首先介紹一下二維劑量通量圖。下圖是多角度照射情況下，各照射角度二維計(jì)量通量的三維顯示(用高度代替通量值)。

取某個(gè)角度的二維通量圖，并想象沿葉片移動(dòng)方向，將這個(gè)角度的二維通量圖分解為一組(數(shù)目與葉片對(duì)數(shù)相同)一維通量圖。每對(duì)可相向移動(dòng)的葉片負(fù)責(zé)一個(gè)一維通量圖的調(diào)強(qiáng)照射。

將每個(gè)一維通量圖三維顯示，就變成了一組“通量墻”，墻的上部是高低不同的平臺(tái)。

• 開(kāi)始照射前，每對(duì)可相向移動(dòng)葉片的投影，從一維通量圖的兩端移動(dòng)至通量圖上計(jì)劃有通量的的邊緣處停下來(lái)；

• 隨后，加速器出束，每對(duì)葉片開(kāi)始處于等待狀態(tài)，待葉片投影前面的調(diào)強(qiáng)單位的射線通量達(dá)到計(jì)劃要求后，葉片(的投影，以下投影均指在等中心平面上的投影)迅速前進(jìn)一步，擋住射線，使其不能繼續(xù)照射該調(diào)強(qiáng)單位；

• 繼續(xù)等待，待下一個(gè)調(diào)強(qiáng)單位的射線通量達(dá)到計(jì)劃要求后，葉片再迅速前進(jìn)一步，阻擋射線繼續(xù)照射該調(diào)強(qiáng)單位。

注：調(diào)強(qiáng)單位或稱(chēng)照射單元，是等中心平面上通量變化的最小單位，在調(diào)強(qiáng)單位內(nèi)，各點(diǎn)的射線通量是相同的，等中心平面是包含射線源旋轉(zhuǎn)中心并與射線源至射線源旋轉(zhuǎn)中心連線相垂直的平面。

下圖演示的是，對(duì)一個(gè)一維通量條，一對(duì)葉片的步進(jìn)照射的分解過(guò)程。

所有葉片都步進(jìn)照射完成后，一個(gè)角度的調(diào)強(qiáng)照射完成。

在每個(gè)角度調(diào)強(qiáng)照射過(guò)程中，每對(duì)葉片都處于間歇的步進(jìn)狀態(tài)，這是“步進(jìn)調(diào)強(qiáng)”名稱(chēng)的由來(lái)。

步進(jìn)調(diào)強(qiáng)執(zhí)行計(jì)劃的結(jié)果與計(jì)劃相比，存在一些誤差，見(jiàn)下圖。

結(jié)論是，多葉準(zhǔn)直器葉片移動(dòng)速度越快，步進(jìn)調(diào)強(qiáng)執(zhí)行計(jì)劃的效果越好。

提高葉片的速度有兩個(gè)方向，一是加大葉片的推力；二是減少葉片的摩擦阻力，特別是消除由力矩產(chǎn)生的摩擦阻力，使推力可以盡情地釋放。

作者的努力方向放在了減少葉片的阻力，具體就是用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。為此，作者發(fā)明了兩種樣式的快速多葉準(zhǔn)直器。

下圖是導(dǎo)向軸模式，葉片的一端與一個(gè)導(dǎo)向軸連接，導(dǎo)向軸穿過(guò)兩個(gè)直線軸承，直線軸承安裝在箱體中；葉片的另一端只與導(dǎo)槽的兩側(cè)接觸，上下懸空。直線軸承內(nèi)用滾珠支撐，這樣滑動(dòng)摩擦就變成了滾動(dòng)摩擦。雖然導(dǎo)槽中還殘存一些滑動(dòng)摩擦，但已不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

• 四個(gè)滾輪外側(cè)的導(dǎo)槽與葉片上下的導(dǎo)軌配合；
• 滾輪內(nèi)部是一個(gè)滾珠軸承，這樣就把滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦；
• 導(dǎo)向軸模式只適合單聚焦葉片；
• 滾輪模式既適合單聚焦葉片，也適合雙聚焦葉片；
• 雙聚焦葉片只適合滾輪模式。

前面演示了一對(duì)葉片對(duì)一個(gè)一維通量條的步進(jìn)調(diào)強(qiáng)過(guò)程，該一維通量條上的最高計(jì)量，不見(jiàn)得是該射野所有一維通量條上的最高劑量，因此，該對(duì)葉片可能提前匯合。

