1、醫用放射治療設備新進展北京醫療器械研究所 趙洪斌 王小韻 北京市北三環中路 2號,100011摘 要 :放射治療(Radiation therapy是利用放射線治療各種腫瘤的臨床方法。放射治療與外科手 術治療、化學藥物治療是現代臨床治療腫瘤的三大手段。國際衛生組織(WTO的統計數據表明:(1 70%左右的腫瘤患者需要接受放射治療; (2腫瘤治愈率 45%中,手術治療貢獻為 22%,放射治療為 18%,化療為 5%。因此,放射治療在腫瘤治療中所起的作用是不可替代的。近十幾年,臨床放射醫學 提出了避免照射和提高腫瘤局部控制率的新要求, 為適應臨床醫學的新要求, 以醫用電子直線加速器 為代表的外照射

2、放療設備呈現出前所未有的技術快速提升, 設備不斷推陳出新的發展態勢。 概括總結 其技術發展歷程為:上世紀 80年代以前的常規放療,90年代初的立體定向治療,90年代中期的適形 放射治療,90年代末期的適形調強放射治療,以及當今的圖象引導放射治療。以醫用電子直線加速器為代表的國產放療設備事業經過 30年的磨礪,在國內市場的激烈競爭中 取得了令人矚目的成績, 國際一流水準的產業化基地相繼建成標志著國產放療設備事業已經進入成熟 發展階段。 1. 放射治療分類(1 按射線源類型分類放射治療使用的放射源主要有三類:放射性核素產生的、射線;電子加速器產生的不同能量的 X 射線和電子束; 重離子加速器產生的

3、質子束、 中子束、 - 介子束和其它重粒子束等。(2 按照射方式不同分類臨床治療上,上述放射源以三種基本照射方式進行治療:體外遠距離照射(簡稱體外照射 (External Irradiation,放射源位于患者體外一定距離,集中照射身體某一部位,如圖 1所示; 近距離照射(Brachytherapy,包括腔內照射、組織間照射等。將放射源密封后直接放入被治療的 組織內或放入人體的天然腔內,如舌、鼻、咽、食管、宮頸等部位進行照射,如圖 2、3、4所示; 內照射(Internal Irradiation ,是用液態放射性核素經口服或靜脈注射進入患者體內,這些核素 被病變組織選擇性吸收,對特定組織進行

4、照射,如用碘-131治療甲狀腺癌、磷-32治療癌性胸水等。 內照射又稱為內用核素治療。 能夠產生符合臨床放射治療要求的設備統稱為放射治療設備(The Equipment of Radiotherapy 。圖 1 體外遠距離照射(External Irradiation 圖 2頭頸部近距離照射(Brachytherapy 圖 3腦、乳腺、卵巢近距離照射(Brachytherapy 圖 4前列腺近距離照射(Brachytherapy2. 推動放射治療技術發展的臨床醫學要求(1 放射治療在腫瘤治療中的地位國際衛生組織的統計數據顯示,放射治療在腫瘤治療中有著不可替代的作用。在腫瘤治愈率 45%中,放射

5、治療的貢獻為 18%,即相對貢獻率為 40%。(2 避免照射和提高腫瘤局部控制率的新要求與傳統的放射治療概念不同, 避免照射的概念首先強調的是對人體內正常組織的保護, 即在確保 最大限度保護人體正常組織或器官的條件下,摧毀人體內的腫瘤病灶。事實上,許多人體正常組織或 器官相對腫瘤病灶而言,對射線更敏感,如表 1所列。通過表 1和表 2的比較,可以看出,對外照射X 射線而言,如果不能有效地保護射線入射路徑上那些正常的人體組織,當腫瘤病灶(靶區的劑量 達到致死劑量時, 那些正常的人體組織已經被嚴重損傷。 提高腫瘤局部控制率的途徑主要是提高靶區 的劑量,如圖 5所示,當靶區劑量從 65cGy 提高到

