醫用電子直線加速器

在2018年8月1日實施的最新版《醫療器械分類目錄》中，醫用電子直線加速器所屬大類為放射治療器械，一級產品類別為放射治療設備，二級產品類別為醫用電子加速器，管理類別為Ⅲ類醫療器械。

醫用電子直線加速器是利用微波電場對電子進行加速，產生高能射線，用於人類醫學實踐中的遠距離外照射放射治療活動的大型醫療設備，廣泛應用於各種腫瘤的治療，特別是深部腫瘤的治療。醫用電子直線加速器可以產生X輻射和（或）電子輻射束。高能X射線具有高穿透性、較低的皮膚劑量、較高的射線均勻度等特點，適用於治療深部腫瘤。電子束具有一定的射程特性，穿透能力較低，用來治療淺表腫瘤。

醫用電子直線加速器是醫療器械中的高、精、尖技術相結合的產品，是醫療器械領域中技術含量最高的產品之一，在世界上也只有少數幾個發達國家能夠生產。國外公司產品的技術水平高，品種規格多，佔據醫用電子直線加速器高端機市場。國內現有產品在品種規格、技術水平上均與國外產品有一定差距，只能在低端市場佔據一席之地。但隨着國產機在技術、生產規模及市場開發宣傳上的不斷提高，加之國家對醫療器械行業的重點扶持，其市場佔有率將逐步提高。 ^[2] 

醫用電子直線加速器是一種比較複雜的大型醫用沒備。涉及諸多學科和技術，如加速器物理、核物理、無線電、電工學、電子學、自動化控制、電磁學、微波技術、機械、精密加工、電子計算機、製冷、流體力學等。這裏只簡單介紹醫用電子直線加速器的一般結構。不論是行波醫用電子直線加速器，還是駐波醫用電子直線加速器；不論是低能醫用電子直線加速器，還是中高能醫用電子直線加速器，儘管在結構上各有千秋，但基本結構是一致的。主要包括加速管、脈衝調製器、電子槍、微波系統、真空系統、穩頻、温控及充氣系統、射線束引出系統、治療頭、治療牀。

1．電子槍

電子槍是產生、加速及會聚高能量密度電子束流的裝置，它發射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的電子束(又稱電子注)。電子槍是電子發射系統的核心器件，電子注參數的好壞直接影響到加速管質量的高低。加速管對電子槍除要求其發射的電子注必須具有很好的層流外，還要求其發射的電子注具有一定的注入流強、注入電壓、足夠的射程以及一定的注入角和注腰半徑等。

2．微波系統

電子直線加速器的微波系統由微波功率源和微波傳輸系統組成。微波源提供加速管建立加速場所需的射頻功率，醫用電子直線加速器一般採用S波段2998 MHz或2856 MHz的微波頻率。作為微波源使用的有磁控管和速調管。行波醫用電子直線加速器和低能駐波醫用電子直線加速器使用磁控管作為微波功率源。磁控管是微波自激振盪器，體積小、重量輕、工作電壓低，但其工作頻率易漂移，因此需採用自動穩頻系統，提高頻率穩定度。中高能駐波醫用電子直線加速器使用速調管作為功率源。速調管是微波功率放大器，可以提供更高的微波輸入功率，但是其設備體積大，工作電壓高，需要配置有低功率的微波激勵源來驅動。雖然其工作頻率比較穩定，但也需自動調頻系統使其與負載變化保持一致。

3．束流傳輸系統

束流傳輸系統是為了電子在加速過程中的束流聚焦、束流導向和束流偏轉移除而設置的自動控制系統。它可分為聚焦系統、導向系統和偏轉系統三部分。

4．穩頻、温控及充氣系統

微波系統的附屬系統有自動穩頻系統，自動温控系統和波導充氣系統。

微波自動穩頻系統是為了協調微波源與加速管之間電磁振盪頻率一致的重要環節。電子直線加速器應用的自動穩頻系統一般有4種基本結構形式：晶振型、單腔型、雙腔型和鎖相型。

自動控温系統也是醫用電子直線加速器中重要的組成部分，因為在醫用電子直線加速器中，有許多的部件在工作時都要發出不同的熱量，而這些部件只有在恆温條件下才能保證穩定工作。温度控制方式一般採用水循環強制冷卻自動恆温系統。

波導充氣系統是指給微波傳輸系統充以一定壓強的特定氣體的一套裝置。充氣的目的是為了增加波導管內氣體分子的密度，以縮短氣體分子的平均自由程，從而提高波導管的擊穿強度閾值。防止微波功率傳輸時可能發生的波導管內打火現象。

5．真空系統

真空系統可以保持電子運動區域和加速管內的高度真空狀態，一方面可以防止電子槍陰極中毒、鎢絲材料的熱子或燈絲氧化，另一方面可以避免加速管內放電擊穿，還可以減少電子與殘餘氣體的碰撞損失。

6．高壓脈衝調整系統

在使用微波電場加速電子的加速器中，為了得到儘可能高的加速電場，瞬時微波功率很大，達到MW量級，因此微波源都是脈衝工作的。脈衝調製器是向這種微波源提供脈衝功率的電源，其工作原理是利用儲能放電的原理形成高壓脈衝，經脈衝調製器將該電壓進一步放大後供微波功率源使用。

