醫(yī)用電子加速器

1、醫(yī)用電子加速器,歷史回顧,最早是在1932年提出。1937年，1MV Van de Graaff靜電加速器； （美國(guó)的波士頓huntington醫(yī)院） 1943提出電子感應(yīng)加速器。1949年，20MV 感應(yīng)加速器；（高能X射線，高能電子束）（美國(guó)Urbana醫(yī)院）（我國(guó)70年代初） 1944年V.I.veksler 提出電子回旋加速器。70年代初，22MeV 回旋加速器。（瑞典） 1946年提出行波直線加速器

2、。1952年，8MV 直線加速器。（英國(guó)Hammersmith醫(yī)院）（我國(guó)首臺(tái)醫(yī)用10MV直線加速器于1978年誕生）,電子感應(yīng)加速器,電子感應(yīng)加速器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)抽有真空的環(huán)形真空盒，位于上下兩個(gè)電磁鐵構(gòu)成的鐵極內(nèi)電磁鐵上的激勵(lì)線圈通以公頻或三倍頻的正弦波電壓。被加速的電子以幾十keV的初始能量進(jìn)入軌道。,電子直線加速器,直線加速器是最早發(fā)明的一種諧振式加速器，人們?yōu)榱丝朔邏杭铀倨魉龅降睦щy，探索了使帶電粒子連續(xù)多次通過(guò)一個(gè)電壓

3、不很高的加速電場(chǎng)來(lái)獲得高能的方法。1928年威德羅（Widroe）建成了第一個(gè)直線諧振加速度。,當(dāng)正離子經(jīng)過(guò)加速間隙 a處時(shí)，間隙間的高頻電場(chǎng)正好使它加速，隨后離子進(jìn)入漂移管，高頻電場(chǎng)也正好變換極性（漂移管內(nèi)電場(chǎng)=0），當(dāng)離子到達(dá)間隙b,時(shí)又正好被加速，這樣經(jīng)過(guò)幾個(gè)加速間隙所獲得的總動(dòng)能為,( 是離子通過(guò)加速間隙中心時(shí)，加速電壓的相角),( 是離子通過(guò)加速間隙中心時(shí)，加速電壓的相角),這種直線加速器的漂移管長(zhǎng)度 隨能

4、量 增大而加長(zhǎng)，使整個(gè)裝置變得非常龐大.縮短加速器長(zhǎng)度的途徑是提高高頻電壓的頻率，第二次世界大戰(zhàn)后，超高頻微波技術(shù)的發(fā)展，使之成為可能。,(一) 加速原理,加速管實(shí)際上是一個(gè)微波波導(dǎo)管，由一組圓柱形的諧振腔組成，每個(gè)諧振腔的直徑為10cm，長(zhǎng)度為2.5cm～5cm。建立的電磁場(chǎng)為T(mén)M010波，電場(chǎng)沿軸向分布，磁場(chǎng)沿橫向分布。,采用微波電場(chǎng)把電子加速到高能的裝置。要求微波的相位變化要與電子的速度同步匹配，即要求電磁波電場(chǎng)分量的相位變

5、化在電子到達(dá)時(shí)必須指向前進(jìn)的方向。,圖4-15 射頻電子直線加速器中加速電場(chǎng)的建立 (a) 行波加速 (b)駐波加速,振動(dòng)頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加時(shí)，就產(chǎn)生駐波。 駐波形成時(shí)，空間各處的介質(zhì)點(diǎn)或物理量只在原位置附近做振動(dòng)，波停駐不前，而沒(méi)有行波的感覺(jué)，所以稱(chēng)為駐波。形成駐波時(shí)，各處介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)或物理量以不同的振幅振動(dòng)。振幅最大處叫波腹，振幅最小處即看上去靜止不動(dòng)

