讯阳文艺网直线加速器
本文是连卫东先生在第四届（2019年）全国医用加速器工程物理技术培训班上的讲稿。
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承蒙毛凯老师错爱，让我在这里讲讲放疗准直器研发的心得，对我来说是极大的鼓励和鞭策。
借此机会，向大家汇报一下自己这些年来研发准直器的思路和历程，错误难免，还请多多指正，不吝赐教！
自己曾是一家医疗企业的负责人，在公司存续期间，开发过的产品和技术主要有：
内置和外挂多叶准直器（注册）
多野准直器（注册）
磁动断层准直器（验证机）
矩阵调强准直器（验证机）
结束公司运作后，自己在深入研究矩阵调强准直器的同时，又设计了两种新型多叶准直器——快速多叶准直器和多层叶片准直器，目前处于专利和概念设计阶段。
在各类准直器中，多野准直器和矩阵调强准直器的研发耗费了自己很多的精力，也深有感情，这次汇报，就从多野准直器开始，顺序是：
多野准直器
矩阵调强准直器
快速多叶准直器
多层叶片准直器
一、多野准直器
多野准直器的思路来源于补偿器调强。补偿调强曾经在调强的发展历程中占有一席之地，也是最早的调强方法之一，但在多叶准直器及各种调强方法迅速普及的过程中，被忽视了。
其实，补偿调强有其自身的优势：
1、补偿器的厚度可连续变化，保证调强射线通量的控制精度。
2、补偿板与适形模结合，有很高的适形度，不仅边界精准，还适合任意形状的肿瘤。
3、适形模的内壁与点光源发出的射线平行，消除了穿透半影。
4、无论肿瘤结构多么复杂，每个角度只需照射一次，有很高的剂量效率。
补偿调强的劣势似乎比其优势更为明显：
1、补偿板的制作工艺比较发杂，特别是与适形模结合的补偿器更为复杂。
2、每个照射角度都需要一个补偿器，制模的工作量很大。
3、每照射完一个角度，要更换一次补偿器，反复中断治疗，技术人员会感到不便。
4、增加了治疗时间，患者也会感到不适。
为发挥补偿器调强的优势，克服其不足，自己研发了一种多野准直器调强放了系统，主要由三个部分构成：
1、多野准直器
多野准直器是将多个补偿板和适形铅模一体加工形成的铅模准直器，由矩形框、硬质泡沫、铅模和盖板构成，制作过程如下：
1）将100mm厚的硬质泡沫紧配合地嵌入矩形框。所谓硬质的标志是，切割掉的泡沫呈粉末状，而不是丝状，这样才能保证阳模的坚挺。
2）雕刻阳模。阳模可以是适形阳模，也可以是调强阳模，还可以是特殊用途的阳模。
3）铸模，就是铸铅，实验时采用的是低熔点铅，也可以是普通铅，成本较低。
4）铣模。将模的表面铣平，确保铅模的厚度各处一致。
5）加上盖板并固定，同时将患者的信息封入其中。
2、阳模加工设备。自己制作过两种阳模加工设备，一种是标准的五轴雕刻机；另一种是阳模加工专用设备，后者还申报了专利。
阳模加工设备的难点在于铣刀，不仅要有足够的长度，还要呈锥形，这样才能将调强单位（等中心平面上射线通量变化的最小单位）做得很小。自己定的目标是5mmX5mm。
3、多野准直器射野自动更换装置，自己简称多野光栅，它是一个双轴装置，加工好的多野准直器安装其中，再将多野光栅安装在加速器机头底端，治疗过程中，自动依次将每个射野的靶心送至照射中心。
多个射野在多叶准直器中的排列，更像老式单一胶片的箱式照相机，不同的是，“照片”可以有小幅重叠，这样可进一步节省空间，见下图。
该图是多野准直器的底面图。
每个小射野的边界，由加速器小机头中的上下钨门界定。