7．輻射系統

輻射系統的作用是按照需要對電子束進行X線轉換和均整輸出，或直接均整後輸出電子射線，並對輸出的X線或電子射線進行實時監測和限束照射。輻射頭的基本結構：加速管安裝在輻射頭的上部，緊貼加速管引出窗的是靶，接下來分別是初級準直器、束流均整過濾器或散射箔、電離室、輻射野光學模擬系統、一對上準直器、一對下準直器、附件盤。

8．劑量監測系統

劑量監測系統由劑量監測電離室、劑量監測電路組成。

電子直線加速器最為廣泛使用的劑量監測儀是永久性安裝在加速器裏的透射電離室劑量儀。電離室位於輻射系統之內，安裝在均整濾過器或散射箔與光子線的次級準直器之間，由若干片極片構成，其中有兩對用於監測輻射野內相互垂直的兩個方向的均整度，有一片用於監測輻射的能量變化，有兩片用於檢測輻射的吸收劑量。多數使用平板電離室，其大小應覆蓋整個治療射野，少數使用指形電離室。其功能是監測X射線、電子束的劑量率、積分劑量和射野的對稱性、平坦度。

9．機械系統

機械系統是醫用電子直線加速器的支撐機構，由基座、旋轉機架、輻射頭、治療牀等結構組成。現代醫用電子直線加速器採用等中心原則的運動系統，即機架、輻射頭及治療牀三者的旋轉軸線交於一點，該點稱為等中心，要求中心誤差在±2 mm以內。

10．控制系統控制系統由以下幾部分組成：

①各種電源。②連鎖保護：包括水流、水温、水壓、高壓過載、微波功率源打火等各種保護。③自動控制：包括自動頻率控制、自動劑量率控制、自動均整度控制、自動楔形過濾器控制、弧形旋轉控制等。④正常治療的程序控制：包括待機、預置、準備、出束、晨檢等幾種狀態的程序控制。⑤安全連鎖：保證設備安全的安全連鎖、控制射線的安全連鎖等。⑥安全接地和干擾屏蔽：電屏蔽、磁場屏蔽、電磁屏蔽等。 ^[3] 

1．能量分檔多，能量範圍寬。其中X線可在6～18 MeV中任選一至三擋；電子線可在4～20 MeV中任選五至七擋。

2．設計有完善的多級安全連鎖，確保患者、工作人員和設備的安全運行。

3．方便進行全數字化的整體沒計，整機採用計算機控制，操作軟件採用圖形界面，操作更簡便。

4．自動頻率控制（AFC）、自動束流控制（AIC）、劑量監視和自動均整度控制（ADC）等控制系統全部採用微處理器控制，劑量更穩定。

5．獨立雙通道的電離室計數，確保劑量測量的準確性。

6．偏轉系統採用偏轉滑雪式消色散結構，可獲得更好的束流分佈。

7．限束裝置的光闌、多葉光柵（MLC）可分別獨立運動，適應不同治療種類的需要。

8．等中心精度高，達±1mm。可配外置的X刀、多葉光柵等適形治療系統。

9．具有遠程故障診斷功能，可通過Internet協助用户進行維護，維修更簡便。

(一)按輸出能量劃分

按照輸出能量的高低劃分，醫用電子直線加速器一般分為低能機、中能機和高能機三種類型。不同能量的加速器的X射線能量差別不大，一般為4、6、8MV，有的達到10MV以上。

按照X射線能量的檔位劃分，醫用電子直線加速器可以分為單光子、雙光子和多光子。

(二)按照加速管工作原理方式

按加速管工作原理方式劃分，醫用電子直線加速器有兩種加速方式：行波加速方式和駐波加速方式。

(1)行波加速方式：是在網波導中週期性插入帶中孔的圓形膜片，依靠這些膜片的反射作用，使中孔部分中傳播的電磁場相位傳播速度慢下來，甚至光速以下，以實現對電子的同步加速。這種波導管，稱其為盤荷波導(加速管，取圓形膜片對波導管加載之意。

(2)駐波加速方式：是在加速管在左右兩端適!與位置放置短路板，形成一種電磁振盪的駐波狀態，。加速管結構中所有的腔體都諧振在一個頻率上，相鄰兩腔間的距離為D，而腔間電場相位差剛好為180°，即腔間電場剛好方向相反。 ^[2] 

醫用電子直線加速器在使用過程中，會遇到一些常見的故障問題。

這些常見的故障主要有以下幾個方面：

(1)自動穩頻故障 自動穩頻故障是醫用電子直線加速器比較頻發的故障之一，隨着醫用電子直線加速器的使用，自動穩頻往往會出現問題。由於檢波二極管是比較易損的部件，大多數的自動穩頻故障都是由檢波二極管損壞造成的。AFC電機的鬆動也會造成自動穩頻故障。

(2)劑量故障造成劑量故障的原因主要是：劑量積分板出現器件損壞可能會出現劑量異常；隨着加速管使用時間的推移劑量和劑量率下降；電壓的波動也會造成劑量異常。

(3)電離室故障 電離室也是一種比較容易損壞的部件，電離室輸出信號線也很容易損壞，造成斷路。

(4)微波系統故障造成微波系統故障主要有：微波源陰極燈絲損壞，環流器損壞等。

(5)測距燈光野燈故障 由於測距燈、光野燈的功率很大，會達到很高的温度，散熱出現問題就很容易將其燒壞。

(6)治療牀故障治療牀故障主要有：電位器限位開關損壞、絲槓軸承損壞、面板按鈕失靈、電機損壞。 ^[2]