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2.4 调强放疗中的射线调制设备

在调强放疗中,自动控制的多叶准直器(Multi-Leaf Collimator,MLC)和放疗计划系统(Treatment Planning System,TPS)非常重要。MLC是重要的调强放疗设备,它是用于产生适形射野的机械运动部件,可以通过控制和调整射束的形状和方向,来形成各种不规则的射野,将剂量精准地传递到患者的病灶处,同时最大限度地减少对周围正常组织的损伤,以确保放疗的精确性和有效性。TPS根据肿瘤控制概率(Tumor Control Probability,TCP)、正常组织并发症发生概率(Normal Tissue Complication Probabilities,NTCP)和MLC等参数,通过复杂的计算进行逆向优化设计。

理想情况下的射野通量图可以给出连续的二维信号。目前,业界还没有出现可以任意连续控制各射野内射束强度的物理设备。现有的方法都通过各种物理补偿方式来调整射束强度。

物理补偿器利用不同厚度的铅块调整射束强度,这种技术非常简单可靠,目前仍被广泛使用。其缺点之一在实施放疗前需要设计并制作物理补偿器。物理补偿器的制作费时费力,而且在铅熔化和对物理补偿器进行加工时会产生有害气体,影响工作人员的健康。此外,在照射过程中,由于铅块较重,所以摆位很困难,医护人员操作不方便,效率较低。另外,在更换物理补偿器时,医护人员需要进入放疗室,放射线会影响医护人员的健康。

多叶准直器是放疗设备中的一种机械运动部件,用于产生适形射野,又称多叶光栅或多叶光阑。其最初的设计目的是取代铅块,形成不规则射野,以进行适形调强,提高治疗摆位的效率。后来由于其具有机械结构方面的优良性能及在计算机自动控制下精确运动的灵活性,所以具备了多种潜在的用途。应用计算机进行控制,在旋转照射过程中,可以使用多叶准直器调整射野形状,以适应靶区的投影形状。利用计算机控制多叶准直器的叶片运动,可以实现静态调强和动态调强。

自多叶准直器问世,其结构设计就一直在改进。为了适应不同的功能和用途,各放疗设备生产商先后推出多种多叶准直器。总的来说,多叶准直器主要围绕提高适形度、减小透射半影、降低漏射等进行改进。多叶准直器的基本构成单元是叶片,一般由钨或钨合金制成,左右两排挡板叶片由独立的电机驱动。为了防止剂量泄漏,叶片采用凸凹槽咬合设计。一般来说,挡板叶片可以将辐射强度削弱到5%以下。多叶准直器的叶片宽度决定了通量图的离散化程度,也决定了多叶准直器形成的不规则射野与PTV的适形度;叶片越薄,适形度越高,但加工越困难,机械结构越复杂,成本越高。目前,一般的多叶准直器有30~50对叶片,最高可达100对。例如,Varian MLC由26对、40对或60对5cm厚的钨合金叶片组成,每个叶片的等中心投影宽1cm(60对中的20对为0.5cm),长为16cm,最大移动速度为3cm/s。

基于多叶准直器的静态调强过程如下:首先,将照射头旋转至指定的角度,由电机驱动叶片,形成需要的子野形状,打开加速器开关,在照射一定的时间后关闭开关;接着,电机再次驱动叶片,形成新的子野形状,再打开加速器开关进行照射。循环上述过程,直到对所有子野形状的调制结束。这样在指定的角度,由于多个子野的强度叠加,所以可以产生所要求的强度分布。旋转照射头,在新的角度继续进行治疗。由此可见,静态调强的剂量验证比较容易,但是治疗时间较长。

与静态调强相比,动态调强有以下特点。一是在指定的角度,叶片朝一个方向进行变速运动,射束窗的开口和叶片运动速度都在连续变化,加速器不停地以变化的剂量率出束,从而形成调强剂量分布。二是虽然动态调强需要的时间短于静态调强,但其对设备的要求较高,且其剂量验证比静态调强困难得多。 kw64JFO+IrwNVdLrazqJsmzkW9YRsmJ3eUKqnlUYQ2AON1eyLgzeLXfOeSqiUA4T

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