Revised on Sep.08        在前文《KV/MV同源双束加速管：IGRT的新一轮竞争即将开始》中，向访友们介绍了“KV/MV同源双束”加速管技术的进展状况，说明 IGRT 正在不断地发展中。“同源双束”加速管技术引起了不少放疗技术专家和访友们的关注。今天，本文试图将“同源双束”应用再作进一步拓展，结合“双源CT”原理，构成“多源多束”概念，把 Tomotherapy 系统再发扬光大一下。热忱欢迎提出宝贵意见。

为方便称呼，此处先给出本文中有关概念的英文名称：

• 同源双束                Homo-Source Dual-Beam             简称  HSDB
• 多源多束                Multi-Source Multi-Beam              简称 MSMB
• 双源CT                  Dual Source Computerized Tomography   简称 DSCT
• 双源MV投照           Dual Source MV Treatment （Delivery）   简称 DSMV

一、“双源三束”系统

在 1993 年版的 Tomotherapy 原型结构中，保留原来的一个 KV 成像系统，而把 MV 加速管更换为“同源双束”HSDB 加速管，就构成了所谓的“双源三束”系统——两个 KV 束 + 一个 MV 束。结构原理见下图示。

在这个“双源三束”系统的“三束”中，有两束是 KV 成像用的，而且，互成 90° 位置。这样就与 Siemens 的“双源CT” （Dual Source CT，DSCT）的结构互相一致了。

双源CT 结构原理图

如果把 DSCT 的技术优势融合到 Tomotherapy IGRT系统中，自然而然地把 DSCT 的优点赋予了 Tomotherapy 的成像特性上，例如：

1. 大幅提高扫描速度/时间分辨率。按照“双源CT”的理论，“双束双扇区成像”将把时间分辨率提高四倍。对于 Tomotherapy 来说，现在最快的机架旋转速度为 10 sec/圈，在不改变机架旋转速度的情况下，单扇区数据采集的时间分辨率将提高为 2.5 sec。机架只需旋转 90°，即可获得 180° 的数据。这样就可以（在适当使用呼吸延长技术时）从容地应用于胸腹部的成像，减低呼吸运动对成像的影响。如果改用 C/X 波段，加速器的重量可以大幅度减小，旋转时的惯量减小，旋转速度可以进一步提高，那么，时间分辨率参数将更好，更有利于胸腹部的成像。
2. 用于成像的放射剂量输出减少 50%。同样的道理，时间分辨率提高了四倍，在双束成像时，放射剂量输出减低一倍。
3. “双能减影”成像。如果 KV/MV 同源双束加速管在输出 KV 束时的“管压”为 180KV，设置那个单独的 KV 球管输出管压在 80~100KV，（并对管电流进行适当的调整以保证输出能量）。进行双能量的 CT 扫描后对图像进行减影处理，可以用于分离解剖结构，分别获得关于骨骼、软组织的图像。骨骼图像具有的清晰的骨性标记，十分有利于根据骨性标记进行摆位校正和定位配准；软组织图像将有利于检查肿瘤组织在疗程中的变化，利于自适应计划。
4. 与使用单个同源双束加速管设备相比，2KV 1MV 双源三束系统的磁控管的运行寿命可以得到有效地延长。因为同源双束加速管在输出 KV 束时，扫描时间减半，磁控管高压负载时间也因此可以缩短。

二、“双源四束”系统

如果将“双源三束”系统中的那个单独的 KV 球管再更换为“同源双束”加速管，整个系统由两个“同源双束”加速管组成，就构成了所谓的“双源四束”系统。这是一个全新概念的“多源多束”IGRT 系统。见下图示。

Tomotherapy 2KV 2MV 多源多束系统

在这个“多源多束”MSMB 系统中，两个加速管的 KV/MV 能量均可不同设置，例如，KV 能量将分别为 180KV/80KV，MV 能量将分别为 6MV/15MV。

其 KV 成像原理仍旧类似如上所述的“双源CT”  DSCT 的原理。在此不再赘述。

Tomotherapy 投照原理是基于“CT 投影重建的逆向投照原理”，其数学理论基础就是“Radon Transformation”——拉东变换。Tomotherapy 投照原理与 CT 成像原理共同建立在一个数学原理之上，只是互为逆向的关系。因此，理论上，CT 的基本原理及其发展都将直接影响并引发 Tomotherapy 投照技术的原理和发展。（参见《读文有感（二）》）

