4.1重离子束
重离子治疗首先要有一个重离子束，使重离子束能治疗体内射程深度为3.5～20cm（或30cm）的肿瘤，对碳重离子而言，则对应要求有一台最高能量为340兆电子伏/核（对应20cm射程）或430兆电子伏/核（对应30cm射程）的碳重离子加速器。由于目前90%的肿瘤患者的治疗射程都小于20cm，而重离子加速器的价格和能量成正比，为得到最佳性能价格比，尽可能降低投资，目前重离子治疗不少都采用最大射程为20cm的治疗参数，而不用质子治疗时的最大射程30cm的治疗参数。
4.2重离子同步加速器
重离子束固有的分裂效应，不允许重离子束在进入人体治疗之前穿透过多的物质（除去必要的散射器，能量调制器等部件），使分裂效应形成的较轻重离子产生过大的横向阴影和后沿下降，因此不允许用固定能量引出的加速器和用石墨降能器的能量选择器来调节离子束能量，即不能用当前质子治疗专用的固定输出能量的回旋加速器。目前世界上的重离子治疗用加速器，除去寄生于重离子物理研究所的重离子治疗中心如中国兰州近代物理所用回旋加速器产生治疗用的碳重离子外，所有已建和筹建的专用重离子治疗中心都是无例外的采用能量可调的同步加速器来产生重离子。随着技术的进步，同步加速器的周长也做得越来越小。多数的同步加速器基本上都采用由ECR型离子源和RFQ型直线和Alvarez型直线加速器所组成的注入器。由于同步加速器可以调节束流能量，所以不再需要能量选择器，束流输运系统除去要求更高磁刚度的磁铁以外，和质子治疗束流输运系统相类似。
4.3束流扩展系统和能量调制器
和质子治疗相类似，为了将加速器引出的束流截面尺寸为几个毫米到厘米的束流能够辐照到整个肿瘤的横向尺寸，必须将加速器引出束流扩展成较大且均匀的束流来覆盖所有肿瘤的横向面积。因此也需要一个束流扩展系统。目前重离子用的束流扩展系统主要有两种：一种是用于日本重离子医学研究中心（HIMAC）和日本兵库离子治疗中心的散射摆动治疗法，束流先通过一个散射体形成一个半径较大的粗束，再用两个摆动扫描磁铁进行扫描；另一种是德国GSI研究所重离子研究中心用的静态铅笔扫描法，用的铅笔扫描型治疗头的原理图，将加速器引出的细束直接通过两个X和Y方向的扫描磁铁进行扫描。同样，为了使离子束能照射到肿瘤的整个纵向深度，必须用一个能量调制器将离子束形成一个扩展布拉格峰。目前重离子用的能量调制器主要有两种：一种是日本重离子医学加速器中心（HIMAC）和日本兵库离子治疗中心，用于散射摆动治疗法的“峰型过滤器”，又称“搓板式过滤器”（Ridge Filter）；另一种是德国GSI研究所，直接调节同步加速器引出能量来进行铅笔扫描治疗，将80兆电子伏/核到430兆电子伏/核之间的能量细分为256步，从而在每层扫描时改变能量阶步来达到能量调制。
4.4专用准直器和补偿器
同质子治疗相类似，要求对肿瘤（后部边缘）的束流射程能精细调节，不要越过边缘而辐照到肿瘤后的正常细胞。在治疗时也要一个精细能量调节器。对于用散射摆动法的重离子治疗也要用患者专用准直器，使束流横向尺寸要与肿瘤病灶处的横向尺寸相同，使照射到肿瘤上下正常细胞处的离子流被准直器挡住，不再受伤害。此外肿瘤后沿边缘不是一个平面，而是一个不规则曲面，为此也需对每一个患者专门定制一个补偿器，其尺寸与患者肿瘤的后沿形状有关。患者治疗时，将此专用补偿器放在皮肤前部，使肿瘤后沿的正常细胞不再受到辐射伤害。对于用铅笔扫描法的重离子治疗，可以直接用改变束流能量来控制射程，用扫描磁铁的驱动电流来控制束流横向行程，也就不再需要患者专用准直器和补偿器。
4.5 精密定位和门控系统
