质子治疗相关设备技术特点分析

赵 木，常 晟，尚自强

（1.中核质子（北京）科技发展股份有限公司，北京 100037；2.国电龙源节能技术有限公司，北京100039；3.中国宝原投资有限公司，北京 100143）

0 引言

目前，手术、化疗和放疗是恶性肿瘤治疗的主要方法，一般根据患者肿瘤的性质、范围，肿瘤对周围器官和组织的侵犯范围以及患者本身的体质，选择适合每位患者的最佳治疗方案。带电粒子束放疗的出现，使得现代放疗技术迈入了一个崭新的发展时代[1-4]。带电粒子束包括由回旋加速器或同步加速器产生的质子或重离子，其中质子治疗由于安全性好、技术成熟被广泛推广。

质子治疗与不断改进的常规放疗有根本的不同[5]：常规放疗的射线在穿透人体组织后能量会大量衰减，这既影响了肿瘤靶区剂量分布，也导致周围组织受到较大辐射损伤。质子治疗的质子束在肿瘤区有极好的剂量分布，能量全部释放，形成布拉格（Bragg）峰；正常组织所受剂量很少，损伤降到最低。因此，质子治疗既可以提高肿瘤的治疗效果，同时又可以改善患者的生活质量。

由于质子治疗主工艺系统技术密集、研发成本高、建设投资大、回报周期长、运行维护费用高等原因，质子治疗中心主要集中在发达国家。目前，我国肿瘤发病率、增长率以及死亡率都处在世界前列[6]，按照每1 000万人口配置1个质子治疗中心计算，我国未来需要约130个质子治疗中心。质子治疗中心[7]是以主工艺系统为核心的，因此主工艺技术方案的选择是质子治疗项目其他工作开展的前提条件，是项目决策期需要特别重视的基础工作。质子治疗项目最终是通过工程项目实现主工艺系统的医疗目的，因此主工艺系统技术成熟度、设备选择、治疗室数量、治疗方式等因素直接关系到治疗能力与质子治疗中心运营情况[8]。

1 质子治疗特点

质子束进入人体组织时，Bragg曲线先是形成一个低平坦段，在射程末端会产生一个急剧上升的Bragg峰，峰后面的能量则骤降为零。质子治疗就是利用质子能量损失集中于射程末端的特性，调节质子束能量，并且扩展Bragg峰的宽度，使质子能量释放区处于不同深度和大小的肿瘤位置。在到达肿瘤前，质子穿过的正常组织受到的损伤较小；同时，由于质子已经停在肿瘤部位，肿瘤后面的正常组织基本不受影响。质子治疗系统采用的是全智能化操作，辅助药物使用少，患者治疗后休息30 min即可自由活动。

任何组织的损坏都会影响儿童的生长发育，而质子治疗对非靶区器官和组织照射剂量很低，因此在儿童肿瘤的治疗中尤为重要。相同能量下，质子束流比重离子束流在同一组织中引起的生物学效应更低，质子束流偏离对正常组织的损伤比重离子小，治疗时可选择更多的照射角度，因此质子治疗在肿瘤治疗中具有较好的应用前景。

2 质子治疗过程

在确定肿瘤患者采用质子治疗方式后，首先进行患者体位固定和模拟定位。模拟定位是利用大孔径CT、MRI或者PET-CT等设备模拟肿瘤及正常组织位置等信息，在病灶位置进行肿瘤标定并设定中心点和照射方向。放疗医生在放射治疗计划系统（therapy planning system，TPS）软件上进行靶区勾画以及给定放疗的处方剂量，这是决定放疗质量最复杂、最关键的步骤。通过勾画肿瘤靶区和正常组织的靶区，更精准地确定肿瘤靶区和需要保护的正常组织器官。物理师在TPS软件上制订治疗计划，结合质子治疗设备的特点，可计算出肿瘤和正常组织受到的照射剂量和剂量分布等。在患者进行放疗前先进行剂量验证，以确认患者实际受照剂量与计划给予剂量相同。质子治疗系统是以剂量为驱动的病灶治疗，故照射控制系统由剂量测量系统驱动实现剂量控制。行质子治疗时，将患者固定在六维治疗床（椅）后，利用定位准直系统将治疗头的等中心点和设定的中心点重合，并符合照射方向的需求。同时，在治疗室内采用锥形束CT（cone beam CT，CBCT）图像引导方式，在三维范畴情况下比较患者治疗位置的CT影像和治疗计划的CT影像间的差别。治疗后，可通过PET-CT发现患者组织结构中肿瘤信息变化情况，并判断肿瘤治疗效果。

