李亚倩连卫东：复合准直器再探-放疗大家谈
李亚倩连卫东：复合准直器再探-放疗大家谈
李亚倩按:
去年年底及之前的一段时间，向大家介绍了许多样式的多叶准直器，如矩阵调强准直器的屏蔽体同层排列样式与多层排列样式、快速多叶准直器的直线轴承样式与滚轮样式和多层叶片准直器的几种样式，最后，还介绍了一种复合多叶准直器。多叶准直器的发展方向在哪里，这是近一段思考的问题。这次想在复合准直器的架构下，做进一步深入的探讨，顺便介绍几款与之配套的加速器机架样式。
一、为什么要选择复合准直器？
（一）现有的准直器与调强方法
我们见过的准直器及调强方法已有很多了。
最早的有补偿器的补偿调强方法。
后来有多叶准直器母子野调强法、滑窗式调强法和动态调强法，最新发展至拉弧调强法。
紧紧跟进的有二进制准直器断层调强法和螺旋调强法。
期间还有限光筒准直器由X-刀向色波刀的华丽转身。
再有就是本人发明的矩阵调强准直器，它实际是一种多排叶片的二进制准直器，也分矩阵调强和旋转调强两种方法。
看起来五花八门，但从治疗计划角度来看就简单多了，只有三类。
1、适用多角度照射的准直器与调强方法
名下有：
补偿器补偿调强方法；
多叶准直器母子野调强法；
多叶准直器滑窗式调强法；
多叶准直器动态调强法；
单排二进制准直器断层调强法；
限光筒准直器对小肿瘤的适形照射法和对大肿瘤的扫描照射法；
矩阵调强准直器的矩阵调强法。
多角度照射名下的各种准直器及调强方法，在治疗计划模型上是基本相同的，不同的只是执行计划的方式。
从治疗计划角度看，多叶准直器更占优势，因为它的调强单位（等中心平面处通量变化的最小单位）可设的很小，如5㎜×5㎜或2.5㎜×2.5㎜。
从执行计划的角度看，二进制准直器更占优势，因为叶片迅速开合的特点，使三维显示的调强单位“通量柱”上端更接近平台。
但情况在发生变化，如果快速多叶准直器问世，再加上双聚焦准直器的应用，将消弱二进制准直器执行计划的精度优势。
如再考虑到治疗效率等多种因素，本人的判断是，采用快速移动方式的多叶准直器动态调强最终将在多角度照射方式方面胜出。
2、二进制多叶准直器的旋转照射法，名下有：
单排二进制准直器螺旋照射调强法；
多排二进制准直器（矩阵调强准直器）旋转照射调强法。
两种准直器调强方法的明显区别是，在旋转照射的过程中，单排二进制准直器的光源相对人体移动，而多排二进制准直器的光源相对人体不动，改变的是多个条形射野照射的位置，如下图。
单排二进制准直器的光源相对人体移动。
多排二进制准直器的光源相对人体不动，改变的是多个条形射野照射的位置。
由此演化出系列的具体差别，可参见拙文《复合叶片准直器》，这里只强调一点，单排二进制准直器螺旋照射是整圈的连续照射，当肿瘤偏向人体一侧时，另一侧接受了过多的无效照射，而多排二进制准直器旋转照射不一定要整圈照射，当肿瘤偏向人体一侧时，可减少从另一侧的照射，从而减少体剂量。
3、多叶准直器旋转（拉弧）照射调强法
这种调强方法要求加速器能量可调，已超出了准直器的范畴，难以在同等条件下进行比较，故存而不论。
(二)哪种准直器更好
现在可以比较的就只剩下多叶准直器动态调强和二进制准直器旋转调强了，哪种准直器更好呢? 持平而论，各有优势。评价一种准直器及调强方法的优劣，标准还是那句老话，看谁能在最大限度杀死肿瘤细胞的同时，最大限度地减少对正常组织的伤害。
二进制准直器旋转调强的好处是，可尽可能地分散剂量，虽然人体受照的体积多了，但单位体积的接受剂量少了，后者似乎更为重要。还有，二进制准直器旋转照射过程中，单位弧度的剂量通量是有上限的，不会导致人体局部剂量过多。
二进制准直器的缺陷是射野边界不够清晰，一想到它用于头部肿瘤治疗，就十分地担心。