6、處叫波節(jié)。相鄰兩個(gè)波節(jié)或波腹之間的距離是半個(gè)波長(zhǎng)。 波在介質(zhì)中傳播時(shí)不斷向前推進(jìn)，故稱(chēng)行波,圖4-16 射頻電子直線加速器加速原理,假設(shè)有一電子e在t1時(shí)刻處于A點(diǎn)，電子正好處于電場(chǎng)加速力的作用下，開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)。 至t2時(shí)刻電子到達(dá)B點(diǎn)，此時(shí)由于電波也“向前”移動(dòng)（實(shí)際上是電場(chǎng)在各點(diǎn)的幅值隨時(shí)間的變化）,(a) 行波加速,行波加速,電子在t2時(shí)刻，正好又處于加速電場(chǎng)的作用下。如果波的移動(dòng)速度和電子的運(yùn)

7、動(dòng)速度一致，那么電子將持續(xù)受到電場(chǎng)的加速。但由于這種波的傳播速度（相速度）大于光束，即永遠(yuǎn)大于電子的運(yùn)動(dòng)速度，為此必須將波速減慢。在波導(dǎo)管內(nèi)加上許多圓盤(pán)狀光欄，改變圓盤(pán)間的距離可以改變波的傳播速度（相速度）。,這種以圓盤(pán)光欄為負(fù)荷來(lái)減慢行波相速的波導(dǎo)管稱(chēng)為“盤(pán)荷波導(dǎo)管”。在開(kāi)始階段，由于電子的速度較小，因此間距小些，使波的傳播速度慢些，隨著電子速度的增加，慢慢增加間距，使波速也隨之加快并到達(dá)光速，之后保持間距不變。這種波稱(chēng)為行波，利用這

8、種波加速電子的加速器稱(chēng)為行波電子直線加速器,駐波加速,適當(dāng)調(diào)節(jié)反射波的相位和速度，可以產(chǎn)生駐波。利用駐波來(lái)加速電子的直線加速器稱(chēng)為駐波電子直線加速器。,駐波的產(chǎn)生,圖4-16 射頻電子直線加速器加速原理,(b)駐波加速,t1時(shí)刻電子受到電場(chǎng)的作用向前加速運(yùn)動(dòng)；t2時(shí)刻電場(chǎng)處處為零，電子此時(shí)并不加速；t3時(shí)刻電場(chǎng)正好反向，但電子已經(jīng)運(yùn)動(dòng),到它的后半周，又處于加速電場(chǎng)作用下得到加速；t4時(shí)刻電場(chǎng)由反向恢復(fù)到零，電子不被加速,在t1和t2時(shí)刻

9、之間，由于電場(chǎng)由正向零變化（即幅值變?。┒辔徊蛔?，此時(shí)位于t1，t2間的電子仍然受著加速場(chǎng)的作用而累增其能量，在其它時(shí)刻的電子也與此類(lèi)似。 這種加速器由于利用了行波的反射波，因此功率消耗比行波的要小，所以得到同樣能量的加速器其長(zhǎng)度可以進(jìn)一步縮短，這在醫(yī)療上是理想的，因此近年來(lái)有較大的發(fā)展，但其制造工藝較復(fù)雜，成本較高。,典型的醫(yī)用行波電子直線加速器,工作原理：如下圖，脈沖調(diào)制器從外部電源獲得能量并轉(zhuǎn)換為脈沖寬度為幾微秒

10、、電壓幾十千伏的脈沖，同時(shí)加到磁控制管（或速調(diào)管）和電子槍。電子槍中的電子經(jīng)陽(yáng)極和陰極間的脈沖負(fù)高壓（45kV左右）的作用進(jìn)入加速管。與此同時(shí)，磁控管或速調(diào)管經(jīng)波導(dǎo)管將高功率的微波送入加速管，電子束被加速到所需要的能量后，經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)，直接引出（電子束治療）或打靶（X射線治療）。 治療頭（與治療有關(guān)的重要附屬設(shè)備）,擴(kuò)大和均勻射野 對(duì)X射線治療，在射線路徑上加均整器； 對(duì)電子束治療，換成散射片輸出劑量由薄壁穿

