直线加速器的应用及创新发展

邹宇涛 王昕晨 朱辉 刘思敏 柳彪 王雨航

摘  要：随着人们生活质量的提高，人均寿命不断延长，随之而来的各种疾病也在增多。肿瘤问题一直是威胁健康的重要因素之一，放射性治疗能较好地控制肿瘤病情。科技不断地发展促进放射肿瘤学的进步，越来越多的恶性肿瘤经过放射性治疗取得显著效果。放射性治疗在肿瘤治疗中的地位举足轻重。直线加速器应用于医疗领域具有稳定、简便和效果好等特点，被广泛应用于各类治疗肿瘤的医疗设备中。本文将对直线加速器的应用和创新发展加以分析。

关键词：直线加速器  直线加速器应用  创新发展  临床医疗技术

中图分类号：TL53          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0071-03

Application and Innovative Development of Linear Accelerator

ZOU Yutao  WANG Xinchen  ZHU Hui  LIU Simin  LIU Biao  WANG Yuhang

（Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan Province， 610059 China）

Abstract： With the improvement of the per capita quality of life， the per capita life expectancy continues to extend， and various diseases that follow are also increasing.Tumor problems have always been one of the important factors threatening health， and radiotherapy can better control the tumor. The continuous development of science and technology has promoted the progress of radiation oncology， and more and more malignant tumors have achieved remarkable results through radiotherapy. Radiotherapy plays an important role in tumor treatment. Linear accelerators are used in the medical field with the characteristics of stability， simplicity and good effects， and are widely used in various medical equipment for the treatment of tumors. This article will analyze the application and innovative development of linear accelerators.

Key Words： Linear accelerator; Linear accelerator application; Innovation and development; Clinical medical technology

直線加速器应用于医疗中，主要通过电子线对肿瘤进行照射达到治疗的目的。放射线对不同细胞群损伤效果不同，可以消除或损伤小肿瘤，对较大肿瘤的治疗效果更佳。近几年肿瘤发病死亡率不断提升，直线加速器在医疗方面的应用是改善肿瘤病症的突破口，本文将综述直线加速器的应用及发展。

1  直线加速器的含义及特点

1.1 直线加速器的含义

所谓直线加速是运用高频电磁场产生加速粒子，这些加速粒子的运动轨迹呈直线，而使加速粒子加速运动的高频直线加速器被称为直线加速器。通常按照加速粒子的不同进行分类[1]。

1.2 直线加速器的特点

直线加速器具有传输效率高、束流强的特点，方便注入和引出，可根据分段设计进行不同需求下的调节。因为加速器不受偏转束同步辐射束缚，能极大限度增强电子束能量，虽然费用较高，但已经提出运用超导加速器来降低费用。

2  直线加速器的应用

2.1 医用直馈型行波加速器

直馈型行波加速器是由圆柱形加速管进行波导，电子被电子枪送入耦合器进行电磁波加速运动[2]。由于电子质量极小甚至可以忽略不计，因此在加速时能够接近光速运转。电子初速度低于光速经过加速后电磁波相速高于光速。为了达到电子和电磁波同步需要减慢电磁波的加速，改善加速管内部结构，将组成加速管的圆盘和圆柱进行盘荷波导设计，实现电磁波相速与电子束加速运动相匹配。由于医用加速器长度一般在2～3m，使得加速管能量受限，超过2m以上的加速管难以获得高能量。

2.2 医用反馈型行波加速器

反馈型行波加速器与直馈型行波加速器结构大体相同，多加环形波导桥，用来反馈终端多余功率。所谓环形波导桥是一个四端微波，将末端剩余功率经过移相器调节后进入波导桥，达到较轻的束流负荷，能在电子线下工作达到显著效果[3]。

2.3 医用直束型驻波加速器

直束型驻波加速器多采用边耦合结构，内部加速管采用全封闭结构通过与电子枪连接成一体形成紧凑结构，具有效率高灵巧便捷等特点。加速管短小，行波能快速传导，使微端剩余较多的功率被吸收，显示出能量增益高的优势。如果管长度较长，可以提升微波利用率，两者相较而言增益基本相等[4]。