3 主工艺技术分析

目前，质子治疗设备各生产厂家主要进行系统集成，提供相对定型的产品。主工艺设备的选择首先要面向需求，如医院情况（包括专业特长、空间、使用习惯等）、患者来源及预估量等。从设备角度考虑，质子治疗中心1台加速器可以配备2~4个旋转机架治疗室和1~2个固定束治疗室，最多可配备5个治疗室。一般情况下，治疗室数量根据用户需求与技术情况做增减。从运行效率和可靠性考虑，平均1台加速器配备3个治疗室左右。

主工艺技术的选择需要结合用户需求与设备性能综合考虑，具体如下。

3.1 加速器

加速器产生的质子束流质量需要满足后端治疗要求。质子加速器主要包括同步加速器[9]和回旋加速器[10]2种类型，一般引出质子束流强100~800 nA，能量70~250 MeV。同步加速器直径一般在5~8 m，且需要质子直线加速器作为注入器，但具有能量可变、束流品质高、单件尺寸小等优点。回旋加速器（如图1所示）直径一般在4.0~4.6 m，总质量约200 t，具有引出连续束流的优点，适合目前最先进的快扫描治疗技术，但能量固定，引出效率相对较低。近年出现的紧凑型超导回旋加速器引出效率高，适合在医院安装使用，相比普通回旋加速器，运营费用更低。

为了减少治疗次数和时间，肿瘤治疗向低分次、大剂量趋势发展，此模式需要加速器提供不间断的质子束流，所以回旋加速器是更适合的选择。快速调强扫描技术已经逐步发展为主要的质子治疗方式，等时性超导回旋加速器具有尺寸小、质量轻、束流连续、流强可快速变化、磁场间隙大、效率高、运行功耗低等优势，适合与快速调强扫描的质子治疗技术匹配。加速器性能对治疗方式有很大影响，引出束的位置和束流强度的稳定度在3%以内的加速器更适合于点扫描治疗。

3.2 束流传输系统

图1 回旋加速器基本构成图

图2 束流线

束流传输系统的主要作用是将加速器引出的质子束流，根据肿瘤治疗的束流需求调节到所需能量和品质（如图2所示），按照治疗需求将束流及时切换到不同的治疗舱。由加速器引出的质子束流经过能量选择系统（仅回旋加速器）和束流传输系统，通过一系列聚焦、导向、监测、偏转等，被传输到旋转机架治疗室或者固定束治疗室中，最终由治疗头进行束流性能转换以满足治疗要求。根据病灶深度对质子能量的需求，回旋加速器在束流传输线上需要降能器调节质子的能量，以适应病灶深度的需求。为了提高治疗效率，要求束流传输系统具有快速能量调节能力、较高的束流传输效率及低的束流损失。目前，国外企业研发的超导束流传输系统减小了磁铁及旋转机架的尺寸与质量，但超导磁铁在磁场切换时间上要慢于普通磁铁。

3.3 旋转机架

束流传输系统将旋转机架（如图3所示）作为载体，实现束流线的旋转与变向功能，从不同方向对病灶进行照射，减小皮肤与皮下正常组织受到的伤害，更好地保护神经组织等重要器官。国际上旋转机架的结构主要有桁架式、整体式及分片式。从机架上安装的磁铁模式分，旋转机架可分为常温磁铁旋转机架及超导磁铁旋转机架。常温旋转机架质量通常在100 t以上，半径约为5 m，长度在9 m左右；超导旋转机架质量通常在50 t以上，半径约为4.3 m，长度在7 m左右，从质量及尺寸上均小于常温旋转机架，有利于安装与运行。从扫描方式分，旋转机架可分为前扫描和后扫描2种模式，前扫描旋转机架本身半径小，但长度增大。总体来说，同为常温磁铁模式时，前扫描的旋转机架所需的空间体积小于后扫描旋转机架。