多叶准直器多角度照射一般7～9个角度，再增加照射角度，治疗计划也不会改善多少，还增加了照射时间。多角度照射的缺陷是不仅剂量不够分散，还可能形成局部剂量过多，因为屏蔽器官的因素，一个角度投射剂量少了，要从其它角度补回来。为使肿瘤受照剂量均匀，各角度投射剂量是没有上限的。
多叶准直器的优势是，射野边界非常清晰，不仅是靶区的边界清晰，屏蔽区域的边界也很清晰，处理复杂调强的能力很强。也由于各角度投射剂量不受限制，提高肿瘤受照剂量均匀度的能力也很强。
两种准直器各有优势，也各有弊端，那个也舍不得放弃，一个办法是将它们合理的组合起来，用其所长，避其所短。
二、复合准直器
这里所说的复合准直器是多叶准直器与多排叶片二进制准直器（即矩阵调强准直器）组合而成的准直器，其中，二进制准直器专职（或主要负责）体部肿瘤治疗；多叶准直器专职（或主要负责）头部肿瘤治疗。
按多叶准直器与二进制多叶准直器组合的紧密程度，有三种类型的复合准直器，第一种是部分部件共同使用，特征部件切换使用；第二种是两种准直器切换使用；第三种是两种准直器与两个光源组合，而两个光源公用一个辅助系统。第三种设想有些离谱，算一种畅想吧。
（一）特征部件切换使用的复合准直器
此前拙文《复合多叶准直器》介绍的就是一种特征部件切换使用的复合准直器（这里已将“复合多叶准直器”简化为“复合准直器”），留下一点遗憾是，只是淡化没能消除条形射野重叠形成的剂量“热线”，这次尝试消除它。先看图，再说明。
准直器前视线图，下层的二进制准直器居中。
准直器前视线图，下层的多叶准直器居中。
准直器左视线图。
从最上端说起，加速管下面的初级准直器，其锥形光束形成的射野可盖过260㎜×200㎜的矩形射野，260㎜是治疗床长边方向。电离室下面是一级准直器，将锥形射野约束成 260㎜×200㎜的矩形射野，为该型复合准直器的最大射野。其下是分拆成两层的多叶准直器，是本准直器的要点。（放大些看）
图中可见，本应是同层27对的叶片，间隔分拆成两层。每个叶片的理论投影宽度是10㎜，行程大于200㎜。但实际的叶片物理宽度要大于理论值，它们经过修整后应达成以下两点：
（1）叶片满行程后，可屏蔽整个射野，没有叶片间漏射。
（2）两个叶片之间构成的条形光孔形成的条形射野，在几何半影、穿透半影及衍射的共同作用下，实现无缝衔接。
这个实际物理宽度是很难算出来的，只能通过实验。理论上这个参数是可以找到的。
上图是多叶准直器与二进制准直器的组合，上面多叶准直器的叶片负责搭建条形光孔，下面两排二进制叶片负责每个条形射野的调强，调强采用旋转调强方式。下面是两种光栅叶片的投影图。
为方便对比，二进制准直器的叶片改用黄色显示。不参与搭建条形光孔的叶片（图中的4个叶片）发挥适形的功能，旋转照射时要行进到靶区的边缘。
上两图是两组多叶准直器的组合。下层光栅叶片40对，投影宽度5㎜，行程160㎜，与上层光栅构成200㎜×200㎜的最大射野，两组多叶准直器叶片移动方向垂直相交。
两层叶片均采用了快速移动方式。
下层叶片采用快速移动方式，是因为它是多叶准直器调强的主体。
上层叶片也采用快速移动方式，是要提高搭建条形光孔的速度。
本人这样设想，二进制准直器旋转调强应连续旋转进行，这就要求旋转照射过程中留出一个全屏蔽的空档（如30度），其间加速器不停止出束，同时搭建条形光孔的叶片快速搭建出新的条形光孔，同时负责调强的二进制叶片也前进或后退一个位置。空档可这样选择，肿瘤居左，在右侧选择空档；肿瘤居右，在左侧选择空档；肿瘤居上，在下方选择空档；肿瘤居下，在上方选择空档；肿瘤居中，在右侧或右侧选择空档。
上图是两种准直器的切换机构，四个立柱与机头架相连（暂时隐去）；两个粉色的导向轴分别与两个立柱相连；四个白色直线轴承与下层两种准直器的安装板相连，并两两一组套在两个导向轴上；一个直线驱动机构与后面的两个立柱相连，通过一个梯形拨块驱动准直器安装板带动两个准直器左右移动。
