础研究的
需要；（工具！）
加速器发展过程中，人们逐步认识到它在科技和国民
经济领域重要的应用；
加速器沿着基础研究和应用两个不同方向发展。
There are more than 30,000 accelerators in
operation around the world. April 2014
More than 30,000 particle accelerators are in operation around the
world, serving medicine, industry, energy, the environment, national
security, and discovery science. As accelerator science and
technology continue to advance, so too will their benefits to society.
http://www.acceleratorsamerica.org/
Copyright © 2013 U.S. Department of Energy
Accelerator Applications
工业应用：消毒，成像
离子注入，表面改性：掺杂
科研应用：生物医学
放射线同位素生产：器官影像
放疗应用：X射线，质子
http://www.nobelprize.org/educational/physics/accelerators/overview-1.html
First published: May 15, 2001 Credits: Produced in collaboration with Erik Johansson
Content
1. Introduction
2. Radiotherapy放射治疗
3. Radiography射线成像
4. Irradiation辐照
1. Introduction
• Applications of low energy accelerators
– Particles directly from accelerators：electron, proton, ions .
– Secondary particles：x-ray or neutron.
• Radiotherapy
– X-ray or electron beam: electron linac, microtron, betatron
– Proton or ion beam: cyclotron, synchrotron, linac
• Imaging
–
–
–
–
X-ray imaging: x-ray tube, electron linac, betatron, microtron
Proton imaging: synchrotron
Neutron imaging: nuclear reactor, linac, synchrotron
PET (Positron Emission Tomography) : low energy cyclotron
• Irradiation
– High Voltage Accelerator ( >100kW, <MeV )
– Electron Linac ( <80kW, >5MeV)
– Others: Rhodotron, LIU, Ridgetron, Fantron
2.0 Radiotherapy放疗背景
 WHO统计近年来每年新增1260万癌症病人，760万人
死于癌症；我国每年新发病患者即达160万。癌症已
经成为威胁人类健康的头号杀手。
 加速器应用于肿瘤治疗（放疗），已有50年的历史，
是当前癌症治疗的三大手段（放疗、化疗、手术）之
一，其中大约60%的癌症需要接受放疗。。
 为了满足患者的治疗需要，全国估计约需3000台医用
加速器（目前~1500台）。
 放疗对癌症治愈的贡献在40%左右，其花费仅占总费
用的5%。
肿瘤治疗
手术
放疗
化疗
内照射
外照射
敷贴治疗
其它
Sr-90β辐射
热
疗
镭
疗
早
期
后
装
Co
60
Cs
137
137
低
剂
量
率
现
代
后
装
Ir
192
高
剂
量
率
BNCT
锎
252
中
子
后
装
低
LET
常
规
放
疗
质
子
治
疗
高
LET
硼
中
子
俘
获
治
疗
电
化
学
中
草
药
.
.
.
.
肿
瘤
治
疗
常规放疗
深部X光机
钴-60治疗机
加速器
电子感应
加速器
电子直线
加速器
电子回旋
加速器
驻波
偏转束
高能机
7MW速调
管或
5MW
磁控管
中能机
2.6MW
磁控管
行波
直束
低能机
6MV
X射线
XHA600C
BJ-6B
WDVE-6
普通
BJ-10
ZJ-10
双线机
6 或8MV
X射线
4-9MeV
电子线
反馈
NDZ-20
常
规
放
疗
2.1 Radiotherapy放疗原理
• 电离辐射的治疗作用是电离辐射作用于人体
后发生一系列物理、化学和生物反应的结果，
最大限度地破坏肿瘤细胞而最少地影响正常
组织。
• X射线及g射线作用于物质的原子，发生光电
效应、康普顿效应和电子对效应，产生光电
子、反冲电子、散射光子、正负电子和电离
效应。
• 主要与细胞的关键靶（主要是DNA）中的原
子作用。
2.2 Radiotherapy放疗演化
1900
• 发现X射线
1920
• X射线管治疗癌症
1950
• Co60治疗机
1965
• 医用加速器
1970
• CT成像技术
1990
• 适形放疗
• IMRT
21世纪
•
•
•
•
•
Tomotherapy
IGRT
VMAT
DART
质子重离子
☺Varian Associates clinac machine
☺ Varian，Elekta，Siemens，
☺The total number of medical
electron linear Accelerators
(linacs) is ~8,000
2.3 Radiotherapy by X-ray and electrons
RF Electron Linear Accelerators for Conventional Therapy

In most conventional therapies the RF linear accelerator
(Linac) serves as the radiation source.

