第七講核醫(yī)學(xué)與核成像技術(shù)

1核成像與核醫(yī)學(xué)2實(shí)例01動(dòng)力裝置檢驗(yàn)的故事目前已在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)無損檢測(cè)、社會(huì)安全檢查等方面，發(fā)揮著越來越重要的作用。3一核成像概述核成像：研究核信息的空間分布，從二維或三維角度出發(fā)研究物體的形態(tài)或?qū)傩?，比如性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、密度、厚度、缺陷等。1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)x射線后經(jīng)過三個(gè)階段的發(fā)展：50年代以前：研究常規(guī)射線檢測(cè)的基本技術(shù)和設(shè)備50—70年代：完善基本理論，改進(jìn)設(shè)備，實(shí)踐嘗試70年代以后：重點(diǎn)是新技術(shù)如CT、背散射成像、DR等。4二核成像原理與系統(tǒng)組成1原理:射線與物質(zhì)的相互作用是輻射成像的物理基礎(chǔ)。以透射成像為例2組成①射線源②探測(cè)器③信號(hào)處理采集④圖像處理⑤機(jī)械與控制5三成像方式分類：有多種分類方法，如膠片與數(shù)字、探測(cè)器類型、成像方式等。透射成像（透射投影）散射成像層析成像（斷層掃描）DR:DigitalRadiographyCR:ComputedRadiographyCT:ComputedTomography6探測(cè)介質(zhì)

膠片照相：最古老而目前仍得到廣泛應(yīng)用；膠片既作為探測(cè)介質(zhì)，又是記錄載體；空間分辨率高。7熒光屏：與膠片照相類似，用熒光屏代替膠片，將x射線轉(zhuǎn)換為可見光；CCD技術(shù)+電視（圖像增強(qiáng)器，亮度可提高10000倍）；可遠(yuǎn)距離檢測(cè)，可實(shí)時(shí)成像，也可數(shù)字化。成本低；空間分辨率、對(duì)比靈敏度較差；對(duì)中高能射線探測(cè)效率低。探測(cè)介質(zhì)8

潛影成像板：日本富士公司開發(fā)的技術(shù)，用成像板代替了膠片與暗盒，由成像板、讀出器和信息處理設(shè)備三部分組成，特點(diǎn)：空間分辨率高，可與膠片比擬；輻射劑量顯著降低；成像板可重復(fù)使用2000~3000次以上，但價(jià)格昂貴；具有多種圖像后處理功能。探測(cè)介質(zhì)9TFT成像技術(shù)：美國(guó)Sterling公司開發(fā)；探測(cè)器由二維薄膜晶體管(TFT)陣列和涂覆在其上的光電導(dǎo)材料無定形硒(a-Se)構(gòu)成；a-Se吸收x射線，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，被收集到各個(gè)與像素相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)電容上，形成電信號(hào)；這些電信號(hào)被采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，形成數(shù)字圖像。

特點(diǎn)：直接把x射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，沒有經(jīng)過從x射線到可見光的轉(zhuǎn)換過程，減少了信息損失并降低了噪聲；分辨率：139μm×139μm；動(dòng)態(tài)范圍大，可實(shí)時(shí)成像。但價(jià)格昂貴?。偼顿Y>1億US$）探測(cè)介質(zhì)10成像方式（一）透射成像特點(diǎn)：建立在射線對(duì)物體透射的基礎(chǔ)上，對(duì)物體的厚度和密度比較靈敏，但對(duì)物質(zhì)的種類或物質(zhì)的原子量不太敏感。投影圖像與質(zhì)量厚度、質(zhì)量衰減系數(shù)成指數(shù)關(guān)系前后重疊，不符合視覺習(xí)慣11

散射成像：物理基礎(chǔ)是康普頓散射，對(duì)于含H物質(zhì)，對(duì)射線的吸收系數(shù)小于重物質(zhì)，所以對(duì)有機(jī)物有自動(dòng)“加亮”功能；射線照射到工件，由于檢測(cè)器前設(shè)有準(zhǔn)直器，來自工件不同深度層產(chǎn)生的散射線，將入射到不同位置的檢測(cè)器。在物體某一層中，若在不同點(diǎn)存在有性質(zhì)的差異，則所產(chǎn)生的散射線強(qiáng)度也不同。從檢測(cè)器給出的數(shù)據(jù)分布，可以對(duì)該層的物質(zhì)性質(zhì)作出分析。成像方式（二）其主要特點(diǎn)是：?jiǎn)蝹?cè)幾何布置；圖象的對(duì)比度在理論上可達(dá)100%；具有層析功能，并且一次可得到多個(gè)截面的圖象。12康普頓散射成像檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的是康普頓的散射射線，它對(duì)物質(zhì)的原子量很敏感。原子的康普頓散射截面σc與物質(zhì)的原子序數(shù)Z以及γ光子能量之間的關(guān)系為σc≈z／hv（當(dāng)hv<<mc2時(shí)）.因此，康普頓散射成像檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)物質(zhì)的成分。