在这个“双源四束”系统中，互相成 90° 位置的双能量 MV 束的结构，将具有所谓“双源CT型投照”的特点，在本文中，称之为“双源MV投照”方法。从“双源CT”的理论可以直接拓展到“双源MV投照”技术。其设想的特点如下：

1. 大幅提高投照治疗的速度。在采用超高速运动的二元气动多页光栅的情况下，原来需旋转一周进行投照，现在只需要旋转半周即可完成。在机架旋转最高速度不变的情况下，治疗速度提高一倍。即，机架旋转到半圈时，治疗床即可前移一格（不一定是一个螺距的距离，依据治疗计划而定）。
2. 单个加速管用于治疗的剂量输出减小一半。例如，原来要求加速管输出剂量率最大在 600MU/min，采用“双源MV投照”方法后，单个加速管的输出剂量率可以降低到 300MU/min，且保证等中心仍旧保持 600MU/min的投照剂量。这将有利于大幅减低对加速管、电子枪、靶、微波源的规格要求。而且这种配置一般需采用 C/X波段技术路线，减低规格要求后，使之更容易实现产品化。同时，“双源MV投照”方式有利于大幅减少正常组织内的剂量分布。其重要意义在后面的“结论”中阐述。
3. 优化剂量分布。在机架旋转过程中，根据肿瘤靶区与双加速管之间的位置和距离，实时调节双加速管出束的开闭，选择适合的能量输出，达到最佳的体内剂量分布。

采用“双源四束”系统结构还可以有一种特别设计，即，“双排”螺旋系统——两个“加速管——探测器”所在的旋转平面组成互相平行的双排结构。其优点是，同步调节双加速管 MV 输出，同时投照双排螺距，将加快治疗时间一倍。缺点是，无法利用到“双源CT”的优秀特点。而且，在目前已推出 Topotherapy 技术后，可以减小对双排螺旋快速治疗需求的压力。

但是，如果“同源双束”加速管的 KV 输出经过一个束引导器，使单束 KV 投射范围的横向宽度扩展为双排探测器的宽度，并对探测器的位置进行相应的改造，形成互相交叉、共用中间的一排，如下图，是否也可以达到“双源CT”的成像效果？还有待进一步研究。

双排交叉式探测器

三、总结

本文首次提出“多源多束”IGRT 概念，并进行了十分粗略的简述。“同源双束”加速管的技术发展成果，的确为我们设计构建新的 IGRT 系统带来了前所未有的便利性。配合采用 C波段、X波段加速器技术，一些医学影像技术成果也可以借此应用于放疗上。

很明显，“双源四束”IGRT 系统的实现难度比“双源三束”系统要高得多。在一台机器里需装配两套加速器（虽然可设计为共用微波源等部件），先撇开技术实现的难度，单是从成本经济角度来评价，对其前景似乎有些沮丧。但是，如果购置一台质子放疗系统需花费2000万~3000万美元的话，而花费500~800万美元就可购置“双源四束”IGRT 系统，你将如何选择？

另外，非常值得研究和探讨的一个重要课题是，采用这种“双源 MV 投照”方式，减低了剂量输出要求，对整个体部的（正常组织）剂量分布是否有所降低？改善多少？从“双源CT”的理论分析得出的“减少剂量”的结论，是否可以延伸到“双源MV投照”方式也可以减少剂量50%？这个研究太有意义了。如果研究结果支持这个假设的话，将极大地支持常规（S/C/X-band）加速器放疗，减少未来对质子放疗的依赖和高昂投入，并减少病家的经济负担！

如前所述，采用两组互成正交位置的“同源双束”加速器可以构建“双源四束”系统。作为其技术和成本的替代方案，可以在“双源CT”的构架基础上，增配两个 Co60 源，也互成 90° 正交位置，从而形成所谓的“四源四束”系统。其结构优点是可以大幅度降低系统的复杂性和成本，利于推广。

基于“同源双束”加速管技术并结合“双源CT”理论而发展的“多源多束”IGRT 概念，以及引出的所谓“双源MV投照”方式，是否真能达到本文中所阐述的优点，还有待于专门研究。但是“双源CT”的原理肯定预示了“多源多束”IGRT 系统的美好未来！

在构思本文的过程中，笔者再次深刻体会到，“放疗回归影像”，利用影像技术可以促进放疗进一步的发展。

欢迎各位同行、老师的指教！