这是仰视的情况，承载二进制两组叶片的箱体可独立移动。
接下来就是找一款适合该型复合叶片准直器的机架了，它取材于日本C型臂加速器，并作了适当的改造。
C型臂机架左视线图。
前视图。
俯视图。
西南视图。
西北视图。
几点说明：
日本C型臂加速器的机头和配重都在旋转轴的前侧，本人担心机头会前倾，故第一个改动是将旋转支撑圆环置于机头与配重之间，前后平衡。
日本C型臂加速器的机头摆动走弧线，而配重走直线，联动系统会比较复杂，为简便，让配重也走弧线，这是第二项改动。
日本C型臂加速器机头中的波导好像是倾斜放置，没见国内这样做过，为新型机架在国内的可行性，仍将波导水平放置，这是第三项改动。
另外，机头和配重之间的移动如采用齿轮传动，会比较简单，长度也会缩短许多，但考虑到会有声响，精度也会受到影响，还是采用了皮带传导。
特别要说明的是，为保证机架能连续旋转，在后面的驱动箱内留出了安装电刷式接线盘（见组图中的最上的线图）。
西北视图中，旋转驱动轴与主机的联接采用方形设计，是为方便安装电器部件，因为连续转动时，大部分部件都要随机体一起转动。因为接线盘虽负责机体与外界的电信联系，但也只能保证电源线与信号线等少数几根线的动态连接。
（二）两种准直器切换使用的复合准直器
前一款复合准直器中，受治疗空间限制，最下层使用的多叶准直器是单聚焦（或单准直）多叶准直器，没有用上自己喜爱的双聚焦多叶准直器，有些遗憾，为补足这一点，就有了这款两种准直器切换使用的复合准直器。
1、切换准直器之一……十字光刀
双聚焦多叶准直器是多叶准直器中的极品，十字相交双聚焦多叶准直器更是极品中的极品，之所以没能普及，是太难制作。先看一组图，再作介绍。
前视图。
左视图
俯视图。
仰视图。
西南视图。
从前视图中可以看出，下层叶片40对，它的投影宽度是5㎜，治疗空间是300㎜。
从左视图中可以看出，上层叶片32对，中间24对叶片投影宽度5㎜，两边各4对叶片投影宽度10㎜，其道理后面说明。
从俯视图中可以看出，下层叶片的驱动系统朝上按装。
从仰视图中可以看出，上层叶片的驱动系统朝下按装。
从俯视图和仰视图中还可看出，所有滚轮都嵌入在箱体中，中间有转轴穿过；所有滚轮都采用双排交错排列，这样可放大滚轮尺寸，增加其坚固和耐用性。
西南视图是两层叶片的组装图。
上述各图只画出了加工齿条的台阶，没有画出齿条，也没有画出驱动电机及涡轮蜗杆系统，因为这些都不是难点，（有兴趣的读者可参见拙文《多层叶片准直器》之十字光刀），真正的难点在叶片的加工。本人曾用铸铁试作过一片双聚焦叶片，确实难度很大，须大型专用设备，费用也很高。为简化加工工艺，本人写过一个专利，一直没机会试用，现介绍给大家。
仔细观察叶片，每个叶片的侧壁不再是斜面，二是由若干小的平面台阶联接起来，越靠近两边，台阶越密，台面越窄；越靠近中间台阶越少，台面越宽，大约从射野100㎜×100㎜的边缘处开始，台阶迅速减少，这才有了上层叶片尝试宽窄不同的设计。将弧面转化为平面应该可以大幅度降低加工难度。如毛坯能铸出大致的形状，就更简单了。
弧面与平面之间的关系可能以下一下转不过来，举个例子就清楚了。露天体育场观众席的拐弯处整体是个弧面，但观众席是一层层的平面台阶。
2、切换准直器之二……双层四排矩阵调强准直器
此前介绍矩阵调强准直器时，将屏蔽体同层排列的设为12排；将屏蔽体多层排列的设为6层每层2排，也是12排，看起来效率很高，但加工难度也大幅增加，可靠性也会降低，没那个必要，后退一步天地宽。再者，多排二进制准直器之于单排二进制准直器，比较的不仅是效率，也有治疗原理的改变。
在此，本人想在概念上作一些修正，
一是，直接将矩阵调强准直器称为二进制多排叶片准直器。矩阵调强准直器源于专利名称，而专利名称源于多角度照射下照射点的规则排布。如今自己已经否定了该准直器多角度矩阵调强的发展前景，就没有坚持这个名称的必要了。