2.4 故障树分析

医用直线加速器的加速管由真空系统、治疗束系统等部分构成。电子枪将电子放入磁场，利用微波电场的加速产生靶向射线进行肿瘤治疗。通过定量分析来描述定量事件发生概率。分析故障树数据，对故障树进行分割集比较，提前明确事件发生概率，并作好相应记录。

2.5 双光子与三光子

医用双光子与三光子直线加速器是利用加速管微波能量，产生不同高低能量的x射线，对不同程度的肿瘤进行治疗，对电子束的能量选择十分便利。

2.6 多叶准直器

所谓多叶准直器技术就是以控制多对光栅叶片在计算机下形成不同的瘤体形态，通过原体照射野技术逼近的称之多叶准直器医用直线加速器。通过该项技术能判断肿瘤的形状尺寸使照射野更接近于真实的肿瘤形状，能有效减少细胞被破坏，保护正常器官和组织。通过使用多叶准直器技术提高病情的治疗效果，成为临床使用率极高的技术[5]。

2.7 三维调强适形放疗

通常医用直线加速器的射线能量是均匀的，而肿瘤的大小形状是不规则的，因此在进行射线照射时会对周围的正常组织产生破坏影响。三维调强适形放疗通过调强器输出不同能量射线，根据肿瘤的不同情况进行调节[6]。三维调强适形放疗使目前最为普遍的应用方式，将多页准直器与之配合使用，通过观察肿瘤情况进行放射线调节，精准控制病变，提高治疗效果，对肿瘤进行针对性剂量放疗，其他正常部位减少射线，极大限度地减少病变可能。

2.8 载原刀系统

载原刀是结合直线加速器、准直器和三维治疗计划系统共同作用，进行定向放射治疗。通过立体定位技术对人体肿瘤进行分割，进行多次放疗治疗，实现切除肿瘤治疗的效果。通过载原刀系统可以进行一些不能进行手术部位的治疗，是国内外医学发展的重要领域。但其在系统应用上要求更高，对稳定性和精密性需求更大。

2.9 实时成像系统

实时成像系统是验证并促进改进治疗效果，对治疗过程中的机械摆位误差进行数字转化，实现纠正的工具。虽然目前图像质量尚不明显但对于纠正位置效果还是极佳的。

2.10 智能化微机控制系统

科技发展下智能化技术越来越多地被应用于医疗领域，大多数高端进口加速器宜采用智能化管理，通过微机控制系统和软件的应用进行数据模拟。将人机对话以更直观的数据显示，实现智能化核对检验，对放射治疗的调控实现一键智能操控。通过加速器状态自我检验实现智能化病例存取、远程联机调休等多项功能，方便治疗过程的同时提高治疗效果，方便医患。

3  直线加速器的创新

3.1 加速管

直线加速器的核心就是加速管，通过聚束段和光速段构成组合体实现一体式加速器。科技人员通过物理设计进行优化加入束流动力学以及和射频结构计算，通过详细的计算结果与机械设计进行结合，加强与耦合器的匹配率。耦合器应用负载法进行匹配的同时还需要采用数据模拟计算耦合器的具体尺寸。目前经过技术人员的不断研发该项技术已达到国内设计要求，并完成工艺规范[7]。

3.2 栅控电子枪

电子枪一直是为加速器运行提供电子束的关键部件。电子枪能约束加速器工作频率，通过发射不同电子成分而组成，电子质量是加速器运行电子束的根本。通常在阴极表面安装栅极来制约束流的大小，称之为栅控电子枪。通过优化电子枪可以控制束流输出强度，能广泛应用于各类直线加速器中。

3.3 高压脉冲调制器

直线加速器的重要系统就是高压脉冲调制器。高压脉冲调制器能输出高压脉冲电压，通过转化产生微波，通过加速管实现电子加速，是重要的能量来源。随着半导体技术的不断发展高压脉冲调制器能代替调压器等部件进行稳定工作，适用于多项机械合作运转[8]。

