放射治疗设备发展史

放射治疗设备发展史12016年1月，中国医学科学院肿瘤医院、国家癌症中心赫捷院士、全国肿瘤登记中心主任陈万青教授等在《CA：ACancerJournalforClinicians》杂志上发表了2015年中国癌症统计数据。文章指出，我国癌症发病率和死亡率不断攀升，几乎22%的全球新发癌症病例出现在中国，27%的癌症死亡病例在中国，2015年中国有429.2万例新发肿瘤病例和281.4万例死亡病例，并且癌症预后一般较差，生存期较短，癌症已成为我国因疾病死亡的第一大原因。1、放射治疗的基本概念2•放射治疗是利用高能射线来破坏癌细胞的DNA，使其失去分裂与复制能力，达到缩小、消除肿瘤组织的目的。这些射线可以是放射性核素产生的α、β、γ射线；x射线治疗机和各类加速器产生的不同能量的x线；也可以是各类加速器产生的电子束、质子束、负π介子束以及其它重粒子束等。•据文献统计，70%的恶性肿瘤病人，治疗某一阶段需做放射治疗。•据WHO报告，45%的恶性肿瘤可治愈，其中手术治愈22%，放射治疗治愈18%，化疗治愈5%。放射治疗的基本概念31895年伦琴发现X射线1901年荣获首届Nobel物理学奖2、放射治疗发展历史41896年贝克雷尔发现铀的放射性放射治疗发展历史51896年居里夫妇发现镭1903年Nobel物理学奖1911年Nobel化学奖放射治疗发展历史6•1896年第一例放射治疗•1920’sx线治疗喉癌镭治疗宫颈癌•1930’sCourtard建立了分次放疗的方法•1950’s钴-60治疗恶性肿瘤•1970’sCT应用于肿瘤诊断和治疗加速器治疗恶性肿瘤模拟定位机应用•1980’sMRI应用于肿瘤诊断和放疗放疗计划系统（TPS）应用•1990’s适形放射治疗及调强放射治疗（IMRT）CT模拟机73、放射治疗设备发展史•放射治疗技术是通过人工射线或天然射线对肿瘤病人或其他病灶实施无创性治疗的现代放射治疗手段。•人工射线是由各类人工射线装置或设备产生的放射线；天然射线是由天然放射性核素发出的放射线。•放射治疗设备是伴随着放射线的发现与应用研究而逐步发展起来的现代医学治疗装备。8（一）放射线的发现与医学应用•1895年，德国科学家伦琴发现了X射线；•1896年，法国科学家贝克勒尔发现了放射性核素镭(226Ra)；•1898年，法国物理学家居里夫妇成功分理出放射性核素镭，并首次提出“放射性”的概念，为放射诊断学和放射治疗学奠定了基础；•1899年，在瑞典斯德哥尔摩，首次利用电离辐射治疗皮肤癌患者；•1905年，居里夫人与其他科学家一起发明了将核素镭用铂金封装成管状线源的放射源，用于治疗皮肤癌和宫颈癌，开发出近距离敷贴治疗和腔内放射治疗的新技术；9•1906年，人们发现放射性核素产生的电离辐射仅对部分病种和病例有效，同时发现放疗后存在放射损伤。•当时，没有可靠的放射治疗设备，基本靠手工操作，而放射性核素随时都有放射性，对工作人员具有很大的辐射损伤和潜在的误照风险，并且也不知道如何测量电离辐射的质和量，对放射治疗的机制不清楚，因而放疗技术步入低潮。10•由于天然放射源存在能量低、放射性不易控制等缺点，只能用于表浅病灶的放射治疗，对深部肿瘤无效。因此，研究人员转向人工射线装置和放射治疗设备的研发。•1910年，美国人Coolidge研制成功钨丝热阴极X线管。•1913年，Coolidge研制成功140千伏(kV)级X线机。1922年后陆续研制成200~1000KVX线机。•加在X线管上的电压越高，X线的能量就越高，辐射就越深。因此，用X线管的管电压来表示x线的输出能量。•根据不同的能量范围，可将其分为以下三种类型。①接触X线治疗机(10～60kV)；②浅部X线治疗机(60～160kV)；③深部X线治疗机(160～400kV)。