此一轮以多野准直器为标志的补偿器调强的研发，以开启矩阵调强准直器的研发为节点，告一段落，没能继续走下去的原因有两点：
一是，准直器的材质是铅，难以摆脱污染的概念，不易被接受。
二是，最重要的，补偿调强概念的推广已超出了自己的能力，它实际上是一个很大的系统工程，要有规模效应，只有加速器厂家才能推动它。
如果我是一家加速器厂家，我会采用如下方法推广补偿器调强的技术：
1、开发一款专门用于补偿调强的加速器，小机头中取消光野，上下钨门均采用直线加旋转的摆动方式，以进一步节省空间。或采用钴60机无门准直器的样式
2、腾出空间后，换用铜制的多野准直器，按70mm厚的钨合金折算，厚度在150mm左右。
3、设立多野准直器加工中心，支持两台以上加速器的多野准直器供应，使放疗科的技术人员从制模的工作中彻底解放出来。加工中心不仅负责多野准直器的定制，还负责准直器的配送、旧膜的回收和再利用。自己设计过多几阳模或实体模的制作方法，这里不再详述。如成本可控，也可采用3D打印的制模技术，铜或许是适合3D打印的材料，但3D打印的方法可能不方便旧膜的回收和再利用。如有多个加工中心，还可在其上设立材料供应中心。
4、在治疗室安装一个长臂机械手，负责多野准直器的自动装卸。技术人员只剩下一项工作，就是将待用的多野准直器摆放到适当的位置，或安装到特制的装置中。
此设想如能成功，可借用推广一种调强方法和操作模式，推销自己的加速器，这在网络经济不断深入，配送体系日益发达的今天，不是没有可能的。这样的加速器多了，可考虑按城市或地区设立多野准直器加工中心，如配置物理师这样的高端技术人员，还可以指导制作治疗计划，促进调强放疗的普及。
二、矩阵调强准直器
自己对二进制准直器一直是情有独钟，在见到Tomo最早的步进断层准直器（MiMic）后不久，自己也试做了一款断层准直器，见下图。
两者的不同点是，MiMic是气动，我做的是磁动，开始使用的是一种长程电磁铁，后来演变为磁铁与线圈相互作用的直线驱动装置，特点是行程长，力道柔软（先大后小，电磁铁是先小后大）。
此后不久，Tomotherapy出现了，不仅淘汰了他自己的MiMic，当然也包括我的那款断层准直器了。因为Tomotherapy不仅能进行螺旋照射，还有径向照射的功能，仍可实施断层调强。
不甘心被淘汰的命运，想在提高效率方面做些文章。
在胡逸民教授的指点下，参照他的《放射物理学》中介绍的棋盘式准直器，构思了一款矩阵调强准直器，并申报了专利，见下图。
上图右侧上方的蓝色部分，是一个加工有国际象棋黑白相间棋格那样排列的n个梯形通孔的准直器，每个通孔下面有n个梯形屏蔽柱，每个屏蔽柱都有两个位置，要么处于通孔的正下方，阻挡射线通过，要么离开通孔正下方，允许射线通过。黑白相间的棋格很像一个矩阵，准直器的名称就定为，“一种矩阵调强准直器”。
上图左侧上方的蓝色部分是梯形通孔重新排列的情况，将横竖相间的通孔重新排列成横向连接的N个条形通孔，其下的屏蔽柱还是那么多，数法上改为，N排每排n个。
上图左侧的两个条形光孔准直器的投影图表示，条形光孔准直器以其几何中心点为圆心，自旋180°，可实现照射区域与屏蔽区域的位置互换；右侧的两个棋盘式准直器的投影图表示，横竖相间的光孔准直器以其几何中心点为圆心，自旋90°，可实现照射区域与屏蔽区域的位置互换。
两种情况是发明专利的两种应用例，实际上棋盘式排布的准直器，除引用作为专利的名称外，没有多大应用价值。真正有意义的还是条形光孔准直器。