3.4 平行束磁铁

平行束是用来发散收拢束流进行方向均化，控制束流方向，提高利用率的。磁铁扫描后的束团并未改变，但其产生的运动轨迹是不同时刻所产生的。一个束团的运动轨迹代表着同一时间内所有的束团运动轨迹，这些束团在平行束刺蛾贴扫描后平行运动[9]。

4  直线加速器的发展

自1955年我国开启加速器时代，国内相关技术行业不断发展，推动我国医用直线加速器技术不断革新[10]。20世纪80年代实现重要的成果转化，将其分为辐照和探伤两个研究方向。所谓辐照是利用辐射对材料进行杀菌消毒处理，而探伤是利用涉嫌进行无伤检测。2002年国内在高能加研发方面还是空白，主要依靠钴源和中能电子进行辐射装置加工。进口技术不仅价格昂贵，还存在售后困难的诸多因素，对加速器发展产生阻碍。同年通过对大功率辐照加速器的技术开发，解决了磁场稳定性能等一系列关键技术问题，并成功研制出我国首台大功率电子辐照加速器。电子枪和加速管等研发取得较大成绩并对设备产生绝对性影响。国产主机的设备参数较国外相比并未产生明显差距，而与国外相比产生差距的主要原因在于数字化设施和网络系统缺乏整合完善，并不能完全契合，达到预期效果。国产产品通过降低价格对国际品牌施加压力，一些进口品牌不得不降低价格，市场呈良性发展趋势。目国产品牌可以运用全球招标方式完成生产。直线加速器的核心技术目前我国已掌握，虽与国际品牌相比未占明顯优势，但是在价格方面占据机会。直线加速器技术已从进口向自主研发逐渐转变。随着国内技术的不断发展，国产化在国际市场上将有一席之地。随着国产比例不断扩大，自主力量不断加强，对国外技术不断引进学习，进行技术，逐渐实现工艺熟练化，全面实现自主研发指日可待。随着国际市场的日新月异，国内医用直线加速器的发展趋势极为乐观。

5  结语

随着肿瘤发病率的不断攀升，放射性治疗被越来越多地应用于临床治疗之中。除了手术和化学药品的治疗方法外，放射治疗是患者最需要的治疗方式。因此在肿瘤治疗方面，放射线治疗的地位举足轻重。因此市场对于运用直线加速器的放射设备需求日益增多。加强科研技术、推动技术研发是不断提升医疗设备的新方向。目前国内产品和技术虽较同品牌设备略有差距，但具有价格优势提升自身竞争力。国内研发领域不断推陈出现，改善技术，呈现积极向上的发展趋势。面对新的挑战，不断自我完善，推进技术研发，相信未来国内技术能实现全面自主化，占据国际市场，打造自己的品格魅力，推动医疗事业的不断创新。

参考文献

[1] 何威震，郭元媛，高俊逸，等.医用直线加速器虚拟仿真教学系统的设计与应用[J].中国医学教育技术，2020，34（5）：609-612.

[2] 王国宝，曾自强，朱志斌，等.CIAE直线加速器技术的创新发展[J].原子能科学技术，2020， 54（S1）：293-302.

[3] 毛燕青.针对性护理配合直线加速器放疗在宫颈癌患者中的应用效果[J].医疗装备，2020，33（11）：181-183.

[4] 刘洋，王科盛，任旗，等.故障树分析法在医用电子直线加速器中的应用[J].医疗卫生装备，2019，40（9）：63-65.

[5] 吴智理，倪千喜，李忠伟，等.无线呼叫系统在医用直线加速器机房中的研究与应用[J].中国医疗设备，2019，34（7）：96-99.

[6] 朱云亮.用于高能电子成像的电子直线加速器束流动力学研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院近代物理研究所），2019.

[7] 李春霞，任福琴，羅文，等.医用直线加速器临床应用评价及数据平台搭建[J].中国医学装备， 2019，16（3）：112-116.

[8] 徐天宝，高名乾.新华医疗：技术创新行业“领跑”[J].山东国资，2018（9）：66-67.

[9] 王哲.医用电子直线加速器辐射场快速测量方法研究[D].北京：中国疾病预防控制中心，2018.

[10] 孙威.多种拟合算法对检测加速器等中心的研究[D].南京：南京大学，2018.