康普頓散射成像檢測(cè)系統(tǒng)13由于康普頓散射成像技術(shù)采用散射線成像，故：主要適用于低原子序數(shù)物質(zhì)近表面區(qū)較小厚度范圍內(nèi)缺陷的檢驗(yàn)通常它適宜檢驗(yàn)物體表面層厚度區(qū)是：鋼為3-5mm，鋁約為25mm，塑料和復(fù)合材料約為50mm。其次，在應(yīng)用時(shí)必須考慮基體材料和缺陷對(duì)射線的散射差別，也必須考慮所要求的分辨率和成像時(shí)間?？灯疹D散射成像檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于一些問題的檢驗(yàn)和研究，例如飛機(jī)蒙皮的黏結(jié)和腐蝕檢驗(yàn)。在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分層檢驗(yàn)中，已可檢出0.15mm的分層間歇。測(cè)量密度為6.7g/cm3左右的密度時(shí)，測(cè)量的不確定度，可達(dá)1%，實(shí)驗(yàn)證明可用于密度為1.7g/cm3左右的復(fù)合材料密度測(cè)量。

局限性及應(yīng)用14散射成像掃描方式散射成像方式逐點(diǎn)掃描逐線掃描逐面掃描逐點(diǎn)逐面逐線15

當(dāng)散射角θ=180°時(shí)，稱背散射，相應(yīng)的成像方式稱為背散射成像。成像特點(diǎn)：

源與探測(cè)器在同一側(cè)表層信息、對(duì)低原子序數(shù)敏感一次只能獲取一側(cè)圖像層析功能，直接三維背散射成像16在X射線成像技術(shù)中，存在2個(gè)根本的問題：（1）常規(guī)的X射線成像是利用透射原理完成的，它使物體的三維結(jié)構(gòu)通過投影后顯示在一個(gè)二維的平面上，使圖象前后重疊，讀片困難。（2）無論是熒光屏還是X射線膠片，它們固有的分辨率都比較差。X射線斷層成像從根本上克服了上述困難。X射線斷層成像（X-CT）技術(shù)是根據(jù)物體橫斷面的一組投影數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算處理后，得到物體橫斷面的圖象，是一種由數(shù)據(jù)到圖象的重建技術(shù)。三、計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）17

設(shè)有一幅只含4個(gè)像素的圖象，每個(gè)像素的衰減系數(shù)值是未知的。根據(jù)投影X射線成像原理，當(dāng)入射強(qiáng)度為I0的X射線通過物體后，檢測(cè)器接受到的射線強(qiáng)度為：I=I0e-μd,式中，d為物體的厚度，μ為物體的線性衰減系數(shù)。對(duì)于一個(gè)μ值不均勻截面而言，可以假設(shè)不同的位置有不同的μ值（見圖），并建立一系列的衰減方程。對(duì)于這個(gè)只含4個(gè)像素的圖象來說，在水平方向上可以建立以下2個(gè)方程：I1=I0e-（μ1+μ4）dI2=I0e-（μ2+μ3）d基本原理

同理，還可以在垂直方向或?qū)蔷€方向上列出類似的方程。4個(gè)獨(dú)立的方程聯(lián)合起來求解，就能得出μ1μ2μ3μ4

的值，所形成的這幅關(guān)于衰減系數(shù)的圖象就是我們所要得到的X-CT圖象，它表示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

18優(yōu)勢(shì)：（1）

它能鑒別出，較小的衰減系數(shù)差，從而提高了檢測(cè)靈敏度。（2）對(duì)物體的前后、左右、上下進(jìn)行3維全方位斷面掃描，將數(shù)據(jù)重新整合，就能得到物體結(jié)構(gòu)的3維立體圖象。

X-CT自問世以來，在不長(zhǎng)的20多年中得到了飛速的發(fā)展，產(chǎn)品經(jīng)過了幾代更新，各項(xiàng)性能指標(biāo)有了明顯的提高。

計(jì)算機(jī)斷層成像優(yōu)勢(shì)19用一個(gè)X射線源一個(gè)探測(cè)器同步作平移運(yùn)動(dòng)并旋轉(zhuǎn)掃描以獲取投影數(shù)據(jù)。第一代的主要缺點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，大約需要幾分鐘。