与质子治疗相类似，重离子治疗的患者精确定位十分重要。为达到精密定位，在每一个治疗室中，不论是旋转治疗头用的治疗床，还是固定治疗头用的治疗椅，都要配置一套患者精密定位和准直系统，定位精度小于0.5mm。同样为了满足对肺、肝等肿瘤的动态治疗，动态治疗是指在治疗某些内脏肿瘤时，肿瘤形状要动态变化，如肺肿瘤在吸气时，肿瘤变大，在呼气时肿瘤形状变小，肿瘤形状大小变化和呼吸规律同步。为达到最佳治疗效果，要用呼吸探头找出患者的呼吸随时间的变化规律，或者利用肿瘤形状大小变化和皮层上下位移的同步规律，直接测量相应部分皮肤的上下位移动的变化值，来实时反映肿瘤形状变化的规律。在治疗时用此呼吸或位移变化规律来控制质子束流。这种用呼吸门或位移控制质子流进行同步治疗的装置，叫做呼吸或位移门控系统。在CT诊断室和每个旋转治疗室都应该配置。至于重离子治疗有关剂量测量与验证、束流测量系统、患者专用准直器与补偿器加工等都和质子治疗的要求相同。
4.6重离子旋转治疗台
也和质子治疗相类似，为减少皮肤与肿瘤间的正常细胞的伤害。重离子治疗时也希望要有一个旋转治疗台。此在技术原理上不存在任何困难，但在实施中，由于碳离子要比质子重得多，要把碳离子偏转100多度，则要求磁铁有一个很大的磁刚度，而目前除超导外，常规钢材的饱和磁场难以再变高，因此只有加大曲率半径，即将装置做成又大又重才行，需要更大的占地和空间，大大增加投资。因此日本重离子医学加速器中心（HIMAC）和日本兵库离子治疗中心都用三个分别是0°（水平）、90°（垂直）和45°（倾斜）的固定治疗头来代替旋转治疗台的功能。德国海登堡等重离子治疗筹建中心有研制重离子旋转治疗台的计划，但到目前为止，还没有一台应用的重离子旋转治疗机架。估计还要待时机成熟后才能有重离子旋转治疗台投入使用。
4.7 重离子治疗计划系统
重离子治疗同样要有一个重离子治疗计划系统（TPS）应用软件和质子治疗计划系统相比，除去许多功能外，如重建三维立体图像，确定患者治疗用专用准直器与补偿器物理加工尺寸等相同外，还要复杂得多，这是由于质子治疗是基于物理剂量来进行治疗规划，而重离子治疗是基于生物剂量来进行治疗规划，二者的基点完全不同。前者目前只将生物效应RBE值作为一个定值来考虑，而后者必须将生物效应RBE值作为一个变量来考虑，即RBE值是癌位置，癌种类和生长周期等的函数。虽然目前的重离子治疗还不能将所有变量都考虑进去，但至少要做近似的考虑。如日本三菱生产的TPS中有一个RBE变量表，德国的GSI已考虑RBE=F（x，y，z）的函数关系。此外重离子治疗计划系统（TPS）中还必须考虑分裂效应所带来的一切影响。因此当前重离子治疗还处于发展阶段，达到完善成熟还需要一定的时间。
虽然各种高LET射线对放射治疗有潜在的优势，但其在治疗方面的优势是否能与昂贵的设备相适应，还有待于大量的临床试验和放射生物的研究来作出回答。
第五节 影像技术在肿瘤治疗中的应用
影像引导下放疗（Image Guided Radiotherapy，IGRT）概念的提出，从某种意义上讲，是对放疗工作属性的一个概括和总结，因为从开始到现在，放疗工作的各个环节无不是在影像引导下完成的。而今天，之所以这一概念受到学者们的广泛关注，主要是因为放射治疗理念的更新、放疗技术设备的发展和影像技术设备的进步。在这些技术条件与理念搭建形成平台的基础上，影像引导在放疗实施过程中的应用价值被逐渐放大，极大地吸引了学者们的注意力。为了与前面提到的影像引导在放疗工作各个环节中的应用，就是通常所讲的广义的影像引导下放疗相区别，后者被称为狭义的影像引导下放疗，而接下来的论述也主要是围绕狭义的影像引导下放疗展开。