矩阵调强准直器的专利是发明专利，描述的是一种调强方法，距实际应用还有一定距离，还有些问题需要解决，见下图。
由于射线源不是纯粹的点光源，有一定的物理宽度，由此，无论条形光孔准直器处于梯形屏蔽体的上方，还是下方，射线都有可能从梯形屏蔽体与条形光孔的交界处漏出，如上图中左图和中图显示的情况。解决办法是再增加一个条形光孔准直器，就是上图中右图显示的情况。作为补充，又申报了一个实用新型专利，“一种栅格射野网格准直器”，见下图。
自己按此项专利的原理，制作了一台验证机，其中，对条形射野与屏蔽区域位置互换的方式做了修改，改为上下条形光孔准直器以点光源为圆心小幅限幅摆动。
曾拍过几张胶片，视觉效果还不错，但由于实验条件不够充分，不能作为依据。
理论上条形光孔的投影宽度与屏蔽柱的投影宽度相等，实际制作时，条形光孔的投影宽度略小于屏蔽柱的投影宽，这样的做法，理论依据不足，工艺上也难以控制，为改变这种困境，又申报了一个实用新型专利，名字叫“一种栅格射野调强准直器”，见下图。
改动的要点是，将条形光孔的投影宽度与条形光孔投影间隔之比，由1比1改为1比2。这样，屏蔽柱的投影宽度可大于条形光孔的投影宽度，又小于相邻条形光孔的投影间距。条形光孔准直器也由两个改回一个，居屏蔽柱之上之下皆可。
这样改动后，条形光孔物理宽度的设置，由一个理论问题变为调试问题，先将条形光孔设置得窄一些，逐步加宽，直至消除照片上的叠影或虚影为止。这种做法适用每个具体的加速器，因为条形光孔准直器是一个方便卸装的单独部件，调试过程中，其它部件不再改动。
这次改动还可用一个形象的比喻来表述，就是将多个断层准直器合并成一个矩阵调强准直器，步骤是，先将多个断层准直器等间距地排列起来，再将每个断层准直器上方的点光源并拢在一起。
这样比喻是想揭示断层准直器与矩阵准直器的主要区别：
断层照射是多个肿瘤切片治疗计划的依次实施
矩阵调强是一个治疗计划的分次实施
这点区别非常重要。
在申报第一个“一种矩阵调强准直器”专利的同时，又申报了一个同名的“一种矩阵调强准直器”的发明专利，见下图。
图中上面的蓝色物体是一个矩形射野准直器，确定了准直器的最大射野，其下是N层，每层两排，每排n个梯形屏蔽柱。两排屏蔽柱相向排列。
为区别两个同名的矩阵调强准直器，称前者为屏蔽柱同层排列的矩阵调强准直器，后者为屏蔽柱多层排列的矩阵调强准直器。
下面就大家可能关心的几个问题做出说明：
最可能的问题是，最上层叶片可能相撞，如可解决。方法是，一侧屏蔽柱的最上两层屏蔽柱位置互换。
第二个问题是，射线会不会从屏蔽柱的背后漏出。解决办法是加长最下层屏蔽柱的长度，而且长度不限，见下图。
问题三，射线会不会从各层屏蔽柱的交界出漏出。解决办法是，假定射线原有一定物理宽度，要求屏蔽柱两侧的平面延长线与射线源的边缘相交，其效果是，在消除几何半影的同时，各层屏蔽柱在物理宽度上有小幅重合，规律是，越接近射线源，重合的比例越多，见下图。
同时含有上述三个问题的最少层数是三层，源轴距也可控制在1000mm以内。
到此，介绍了两种矩阵调强准直器和修正方案，为便于比较，将它们的投影图，列于一个图中，见下图。
上图中，左侧是屏蔽柱多层排列的矩阵调强准直器最大射野和屏蔽柱的投影图，每个屏蔽体的投影要么处于最大射野当中，要么处于最大射野之外，独立调节每个调强单位的射线通量。对较大的肿瘤，可通过最大射野的拼接来覆盖。