第一代：X-CT20也采用平移加旋轉(zhuǎn)的掃描方式，不同的是用一個(gè)小角度扇形的射線束和多個(gè)檢測(cè)器來代替原來的單一檢測(cè)器。使在每一個(gè)發(fā)射位置上可以同時(shí)檢測(cè)到多個(gè)投影數(shù)據(jù)。假如有10個(gè)檢測(cè)器，相鄰之間相差1o，那么在一次發(fā)射后可同時(shí)采集到10個(gè)投影數(shù)據(jù)。于是在下一步作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)掃描系統(tǒng)就可以一步旋轉(zhuǎn)10o而不是1o（假設(shè)單一檢測(cè)器時(shí)每次轉(zhuǎn)1o），使整個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間縮短了10倍。第二代：X-CT21只包含扇形束的旋轉(zhuǎn)掃描，不包括X射線源與檢測(cè)器的平移運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榈谌鷴呙鑳x的扇形束，已擴(kuò)展至能容納下整個(gè)工件的截面。檢測(cè)器陣列通常有幾百個(gè)或上千個(gè)檢測(cè)器單元，依次排列而成，工件圍繞著一個(gè)公共軸心旋轉(zhuǎn)，X射線源與檢測(cè)器同時(shí)作上下平移運(yùn)動(dòng)?！碍h(huán)形偽影”這一代掃描儀的明顯優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了，可以保證機(jī)械掃描精度，并使掃描速度有了明顯的提高（通常為幾秒鐘）。這是當(dāng)前X-CT的主要結(jié)構(gòu)形式。

第三代：X-CT22采用在360o圓周上固定安裝好的檢測(cè)器；數(shù)據(jù)的采集只是靠旋轉(zhuǎn)X射線源；整個(gè)探測(cè)器陣列是不動(dòng)的；它的缺點(diǎn)是對(duì)某一特定的檢測(cè)單元來說，在不同的掃描位置上，X射線以不同的角度轟擊探測(cè)器，這將對(duì)重建圖象的質(zhì)量發(fā)生影響。同時(shí)制造成本也高。

第四代：X-CT23第五代CT第五代CT多層CT螺旋CT發(fā)射CTSPECTPETPETSPECT24核心技術(shù)是從投影重建圖象。一種逆問題求解的方法，研究從投影重建圖象的理論有普遍的適用性。斷層掃描作為一種技術(shù)，它既有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論為依托，又有現(xiàn)代電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)相支持，

X-CT已在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，地球物理等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。中科院高能物理研究所，建成并投入使用的加速器工業(yè)X-CT系統(tǒng)斷層掃描技術(shù)25檢測(cè)平臺(tái)可以左右移動(dòng)并可圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)上，斷層截面的切取，通過工件臺(tái)的上升或下降實(shí)現(xiàn)。線陣探測(cè)器選用：鎢酸鎘0.35mm(寬)×6mm(高)×5mm(深)檢測(cè)平臺(tái)和線陣探測(cè)器-能量響應(yīng)范圍寬50keV~9MeV

-探頭間隔0.4mm，它決定了位置分辨的精度；

-動(dòng)態(tài)范圍，≥7500/1（定義為飽和信號(hào)與電子噪聲本底標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值）；261）輻射源：常用的有：X光機(jī)，加速器，γ射線源。理想的射線源：應(yīng)具有足夠高的強(qiáng)度，單一的能量，較小的焦點(diǎn)尺寸。射線源的能量應(yīng)根據(jù)檢測(cè)物體的特點(diǎn)選定。2）探測(cè)器：它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，它接收射線信號(hào)，形成X-CT系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，其性能直接影響系統(tǒng)的圖象質(zhì)量。探測(cè)器的主要性能包括：?jiǎn)卧叽?，單元?shù)目（通道數(shù)），能量轉(zhuǎn)換效率，響應(yīng)時(shí)間，動(dòng)態(tài)范圍，穩(wěn)定性，一致性等。常用的固體探測(cè)器有：CdWO4，CaWO4，Nal(Tl),BGO或塑料閃爍體等，后接光電倍增管；射線源與探測(cè)器前均有相應(yīng)的準(zhǔn)直裝置。工業(yè)CT組成273）機(jī)械掃描系統(tǒng)：用于工件的旋轉(zhuǎn)，升降和平移，調(diào)整射線源-工件-探測(cè)器的距離和相對(duì)位置。主要性能要求是：掃描方式，移位特性（移動(dòng)自由度，速度，范圍等），控制方法和精度等。4）電子學(xué)系統(tǒng)：包括信號(hào)放大、甄別、計(jì)數(shù)等一系列部件，以及使探測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相聯(lián)系的接口等。5）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：硬件有主機(jī)、陣列處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖象顯示與文字輸出等；軟件有各種作濾波反投影信息處理的程序和一定的圖象重建的程序。工業(yè)CT組成28