該對(duì)葉片匯合時(shí)，為防止相撞，要留有一定間隙，相當(dāng)于留有一個(gè)劑量“漏斗”，即使讓這個(gè)劑量漏斗以最快的速度移至射野外，也會(huì)在移動(dòng)的過(guò)程中“灑下”劑量，影響射野的劑量分布。

為徹底解決這個(gè)問(wèn)題，作者發(fā)明了一種“錯(cuò)層多葉準(zhǔn)直器”，見(jiàn)下圖。

將原來(lái)處于同一層的兩組葉片上下錯(cuò)開(kāi)，匯合時(shí)采用交錯(cuò)的方式，既不會(huì)發(fā)生葉片相撞，也不會(huì)形成劑量漏斗。

對(duì)X射線來(lái)講，源軸距通常只有1000 mm，各種必要的功能部件安排下來(lái)，很難再給錯(cuò)層多葉準(zhǔn)直器留下多少空間。

如上圖所示，錯(cuò)層多葉準(zhǔn)直器既可以是單聚焦準(zhǔn)直器，也可是雙聚焦準(zhǔn)直器。

• 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；
• 第一組電離室；
• 雙散射機(jī)構(gòu)的第一散射體；
• 雙散射機(jī)構(gòu)的第二散射體；
• 錐形孔準(zhǔn)直器；
• 第二組電離室；
• 能量調(diào)制機(jī)構(gòu)；
• 第二吸收體；
• 單聚焦錯(cuò)層快速多葉準(zhǔn)直器(左圖)；雙聚焦錯(cuò)層快速多葉準(zhǔn)直器(右圖)；
• 透射式劑量?jī)x。

• 雙散射機(jī)構(gòu)；
• 能量調(diào)制機(jī)構(gòu)；
• 第二吸收體；
• 錯(cuò)層快速多葉準(zhǔn)直器(分為單聚焦準(zhǔn)直器和雙聚焦準(zhǔn)直器)。

下面圍繞錯(cuò)層快速多葉準(zhǔn)直器的使用，介紹束流配送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

本配送系統(tǒng)采用下能量調(diào)制機(jī)構(gòu)，所以雙散射機(jī)構(gòu)提到了上面，見(jiàn)下圖。

圖中為通行樣式。依據(jù)不同的能量，多個(gè)第一散射體和第二散射體可采用不同的組合。

采用“環(huán)形滑梯式吸收體”樣式的能量調(diào)制機(jī)構(gòu)，見(jiàn)下圖。

• 將環(huán)形臺(tái)階式吸收體改為“環(huán)形滑梯式吸收體”，將臺(tái)階取消，變成斜面。
• 加配了一個(gè)小的契形吸收板，斜面方向與環(huán)形滑梯式吸收體的斜面方向相反，與環(huán)形滑梯式吸收體共同組成一個(gè)擴(kuò)束后截面能量均勻，連續(xù)可調(diào)的能量調(diào)制機(jī)構(gòu)，專(zhuān)門(mén)供多葉準(zhǔn)直器使用。

將環(huán)形滑梯式吸收體拉直，見(jiàn)下圖。

契形吸收板與環(huán)形滑梯式吸收體的組合效果，相當(dāng)于一個(gè)小的契形板在一個(gè)大的契形板上滑動(dòng)，小契形板覆蓋下的區(qū)域厚度是相等的，隨著小契形板的滑動(dòng)，這個(gè)厚度會(huì)連續(xù)變化。

第二吸收體是相對(duì)于環(huán)形滑梯式吸收體而言，由可切換的多個(gè)吸收體組成。見(jiàn)下圖。

每個(gè)方形吸收體都是待加工狀態(tài)。第二吸收體的效用在介紹照射原理時(shí)進(jìn)一步說(shuō)明。

為看清內(nèi)部，撤下上下追加的矩形射野準(zhǔn)直器和側(cè)向安裝版，見(jiàn)下圖。

單拉出一個(gè)葉片，看看它的移動(dòng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，見(jiàn)下圖。