二是，不再区分屏蔽体同层排列和多层排列，只表示多排叶片有多种排列方式，如同层6排、同层4排、同层双排（上一节介绍的就是）、双层双排、双层4排（接下来将介绍）和三层6排等。下面组图给出了六种排列方式。
同层6排，下层准直器条形光孔的宽度与条形光孔间距之比为1:2。
同层4排。
同层双排，就是前一节介绍的二进制多排叶片准直器的情况。这款样式要求叶片有足够的长度，可以覆盖最边缘并列的两个条形光孔，以便在连续旋转照射过程中，一个条形光孔调强完毕，紧接着搭建下一个条形光孔时，不会有射线漏出。
双层双排。仔细观察，上下排叶片在光的发散方向上有交错，这不是随意规定的，而是假定光源有一定物理宽度，为消除几何半影而自然形成的。这款的优势是叶片可任意加长，以防在强冲击下断裂。
双层4排，是接下来要介绍的二进制多排叶片准直器，与双层双排相比，效率提高了一倍，但也带来了叶片易折的问题，解决的办法是采用钨铜合金，同时按比例加长叶片厚度（或高度），下层叶片加长为90㎜（等效70㎜厚的标准钨合金），铜含量约30%，硬度下降至175左右；上层叶片加长至100㎜，铜含量约40%，硬度下降至140左右。
三层6排。最下层叶片由于长度可以加长，仍保持厚度为70㎜，第二、三层适当增加了厚度。没有采用这款设计，是因为受其它零件的制约，源轴距要突破1000㎜，这会导致光源转速降低，部分抵消了增加一层叶片而提高的效率。故暂时不用。
上述叶片在等中心平面的理论投影面积为10㎜×6.25㎜，6.25㎜为宽度，为治疗床长边方向。
接下来介绍用于切换的双层4排二进制多排叶片准直器。
这是双层4排二进制多排叶片准直器左视线图。
西南视图。
担心此文过长，详细结构没有展开，有兴趣的读者可参见拙文《调强放疗准直器之矩阵调强准直器（屏蔽体多层排列）》。
这是一套以光源为圆心的摆动装置，将环导轨安装座上移是为了看清内部结构，中间的绿色椭圆块是一级准直器，它既要将由初级准直器发出的锥形光束约束成等中心平面投影40㎜×200㎜的矩形光束，还要在摆动的幅度内屏蔽掉由初级准直器发出的锥形光束，所以作的很长，也很重。
这是居中的4个叶片旋转6圈照射的示意图。
3、准直器的切换
这是一套准直器切换装置，配套的是X-波段小机头。本人不知机头的实际尺寸，只是留出一个空间，就是包含黄色柱体（代表加速管）的方体，外面的半开口框架是安装切换准直器的平台，一个安转在左侧，一个安装在下侧。框架的前后装有两个回旋轴，轴心重合并穿过光源。这样，框架可以光源为中心旋转90度实现两种准直器的切换。
机头架与切换框架安装在一个更大的箱体内，机头架与大箱体的上端相连；切换框架经回旋轴与大框架的前后内壁相连。
上图是二进制多排叶片准直器切换到工作位置。
下图是十字光刀切换到工作位置。
4、配套机架
根据准直器的特点，给它们配套的机架要能实现共面加球面照射。以下是一套组图。
此图显示的是，当十字光刀处于工作状态时，下面的配重块处于左侧；当二进制准直器处于工作状态时，下面的配重块将处于右侧。
前视图。
左视图。
俯视图。
西南视图。
西北视图。
西北视图。机头架和配重架同时向后摆动60度。
东北视图。再旋转45度。
作些说明：
前视图中两个半圆形的箱体起几个作用，一是从内侧支撑两个大圆环，限制其变形；二是安装机头和配重的摆动系统，其中机头摆动框架经两个回旋轴与两个半圆箱体的外侧相连，与配重框架配套的两个回旋轴安装在半圆箱体的内部，再经两个圆筒与配重框架连接；三是安装包括球管在内的控制部件。
前视图中中间的两个白色方体，右侧是影响增强器，左侧是KV射线的准直器，两者相距1000㎜。
本设计的最大特点是将旋转驱动（摇橹）和摆动驱动（推拉）组合在一起，看着很简洁。