中间部分，是屏蔽柱同层排列的矩阵调强准直器条形光孔和屏蔽柱的投影图，每个屏蔽柱的投影要么与条形光孔的投影重合，要么处于两个条形光孔的投影之间，所有方格构成了准直器的最大射野，在最大射野内，两次照射完成一个角度的调强照射。
右侧部分，是修正的屏蔽柱同层排列的矩阵调强准直器条形光孔的投影图，图中没有画出每个屏蔽柱的投影。每个屏蔽柱的投影也有两个位置，要么跨过条形光孔的投影，要么处于两个条形光孔的投影之间，所有方格构成了准直器的最大射野，在最大射野内，三次照射完成一个角度的调强照射。
矩阵调强准直器与断层准直器相比，大幅度提高了效率；与多叶准直器静态母子野调强形比，不仅效率提高，精度也提高了，但与多叶准直器动态调强、拉弧调强和断层准直器螺旋调强相比，效率优势下降或消失。
为重建矩阵调强准直器的效率优势，自己计划将调强方法由矩阵调强向旋转调强转变，为此，将原来的方形调强单位改为长形，如10mmX6.25mm，见下图。
旋转照射时，屏蔽柱多层排列的矩阵调强准直器更具优势，因为，大面积的矩形射野拼接，比在一个限定的弧度内，多个条形射野的拼接更为容易，如采用三层设计和10mmX6.25mm的调强单位，每旋转一周可覆盖60mm长的肿瘤。
自己为矩阵调强准直器的多角度照射和旋转照射设计过多种实施方案和准直器结构设计，只为证明一点，这是一项可以实现的技术。
三、快速多叶准直器
无论多叶准直器动态母子野调强，还是自己理解的步进式动态调强，都要求叶片移动有较快的速度，越快越好。
制约叶片移动速度的是由力矩产生的摩擦阻力。说明如下：
对多叶准直器来说，叶片组的电机一般要排到4排或6排，见下图。
这是一个双层多叶准直器，由于叶片距射线源的距离较近，叶片的物理宽度缩窄，上层叶片的驱动电机要排到6排，下层电机的叶片也要排到4排。
电机驱动丝杆（图中粉色）旋转，丝杆旋转使螺母（黄色）移动，嵌在叶片尾部的螺母带动叶片移动。当电机位置不是位于叶片高度方向的中间时，电机推力的作用点至叶片的端面就会形成一个力臂（图中的白色竖线），乘以力就形成一个力矩。
当叶片上下端面与上下导槽的上下端面空隙较大时，快速推动叶片可能出现“突突”的跳动，极端情况可能出现卡死的情况。
解决的办法是减少叶片上下端面与上下导槽上下端面的间隙，越小越好，以此来压住可能的跳动，但同时带来了很大的摩擦阻力。这种由力矩产生的摩擦力是叶片阻力的主要来源。
下图是一种目前普遍采用的减小力矩的方法。
上图中，叶片的一端做成L形，相应的叶片组箱体上限制叶片上下的导槽面也归于一端；叶片另一端的端面不再与叶片箱体接触，这一端箱体上的两个侧导槽面只限制叶片的摆动，这样处理后，电机推动形成的力臂就会小于1/2叶片高度。自己称这种设计为单边导轨设计。
为彻底消除因力矩产生的摩擦阻力，自己发明了两种叶片快速移动机构，一种是导向轴模式；一种是滚轮模式。自己称采用这种移动机构的准直器，为“快速多叶准直器”。
上图是导向轴模式，叶片的一端与一个导向轴连接，导向轴穿过两个直线轴承，直线轴承安装在箱体中；叶片的另一端只与导槽的两侧接触，上下悬空。直线轴承内用滚珠支撑，这样滑动摩擦就变成了滚动摩擦，阻力会降低约一个数量级。
导向轴模式只适合单准直叶片。
上图是滚轮模式，四个滚轮外侧的导槽与叶片上下的导轨配合。滚轮内部是一个滚珠轴承，这样就把滑动摩擦变成滚动摩擦。
滚轮模式既适合单准直叶片，也适合双准直叶片。
自己应用两种模式，设计了多种快速多叶准直器，过程中，制作工艺不断完善。
四、多层叶片准直器