11、射電離室監(jiān)測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)可以減少電子束中的X射線污染和能量損失。,治療頭（與治療有關(guān)的重要附屬設(shè)備）,（二）X射線、電子束的能量,目前市場(chǎng)上主要有三種機(jī)型： （1） 低能單光子（4～6MV）直線加速器 （2）低能單光子（6MV）帶電子束直線加速器 （3）（中）高能單（雙）光子帶電子束直線加速器 臨床經(jīng)驗(yàn)證明，約80％的深部腫瘤 6MV X射線可滿足要求，對(duì)某些較深部位（如腹部）的腫瘤，使用較高能量的X射線（如16

12、～18MV）。 高能電子束適合治療較淺的偏體位腫瘤，其電子能量以4～20MeV范圍較好。靶區(qū)后緣深度1～6cm,圖4-19 醫(yī)用直線加速器治療頭,（三）束流的均整、擴(kuò)散及準(zhǔn)直,（2）電子束的擴(kuò)散 直接引出的電子束大約為直徑3mm的筆形束，必須經(jīng)散射片將其擴(kuò)散到滿足一定均勻性的治療射野范圍。 散射片通常用銅或鉛制成，其厚度選擇應(yīng)使絕大多數(shù)電子被散射而不是產(chǎn)生軔致輻射。,（1）X射線的

13、均整,靶材料為鎢、鉑金等，厚度要足以完全吸收入射的高能電子。 X射線均整器：4～20MV 范圍的X射線，使在治療距離處得到大約35～40cm大小的滿足一定平坦度和對(duì)稱(chēng)性要求的治療用射野。均整器常用鉛制作。,（3）準(zhǔn)直器 X射線要經(jīng)過(guò)兩級(jí)準(zhǔn)直才到達(dá)治療部位。 一級(jí)準(zhǔn)直器位于加速管電子引出窗口下、大小固定不變，為X射線、電子束所共用。 二級(jí)準(zhǔn)直器是可變的。,（四）束流的監(jiān)

14、測(cè),電子經(jīng)引出窗→（X線靶）→一級(jí)準(zhǔn)直→均整或散射或掃描的（X射線和電子束） →監(jiān)測(cè)電離室→二級(jí)或三級(jí)準(zhǔn)直器→ （電子線限光筒）→患者 監(jiān)測(cè)電離室：由幾個(gè)或一個(gè)多電極電離室組成。多數(shù)使用穿射型平板電離室，其大小應(yīng)覆蓋整個(gè)治療射野，少數(shù)使用指形電離室。電離室的功能：是監(jiān)測(cè)X射線、電子束的劑量率、積分劑量和射野的對(duì)稱(chēng)性。 驗(yàn)收時(shí)和平時(shí)定期進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。,注意：測(cè)量和校對(duì)只對(duì)治療范圍

15、內(nèi)使用的劑量率有效。 超過(guò)此范圍時(shí)劑量?jī)x不能跟隨劑量率的變化而出現(xiàn)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，造成劑量不準(zhǔn)甚至是放射性事故。加速器制造廠家設(shè)定了超劑量率限位聯(lián)鎖，一旦機(jī)器輸出劑量率超出預(yù)先設(shè)定的范圍，聯(lián)鎖啟動(dòng)，自動(dòng)切斷高壓。醫(yī)院的物理師和工程師要每周檢查其功能，確保治療的安全進(jìn)行。,（五）直線加速器的優(yōu)缺點(diǎn),電子回旋加速器,電子回旋加速器因電子在位于電磁鐵極間的圓形真空盒內(nèi)作 圓周運(yùn)動(dòng)而得名。電子由電子源注入到加速諧振腔，它被磁控管通過(guò)隔離