影響CT圖象質(zhì)量的因素很多，但通常用下列幾種參數(shù)作為主要評(píng)價(jià)標(biāo)志。1）掃描時(shí)間：即完成一個(gè)層面數(shù)據(jù)采集所需的時(shí)間。它與圖象矩陣的大小，探測(cè)器陣列所含探測(cè)器的多少及射線源的輻射強(qiáng)度等直接相關(guān)。2）重建時(shí)間：即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成一個(gè)層面數(shù)據(jù)處理，給出數(shù)字圖象所需要的時(shí)間。它與圖象矩陣的大小，重建算法的性能密切相關(guān)。3）空間分辨率：指斷層面上的幾何分辨率，即顯示最小物體的能力4）斷層厚度：即為切片厚度，要得到很高的空間分辨率，必須取很薄的掃描斷層厚度。評(píng)價(jià)CT性能的主要參數(shù)295）密度分辨率：又稱對(duì)比度分辨率，它表示能夠區(qū)分開的密度差別程度，以%表示。6）偽影：又稱假像，它是指圖象中與被檢物體的物理參數(shù)分布沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系的部分。它可能來自被檢物和CT裝置兩個(gè)方面。7）均勻度：指斷面不同位置上同類缺陷成像時(shí)，是否具有同一個(gè)平均CT值。8）重復(fù)性：指在一定的誤差范圍內(nèi)，同一物體在同樣的測(cè)量參數(shù)下始終能獲得同樣的圖象。

9）CT系統(tǒng)可以檢測(cè)工件的尺寸，厚度，重量等。評(píng)價(jià)CT性能的主要參數(shù)30工業(yè)CT的應(yīng)用已越來越廣泛。航空航天工業(yè)中，CT技術(shù)用來檢測(cè)精密鑄件，燒結(jié)和復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)等；核工業(yè)CT技術(shù)用來檢測(cè)反應(yīng)堆燃料元件的密度和缺陷，確定包殼管內(nèi)芯體位置，核動(dòng)力裝置零部件及組件等；鋼鐵工業(yè)CT技術(shù)用來檢測(cè)鋼材的質(zhì)量，如管子的外徑，內(nèi)徑，壁厚，偏心率和橢圓度；機(jī)械工業(yè)中可檢測(cè)鑄件和焊縫中的微小氣孔，夾雜和裂紋等缺陷。此外，在陶瓷，建筑，食品，礦業(yè)，石油等等，領(lǐng)域都有很多的應(yīng)用。