（二）千伏级X线治疗设备阶段11•千伏(kV)级x线治疗机具有辐射可控性等优点，保障了工作人员的辐射安全性，因而受到设备操作人员的欢迎。•理论和实践表明，千伏(kV)级X线治疗机输出的X线的能量仍然太低，其最大剂量分布在皮肤下较浅部位，当治疗较深部位肿瘤时，在肿瘤尚未得到足够剂量时，皮肤反应已经非常严重。•受材料和安全技术等因素的制约，其管电压不可能继续提高，因此，千伏级X线治疗机后来逐步走入低谷，直至淘汰，目前已经很难见到。12•1931年美国发明了电子静电加速器。1937年美国和英国医院安装了1MeV的电子静电加速器，后来提高到2.5MeV，但由于这类装置的输出能量仍然较低，而且体积庞大，不适合于医院环境的应用，从而没有得到进一步的发展与应用。•1940年美国发明电子感应加速器。1949年美国用电子感应加速器进行放射治疗。但由于这类装置运行时电磁铁的噪声很大，而且输出射线的剂量率不稳定，辐射性能较差，因此也没有得到进一步的发展。•1950年，加拿大科学家利用反应堆生产的人工放射性核素60钴(60Co)，研制生产出外照射60Co治疗机。这种装置可以发射1.17MeV和1.33MeV两种γ射线，其深度剂量分布与2.5MeV的电子加速器相当。这种装置结构简单、成本较低、运行维护方便，因此，在发展中国家和我国至今仍有生产，主要在中小医院应用。(三)兆伏级X线治疗设备13•为了开发更高能量并且适合于医用的放射治疗设备，在20世纪50年代至20世纪70年代，许多国家先后研究开发了各种不同类型的医用加速器，主要类型包括：电子回旋加速器、电子直线加速器、质子加速器和其他重离子加速器等。•医用电子直线加速器可以输出不同能量的x线和电子射线，输出能量可以从几个兆电子伏到几十兆电子伏，基本可以满足临床需求，且其相对成本较低，从而得到了迅速发展。•其他几类医用加速器，虽然性能也比较优越，但由于结构复杂庞大、成本太高等因素，致使其发展速度比较缓慢，投入临床应用较少。14•医用电子直线加速器是放疗领域的主流产品，是放疗的核心设备。•可提供该设备的国外公司主要有：美国瓦里安公司(Varian)，瑞典医科大公司(Elekta)，德国西门子公司(Siemens)。•可提供该设备的国内公司主要有：江苏海明医疗器械有限公司，山东新华医疗器械有限公司，东软集团，上海联影科技有限公司。15（四）从普通放射治疗到精确放射治疗的发展•与以往手术治疗不同，放射治疗属于无创治疗，因此，照射部位、照射角度以及照射野形状的选择和病灶的定位就显得非常重要。•普通放射治疗的常规定位方法是在模拟定位机上通过X线透视的方法确定病灶部位、形状和照射角度等，并在人体表面画上标记，然后在放射治疗机上实施放射治疗。这种定位方法的位置误差较大，有时会影响疗效。•在研究开发各种放射治疗设备的同时，尤其是在确立了医用电子直线加速器在放射治疗领域的主导地位之后，如何提高并确认病灶的定位精度，自然就成了放射治疗设备研究的主攻方向。16•1949年，瑞典Leksell首次提出立体定向放射外科理论，开创了精确放疗的先河。•1959年，日本的Takahashi提出适形放疗的原理，首创多叶准直器。•1968年，瑞典的Elekta推出了以60Co为辐射源的专门用于脑部肿瘤治疗的立体定向放射外科治疗装置，它利用201颗60Co辐射源发出的γ射线，经准直孔聚焦到脑部肿瘤进行精确放射治疗。治疗效果可与手术切除媲美。这种装置被称为γ刀系统，是脑部肿瘤的精确放射治疗设备，至今仍在临床应用。17•1974年，美国Larsson等人提出用医用电子直线加速器代替60Co进行立体定向放射治疗的建议，开创了以医用电子直线加速器为放射源的精确放疗新起点。•1977年，美国Bjangard和Kijewski等提出“调强适形”放射治疗原理。