在介绍日本“O-ring”系统之前，需要请您先了解它的设计思路的来源。且听我慢慢道来！

一、Tomotherapy系统结构简述

Tomotherapy系统被一致认为是在放疗历史上具有里程碑意义的重要发明：把放疗真正引入了IGRT时代。在设备的结构设计上，Tomotherapy所引入的CT扇扫方式，可能对其他的设计革新更有启发意义。

1993年T.R.Mackie发表的第一篇论文中的Tomotherapy系统的构想图是这样的：

在此构想中包含了MV+KV两套射线装置。但实际上正式推向市场的第一代产品的结构中是没有KV成像系统的，而改由MVCT来执行成像功能。原因很简单，因为加速器硬件几乎占满了机架空间，没有空间余地再安装KV系统了。见下图：

在Mackie撰写的《History of Tomotherapy》（本博客将刊发其全文中文翻译，敬请关注）一文中也明确提到，设计组曾计划采用X波段(11.4GHz)的加速器，委托GE设计生产，但GE在1997年终结了放疗业务，设计组只能改用西门子的PrimArt单光子加速器核心（或称Phoenix加速管，特点是创新采用了类似CT球管的旋转靶结构，剂量率提高到800cGy/min）。其微波驱动系统为常规S波段（2.8GHz），致整体结构较大，故机架内没有空间再安置KV系统。这就是我们现在所看到的第一代的Tomotherapy系统的真实情况。

Accuray公司则是第一个实现了X波段加速器商业化，其CyberKnife采用X波段（11.4GHz）加速器后，机头重量减低为150KG！而常规6MeV单光子加速器采用的S波段（2.8GHz）加速器技术路线，重量约为2000~3000KG。可以设想，如果在Tomotherapy的机架中安装上这种小型化的加速器，整个机架的旋转惯量将降低多少？空间又会富裕出多少？系统散热能力能改善多少？

本文至此已经提出了“加速器小型化”的概念。但是在技术实现上，小型化的X波段加速器仍旧遇到了障碍，主要原因是X波段微波功率源（磁控管）的输出功率限制，无法满足高剂量率输出的要求。

既然 X 波段（11.4GHz）由于频率太高，致技术实现的难度大增，那么，退而求其次，把频率降低为 C 波段（5.7GHz），仍然可以做到比 S 波段加速器小型化。这就是本文的主角——O-Ring 系统——采用 C 波段加速器路线的原因。

2008年4月17日，美国媒体报道了Tomotherapy收购了中国的一家民营高科技企业“成都双峰加速器技术有限公司”，该企业的掌舵人姚充国先生是我国著名的直线加速器专家，他的双峰公司的一项重要的产品就是“改进型6MeV加速管”，其输出剂量和运行寿命都较原来采用的Phoenix加速管大幅提高。其实，TomoTherapy公司看中成都双峰的另一个重要原因在于，姚充国先生还发明了一种“KV/MV双束加速管”技术，如果将来被用于Tomotherapy设备上，可以一举解决KV/MV双束成像和MV投照的问题，从而完成1993年当初设计的Tomotherapy系统的构想，同时又精简了一套KV成像系统硬件。  （Tomotherapy收购成都双峰的第三个原因估计是，原来的加速管供应商——西门子——已经把加速器业务搬回了德国，正在重建生产线，导致供货中断，需另寻供货商，并减低成本）

这则收购消息揭示，除了采用C/X波段加速器技术路线实现加速器的小型化满足KV系统安装空间的要求之外，还可以采用 “KV/MV双束加速管”技术。据了解，Siemens 和 Elekta 等在此类技术上已开发多年。

二、医科达的一个专利

我们再来看看医科达的一项专利。医科达在2001年10月取得了一项美国发明专利权，US Patent No. 6,307,876 B1。发明人是医科达的老功臣Kevin Brown（在前文《医科达与瓦里安的IGRT竞争之路》中曾提到过他）。该专利阐述了一种全新的放疗加速器结构设想，其主要特点就是①采用CT扇扫方式；②束流指向可变（X/Y方向可分别偏转20°~30°夹角）。

很明显，这个设计源于Tomotherapy的CT扇扫方式，但比Tomotherapy的结构更进了一步：束流方向可变——可以在不用动床的情况下进行Topotherapy或所谓的动态切线野治疗！

三、外置式Stereoscopic-KV IGRT系统

我们现在所见到的Varian OBI 或 Elekta Synergy 的这种 IGRT 系统结构，称为“机载式”IGRT系统。这种机载式的IGRT的限制在于“动态放疗”的应用能力非常有限！实际上，市场上早就存在有另外一种IGRT结构，称为“外置式”或“室内In-Room“的结构，见下图。