6、 80cGy 以上,腫瘤局部控制率則從低于 50%上升到 90%以上。避免照射和提高腫瘤局部控制率這兩方面的要求, 對 X 射線外照射技術來講, 是一種相互矛盾的 限制,要同時滿足這兩方面的要求,在技術上無疑是個突破。傳統觀念認為:由于 X 射線在物質中的 穿透特性在建成區后單調下降,而質子或重離子射線則存在 Bragg 峰,如圖 7所示,因此,外照射 X 射線在人體內產生的三維劑量場分布遠不及質子或重離子射線。然而,80年代興起的腦部立體定向 放射治療技術(Stereotactic Radiosurgery-SRS,以及近年發展成熟的三維適形調強放射治療技術 (3D Conformal In

7、tensity Modulation Radiothearpy-IMRT,從劑量學角度看,已經完全突破了傳 統觀念對 MV 級 X 射線外照射的認識。 圖 6顯示了 IMRT 與傳統治療副作用產生幾率的比較, 可以看出 IMRT 明顯降低了病人放療副反應發生的幾率,很大程度上提高了病人的生存質量。表 1 不同正常組織的放射耐受量 (10 Gy/5次 /周 器官 損傷 15%(TD5/5 2530%(TD50/5 照射野面積或長度皮膚 潰瘍、嚴重纖維化 55Gy 70Gy 100cm ²口腔粘膜 潰瘍、粘膜發炎 60Gy 75Gy 50cm ²食管 食管炎、潰瘍、狹窄 60G

8、y 75Gy 75cm ²胃 潰瘍、穿孔、出血 45Gy 55Gy 100cm ²小腸 潰瘍、穿孔、出血 50Gy 65Gy 100cm ²結腸 潰瘍、狹窄 45Gy 65Gy 100cm ²直腸 潰瘍、狹窄 60Gy 80Gy 100cm ²唾液腺 口腔干燥 50Gy 70Gy 50cm ²肝臟 急、慢性肝炎 25Gy 40Gy 全肝肝功能衰竭 35Gy 45Gy 全肝腎臟 急、慢性腎炎 20Gy 25Gy 全腎膀胱 攣縮 60Gy 80Gy 全膀胱睪丸 永久不育 1Gy 4Gy全睪丸 (0.05Gy/天,散射 卵巢 永久不育 2G

9、y3Gy 6.25Gy12Gy 全卵巢乳腺 不發育 10Gy 15Gy 全乳肺 急、慢性肺炎 30Gy 35Gy 100cm ²15Gy25Gy 全肺心臟 心包炎、全心炎 45Gy 55Gy 60%骨及軟骨(兒童 生長受阻 10Gy 30Gy 整塊骨或 10cm ²(成人 壞死、骨折、硬化 60Gy 100Gy 整塊骨或 10cm ²腦 梗塞壞死 60Gy 70Gy 全腦梗塞壞死 70Gy 80Gy 25%脊髓 梗塞壞死 45Gy 55Gy 10cm 長眼 全眼炎、出血 55Gy 100Gy 全眼晶體 白內障 5Gy 12Gy 全部或部分甲狀腺 功能低下 45Gy

10、 150Gy 全甲狀腺垂體 功能低下 45Gy 200Gy300Gy 全垂體表 2 不同腫瘤的根治劑量腫瘤劑量 精原細胞瘤,急性淋巴細胞白血病 20Gy30Gy 精原細胞瘤, Wilms 瘤,神經母細胞瘤30Gy40Gy 霍奇金病,非霍奇金淋巴瘤,精原細胞瘤,組織細胞瘤40Gy45Gy 皮膚癌 (基底和鱗狀細胞癌 ,淋巴結轉移癌,宮頸和頭頸部的鱗狀細胞癌,胚胎癌,乳腺癌術后, 卵巢癌,髓母細胞瘤,視網膜母細胞瘤, Ewings 瘤,無性細胞瘤 50Gy60Gy喉癌 (<1cm,乳腺癌 (腫塊局部切除 60Gy65Gy 口腔癌 (<2cm, 2cm4cm,口、鼻、喉、咽癌,膀胱癌,宮