与放疗技术本身一样，影像引导下放疗也经历了从二维到三维的发展过程，CT作为三维影像引导工具，在影像引导下放疗概念的革新和应用中扮演着重要的角色，本文主要回顾和介绍CT在影像引导下放疗中的应用历史及现状，同时也希望对影像引导下放疗的概念作一诠释。
一、CT成为影像引导下放疗的重要引导工具
三维适形放疗（3DCRT）、束流调强放疗（IMRT）以及质子放疗等现代放疗技术的主要优势是肿瘤靶区剂量分布适形性的提高，但这同时也意味着肿瘤靶区与周围正常组织的剂量梯度的增加。在应用这些技术进行放疗时，放疗实施过程中的微小的误差都可能造成肿瘤靶区的低剂量和周围正常组织的高剂量照射，不仅使这些技术本身的优势没有得到发挥，反而会造成正常组织损伤增加，更为严重的是肿瘤靶区的“漏照”。所以，强调精确实施放疗计划的影像引导下放疗成为3DCRT、IMRT以及质子放疗等现代放疗技术发挥优势的重要保证。正如前面讲到的，影像引导下放疗经历了从二维到三维的发展过程，而射野平片是最早应用于IGRT的二维引导工具，它可以粗略地观察照射野形状或多叶光阑叶片排列的方式是否正确。但是，每天对每个照射野都摄片分析很不实际，而且照射野胶片通常只能做回顾性分析，另外，照射野胶片的分辨率也较差，这些不足都限制了它成为IGRT的主要工具。电子照射野影像仪（EPID）的出现使它一度成为放疗计划实施过程中的重要验证工具。但是，EPID作为IGRT的工具有其局限性。EPID提供的是二维影像，各种组织结构的叠加为清楚分辨器官的位置带来不便，另外，这种二维的影像无法与设计计划用CT影像进行直接对比，不易发现患者体位旋转、器官移动和变形所造成的误差。于是就有学者开始探索新的IGRT的工具，CT正是在这一背景下应用于放疗的实施过程，并不断发展完善，成为IGRT中的重要引导工具。
二、兆伏级CT（Megavoltage CT，MVCT）在IGRT中的应用
MVCT是利用加速器发出的MV级射线束，为治疗体位下的患者摄片，获得感兴趣区域内的横断面影像。所得到的影像不仅可以重建获得三维图像，提供更多信息用于放疗计划实施的引导，同时，由于MVCT对低对比组织分辨率的提高，获得的矢状、冠状面的影像质量均优于同一方向上的电子照射野影像。
1.单幅MVCT技术
Simpson等在1982年首次报道了利用4MV射线束获得的单幅MVCT影像。之后，人们对这一技术进行了不断的探索，使其不断趋于成熟。日本东京大学Nakagawa等将单幅MVCT技术应用于胸部肿瘤的立体定向放射外科治疗，希望借助这一技术的引导，减少放疗实施过程中的摆位误差，达到立体定向放射外科治疗的技术要求。入组的患者要求肺功能较好、能耐受平静呼吸，所有的患者治疗前均需在透视下观察肿瘤随呼吸运动的位置改变，对于在头脚方向上肿瘤运动幅度大于1cm者，予以腹带加压限制呼吸，并辅以面罩吸氧。进入研究的患者在摆位结束后行MVCT扫描，比较MVCT影像与设计计划用CT影像，对于摆位误差超出误差允许范围的患者，重新摆位，直至符合要求。在治疗过程中，通过探测透过患者身体的MV级射线成像，将得到的影像与之前拍摄的MVCT影像叠加，通过计算机的分析，从而实时监控射线束的入射方向是否符合要求。共有15例胸部肿瘤患者（包括肺癌、胸壁肿瘤和胸膜肿瘤）入组，在MVCT引导下，1例患者明显的摆位误差得到了纠正，所有患者的肿瘤外放边界较未行引导时减小。该作者认为尽管单层MVCT技术对低对比度组织成像分辨率有限，限制了它在一些部位肿瘤放疗中的应用，但是就胸部肿瘤而言，天然形成的肿瘤与肺组织的对比度，以及由于选择进行立体定向放射外科治疗的肿瘤都较小，本身即可被看成标记点，从而相对提高了成像质量，使其应用于临床成为可能。