•1984年，出现了以医用电子直线加速器为辐射源，采用非共面弧形旋转放射治疗的头部专用立体定向放射治疗装置，可以达到mm级甚至更高的立体定向定位精度。由于医用电子直线加速器发出的是x射线，并且专门用于头部肿瘤的精确放射治疗，野可以达到类似于手术切除的治疗效果，因此被称为头部X-刀，简称“头-刀”。18•1994年，瑞典Lax等开发了专门用于体部精确放疗的立体定向定位系统，被称为体部X-刀，简称“体-刀”；•2003年以后，美国瓦里安公司(Varian)、瑞典医科达公司(Elekta)和德国四门子公司(Siemens)等先后开发并推出了以医用电子直线加速器为核心的“调强适形”（IMRT）放射治疗设备和影像引导放射治疗设备（IGRT），标志着放疗设备进入了以“调强适形”和“影像引导”为核心技术的精确放疗阶段。19（五）我国放射治疗设备的临床应用和设备发展历史•中国的放射治疗开始于20世纪30年代。当时，只有北京协和医院和上海比镭锭医院可以开展放射治疗技术。最初是以200mg的镭管和镭针为辐射源，通过手工操作进行组织间插值或腔内近距离放射治疗。•1932年，北京协和医院引进了120kV和200kV的X线治疗机各一台。•20世纪40年代，北京大学医学院组建了放疗科。•1949年，以上海比镭锭医院为基础成立了上海肿瘤医院。•1958年，成立了中国医学科学院肿瘤医院。之后，直至20世纪70年代末，各省市也相继成立了专业肿瘤医院。这是以放射性核素或千伏级X线治疗机为主要辐射源的放射治疗时代。•。20•1975年，国内引进了第一台医用电子直线加速器，标志着我国的放射治疗设备开始了以医用加速器为主要放射源的放射治疗设备。阶段•20世纪70年代末，中国成立了以医用电子直线加速器研究制造为目标的“北京医疗器械研究所”，开创了我国医用加速器研制生产的新阶段。之后，上海和深圳都曾生产过医用电子直线加速器。目前，国内可以提供医用电子直线加速器的企业主要有山东省淄博市的新华医疗器械公司、江苏省扬州市的海明医疗器械公司、东软集团、上海联影，目前的主要供应对象是国内市县级医院。而省级以上医院的医用加速器基本上都从三家国外公司引进。21•20世纪90年代，我国的医疗卫生事业得到了突飞猛进的发展，先后从国外引进了大量的先进医疗装备，其中包括各类CT、MRI等高端医学诊断设备和医用电子直线加速器等MV级高端放射治疗设备，使我国的医疗装备逐渐接近并赶上发达国家水平。•目前，从高端医疗装备水平上来说，特别是从医用电子直线加速器的引进档次与引进时间上来看，可以说已经与发达国家达到了同步发展的速度。但从高端医疗设备的装备数量和整体医疗水平上来看，我国与国外发达国家还有很大的差距，可以说是任重道远。•虽然国内医用电子直线加速器等高端医疗装备的发展很快，但与国外技术相比还有很大的差距，这对我国医用电子直线加速器等高端医疗设备的研究与制造领域来讲，既是挑战，也是机遇。22（六）放射治疗设备的发展趋势医用电子直线加速器是性价比最高的现代肿瘤放射治疗设备，也是贤弟放疗技术的核心设备。在未来相当长的时间内，医用电子直线加速器在外照射放疗设备中的核心地位，是无法替代的。放疗设备的发展趋势，将进入主要以医用电子直线加速器为核心技术、多学科综合运用、外围设备综合配套的精确放疗时代。同时，术中放疗加速器等小型专用放疗装置和质子加速器、重离子治疗等装置野将是未来研发的重要方向。23深部X线治疗机钴-60治疗机放射治疗设备24直线加速器后装治疗机放射治疗设备25治疗计划系统（TPS）•利用数学模型，计算剂量分布的计算机系统帮助比较、确定合理的放疗计划•逆向计划系统可以按照给定条件优化放疗计划放射治疗的辅助设备26模拟机：•能重复治疗机的所有运动，并模拟治疗机几何条件的X线透视装置•在模拟的治疗条件下，确定照射范围•可摄片留作资料•CT模拟机可三维重建患者结构，并确定照射野放射治疗的辅助设备27