工業(yè)CT的應(yīng)用31工業(yè)X-CT應(yīng)用深入到生產(chǎn)過程在線實(shí)時(shí)測(cè)試和自動(dòng)控制1984年，美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)設(shè)立一專門小組，探討解決鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展所面臨的緊迫任務(wù)的有效途徑。他們認(rèn)為，熱軋無縫鋼管的在線測(cè)試是其首要任務(wù)之一，即在熱軋的同時(shí)測(cè)定鋼管的壁厚、同心度、單位長(zhǎng)度重量以及檢查出鋼管中的氣孔、劃痕、裂縫、分層等各種缺陷。之前，摩根教授等人曾就CT在熱軋無縫鋼管測(cè)試中的應(yīng)用可行性，作過探索和實(shí)驗(yàn)。投資240萬美元，研制稱之為“鋼管全長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)(IPIS)”的工業(yè)CT。經(jīng)過四年的努力，IPIS的樣機(jī)已于1988年年底問世。其間，摩根在1987年創(chuàng)立了專門從事INs研制生產(chǎn)的國(guó)際數(shù)字模式公司(EDM公司)。在線實(shí)時(shí)測(cè)試和自動(dòng)控制32最近的工業(yè)應(yīng)用，更與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造(CAD／CAM)結(jié)合起來，使各種發(fā)動(dòng)機(jī)和其他機(jī)械設(shè)計(jì)制造的工作效率與性能指標(biāo)，均有很大提高。例如彈藥的裝藥密度測(cè)定．使制造商們大傷腦筋。用常規(guī)的檢查方法，除非把炮彈鋸開．否則都礙于彈殼的不均勻性而影響其測(cè)定精確度。美國(guó)IRT公司曾經(jīng)設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)康普頓散射CT掃描儀，檢測(cè)l55mm火箭炮彈頭。裝藥的極為局部的密度變化均被正確測(cè)定，彈殼厚度的變化對(duì)這一測(cè)量沒有任何影響。國(guó)防工業(yè)的應(yīng)用33國(guó)防工業(yè)的應(yīng)用除美國(guó)外，其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家．如英國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)、日本、法國(guó)、俄羅斯等也都在工業(yè)CT的發(fā)展方面，取得了引入注目的成就。最為集中的應(yīng)用領(lǐng)域可說是國(guó)防工業(yè)，如直徑為2m火箭的整體測(cè)試，以及各種槍炮和彈藥的無損檢測(cè)等。工業(yè)CT還被應(yīng)用于飛機(jī)螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)，汽輪機(jī)葉片，汽缸等精密鑄件的無損檢測(cè)。蘇聯(lián)曾用XCT測(cè)定反應(yīng)堆燃料元件的密度分布。以前的這種檢查，需把燃料元件分解開后用化學(xué)方法測(cè)定，耗時(shí)費(fèi)錢。使用CT技術(shù)一次可測(cè)定32個(gè)燃料元件，每次測(cè)定僅花35min。34美國(guó)肯尼迪空間中心SMS-201-CT掃描儀，在一次測(cè)定中節(jié)約l0萬美元。當(dāng)時(shí)，航天飛機(jī)引擎裝配好后．在其燃料管的波紋管減振器的肘節(jié)處(2.3mm不銹鋼制成)，發(fā)現(xiàn)—處約為一枚硬幣大小的凹痕。痕跡雖不深，但明顯可見。制造商洛克希德公司用了好幾種方法對(duì)此痕跡作了檢查，以確定痕跡處的管壁是否薄于規(guī)定指標(biāo)，但均未奏效。按常規(guī)方法．似乎只有拆開燃料管．換上一根新的波紋管了。但這根結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件價(jià)值10萬美元。于是采用SMS-201-CT對(duì)該肘節(jié)處作了621次剖面掃描，花了4h，結(jié)果證明肘節(jié)處的尺寸還是在加工公差范圍之內(nèi)，部件可以放心地被使用。民用工業(yè)產(chǎn)品的測(cè)試名目繁多，如木材掃描(提高其利用率)，輪胎生產(chǎn)流水線，以及各種管道和樁柱的定期檢查等等。航天及民用35圖例層析成像透射CT斷層圖像36圖例TheCTimagesofavesselandanexhaustmanifoldprovidedbytheARACORCompany,CA.,U.S.A.37其他核成像技術(shù)核磁共振成像正電子發(fā)射斷層成像襁褓中的巨人——穆斯堡爾成像38發(fā)展趨勢(shì)：

在基本理論日臻完善的情況下，核成像技術(shù)的發(fā)展更多地體現(xiàn)在多學(xué)科的交叉融合上。材料科學(xué)的發(fā)展(如新型材料的誕生)、信息科學(xué)的發(fā)展(如計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù))，為核成像技術(shù)注入了巨大的活力。其未來的發(fā)展，仍將首先依賴于以信息科學(xué)為主導(dǎo)的高新技術(shù)的進(jìn)步。數(shù)字化大規(guī)模、高能多視圖圖像智能化39核醫(yī)學(xué)包含兩部分核醫(yī)學(xué)診斷和核醫(yī)學(xué)治療（放射治療）x射線圖像增強(qiáng)器造影術(shù)：鋇餐數(shù)字化：高對(duì)比度CT：任意斷層圖像的獲得放射性同位素診斷：PECT與PET40

（一）放射治療的原理放射治療利用電離輻射對(duì)生物組織的破壞效應(yīng)進(jìn)行疾病治療，一般簡(jiǎn)稱為放療。70%以上的惡性腫瘤病人需要進(jìn)行放療。射線的直接效應(yīng)－射線直接作用細(xì)胞的遺傳物質(zhì)DNA分子上，使它們發(fā)生電離，分子斷裂，使得細(xì)胞不能再繁殖，并最終導(dǎo)致死亡。射線的間接效應(yīng)－射線引起水分子電離和分解，產(chǎn)生大量活潑的離子和自由基，它們?cè)倥c細(xì)胞的DNA分子發(fā)生作用，導(dǎo)致細(xì)胞無法再分裂或增生，并最終死亡。411.放射治療使用的輻射源放射治療使用的射線有X、γ、e、p、n、π-介子及重離子，電子和重離子利用其直接電離效應(yīng)，X、γ光子和中子利用其間接電離效應(yīng)。其中最常用的是X、γ及e。60Co是重要的γ射線輻射源，它經(jīng)β-衰變產(chǎn)生能量為1.173MeV和1.333MeV的γ射線，半衰期5.27年。