11、頸癌,宮底癌,卵巢癌,淋巴結轉移癌 (1cm3cm,肺癌 (<3cm70Gy75Gy 頭頸癌 (>4cm,乳腺癌 (>5cm,膠質母細胞癌 (膠質瘤 ,成骨肉瘤 (骨肉瘤 ,黑色素瘤,軟組織 肉瘤 (>5cm,甲狀腺癌,淋巴結轉移癌 (>6cm 80Gy 或以上 圖 5 前列腺癌放射治療靶區劑量與腫瘤局部控制率的關系 圖 6 IMRT與常規治療病人副反應發生幾率比較圖 7 不同射線在水體模中的穿透特性(深度吸收劑量曲線3. 以醫用電子直線加速器為代表的放療設備新進展近十幾年, 為適應臨床醫學的要求, 以醫用電子直線加速器為代表的外照射放療設備呈現出前所 未有的技術

12、快速提升、設備不斷推陳出新的發展態勢。概括總結其技術發展歷程為:上世紀 80年代 以前的常規放療,90年代初的立體定向治療,90年代中期的適形放射治療,90年代末期的適形調強 放射治療,以及當今的圖象引導放射治療。相比較而言,外照射重離子(含質子技術、近(內距離照射技術,一方面受到設備的限制, 另一方面由于治療原理的局限,總體講變化不大。放射治療技術發展的熱點之所以集中表現在醫用電子直線加速器的技術進步上,主要是:a 醫用電子直線加速器所產生的 MV 級 X 射線和電子束可以滿足臨床治療 95%以上的需要。b 立體定向治療、三維適形放射治療以及適形調強技術(IMRT的實現,具有革命性的技術 進

13、步。從劑量學角度看,當今最先進的醫用電子直線加速器所產生的 MV 級 X 射線三維劑 量場分布已經完全可以與質子或重離子射線相媲美, 實現了臨床放射醫學提出了避免照射 和提高腫瘤局部控制率的新要求。c 與質子或重離子加速器比較, 醫用電子直線加速器無論從制造成本還是使用成本等方面都 有絕對的優勢。(1 腦部立體定向放射(外科治療設備 (Stereotactic Radiosurgery-SRS上個世紀 80年代, 基于腦部神經外科的臨床要求, MV 級 X 射線外照射腦部立體定向放射 (外科 治療設備研制成功并迅速發展起來。該設備利用非共面多扇形掃描原理實現了 X 射線在靶區的“聚 焦” ,從

14、而實現了:在靶區內,因 X 線“聚焦”形成了超高劑量累積;在靶區外,因扇形掃描,形成 低劑量區。由于在靶區邊緣劑量陡然下降,類似外科手術刀對腫瘤的切除效果,因此被人們形象地稱 其為“X 刀” 。從某種意義講,90年代后期,3D 適形調強放療設備正是基于這一物理原理才發展起來 的。根據所用輻射源的不同,腦部立體定向放射治療設備可分為以下兩種:Bragg 峰a伽瑪刀 (Gamma Knife:以 Co-60為輻射源,如圖 8所示。 1968年瑞典 Elekta 公司推出了 將 201個 Co-60源的射線匯聚于中心靶點來治療顱內病變的立體定向放射外科裝置 (Stereotactic Radiosu

