医用电子直线加速器（医用高能射线设备）

简述

医用电子直线加速器属于医用高能射线设备，在《医疗器械分类目录》中属“6832医用高能射线设备”，监管类别为Ⅲ类。

医用电子直线加速器是利用微波电场对电子进行加速，产生高能射线，用于人类医学实践中的远距离外照射放射治疗活动的大型医疗设备，广泛应用于各种肿瘤的治疗，特别是对深部肿瘤的治疗。医用电子直线加速器可以产生X辐射和（或）电子辐射束。高能X射线具有高穿透性、较低的皮肤剂量、较高的射线均匀度等特点，适用于治疗深部肿瘤。电子束具有一定的射程特性，穿透能力较低，用来治疗浅表肿瘤。

医用电子直线加速器是医疗器械中的高、精、尖技术相结合的产品，是医疗器械领域中技术含量最高的产品之一，在世界上也只有少数几个发达国家能够生产。国外公司产品的技术水平高，品种规格多，占据医用电子直线加速器高端机市场。国内现有产品在品种规格、技术水平上均与国外产品有一定差距，只能在低端市场占据一席之地。但随着国产机在技术、生产规模及市场开发宣传上的不断提高，加之国家对医疗器械行业的重点扶持，其市场占有率将逐步提高。

组成

医用电子直线加速器是一种比较复杂的大型医用设备。涉及诸多学科和技术，如加速器物理、核物理、无线电、电工学、电子学、自动化控制、电磁学、微波技术、机械、精密加工、电子计算机、制冷、流体力学等。这里只简单介绍医用电子直线加速器的一般结构。不论是行波医用电子直线加速器，还是驻波医用电子直线加速器；不论是低能医用电子直线加速器，还是中高能医用电子直线加速器，尽管在结构上各有千秋，但基本结构是一致的。其主要有加速管、脉冲侧制器、电子枪、微波系统、真窄系统、稳频、温控及充气系统、射线束引出系统、治疗头、治疗床。

1．电子枪

电子发射系统是为了控制电子的发射数量、发射角度、发射速度和发射时机等，电子枪是电子发射系统的核心器件，加速管中电子束是由电子枪的电子注产生的，电子注参数的好坏直接影响到加速管质量的高低。加速管对电子枪除要求其发射的电子注必须具有很好的层流外，还要求其发射的电子注具有一定的注入流强、注入电压、足够的射程以及一定的注入角和注腰半径等。

2．微波系统

电子直线加速器的微波系统由微波功率源和微波传输系统组成。微波源提供加速管建立加速场所需的射频功率，医用电子直线加速器一般采用S波段2998MHz或2856MHz的微波频率。作为微波源使用的有磁控管和速调管。行波医用电子直线加速器和低能驻波医用电子直线加速器使用磁控管作为微波功率源。磁控管是微波自激振荡器，体积小、重量轻、工作电压低，但其工作频率易漂移，因此需采用自动稳频系统，提高频率稳定度。中高能驻波医用电子直线加速器使用速调管作为功率源。速调管是微波功率放大器，可以提供更高的微波输入功率，但是其设备体积大，工作电压高，需要配置有低功率的微波激励源来驱动。虽然其工作频率比较稳定，但也需自动调频系统使其与负载变化保持一致。

3．束流传输系统

束流传输系统是为了电子在加速过程中的束流聚焦、束流导向和束流偏转移除而设置的自动控制系统。它可分为聚焦系统、导向系统和偏转系统三部分。

4．稳频、温控及充气系统

微波系统的附属系统有自动稳频系统，自动温控系统和波导充气系统。

微波自动稳频系统是为了协调微波源与加速管之间电磁振荡频率一致的重要环节。电子直线加速器应用的自动稳频系统一般有4种基本结构形式：晶振型、单腔型、双腔型和锁相型。

自动控温系统也是医用电子直线加速器中重要的组成部分，因为在医用电子直线加速器中，有许多的部件在工作时都要发出不同的热量，而这些部件只有在恒温条件下才能保证稳定工作。温度控制方式一般采用水循环强制冷却自动恒温系统。

波导充气系统是指给微波传输系统充以一定压强的特定气体的一套装置。充气的目的是为了增加波导管内气体分子的密度，以缩短气体分子的平均自由程，从而提高波导管的击穿强度阈值。防止微波功率传输时可能发生的波导管内打火现象。

5．真空系统

真空系统可以保持电子运动区域和加速管内的高度真空状态，一方面可以防止电子枪阴极中毒、钨丝材料的热子或灯丝氧化，另一方面可以避免加速管内放电击穿，还可以减少电子与残余气体的碰撞损失。

6．高压脉冲调整系统

在使用微波电场加速电子的加速器中，为了得到尽可能高的加速电场，瞬时微波功率很大，达到MW量级，因此微波源都是脉冲工作的。脉冲调制器是向这种微波源提供脉冲功率的电源。工作原理是利用储能放电的原理形成高限脉冲，经脉冲调制器将陔电压进一步放大后供微波功率源使用。