按现在的直线加速器小机头内部结构设计，多叶准直器几乎没有多大发展的空间了。从初级准直器往下排，有电离室、光野机构、上下钨门，再留出必要的治疗空间和安装托架的空间，留给安装多叶准直器的空间就只有10公分左右了，这还是一毫米一毫米抢出来的。
狭窄的安装空间，使多叶准直器通过样式的变化来提高精度和增加功能变得十分困难。为给多叶准直器这种精确放疗的主要工具以更大的发挥作用的空间，应该对续半个多世纪之久的加速器小机头的结构作必要的调整。有没有这种可能呢。
先看光野。光野是与模拟机配套的，用于常规放疗（模拟机定位、少角度照射和铅挡块的组合）射野描画的机构。在精确放疗（多角度照射、CT定位和多叶准直器的组合）迅速普及的今天，还有必要保留光野吗。是否一定要等到强制取消常规放疗的那一天才放弃它。
再看上下钨门。最早的常规放疗是由钨门独立完成的（按现在的标准有些不够人道），铅挡的配合，虽使适形度有所提高，也是相当落后的技术，是一种面临被淘汰的技术。
现在的问题是，在各种放疗先进技术爆炸性增长的情况下，是否有必要让所有的加速器都保留常规放疗的功能。今后放疗设备的普及，不一定是由于放疗单位的增加，更大的可能是每个放疗单位占有放疗设备数量的增减，每个放疗单位有两台以上加速器将是正常情况，其中有一台可以做常规放疗就可以了，即使这样，应用的机会也会越来越少。
实际上，对加速器小机头改造的工作已经开始了。不久前见到一款内置双层多叶准直器，外表看纵向厚度应在200mm左右，为保证必要的治疗空间，势必要对原有的钨门结构进行调整，至少要取消一层钨门，估计光野也会取消。
为不被这一轮放疗技术革新拉下，约在两年前，自己申报了一个多层叶片准直器的发明专利，最突出的特征是，多层叶片准直器由三层（含三层）以上多叶准直器构成，作为发明专利，可以列举若干应用例，但又不限于应用例，见下列组图。
多层叶片准直器的引入，，已没有安排光野和上下钨门的空间了。其实，十字相交的多叶准直器完全可以取代上下钨门的功能，实现400mmX400mm的大射野也不是问题。如专职做精确放疗，或许不需要那么大的射野，具体参数多少，要听医生的意见。
自己接下来的工作，就是探讨多层叶片准直器的各种可能的样式，在多种多层叶片准直器的概念设计中，选择一款，看看多层叶片准直器大致是个什么样子，见下图。
做些说明：
黄色的加速管下是初级准直器（绿色），将射线源发出的射线约束成锥形光束；
初级准直器下是均整器（看不见）；
均整器下是电离室（黄色）；
电离室下是一级准直器（绿色），负责将锥形光束约束成矩形光束，在等中心平面上形成准直器最大射野。没有将初级准直器与一级准直器合为一体，是担心矩形射野准直器的剂量均整不太容易；
一级准直器下是一个X方向（与治疗床长边垂直的方向）普通速度的双层准直器，叶片采用的是单边导轨设计；
再下是一个Y方向（与治疗床长边平行的方向）采用导向轴模式的快速双层准直器，可配置更大直径的电机、螺母和丝杠，以进一步提高速度，提高执行调强计划的精度。
从上述安排可以发现，准直系统的结构完全改变了，突出了多叶准直器和精确放疗的主导地位。
多层叶片准直器并没有一个具体的样式，它只是提供了一个框架，在这个框架内，各种样式多叶准直器的组合，可形成多样的功能组合，满足不同的实际需求，按我自己的说法，“多层叶片准直器是个筐，什么都可往里装”。
谢谢大家！
连卫东
2019.5.10
Lweidong1958@163.com