15、rgery-SRS,稱為伽瑪刀,目前總共約生產了近 100臺。bX 刀(X Knife:以醫用電子直線加速器為輻射源,使用非共面多弧照射方式使劑量集中 于靶點的立體定向放射外科裝置,如圖 9所示。由于造價較前者低,無需定期換源,另外 普通放療科只需添置一些與現有加速器配套的裝置就可以開展立體定向治療 (同時并不影 響普通放射治療的開展 ,因此,發展迅速,遠遠超過了伽瑪刀安裝使用臺數,僅在中國 就已經裝備了 200多臺套。這種裝置不僅可用于立體定向放射外科(SRS,而且亦可用于 立體定向放射治療(Stereotactic Radiotherapy-SRT。 圖 8 Gamma Knife 圖 9

16、 X Knife(2 3D 適形放射治療設備(3D Conformal上個世紀 90年代中期,隨著計算機技術,特別是醫學數字診斷圖象技術的發展(如 CT、MRI , 人體內實體腫瘤的空間形狀已經可以被準確地確定和描述。 準確診斷的目的是為了正確治療。 常規醫 用電子直線加速器所產生的矩形或圓形輻射野已明顯不能滿足臨床的要求,3D 適形放射治療設備隨 之研制成功并迅速在臨床治療中推廣使用。與常規放療設備相比,3D 適形放射治療設備增加了多葉 準直器(Multi Leaf Collimator-MLC ,因此,它所產生的輻射野可根據人體內腫瘤在空間任意角度(指機架 3600轉動角度范圍內 方向上的

17、幾何投影形狀任意改變, 使輻射野的幾何形狀始終與之匹配, 如圖 10所示。 圖10 3D適形放射治療設備多葉準直器分手動和電動兩大類。手動多葉準直器因結構簡單、加工制作容易,國內外有許多廠 家生產。電動多葉準直器分內置式和外置式兩種。內置式多葉準直器安裝在治療機(如醫用電子直線 加速器治療頭內,替代原有的一對獨立準直器,如瑞典 Klekta 公司的 Sli 和 Siemens 的 Primus 醫用電子直線加速器。 外置式電動多葉準直器是一個完全獨立的裝置, 可根據需要安裝在治療機治療頭 的下端面,如美國 Varian 公司醫用電子直線加速器配裝的 Millennium MLC-120,葉片數

18、目達到 120個, 輻射野為 40X40cm 2, 在等中心處最小葉片投影寬度為 5mm; 德國 BrainLab 公司的 BrainLab m3TM,葉片數 52個,最大輻射野 10X10cm 2,在等中心處最小葉片投影寬度僅為 3mm。(3 3D 適形調強放射治療設備 (3D Conformal and Intensity Modulation-IMRT 上個世紀 90年代后期, 在 3D 適形放射治療技術基礎上, 迅速發展成功了一種劃時代的新型放療 設備,即 3D 適形調強放射治療設備(3D Conformal and Intensity Modulation-IMRT。二者的區別 是:

19、3D Conformal僅僅是幾何形狀的符合,輻射野內的劑量強度是均勻的。而 IMRT 則要求不僅幾何 形狀符合,輻射野內的劑量強度也要根據臨床要求實時調變,如圖 11所示。從一定意義上講,IMRT 幾乎完美地滿足了避免照射和提高腫瘤局部控制率的新要求。 圖 12和 13分別給出了 X 射線常規照射 和 X 射線 IMRT 照射對腹腔和頭頸部腫瘤治療的劑量分布情況。從高劑量區域與腫瘤靶區的符合程度 以及周圍正常組織的接收劑量分析,IMRT 無疑達到了十分理想的效果。圖 11 適形與適形調強的區別 圖 12 腹腔放射治療 IMRT 與常規治療的劑量分布區別 (右圖為 IMRT 圖 13 頭頸部放

20、射治療 IMRT 與常規治療的劑量區別(左圖為 IMRT (4 圖象引導放射治療設備(Image Guide RadioTherapy-IGRT當今進入臨床推廣應用的最先進的醫用電子直線加速器放療設備是圖象引導放射治療設備 (Image Guide RadioTherapy-IGRT 。 IGRT 是將 MV 級的圖象獲取和處理技術與放射治療機系統集成, 即:在醫用電子直線加速器上安裝了 MV 級 X 射線平面成像和圖象處理系統。由于該系統是安裝在 射線穿過人體后的射出端,又稱為射野影象系統 (Electronic Portal Imaging System - EPID,如圖 14所 示。研