電子加速器能產(chǎn)生用于治療的電子束流和X射線。醫(yī)用電子加速器有三種類型：電子感應(yīng)加速器（Betatron）、回旋加速器（Cyclotron）和直線加速器（LinearAccelerator，LINAC）。LINAC又可分為行波與駐波兩類。42醫(yī)用電子直線加速器醫(yī)用電子直線加速器能為放射治療提供兩種MeV級(jí)電離輻射：供深部腫瘤治療用的X輻射，供表淺治療用的電子輻射。43放射治療?ThetotalnumberofmedicalelectronlinearAccelerators(linacs)is7,000~8,000?VarianAssociatesclinacmachine442.放射治療的分類和目標(biāo)對(duì)人體表淺組織（通常深度小于1cm）進(jìn)行的表淺放射治療靶區(qū)位于人體深部（深度超過1cm）的深部放射治療將輻射束或放射源通過自然的或人造的開口引入人體腔內(nèi)的腔內(nèi)放射治療對(duì)人體全身進(jìn)行的全身放射治療在手術(shù)中，直視下進(jìn)行大劑量照射，以殺滅殘留腫瘤細(xì)胞的術(shù)中放射治療。

放射治療追求的目標(biāo)是給腫瘤足夠的劑量，以便最徹底地破壞腫瘤，同時(shí)使正常組織和敏感器官受到的傷害盡可能地小。45對(duì)于眼部和皮膚等的各種淺表疾病，如皮膚癌、血管瘤等，可以利用敷貼器將成膏藥狀90Sr（鍶）或32P（磷）等放射性核素貼在病變位置上進(jìn)行表淺放射治療。后裝機(jī)是一種腔內(nèi)近距離放射治療設(shè)備。所謂后裝，即先將治療頭放入欲治體腔內(nèi)，固定位置后，再將小球狀放射源裝入治療頭內(nèi)，讓射線在很短距離內(nèi)殺傷癌細(xì)胞。后裝機(jī)所用的放射性核素有60Co（鈷）、192lr（銥）、125I（碘）。1.敷貼器和后裝機(jī)

（二） 放射治療的方法46后裝機(jī)由放射源、儲(chǔ)源罐、施源器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與治療計(jì)劃系統(tǒng)組成，放射源的運(yùn)動(dòng)與駐留時(shí)間全都由計(jì)算機(jī)操作自動(dòng)進(jìn)行。

由于有立體定向儀和三維檢查與治療系統(tǒng)，使腫瘤的大小、形態(tài)、質(zhì)地、體積及在顱內(nèi)空間的位置得以精確的判定，需向瘤內(nèi)插置源管的部位、數(shù)目及劑量與時(shí)間得以準(zhǔn)確的計(jì)算與優(yōu)化。47

后裝機(jī)可用于咽喉癌、結(jié)腸癌、膀胱癌及皮膚癌等的治療。近年來開始用于腦瘤間質(zhì)內(nèi)近距離治療和冠心病介入治療后的預(yù)防血栓形成。

482.常規(guī)放射治療腫瘤靶區(qū)常規(guī)照射以強(qiáng)度均勻、形狀規(guī)則的輻射野為基礎(chǔ)，每次從2～3個(gè)不同角度照射，使腫瘤靶區(qū)得到比周圍組織高的照射劑量。第一輻射野第二輻射野49常規(guī)放射治療使用的設(shè)備1.直線加速器（LinearAccelerator，LINAC）一系列分立的加速電極排成一線，電極上加交變電場(chǎng)，其頻率保證當(dāng)電子經(jīng)過每對(duì)電極間隙的時(shí)候都被電場(chǎng)加速。50醫(yī)用加速器的結(jié)構(gòu)電子照射時(shí)用散射器獲得均勻分布的輻射，用限束器獲得所需的矩形或圓形輻射野。第一準(zhǔn)直器勻整器監(jiān)測(cè)電離室第二準(zhǔn)直器補(bǔ)償器附加擋塊X輻射用電子打靶產(chǎn)生，均整器使之分布均勻，由兩對(duì)準(zhǔn)直器產(chǎn)生矩形的輻射野，用低熔點(diǎn)合金制成的附加擋塊保護(hù)要害器官，在散射器和限束器之間放置監(jiān)測(cè)電離室。512.60Co治療機(jī)（又稱鈷炮）γ射線從鈷頭前方的準(zhǔn)直孔射出。鈷頭裝在機(jī)架上，可繞一軸線旋轉(zhuǎn)。移動(dòng)治療床，使鈷頭前端貼近病人的體表?？刹捎霉潭ㄊ?、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和跳躍治療方法。523.伽瑪?shù)?、X刀和立體定向放射治療LeksellC型伽瑪?shù)顿が數(shù)妒且环N專用作腦定向放射的外科治療裝置。伽瑪?shù)吨委熛到y(tǒng)利用立體定位的方法，預(yù)先測(cè)定病灶點(diǎn)的位置。然后將201束γ射線精確地聚焦在病灶點(diǎn)上，形成銳利如刀鋒的高劑量區(qū)。對(duì)周邊的正常組織所造成的放射劑量比腫瘤所接收的小5～10倍.53直線電子加速器前安裝筒型準(zhǔn)直器，形成狹窄的輻射野。將此X射線束從不同的方向投送至病灶點(diǎn)，讓病灶點(diǎn)承受高劑量輻射，而靶區(qū)周圍X線的放射劑量呈銳減性分布，故稱為X刀。