图3 旋转机架

3.4 治疗头

经过多年的发展，治疗头已经从最初的散射束治疗头发展到快速铅笔束扫描治疗头（如图4所示）。目前，呼吸门控等技术并没有完全成熟，散射束治疗头治疗体内运动器官还有很大的应用空间。铅笔束扫描治疗头也发展出点扫描、线扫描、轮廓扫描、光栅扫描等多种方式。铅笔束扫描治疗头束流利用率高，单位剂量率大，可以大幅缩短肿瘤照射时间，使健康组织照射剂量最小化。其束流的调制时间不超过150 μs，束流控制方式复杂，精度要求高，对束流线元件的控制要求和时序要求都非常高，更有利于对肿瘤的精确治疗。

图4 铅笔束扫描治疗头

3.5 定位与验证系统

患者肿瘤定位和验证系统主要包括头罩固定、体模固定，激光定位、摄像头可视定位和双源CT、CBCT等数字化影像定位系统等。定位系统可以最大程度地保证患者的人身安全，其系统内含有多个位置探测器。

后端治疗系统通常采用激光定位和CBCT图像引导相结合的方式。激光定位灯放置在旋转机架治疗头上，具有定位标记靶区的位置及保证体位重复性的功能，而且在放疗的实施过程中，它除了保证体位重复性及治疗准确性外还可充当源皮距灯，具有摆位功能。在治疗室内采用CBCT图像引导方式，可以在三维范畴情况下比较患者治疗位置的CT影像和治疗计划的CT影像间的差别，给出比常用正交准直系统更精确的定位结果。目前，多数生产企业已经把CBCT加入到治疗室内，根据安放方式主要分为2种：（1）安放在旋转机架上，跟随旋转机架一起运动；（2）安放在治疗床上，独立运动。

4 质子治疗中心功能设计

质子治疗中心建筑设计可以与主工艺系统选择同时开始，明确主要的功能区域。由设备供应商、医院及项目建设方组成策划小组进行详细的医疗工艺策划，提出需求并形成医疗任务书，包括主工艺系统选型、布置，辅助设备，建筑规模，治疗能力等。

质子治疗中心建筑方案首先明确加速器、束流线、治疗舱等主工艺设备的选型、布置与数量，在此基础上配套主工艺附属系统。建筑设计要满足医院的标准要求，同时满足质子项目的功能要求，主要包括门诊区、定位检查区、办公区、治疗准备区、质子治疗区等功能区域（如图5所示）。

目前，新建立的质子治疗中心开诊后12个月可达到正常工作状态。质子治疗中心1个治疗室1 a的实际治疗量约300名患者，平均1个患者需要照射25~30次，1 a有8 000~9 000照射次。根据一个治疗室年治疗能力、治疗天数及每天患者数量、工作时间，计算出患者更衣、准备、等候、留观等时间和需求。从医生、物理师、工程师等角度考虑办公、休息、会议等空间需求，以及不同类患者（如VIP、儿童等）的等候、准备、急救、留观、人文关怀等空间需求。建筑空间布局中合理设计内部横向与纵向交通，各种人员流、车辆流、污物流及洁物流线等不交叉干扰。质子治疗患者本身不需要住院，但由于有些患者需要在院观察或多种治疗手段并用等情况，因此可以设置一定数量的病床。

图5 质子治疗中心功能分区示意图

5 展望

质子治疗由于精准度高、副作用少等特点，在国内外受到越来越高的重视。由于质子治疗中心初始投资巨大且医院场地紧张等问题，质子治疗设备将向小型化发展，但小型化设备不能以牺牲设备性能为代价。目前，我国有中科院上海应用物理研究所、中国原子能科学研究院、华中科技大学、合肥离子中心等相关单位大力推进质子治疗设备国产化工作。未来，质子治疗国产化设备造价更低廉，治疗成本将进一步降低，癌症治疗效率将会显著提高。