21、制 IGRT 設備的主要原因是:其一,在單次治療中,由于病人的自主體內運動,如呼吸可造成 心臟器官幾個厘米的位置移動,使得病人體內的靶區產生空間位置移動, IGRT 可以動態跟蹤這一位 置偏移;其二, IGRT能更有效地進行治療中或治療后的質保(QA 和質控(QC ,如客觀記錄放 射治療過程中的含有病人生理組織結構信息的射野圖象;其三,在一個療程或一段時間內,腫瘤的大 小和位置會發生改變, IGRT 可以適時調整以適應這些變化,如圖 15所示,在電子直線加速器上又增 加了 KV 級 X 診斷 影象系統,實際上, 該類型的 IGRT 設備 是將 CT 與電子直線 加速器整合的結果。 圖 16和

22、17是一種最新研制成功的 IGRT 設備,稱為斷層掃描放射治療設備 (Tomotherapy。 Tomotherapy 是利用 X-CT 成像設備逆原理設計制 造的一種新型的放射治療設備。從外形看,它和 X-CT 機很相似,病人躺在治療床上,通過滾筒式機 架的旋轉運動形成 MV 級 X 射線旋轉束配合治療床的直線平移運動實現螺旋式斷層掃描放射治療。 其結構特點主要是:將一臺 X-CT 和一臺 6MV 醫用電子直線加速器整合在一起。主要工作原理是:利用 KV 級的 X 線(X-CT進行人體斷層掃描,首先給出病人的斷層解剖病理信息、治療靶區和靶圖 14 配備有 MV 級端口影象系統的醫用電子直線加

23、速器 區的劑量分布要求。而后利用 X-CT 的逆原理,確定 MV 級 X 射線束沿斷層四周(3600的入射分布 安排 (射線強度與角度的函數關系 , 即 MV 級 X 射線斷層掃描方案。 根據這一方案, 開始掃描治療, 同時,安裝在 MV 級 X 射線源(實際上是一臺特別設計的醫用電子直線加速器對面的 MV 級 X 射 線影像系統實時監測掃描治療情況并對誤差進行分析 (如人體體位的變化 同時修正設備的治療參數。圖 15 配備有 KV 級 X 影象系統的醫用電子直線加速器 圖 16 Tomotherapy 設備的原理結構示意 圖 17 Tomotherapy 設備的實物照片4. 我國放療設備產業

24、發展情況盡管國產醫用電子直線加速器產品目前仍未走出國門, 但在國內市場的表現相當出色, 特別是達 到國際一流水準的放療設備生產基地相繼建成,標志著我國放療設備事業已經進入成熟發展階段。(1 國內放療設備市場增長迅速據中華放射腫瘤學會 2002年公布的對我國放射腫瘤學隊伍及設備進行的第四次調查結果顯示, 我國目前共有醫用電子直線加速器 542臺,其中近 300臺為國產設備。與 1997年的統計數字相比, 有三個明顯的變化:其一,我國醫用電子直線加速器的擁有量凈增了近一倍(1997年為 286臺 ;其 二,國產醫用電子直線加速器所占比例增長迅速, 1997年國產設備所占比例不足 40%,而這次統計

25、 結果顯示,國產設備所占比例已經超過 50%;其三,醫用電子直線加速器的臺數首次超過 Co-60治療 機(542臺對 454臺 ,說明隨著我國綜合國力的增加,醫院實際購買能力提高顯著,醫用電子直線 加速器替代 Co-60治療機在我國已經成為現實。2004年新的統計數據表明:我國醫用電子直線加速器的實際裝備數量已超過 700臺, 2004年當 年的市場需求數量首次超過 100臺, 預計可達到 110臺左右。 而 2004年, 全球市場的總需求在 600700臺之間,因此,國內市場已經成為全球最大的放療設備市場之一。(2 國產設備在國內市場的占有率全面超過 50%,占據了半壁河山。如圖 18、 1