544.適形放射治療

（ConformalRadioTherapy，CRT）使不同照射角度的輻射野截面形狀與病灶在射束方向的投影輪廓相一致，輻射野的劑量分布仍以均勻分布為基礎(chǔ)。55輻射野成形準(zhǔn)直器

準(zhǔn)直器一般用鉛、鎢或合金制造，用來阻擋和吸收輻射線，以形成一定形狀的輻射野。多葉準(zhǔn)直器（MultiLeafCollimator，MLC）由一組葉片迭合成，葉片開合形成輻射野形狀。早期的MLC是手動(dòng)的，葉片較厚，只有8～12對(duì)。目前的MLC葉片能在計(jì)算機(jī)的控制下快速運(yùn)動(dòng)，輻射野的大小、形狀和位置可隨時(shí)間動(dòng)態(tài)改變。葉片越薄，片數(shù)越多，越能獲得與腫瘤輪廓接近的輻射野，但是驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)也越復(fù)雜。目前最多已發(fā)展到60對(duì)。565.調(diào)強(qiáng)放射治療(IntensityModulationRadiationTherapy，IMRT)Brahme和Cormack在1988年進(jìn)行劑量分布優(yōu)化計(jì)算時(shí)獨(dú)立地提出了采用非均勻調(diào)強(qiáng)輻射準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)靶區(qū)劑量分布的問題。IMRT用于治療那些形狀復(fù)雜、附近有要害器官的腫瘤。例如治療主動(dòng)脈旁的淋巴結(jié)瘤。為使組織不均勻、輪廓不規(guī)則的靶區(qū)（甚至是凹型或包嵌形）獲得預(yù)期的劑量分布，降低正常組織吸收，除了要求每個(gè)輻射野截面形狀與靶區(qū)外圍輪廓形狀一致外，而且要求每個(gè)輻射野內(nèi)劑量強(qiáng)度分布與組織不均勻的腫瘤相符合。57IMRT實(shí)例：前列腺治療58（三）放療的技術(shù)支持設(shè)備放射治療要從多個(gè)角度進(jìn)行照射，每個(gè)照射角度的輻射野都有各自的截面形狀和強(qiáng)度分布要求。當(dāng)前放射治療日益精細(xì)化，實(shí)施照射之前必須對(duì)病灶精確定位，設(shè)計(jì)出治療方案，照射時(shí)要準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的計(jì)劃，這些都須借助復(fù)雜的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。591.模擬定位系統(tǒng)