图示：德国BrainLab的Exactrac x-ray IGRT系统

图示：美国Accuray的CyberKnife的Xsight系统

图示：以色列InitiaRT的TracX系统

以及两个著名的IGRT实验系统：

上图分别为：
（左）日本Hokkaido University Hospital和三菱公司联合开发的RTTT (Real Time Tumor Targeting)系统
（右）美国MGH（麻省总院）于2004年3月安装完成的IRIS系统(Integrated Real-time Imaging System)

上述的IGRT系统都共有一个结构特点：Stereoscopic KV（SKV，双束正交KV成像）。我们知道，一个目标的两幅互为正交的图像可聚合计算出该目标的三维坐标（在后装放疗中经常遇到）。利用SKV的坐标变换能力，SKV很自然地被用于动态放疗的IGRT应用中！可以实时跟踪靶区的运动！

因此，在IGRT的动态（跟踪）放疗应用中，SKV具有重要的基础应用价值！

四、日本“O-ring”系统

红皮杂志《Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys.》在2006年第66期上刊登了一篇文章：《Development Of A Four-Dimensional Image-Guided Radiotherapy System With A Gimbaled X-Ray Head》。报道了一种类似Tomotherapy系统的所谓“O-ring”系统。

完整的“O-ring”系统外观见下图。该系统由日本“三菱重工”为主研发，现正进行临床使用之前的工作测试（指2006年）。

其构造原理图见下图：

日本O-Ring系统的主要特点是：

1. 使用C波段（5.7GHz）加速器。加速管长度35厘米；
2. 整个治疗头（包括加速管、真空泵、运动伺服系统、MLC等）的重量仅约600公斤（见下图）；
3. 可X/Y偏转的“万向节”式束流指向结构（见下图），指向范围：±40cm X ±40cm；
4. 射线主要指标：单能6MV X线，最大剂量率500 cGy/min，射野尺寸14cmX14cm，SAD=100cm；
5. MLC主要指标：单聚焦式，30对（60片），叶片宽度5mm@等中心，最大野15cmX15cm；
6. O型的机架可绕垂直于地面的中心Z轴旋转角度+/-60°，替代了治疗床的公转，可进行非共平面照射。注意，其治疗床是不能公转的，换成了机架的旋转（与上述医科达专利是多么一致！只是改成机架转动了）；
7. 治疗床面可进行三维运动补偿校正；
8. 从结构上分析，O-ring可以集成目前几乎所有的放疗方式，Steroscopic-KV（互为正交的KV成像）、EPID、CBCT、MVCT、动态跟踪、Tomotherapy、IMAT、Topotherapy等。

图示：O-Ring系统治疗头结构示意图

图示  “万向节”式束流指向系统示意图

通过前面的介绍可以很明显的看出，2006年出现的这个O-ring系统，是综合了1993年的Tomotherapy的MV+KV的原始设计和2001年医科达的专利设计，以及外置式SKV-IGRT的结构和最近的几个发明成果。确实是一个集大成的系统！

O-ring系统和医科达专利的一个共同的特点就是，在加速器小型化的基础上，实现“束流指向调控”的Topotherapy功能。在O-ring的这篇论文中多次提到，“万向节”式束流指向系统的重要应用就是“呼吸运动下的肺部肿瘤的跟踪放疗”。可见，行业内已经开始关注“IGRT动态放疗中的束流指向调控”这一课题了。

目前，在O-ring系统的开发上遇到的主要问题是：

1. 缺少一款功能较强的TPS的支持；
2. 在众多的放疗专用成像技术上，可能会遭遇到专利纠纷；
3. 由于结构限制，KV-CBCT的FOV范围似乎偏小：O-ring平面内FOV直径21cm；垂直平面内FOV直径16cm。对体部的CBCT成像范围有所限制。

五、结语

1. Tomotherapy的确是具有革命性意义的放疗设备和技术，引领了放疗界从此进入IGRT时代；
2. 但IGRT绝不是CBCT+Linac这么简单的搭配！！！部分原因或许可以怪罪于Tomotherapy的第一代产品的结构缺失，导致很多人对IGRT产生了这种非常片面的误解；相信几年后Tomotherapy的第二代或第三代产品将还给大家一个真正的IGRT概念！
3. 由IGRT引发的对4D-RT的探索，导致了“加速器小型化”革新的开始。相信，4D-RT的真正实现的基础之一，一定是“束流指向可调控”。

O-Ring系统是目前非常值得期待的一种IGRT系统！