机头向后摆动60度，推拉装置要向后移动1710㎜，说明可以很精准地控制摆动角度。如推拉装置的重复位置精度为0.1㎜，可使摆动精度控制在0.0035度左右。
推拉和旋转装置的体积较大，是因为里面安装了电刷式接线盘，以实现连续旋转。
(三)两种准直器分别与两个光源组合的复合准直器
这个方案是突发奇想，自己也没把握，拿出来供大家品评，见笑了。
在探讨第一种复合准直器的配套机架（C型臂）时，意外发现机头架与配重架轴向对称，形状也一模一样，很想把配重架利用起来，开始的想法是把定位系统装进去，又想，转来转去不方便，这时想起了回旋加速器，一个射线发生装置带几个射线出口。
本人对加速器了解甚少，只知道直臂式加速器的电器分两个部分，一部分是不动的，放在后座中；一部分是动的，放在机头中，好像一个是后台一个是前台，能否一个后台支持两个前台呢，如果行，此方案就有意义；如不行，此方案就没意义。
会不会增加成本呢？会，但不会很多，比如加速管是损耗件，一个加速管使用时，另一个不使用，降低了损耗。
1、对接第一个机头的准直器……小十字光刀
前面介绍的十字光刀，下层叶片40对，越靠近两边，台阶越密，台面越窄，势必加大加工难度，据此考虑，这里用的十字光刀缩小了射野，为120㎜×120㎜，故称小十字光刀，每层叶片24对，投影宽度5㎜。
缩小射野就要保证能拼出较大的射野，为方便实现此点，采用了X-波段小机头，具体如下图。
左视图
西南视图
西南视图
上三图结合看，两个十字相交的双聚焦准直器，经四个斜立壁组合后与小机头下端连接，形成一体；小机头和准直器与一个摆动构架连接，可以光源为圆心向两个方向摆动；小机头的顶端安装一个拨杆，穿过一个万向节；万向节固定在一个XY 双向移动平台上；摆动框架落在一个更大的机头架上，双向移动平台也与大的机头架连接，驱动双向移动平台（略去了驱动系统），就可使小十字光刀与小机头一起，以光源为圆心沿XY两个方向摆动，最大可拼出240㎜×240㎜的射野。小机头的治疗空间仍为300㎜，专治头部肿瘤治疗。
2、对接第二个机头的准直器……双层4排二进制准直器
此款准直器前面已有介绍，是接在S-波段机头下，采用了环导轨摆动方式，现在与X-波段小机头组合，可采用另一种摆动方式，见下图。
同样是准直器与小机头连接；小机头与一个单向（Y方向）摆动机构连接；一个直线驱动装置通过一个拨快，拨动小机头连同准直器以光源为圆心，沿Y方向摆动。拨块与拨杆之间是一个轴承，实现滚动摩擦。准直器垂直时，治疗空间为500㎜，拼出280㎜×200㎜的射野时，治疗空间是470㎜。
二进制准直器以旋转照射方式，专职体部肿瘤治疗。
3、双C型臂式机架
采用双机头样式，要对前款C型臂机架作进一步调整，有以下几点：
将单环加旋转驱动装置支撑机架主体，改为双环支撑机架主体；
在原基座下加装一个自旋系统；
旋转驱动系统和电刷接线装置置于双环之间。
西南视图，去包装。两环之间，前面的是旋转系统；后面的是圆环式机线盘。
西北视图，去包装。与上图结合，可看清两个半圆形支撑箱的作用，外侧与双环连接，内侧经滑块和环导轨与两个机头架连接。
前视图。
左视图
俯视图，黄色为自旋的区域。，
西南视图
此图表示，在机体上加装影像系统也很方便。犹豫的是，是将影像系统跟随机体好，还是脱离机体好，毕竟是两个机头了。
三款机架构均采用了球面照射设计，这就引出了治疗室屏蔽的问题；连续旋转又引出了冷却水循环的问题，这些留待以后探讨。
连卫东
2018.2.28
qq:3415341372
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延伸阅读：
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