采用雙層設(shè)計(jì)時(shí)，上下層葉片的投影不是相互重疊，而是相互銜接，見(jiàn)下圖。

只要假設(shè)射線源有一定物理寬度，就可自然形成葉片在等中心平面的投影相互銜接，而物理寬度又有小幅重疊，消除了上下葉片間的漏射。

采用雙層設(shè)計(jì)的原因如下：

• 空間允許；
• 提高精度，將原本一定寬度的投影縮減一半，本設(shè)計(jì)投影寬度為5 mm。第三、降低了加工難度。由于葉片間隔加大，葉片的直線度和平面度都不必要求過(guò)高，慢走絲線切割下來(lái)不必研磨即可直接使用；導(dǎo)向軸的直線度也不必要求過(guò)高，標(biāo)準(zhǔn)件即可；
• 最重要的，可加大推力，提高速度。可加大絲桿直徑，增加螺距，本設(shè)計(jì)絲桿直徑可在6mm以上；可加大電機(jī)直徑，加大推力，本設(shè)計(jì)電機(jī)直徑可在18 mm以上；
• 若想進(jìn)一度提高速度，還可用清華葉教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的直線電機(jī)替下本設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)。

準(zhǔn)直器最大射野為240 mm×200 mm，葉片的投影行程大于240 mm。每個(gè)葉片均可方便地實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，細(xì)節(jié)不在這里詳述。

撤下上下矩形準(zhǔn)直器和側(cè)向安裝板，見(jiàn)下圖。

準(zhǔn)直器的最大射野也為240 mm×200 mm，葉片的投影行程大于240 mm，葉片的投影寬度為10 mm。

雙聚焦錯(cuò)層準(zhǔn)直的每側(cè)葉片也可采用雙層設(shè)計(jì)，或直接將葉片投影寬度將為5 mm。對(duì)X射線來(lái)講，葉片要由鎢合金制作，對(duì)質(zhì)子射線來(lái)說(shuō)，葉片可由鋼材制作，加工難度大幅度降低。

下面結(jié)合照射的過(guò)程介紹束流配送系統(tǒng)各主要部件的工作原理。

假設(shè)使用的是回旋質(zhì)子加速器，分前降能和后降能。前降能負(fù)責(zé)能量初調(diào)，使射束的射程超過(guò)腫瘤的前沿(前沿指腫瘤遠(yuǎn)離射線源的一端)，并留有一定余量，見(jiàn)下圖。

如上圖所示，射束的前端面與人體表面平行，基本保證了(體內(nèi)還有器官密度分布的差異)射束的前端面與射束的軸心線保持垂直。

如不是這樣，射束的軸心線與人體表面有個(gè)角度，就有了調(diào)整射束前端面的問(wèn)題，見(jiàn)下圖。

射束前端面調(diào)整后，圖中將第二吸收體拉下來(lái)，是為觀察方便

在開(kāi)始拉峰照射前，先小幅轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形滑梯式吸收體，使其薄層的一端與斜面方向相反的小的契形吸收板上下重合，形成一個(gè)等厚度吸收層，這時(shí)射束端面也會(huì)上升，接近腫瘤前沿，見(jiàn)下圖。

將用CT片合成的腫瘤，沿葉片移動(dòng)的方向(也是與CT片表面相垂直的方向，也是機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸方向)，以葉片的投影寬度，再次切片，見(jiàn)下圖。每對(duì)相向移動(dòng)的葉片對(duì)應(yīng)一個(gè)切片。

有了以上的準(zhǔn)備就可進(jìn)行步進(jìn)適形照射了。作者以上圖腫瘤切片為例，演示一對(duì)葉片拉峰照射的過(guò)程。

• 棕色體是人體；
• 綠色體是一對(duì)錯(cuò)層準(zhǔn)直器葉片，已到達(dá)指定位置；
• 上部的粉色體是射束，被葉片阻擋；
• 黃色體是腫瘤切片；
• 中間的粉色線代表射線在體內(nèi)的射程；
• 向上的粉色箭頭表示，環(huán)形滑梯式吸收體已開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，正在向上拉動(dòng)Bragg峰(射束前端面是Bragg峰所在位置)。

當(dāng)射束前端面達(dá)到腫瘤切片底沿時(shí)，交錯(cuò)的葉片迅速后退，放出光束，光束底端的紅色矩形塊是Bragg峰的位置和覆蓋區(qū)域。

隨著射束前端面的提升，兩側(cè)葉片以步進(jìn)的方式迅速后退，后退的步長(zhǎng)等于CT片的厚度，或其倍數(shù)，直至放出射束的寬度與腫瘤的長(zhǎng)度相等。圖中，底面為折線的紅色區(qū)域是Bragg峰的掃過(guò)并覆蓋的區(qū)域。

