在目前已商业化的 IGRT 系统中，例如，Elekta 的 Synergy 系统、Siemens 的 Artiste 系统和 Varian 的 Clinac iX（OBI） 系统，其 KV 成像和 MV 成像/投照都是分开的，分别由 KV 球管和 MV 加速管作为两种放射源。而 Tomotherapy 系统则利用一个加速管切换 3MeV/6MeV 输出的方法来分别实现成像和治疗。从物理和几何的根本原理上说，只有 Tomotherapy 这种放射源的“同源”结构，才能最大限度的保证治疗空间坐标和成像空间坐标的一致性、减小系统误差！

在 1993 年提出 Tomotherapy 原理后，各厂家均开始重视“KV/MV 同源双束”加速管技术的研发。所谓“同源”，是指加速管的原始设计输出能量相同，所有束流在同轴输出；“双束”是指该加速管可以输出不同能量级别的束流。“同源双束”技术原理最早被 Varian 用于双光子加速器上的“能量开关”上。而现代的 IGRT 技术，则要求加速器具有 KV/MV 同源双束输出的能力。

这里需要说明的是，“同源双束”这个名称是本人对这一技术的称呼，以区别于类似 Elekta XVI / Varian OBI 那种放射源分离的双束结构。“同源双束”这个名称在学术上是否被大家接受，还有待于专家们的意见。

据说，当年时任 Siemens OCSG 的 Marketing Director 的 John Hughes 曾开玩笑地说，“三家厂家，如果哪一家首先发展了一种加速管，它能提供高能电子供治疗，又能提供低于 1MeV 的电子供成像，那其他两家就完了”。可见，专家们已经在十年前就认识到“KV/MV 同源双束”加速管技术在 IGRT 系统中的重要性。

2000 年 8 月，Elekta 率先开发了“KV/MV 同源双束”加速管技术，经过公示期后，于 2004 年 3 月 23 日正式获得美国发明专利权，编号：US 6,710,557 B1。见下图。

Elekta 同源双束加速管 US Patent

这项设计在理论上可以在一个驻波边耦合结构加速管上产生 100~300KeV 的束流输出。但还存在一些技术问题，其中最大问题是，该设计是工作在 TE111 模式，而不是基波 TM01 模式，导致附加的耦合腔引起加速管谐振频率不稳定，减速状态时加速管结构不再工作在 π/2 模式，稳定性变差，并使输出能量发生异动。另外，由于加速管结构的限制（加速管横置，使 KV 束流无法通过偏转系统出束打靶）也使 Elekta 的这项发明变得无用武之地！（这或许可以旁证 Elekta 为何收购 BMEI 的一个原因）

此外，为 KV/MV 双束应用而设计一个双束分离的偏转系统，在目前也是不切实际的！

2008年7月8日，我国著名的加速器专家姚充国先生发明的“相位开关式”“KV/MV 同源双束”加速管技术也获得了美国专利权，编号 US 7,397,206 B2。见下图。在此之前，该项发明已经获得欧盟（EP 1 715 730 A1）和中国（ZL 2004 1 00217603）的发明专利权。

姚充国“同源双束”加速管的发明专利 US Patent

它的基本思想是在现有的边腔的基础上增加一组旁通的三腔系统。当边腔被短路时，结构通过旁通的三腔系统形成新的谐振。由于旁通的三腔系统也工作在 π/2 模式，开关的后段相对前段的相位与正常状态相比有 180° 的改变，使加速腔由加速电场变为减速电场。在旁通的三腔系统中，中间一个腔像是“加速腔”，但它不在加速管轴线上，可以增大它与相邻两个边腔的耦合，从而降低其中的场强和旁通的三腔系统对频率的敏感性，用在 S-band/C-band/X-band 都无碍。

姚充国发明的“同源双束”加速管的外形图

“KV/MV 同源双束”加速管技术的应用：

1. 在 6MeV 驻波加速管上的应用

如上图示，在 6 MeV 驻波加速管上应用“相位开关”技术，可在 6MeV、200KeV 两种能量的束流输出之间快速切换，获得“KV/MV同源双束”的应用目的—— KV用于成像；MV用于治疗。例如，在 Tomotherapy 设备中如果使用这种加速管，则可以获得远比 MVCT 清晰的 XCT 图像。

而 Siemens 的 Artiste IGRT 加速器的同轴反向 KV/MV 结构似乎与此“同源双束”结构有些关联。联想到前文所述的 Siemens 高层对“KV/MV同源双束”的评论，是否可以设想 Siemens 正在准备“低能单光子”“同源双束”IGRT 加速器系统呢？

Siemens Artiste IGRT 系统：KV/MV 同轴反向结构

2. 在 C/X 波段双光子加速器上的应用

由于 KV/MV 束流能量级别的巨大差异，KV 束是无法通过加速器内原有的偏转系统的。因此“同源双束”结构必须建立在加速管竖直位置上才具有实际应用价值。6 MeV 单光子加速管在使用高效率的边耦合结构后，长度可以控制在30厘米左右，可以竖直放置。因此，“同源双束”加速管技术将首先用于“单光子加速器 IGRT 系统”上。

但是如果要构建 4/6、6/10、6/15 双光子能量的“同源双束” IGRT 加速器，则必须采用 C-band 或 X-band 路线，才能缩短加速管的长度，使之可以竖直放置。这时，姚充国先生发明的这个“相位开关”“同源双束”技术，就可以有用武之地了，因为这个设计在 S/C/X 波段都有效。

此外，这个“相位开关”还可以担当“能量开关”的角色，例如：在 4/10 MeV 加速管中，加速管设计优化在 10 MeV；在靠近加速管末端 1/3 处放置一个相位开关，可以获得 4MeV 的输出；而在加速管中部附近再放置一个相位开关，又可获得能量远低于 1MeV 的 KV 输出。这时，这个设计对于提高加速器低能量时的输出剂量率/平坦度等射线物理参数指标将具有十分明显的改善效果。

当然，如果有后继的发明，开发一种“电磁偏转双束路径切换系统”，同时满足于 KV（90°）、MV （270°）的偏转滤波，将有利于提升射线质量。

3. 在安检系统中的应用

工业加速器的一个重要用途就是在“集装箱透视安检”（Cargo Security & Inspection）。在用高能射线（18X）获得透视轮廓后，还需用低能射线照射获取散射谱成像，才能对集装箱内的可疑物体进行定性识别检查。这时，“相位开关”就能切换束流的输出能量。这个安检应用领域可能比医用要大得多，且没有医用那样对参数的严格要求和控制。

结论

本博客曾发文呼吁加速器厂商重视“单光子 IGRT 加速器系统”这一客观存在的实际市场需求。而 KV/MV 同源双束加速管技术的发明和实际应用，将大大提升“单光子 IGRT 系统”的技术等级，为厂商们开辟一个全新的应用市场！

Tomotherapy 如果使用这个同源双束加速管技术，将为临床提供清晰的诊断级 XCT 图像，从而可以改善治疗流程和应用效果，实现 1993 年发布的 Tomotherapy 的原型结构和功能！

KV/MV 同源双束加速管的发明和应用，是否预示着新一轮 IGRT 的市场竞争的即将开始？