Clinical Requirements
1. Radiation Energy Range
☺ Low energy 4~6MeV
☺ Middle energy 8~14MeV
☺ High energy 15~25MeV
2. Dose Rate
☺X-rays: 100~600 cGy/min at 1 m
☺Electron beams: 100~1000 cGy/min at 1 m
Medical Linac Fundamental Systems
Medical TW linac
Medical SW Linac (clinac 18, Varian)
High Energy SW acceleration tube with an “energy switch”
The principle of “energy switch”
RF Power Source and Transport System
The
type of RF power source
☺Klystron
(f = 2856 MHZ)
☺Magnetron
(f = 2856; 2998 MHZ)
Peak
power, pulse width
----2~5 MW, 4 ms , 250 PPS
If
a klystron is employed, the klystron is housed in a
separate stationary cabinet
Treatment heads
Figure 1.20 Schematic of a treatment head of Varian
clinac 6/100 accelerator for X-ray therapy
Domestic RF Electron Linacs for Conventional
Therapy in Mainland China

The urgent need for radiation therapy spurred the development of
domestic electron linacs for medical application.

From 1972 to 1977, four groups from the Shanghai, Beijing,
Nanjing, and Sichuan areas started to develop medical linacs.
☺ Tsinghua University and Beijing Medical Equipment Institute
(BMEI) completed an 8~10MeV TW medical linac (BJ-10) in July,
1977.
☺ Institute of High Energy Physics (IHEP) and Shanghai Medical
Nuclear Instrument Factory (SMNIF) constructed another 8~10MeV
TW machine (ZJ-10) in Dec. 1977.
2.4 质子和重离子放疗技术
• 质子/重离子优越的剂量分布特性：布拉格峰(Bragg
peak)；使得正常组织剂量大幅下降，还可以避开敏感
组织（例如脊髓）。
• 小型化是质子重离子放疗的主要发展方向之一，包括
高磁导率铁磁体的研究，紧凑型同步加速器以及高梯
度加速结构（例如电介质加速）。
Proton Therapy
Left: A liver cancer of 5 cm diameter
indicated by arrows was inoperable
because of renal dysfunction.
Right: The cancer disappeared
after proton beam irradiation.