26、9和 20所示,國產放療設備,以數量統計,已經成為國內市場上的主力產品。 圖 18 國產醫用加速器市場占有率 圖 19 國產模擬定位機市場占有率 圖 20 國產放療軟件產品市場占有率(3 以醫用電子直線加速器為代表的國產放療設備已經具備全系列配套能力盡管國產醫用加速器產品還未實現出口,還未全面參與國際市場的競爭,但 30年的不懈努力, 特別是經過近十幾年市場競爭的磨礪,國產放療產品無論是內在質量還是外在品質都有了質的飛躍, 基 本 樹 立 了 國產國產, 50%進口, 40%二手機,10%國產, 70%進口,30%國產, 75%進口, 25%圖 21 BJ-6和 BJ-14醫用電子直線加速器圖

27、 22 BJ-20醫用電子直線加速器 (在研高科技大型醫療設備的品牌形象。事實上，以醫用電子直線加速器為代表的國產放療設備幾乎是國內 唯一具備與國外著名品牌相抗衡的大型高科技醫療設備。圖 21、22、23、24、25 和 26 顯示了目前在 制和在研的國產放療設備產品情況。 圖 23 XHA600C 醫用電子直線加速器 圖 24 HM-J-16 醫用電子直線加速器 圖 25 國產模擬定位機產品 圖 26 國產放療軟件和精確定位系統 （4） 基礎設施達國際一流水準的放療設備產業化基地相繼建成 315 2000 年以后，北京和山東相繼投資建成了國產放療設備產業化基地，其基礎設施水平達到國際 一流水

28、準。產業基地的建成，標志著我國放療設備事業已經進入更高層次的發展階段，為今后參與國 際競爭奠定了堅實基礎。圖 27、28 顯示了上述兩個基地的基本情況。 圖 27 位于山東淄博的放療設備產業化基地 圖 28 位于北京昌平科技園區的放療設備產業化基地 醫用放射治療設備作為眾多醫療器械產品中的大型高科技產品的代表，我國雖然起步較晚（上世 紀 70 年代中期開始起步） ，但發展迅速，特別是近 15 年的快速發展令世人矚目。目前，國產設備的 產品品種基本具備了系列化配套能力，產業群體已經初具規模，國產放射治療設備如醫用電子直線加 速器、鈷-60 機、模擬機等在國內市場的綜合占有率已經超過 50%（按臺

29、數統計） ，在市場競爭中有明 顯的比較優勢。歸納總結我國放療設備產業 30 年的發展歷程，其主要特點為以下幾點： 產、學、研相結合的產物：國產放射治療設備的原創性工作多數來源于國內著名高校和研究院所 （如清華大學、北京大學、南京大學、四川大學、原子能研究院、高能物理研究所、北京醫療器械研 究所等） 。盡管在計劃經濟時代，這些成果決大多數只停留在基礎研究的論文或應用基礎研究的科研 樣機水平上，但卻為以后的快速發展奠定了基礎。社會主義市場經濟的到來，為推動產、學、研相結 合，加快高科技成果的轉化提供了不竭的內在動力。在經受了嚴酷的市場經濟洗禮后，我國放射治療 設備的產業基礎發生了質的變化，步入了良性發展的軌道。其重要的標志之一就是更多的國內（甚至 國外）著名高等院校和研究院所以各種有效的方式與產業界相結合。 “結合”已經不僅僅停留在純技 術層面，而是面向市場經濟全方位的結合； “結合”已不再是一方輸出一方接受這種簡單的“單向” 模式，而是相互融合、相互促進、共同發展的“互動”模式。 3