拉峰至腫瘤上方時(shí)，葉片由迅速“步退”改為迅速“步進(jìn)”，直至腫瘤切片的最上端，這時(shí)Bragg峰已掃過(guò)全部腫瘤切片。

葉片迅速前進(jìn)，并形成交錯(cuò)，關(guān)閉由該對(duì)葉片所能控制的片狀射束。

這時(shí)拉峰還在進(jìn)行，因?yàn)樵撃[瘤切片不見(jiàn)得是所有切片中最“厚”的一片。

所有腫瘤切片對(duì)應(yīng)的葉片，在上述拉峰照射過(guò)程中，有的光束是早開(kāi)始放出晚結(jié)束，有的是晚開(kāi)始放出早結(jié)束，待所有切片都完成拉峰照射，一個(gè)射野的拉峰照射就完成了，見(jiàn)下圖。圖中，左上是由CT片合成的腫瘤，右下是Bragg峰掃過(guò)的區(qū)域。

下圖是將腫瘤靶區(qū)與Bragg峰覆蓋區(qū)域重合的情況，紅色區(qū)域略大于黃色區(qū)域，CT片越薄，葉片越薄，吻合度越好。

以上就是拉峰照射的過(guò)程，實(shí)際操作很簡(jiǎn)單，原則上，一次拉峰就可完成一個(gè)射野的三維適形照射。

一是腫瘤切片有左右凹陷，見(jiàn)下圖。這種情況下，拉峰的過(guò)程不變。

另一種情況是腫瘤切片上下有凹陷，見(jiàn)下圖。

對(duì)這種情況，要將腫瘤切片左右分段，分別進(jìn)行兩次拉峰照射。

考慮到上述情況，多數(shù)腫瘤一次拉峰就可完成一個(gè)野的照射，少數(shù)腫瘤需要兩次拉峰照射。有些腫瘤看似復(fù)雜，但具體到每一個(gè)腫瘤切片，上下出現(xiàn)兩次凹陷的情況很少見(jiàn)。

在前述的討論中，射束的前端面都是標(biāo)準(zhǔn)的平面，實(shí)際情況不會(huì)是這樣。首先人體表面不會(huì)是平面，其次人體內(nèi)各處密度也不均勻，綜合下來(lái)，射束的前端面可能是一個(gè)凸凹不平的波浪面。但這不影響步進(jìn)拉峰適形照射方法的實(shí)施，因?yàn)橹委熡?jì)劃會(huì)給出修正后的實(shí)施方案，具體體現(xiàn)在第二吸收體加工方案。

有些時(shí)候要對(duì)腫瘤靶區(qū)的某些部位追加一些劑量，形成高劑量區(qū)，體現(xiàn)在腫瘤切片上，就是有些切片含有高劑量面，見(jiàn)下圖。

• 圖中，左側(cè)表示靶區(qū)上有一個(gè)高劑量區(qū)(棕色)，右側(cè)是解決辦法，先給一個(gè)基數(shù)劑量(黃色)，在給一個(gè)追加劑量(白色)；
• 追加劑量相當(dāng)于另一次小腫瘤的適形照射。；
• 追加劑量可能是一次追加，再次追加，相當(dāng)于二次適形，三次適形；
• 追加劑量一般小于基數(shù)劑量，減少劑量的方法是加快拉峰的速度，通過(guò)提高環(huán)形滑梯式吸收體的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)；
• 將降能器做成大的環(huán)形，一是期待有較大的切向速度，二是控制比較簡(jiǎn)單；
• 加快拉峰速度后，要求準(zhǔn)直器葉片也要有更快的步進(jìn)速度，這也是為什么單聚焦快速多葉準(zhǔn)直器采用雙層設(shè)計(jì)。

雙聚焦快速多葉準(zhǔn)直器葉片的段面為直面，可形成小的矩形光孔，實(shí)施逐點(diǎn)拉峰照射，控制拉峰過(guò)程的速度變化，可控制拉峰途徑上劑量的沉積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)照射。劑量柱的起始位置和高低由葉片打開(kāi)光束和關(guān)閉光束的時(shí)點(diǎn)控制。

此處精細(xì)調(diào)強(qiáng)的方法與本系列前文《矩陣調(diào)強(qiáng)準(zhǔn)直器在質(zhì)子加速器擴(kuò)束照射方式中的應(yīng)用(上篇)》描述的精細(xì)調(diào)強(qiáng)方法類(lèi)似。

上述差別源于兩種射線物理特性的不同，最大的不同是，質(zhì)子射線存在Bragg峰。一種準(zhǔn)直器完美地適用兩種射線，是個(gè)巧合。(質(zhì)子中國(guó) 編輯報(bào)道)