BNCT
Boron Neutron Capture Therapy
Thermal neutron
E=1.47 MeV
developing better materials to produce more -particle
effective diapers and shrink wrap
B-10
ELi-7=0.84 MeV
Li-7
g-ray
2.5 放射治疗中的新技术
• 适形与调强（IMRT）
• 美国
威斯康星大学
– TOMOTherapy
断层放疗装置
• 美国
Accvray公司
– Cybertnife 定向放射外科手术刀
• 美国
Intraop Inc公司
– Mobetron
移动式术中放疗专用加速器
– 机器人+X波段加速器（只出电子）
• IGRT
适形放疗
• 利用多叶准直器（ MLC ，Multi-Leaf Collimator）过
滤X射线，形成特定形状的剂量分布。减小放疗对正
常组织的损伤。
调强放疗(IMRT)
Intensity Modulated Radiation Therapy
• 调强放疗（IMRT)
• IMRT使靶区内剂量处处相等
• 概念的由来：CT发射强度均匀的X线，穿过
人体后形成强度分布正比于组织厚度和密度
的乘积，形成影像。如果强度分布类似于CT
影像，适形分布的X线去穿过人体就能实现
形状适应，强度均匀的照射野。
• IMRT的临床意义：提高病灶区照射剂量；减
少正常组织照射剂量。
IMRT : prostate plan
螺旋断层放疗（ Tomotherapy）
• 用类似于螺旋CT的一层一层扇形扫描方式，将上剂量
输送到病灶区。
• 将CT成像和弧形放疗结合到一个装置中。首先提出成
像和放疗一体化的概念，减小摆位等误差的影响。
螺旋扫描放疗（ Tomotherpy）
• Tomotherapy在扫描时利用多叶准直器控
制剂量分布。
• 通过不同角度投射不同分布的剂量，可以
绘制出任意复杂的剂量分布。
北京 301 医院验收 1台Tomotherpy
设备时进行的一个体模胶片投照
的测试，上边是目标形状，下边
是实际胶片
日本尝试用Tomotherpy模拟一个环状野。左：旋转投照 5
个 beam 后的剂量分布；右图：旋转投照 51 个的剂量分
布。
TomoMovie1
机器手臂放疗（Robotic RT）
• 将加速器安置在机器手臂内。机器手臂自由活动实现
治疗。又称6维治疗（3维坐标+3维方向）。
• Cyberknife（赛博刀）实现了这种方式。
• 手臂内是X波段加速器，机头
小型化
• 手臂定位精度0.1mm
• 剂量率达1000MU/min
Cyberknife（赛博刀）
图像引导治疗（ IGRT ）
• 传统的3D适形放疗：先对病灶区成像，后制定放疗计
划；中间间隔时间较长。
• 过长的间隔时间中肿瘤的形状和位置可能已发生变化
• 图像引导治疗将成像和放疗一体化，不但缩短成像和
放疗间隔时间，还减小了摆位误差。
确定肿瘤的
位置并进行
放疗
可用于IGRT的成像技术
• 目前在肿瘤治疗中主要的成像方式包括CT，
MRI和PET。部分情况下会用到超声。
CT
MRI
PET
优点
扫描速度快；
空间分辨率好；
可以用EPID同时成像和
监测
无辐射；
对软组织成像很好
功能性成像，对被侵润的
淋巴组织都可以清晰的成
像
缺点
有较大的辐射；
对软组织成像不好；
没有功能性成像，不易分
辨病灶。
磁场可能干扰其他设备， 系统庞大昂贵；
包括加速管和EPID；
扫描速度很慢；
内部空间较小，可能造成 空间分辨率较差；
病人不适，也不容易摆位；肿瘤边缘处不清晰，不好
图像有失真；
界定其治疗边界。
对骨组织成像较差，不易
计算剂量。
可用于IGRT的成像技术
• 从图中可知CT的空间分辨率最好
，而MRI对组织的分辨率最佳，
PET能够准确清晰的给出病灶和
被侵润的组织。
• 融合各种成像技术是IGRT未来
发展的方向之一。
PET
CT
CT+PET
目前常用的IGRT成像技术
• 目前CT还是IGRT中最常用的技术。其中主要包括双
束KV正交成像（SKV）和锥束CT（CBCT）。
• 双束正交成像得出两幅正交的图，从中可以计算出目
标区域的三维坐标。双束成像设备一般安装在机头之
外。
锥束CT成像与同源双束技术
• 锥束CT可以在一次旋转就可计算出三维的图像，速度
快（扇形束需要螺旋扫描才可以得到）。
• 用同一根加速管切换高能和低能的方法同时实现放疗
和治疗，称之为同源双束技术。同源双束能够保证成
像放疗不需要进行坐标变换，能很大程度上降低空间
误差。
• 同源双束将放疗和成像有
效的整合到一起，能够减
小机械设计难度。
4D-IGRT概念
• CT成像（3维空间）+实时（1维时间）=4维成像技术
。实时监测肿瘤的位置，控制照射野紧紧“跟随”目
标，实现精确治疗。
• 4D-IGRT也可以称之为动态自适应放疗(DART)。
• 配合呼吸门技术，监测呼吸周期。选择在周期内固定