7．辐射系统

辐射系统的作用是按照需要对电子束进行X线转换和均整输出，或直接均整后输出电子射线，并对输出的X线或电子射线进行实时监测和限束照射。辐射头的基本结构：加速管安装在辐射头的上部，紧贴加速管引出窗的是靶，接下来分别是初级准直器、束流均整过滤器或散射箔、电离室、辐射野光学模拟系统、一对上准直器、一对下准直器、附件盘。

8．剂量监测系统

剂量监测系统由剂量监测电离室、剂量监测电路组成。

电子直线加速器最为广泛使用的剂量监测仪是永久性安装在加速器里的透射电离室剂量仪。电离室位于辐射系统之内，安装在均整滤过器或散射箔与光子线的次级准直器之间，由若干片极片构成，其中有两对用于监测辐射野内相互垂直的两个方向的均整度，有一片用于监测辐射的能量变化，有两片用于检测辐射的吸收剂量。多数使用平板电离室，其大小应覆盖整个治疗射野，少数使用指形电离室。其功能是监测X射线、电子束的剂量率、积分剂量和射野的对称性、平坦度。

9．机械系统

机械系统是医用电子直线加速器的支撑机构。其必须包括基座、旋转机架、辐射头、治疗床等结构组成。现代医用电子直线加速器采用等中心原则的运动系统，即机架、辐射头及治疗床三者的旋转轴线交于一点，该点称为等中心，要求中心误差在±2mm以内。

10．控制系统控制系统由以下几部分组成：

①各种电源。②连锁保护：包括水流、水温、水压、高压过载、微波功率源打火等各种保护。③自动控制：包括自动频率控制、自动剂量率控制、自动均整度控制、自动楔形过滤器控制、弧形旋转控制等。④正常治疗的程序控制：包括待机、预置、准备、出束、晨检等几种状态的程序控制。⑤安全连锁：保证设备安全的安全连锁、控制射线的安全连锁等。⑥安全接地和干扰屏蔽：电屏蔽、磁场屏蔽、电磁屏蔽等。

特点

1．能量分档多，能量范围宽。其中X线可在6～18MeV中任选一至三挡；电子线可在4～20MeV中任选五至七挡。

2．设计有完善的多级安全连锁，确保患者、工作人员和设备的安全运行。

3．方便进行全数字化的整体设计，整机采用计算机控制，操作软件采用图形界面，操作更简便。

4．自动频率控制（AFC）、自动束流控制（AIC）、剂量监视和自动均整度控制（ADC）等控制系统全部采用微处理器控制，剂量更稳定。

5．独立双通道的电离室计数，确保剂量测量的准确性。

6．偏转系统采用偏转滑雪式消色散结构，可获得更好的束流分布。

7．限束装置的光阑、多叶光栅（MLC）可分别独立运动，适应不同治疗种类的需要。

8．等中心精度高，达±1mm。可配外置的X刀、多叶光栅等适形治疗系统。

9．具有远程故障诊断功能，可通过Internet协助用户进行维护，维修更简便。

分类

(一)按输出能量划分

按照输出能量的高低划分，医用电子直线加速器一般分为低能机、中能机和高能机三种类型。不同能量的加速器的X射线能量差别不大，一般为4、6、8MV，有的达到10MV以上。

按照X射线能量的档位划分，医用电子直线加速器可以分为单光子、双光子和多光子。

(二)按照加速管工作原理方式

按加速管工作原理方式划分，医用电子直线加速器有两种加速方式：行波加速方式和驻波加速方式。

(1)行波加速方式：是在网波导中周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠这些膜片的反射作用，使中孔部分中传播的电磁场相位传播速度慢下来，甚至光速以下，以实现对电子的同步加速。这种波导管，称其为盘荷波导(加速管，取圆形膜片对波导管加载之意。

(2)驻波加速方式：是在加速管在左右两端适与位置放置短路板，形成一种电磁振荡的驻波状态，。加速管结构中所有的腔体都谐振在一个频率上，相邻两腔间的距离为D，而腔间电场相位差刚好为180°，即腔间电场刚好方向相反。

常见故障

医用电子直线加速器在使用过程中，会遇到一些常见的故障问题。

这些常见的故障主要有以下几个方面：

(1)自动稳频故障自动稳频故障是医用电子直线加速器比较频发的故障之一，随着医用电子直线加速器的使用，自动稳频往往会出现问题。由于检波二极管是比较易损的部件，大多数的自动稳频故障都是由检波二极管损坏造成的。AFC电机的松动也会造成自动稳频故障。

(2)剂量故障造成剂量故障的原因主要是：剂量积分板出现器件损坏可能会出现剂量异常；随着加速管使用时间的推移剂量和剂量率下降；电压的波动也会造成剂量异常。

(3)电离室故障电离室也是一种比较容易损坏的部件，电离室输出信号线也很容易损坏，造成短路。

(4)微波系统故障造成微波系统故障主要有：微波源阴极灯丝损坏，环流器损坏等。

(5)测距灯光野灯故障由于测距灯、光野灯的功率很大，会达到很高的温度，散热出现问题就很容易将其烧坏。

(6)治疗床故障治疗床故障主要有：电位器限位开关损坏、丝杠轴承损坏、面板按钮失灵、电机损坏。