（SimulationSystem）臨床實(shí)踐中，放療事故主要因腫瘤靶區(qū)定位失準(zhǔn)而引起。為了確保治療質(zhì)量和病人安全，放射治療前必須模擬照射的幾何條件,準(zhǔn)確定位腫瘤,對(duì)輻射野進(jìn)行設(shè)計(jì)和檢查。其過程包含固定和標(biāo)記病人，確定靶區(qū)以及設(shè)計(jì)照射野的大小、方向和檔塊，復(fù)核治療計(jì)劃等。早期直接在治療機(jī)上行模擬，通過X光膠片來確定照射野。這種方法圖像質(zhì)量很差，定位不準(zhǔn)確，模擬定位通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間，效率很低。X射線模擬定位系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了上述問題，對(duì)常規(guī)放療是革命性的。60模擬定位機(jī)模擬定位機(jī)是一臺(tái)與放療設(shè)備在治療時(shí)的條件完全一致的低能X射線機(jī)，根據(jù)它產(chǎn)生的二維圖像（透視圖像或X光膠片）進(jìn)行腫瘤定位，確定照射野的形狀、方向，制作檔塊，標(biāo)記體表，檢查治療方案等。用診斷X射線取代高能X射線，圖像質(zhì)量大為改進(jìn)，靶區(qū)定位更準(zhǔn)確，對(duì)病人的傷害減小，并可實(shí)時(shí)透視病人內(nèi)部器官的運(yùn)動(dòng)，及時(shí)調(diào)整射野邊界。將模擬和治療分開進(jìn)行，病人處理效率大大提高。61實(shí)施適形、調(diào)強(qiáng)和立體定向等精確放射治療之前，要做出精確、詳細(xì)的治療計(jì)劃。其過程為：從成像設(shè)備取得病人的解剖結(jié)構(gòu)信息，判斷腫瘤的位置、形狀和性質(zhì)；根據(jù)腫瘤和周圍組織的構(gòu)造、承受輻射的能力確定靶區(qū)和相鄰組織的照射劑量；根據(jù)預(yù)設(shè)的靶區(qū)劑量分布求出所需輻射野數(shù)目、照射角度及各個(gè)輻射野的形狀和劑量分布；根據(jù)治療計(jì)劃反算靶區(qū)和相鄰組織的劑量，進(jìn)行檢驗(yàn)，并修正照射方案。2.治療計(jì)劃系統(tǒng)

（TreatmentPlanningSystem，TPS）62治療計(jì)劃系統(tǒng)是一臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)與成像系統(tǒng)、治療機(jī)連接的圖像工作站。它從成像設(shè)備取得腫瘤所在體段的圖像，在醫(yī)生的參與下做出治療計(jì)劃，得到的各種治療參數(shù)輸入加速器控制計(jì)算機(jī)中。633.三維CT模擬定位計(jì)劃系統(tǒng)立體適形和調(diào)強(qiáng)放射治療需要精確地確定靶區(qū)的三維形狀和位置。將放療專用螺旋CT、激光定位系統(tǒng)和三維治療計(jì)劃系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)相連接，就形成了集影像診斷、腫瘤定位、劑量計(jì)算和治療計(jì)劃為一體化的三維CT模擬定位計(jì)劃系統(tǒng)。64病人在靶區(qū)空間坐標(biāo)參考體系下進(jìn)行CT掃描，經(jīng)靶區(qū)影像三維數(shù)字重建，確定靶區(qū)和周圍要害器官的形狀與空間位置關(guān)系。65為了確保病灶在模擬定位機(jī)和加速器治療機(jī)上所處的位置完全一致，需要有空間坐標(biāo)參考系統(tǒng)，它包含兩部分：4.空間坐標(biāo)參考系統(tǒng)⑴體架或頭架病人由真空墊吸附并固定于體架中，頭架則固定在病人頭骨上。通過在體外設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)的方法建立參考坐標(biāo)系統(tǒng)，給出病灶的空間位置。66⑵激光定位器。屋頂、兩側(cè)墻面的三束激光互相垂直并共交于一點(diǎn)，此點(diǎn)就是模擬定位機(jī)和加速器的等中心點(diǎn)。激光束在頭、體架上或病人皮膚表面形成位置標(biāo)記，以確定機(jī)器與病人之間的空間關(guān)系。675.計(jì)算機(jī)控制的多葉準(zhǔn)直器（MLC）MLC的葉片安裝在加速器頭上的MLC681.影像引導(dǎo)的放射性治療影像引導(dǎo)的放射性治療把影像獲取、治療計(jì)劃、CT模擬定位及加速器整合在一套系統(tǒng)之中，能在病人治療時(shí)獲取腫瘤位置、形狀，及周圍正常組織的圖像，比較治療中和治療計(jì)劃中的影像，確定腫瘤位置的三維誤差，自動(dòng)校正后出束治療。CT影像引導(dǎo)有益于加大處方劑量，在治療時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并消除器官運(yùn)動(dòng)。病人甚至無需佩戴定位框架。西門子的IGRT系統(tǒng)CT和加速器共用同一治療床，避免了病人在影像床與治療床的體位不同帶來的誤差。（五）發(fā)展中的放射治療技術(shù)69美國(guó)斯坦福大學(xué)研制的Cyberknife系統(tǒng)輕型直線電子加速器能產(chǎn)生6MVX射線，裝在三維運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂上，使X射線從不同方向聚焦至病灶點(diǎn)。手術(shù)進(jìn)行時(shí)，X射線追蹤系統(tǒng)會(huì)不斷地把兩個(gè)X射線攝像