的相位输送剂量。
呼吸门控技术
医用电子加速器的研制
• 未来医用电子加速器的研制应该主要包括三个方向：
- 高梯度、小型化能够有效减小加速器的体积和重量：
减小机头的机械设计难度；
- 高剂量率能够保证快速治疗；
- 比较高的能量转换率：能够减小散热问题，同时节省
电费。
工作频率
• X波段是小型化轻型化的方向。
• Cyberknife和IORT system已经采用X波段加速管；
日本：6MeV，
已实际应用
(Accuthera Inc)
英国：9.3GHz，
1MeV，长10.5cm
(Lancaster Univ)
S波段
C波段
X波段
工作频率
~3GHz
~6GHz
~12GHz
尺寸*
直径20cm
直径10cm
直径5cm
机头重量预计
2000Kg~3000Kg
500Kg~700Kg
150Kg
*加速管的长度和能量与功率有关，不在此列出
移动式术中放疗专用加速器
•
•
•
•
•
•
•
•
美国Intraop Inc公司，Mobetron
机器人+X波段加速器（只出电子）
X波段驻波加速器；
用1.2MW磁控管；
电子束最高能量12MeV；
只出电子，束流负载很轻，
调制器功率也小。
不出X线，所以防护简单，
照射头小，配不同尺寸限光筒。
无旋转机架，用可调节旋转臂式结构，可以移动。
2.6 Positron Emission Tomography (PET)
正电子断层显像装置
PET Image : Breast Cancer
Image showing malignant breast
mass that was not revealed by
conventional imaging techniques
such as CT, MRI, and mammogram.
Image of same patient with enlarged left axillary
lymph nodes (indicated by arrows), which
through biopsy were found to be metastatic
(spread from another location). The whole body
scan reveals a mass in the left breast (indicated
by arrow), that was malignant and subsequently
removed.
3. 射线成像
—无损检测与无损探伤
Roentgen discovered the X-ray in 1895 and used the ray to radiate his wife’s hand to make a film.
射线成像的形式
• 射线照相
• 实时成象
1. 射线源2. 工件与机械驱动系统3. 图象增强器
• CT成象
4. 摄象机
5. 图象处理器
6. 计算机
7. 显示器
3.1 韧致辐射X射线
电子束
靶
• 打靶电子的速度越高，打
靶产生的X射线的能量也
越高。
• 打靶电子的数目越多，产
生的X射线的强度越大。
X射线
X射线的产生与电子束参数的关系
Jx=h•Ib •Een
Where
Ib-- the electron beam currents ( mA )
Ee-- Electron energy (MeV)
n=2.6~3
X射线在物质中的衰减
• 射线穿透物体时其强度的衰减与吸收体(射线
入射的物体) 的性质、厚度及射线光量子的能
量相关。
• 实验表明, 对于一束射线, 在均匀媒质中, 在无
限小的厚度范围dx 内, 强度的衰减量dJ 正比于
入射射线强度和穿透物体的厚度x。
dJ= - Jmdx
• 射线衰减规律：J = J0 e- mx
式中：J 透射线强度；
J 0无吸收体时入射线强度；
m物体的线衰减系数, cm - 1
3.2 加速器在射线成像中的应用
• 对加速器的要求
–剂量率：单脉冲剂量越大越好，平均剂量率要
求不同
–焦点：越小越好，1mm
–剂量率稳定性：剂量率上升时间，长期稳定性
–电子能量：根据应用确定
–漏剂量：0.1%
Varian电子直线加速器
Model
Linatron200
Linatron400
Linatron3000A
Linatron6000
Linatron6000H
Max.beam
Energy(MeV)
2
4
9
15
15
X-ray output
(cGy/min,at 1m)
200
400
3000
6000
20000
Max.focus
spot(mm)
2
2
2
3
2.0
HVL (mm)
20.0
25.0
31.0
33.0
33.0
MINI
LINATRON300
 The
ICT images of a vessel and an exhaust manifold
provided by the ARACOR Company, CA., U.S.A.
3.3 大型集装箱及其他货物
检查系统
Typical Pictures
Smuggling Cars
smuggling ivory
Heroin
cannabis
Stowaway
3.4 Introduction of Material Identification in High Energy
Dual-Energy X-ray Imaging Technology
Aim of Inspection：Identify threat and dangerous cargo
Material Discrimination Function of Dual-Energy X-ray Imaging
Technology
– Application：Container or Vehicle and other large-scaled cargo
– Principle：Dual-Energy X-ray Image, calculate atomic number (Z) of the
scanned object and marked by different colors
– Purpose：Differentiate organic material and inorganic material
Realization method
• Using two different energy level X-ray to scan
the container
• Using special algorithm of material
discrimination to process these two X-ray
signals, obtain the atomic number (Z) of the
scanned object, differentiate organic material
and inorganic material
• Using different colors to mark different material
Image Example and Photo Grey Image of a
Van with Different Tested Samples
Dry powder fire
extinguisher
Beer
Pistol
Wire-tyre
Small tyre Flour
Fruit Cobble
Salt
Pure material samples include
lead, iron, aluminum and
polythene with different
mass-thickness such as 70,
60, 50, 40, 30g/cm2
Sugar
Chain hoist
Liquefied
petroleum
gas cylinder
Diesel oil
barrel
TV set
Mechanical
component
Aluminum
Lead block
Polythene
Two rifles and a pistol
Lead blocks
Image Example and Photo Dual-Energy Color Image
of a Van with Different Tested Samples
Dual-Energy Color Image: obtained by processing of dual-energy material
discrimination algorithm according to effective atomic number
超过700套威视系列大型集装箱／车辆／火车检
查系统集装箱和近万套小型安全检查设备产品
已出口到澳大利亚、英国、爱尔兰、挪威、比
利时、芬兰、丹麦等五大洲130多个国家和地区。
4. Radiation辐射加工
 辐射加工是通过加速器产生的电子束对材料（高分子
材料）进行照射，从而改善性能。
 主要有以下几方面的应用：
聚合物改性、交联（电缆、热缩薄膜或管材）
固化（喷漆、彩印）
硫化（烟气脱硫）
医疗器械消毒
食品保鲜
谷物杀虫
半导体材料改性
电子束脱硫
shows
The principle of EFGT’s technique，a
view of a pilot plant constructed by
CAEP for removing SO2 and NOX in Mianyang, Sichuan, China.
食品辐照 Food Irradiation
• The radiation of interest in food preservation is ionizing
radiation, also known as irradiation. These shorter
wavelengths are capable of damaging microorganisms such
as those that contaminate food or cause food spoilage and
deterioration.
•Two things are needed for the irradiation process.
1) A source of radiant energy, and
2) a way to confine that energy.
辐照加速器之高压加速器（高压
闪络放电）：功率大，能量低。
辐照加速器之电子直线加速器
（大脉冲功率与平均功率的高
频功率源）：能量高，功率小
10MeV20kW大功率返波
行波BTW辐照加速器
大功率高能电子束
• 射频加速
• 选择高平均功率的微波产生器件
• 多次加速
–频率：100MHz～200MHz
–功率：MW
• 几种解决方案
–俄罗斯
–法国IEA，比利时IBA
– 韩国（PAC’99）
– 日本（NIM’99，A427）
ILU
Rhodotron
Fantron
Ridgetron
ILU
RF Power 0.6MW
Rhodotron
 Rhodotron
is an IBA company’s patent product. Its operating
principle is shown in the following figures.
The electrical field is radial and oscillates at a frequency of either
107.5 or 215 MHZ.
Its
beam power can reach 150 kW ( 10MeV).
Thanks!