浅谈医用轻离子束设备的发展

辽宁省医疗器械检验检测院 (辽宁 沈阳 110171)

内容提要：重离子和质子都属于“粒子治疗”。质子治疗其实就是“轻离子治疗”，利用较轻质量的离子，如重氢、氦、锂来治疗算“轻离子治疗”；重离子治疗就是利用质量较重又适合肿瘤治疗的离子来进行治疗，如碳、氮、氧均算“重离子治疗”。医用轻离子束治疗设备庞大，包括加速器和束流传输系统、旋转机架（或固定机架）、治疗头、图像引导系统、治疗控制系统、治疗计划系统、患者虚拟定位系统等。所谓质子治疗，就是将失掉电子的氢原子原子核，利用回旋加速器或者同步加速器加速到光速约70%，将原子核快速的穿透到人体内部，到达指定部位，通过能量守恒原理将速度突然降低并停止，释放出最大能量，产生“布拉格峰”，将癌细胞杀死，同时有效地保护周围正常组织，且副作用小。例如当肿瘤直接与重要器官相邻时，质子治疗能有效地治疗肿瘤部位，并尽可能的减小伤害这些重要器官或部位的功能，这在常规辐射治疗中是不可能的。

1946年质子被发现了可以用来治疗，1954年，质子被世界首次用于治疗肿瘤病例。此后，欧美、日等发达国家相继开始对粒子对医用领域的研究，但直到1988年，核医学有了质的飞跃，得到美国FDA的批准入市，在肿瘤治疗领域又有了新的治疗手段。带电粒子用于治疗技术在肿瘤学领域中是最先进的放射治疗技术。带电粒子特有的两大特性：深度剂量分布和生物学特性，在对肿瘤组织的控制上和对肿瘤附近正常组织减小伤害上有着巨大的优势，这是传统放疗所不具备的。就目前来看，随着生活水平的逐渐提高，人民财富水平的增高，世界范围内的质子治疗中心如雨后春笋般的成指数性的增长，但是因设备成本和维护成本的巨大，治疗费用也是居高不下，相比传统放疗的费用低廉，还是很难对普通百姓大范围的推广，这也是目前学术界热议的话题。

1.质子治疗的核心部件加速器及工作原理

质子治疗的核心部件是加速器，加速器是一种利用对电场的控制来提高带电粒子速度的装置。常用的加速器有两种：回旋和同步加速器。两个D字形扁金属盒组成了回旋加速器核心部件，中间的间隙中加上一个电场，整个装置放在真空容器中，两个D形盒之间留有一个窄缝，在中心位置放有粒子源，在两个半圆盒上再加一个二极磁场。带电粒子由于受电场的影响，产生速度上的变化；在磁场的作用下产生方向上的偏转。在双场的作用下变成了高能的粒子。束流入射到加速器，每经过电场一次获得一次加速，在磁场的作用下围绕正加速器中心做圆周运动，在一个特定的精确时刻又重新进入电场区，带点粒子在D形盒中都能运动相等的时间，与电场方向平行加速。电场的极性按时间间隔不断变换，以确保束流的速度总是在加速的。可见带电粒子在D形金属盒内运动时，越靠近D形金属盒的边缘，相邻两轨道的间距越小。当束流加速到最高能量时，就会被能量选择装置将束流引入传输系统，将束流传输到治疗室。

同步加速器是一个由带磁铁的狭窄真空管道组成的环（或某些闭合形状），利用一定的环形轨道上用高频电场加速电子或离子的环形加速器装置。束流从同步加速器环外的一个直线加速器入射，环形装置中磁场强度随被加速粒子能量的增加而增加。束流连续地在环内循环，反复磁场的变换来获得加速。因为环形装置内部磁场的强度与束流的能量是成正比的，因此也称为同步加速器。回旋加速器与同步加速器的区别在于，一个磁场固定不变，一个是粒子轨道不变。因为回旋加速器输出的粒子能量是固定不变的所以一般会配合能量选择系统一起使用，已达到获取所需能量粒子的目的。粒子走向为回旋加速器→能量选择系统→能量传输系统→治疗室。能量传输系统一般由真空管道，管道外覆聚焦磁铁，伴随水冷系统降温磁铁组成。当管道需要转向时，在转向部位会配置偏转磁铁，改变束流偏转方向以达到束流方向的改变。

2.质子治疗发展现状与治疗优势

2.1 质子治疗发展现状

目前，全美有20多家癌症质子束治疗中心，2004年12月山东淄博万杰肿瘤医院投6亿元人民币引进世界顶级质子治疗系统开始进入临床使用，标志着中国开始进入质子治疗的时代。2015年5月8日，我国首家质子碳离子医院——位于上海国际医学园区的上海市质子碳离子医院正式运营，截至到目前，收治患者已突破1000例。大多数国家都是非常支持质子和重离子治疗中心的发展，因为从医疗价值、经济价值和社会责任来考虑，都是利好于当地发展，所以一些发达国家已经开始将质子和重离子治疗纳入了基本的居民医疗保障体系。由于质子治疗中心前期投入巨大，一些国家治疗中心由政府出资建设，例如日本除大阪重离子中心外的其他质子重离子医疗机构都是由政府出资建设，美国及欧洲质子治疗中心由民间资本投资建设，但政府给与巨大的政策性支持，美国FDA（食品药品监督管理局）是全球第一个批准质子治疗临床应用的政府医药审批机构，中国目前是2种建设方式兼有。保障方面除日本是由政府纳入基本医保范围范畴，其他国家均是商业保险公司独有发行的商业保险。

2.2 质子治疗的优势

同时，质子治疗对比其他放射手术方法，因质子特有的布拉格峰特性，穿透能力强，定位效果佳（能量在峰值处爆发），治疗床位移精准度也最高，病灶区域受辐射剂量高，非受剂量区域被受辐射剂量很少，被受不必要剂量的概率很小。相比质子治疗，普通放疗方式诱发2次病变风险是质子治疗的12倍左右，治疗后患者的身体感受和健康水平比传统放疗后的患者有了很多的提高。国外临床数据表明，质子治疗对于肿瘤的治愈和患者的存活率都要比传统放疗的高。这使得质子治疗剂量增加超出较少，适形放疗将允许。物理特性导致潜在的副作用小，更能直接杀伤肿瘤细胞，控制肿瘤生长。患者在治疗期间无不良感觉，正常组织损伤很小，恶心、呕吐或腹泻等副作用很少会发生，患者在质子治疗后会获得更好的生活质量。

2.3 质子治疗的应用

临床上，前列腺癌、头颈部肿瘤、部分儿童肿瘤、胰腺癌对于质子治疗是十分受用的，早期的乳腺癌和肺癌都有很好的效果。对于早期的头颈部肿瘤现阶段还是以放疗为主要治愈手段，临床研究表明高剂量的辐射要比手术效果和后期质量要好的多。但是传统放疗治疗，对前列腺区域的放射剂量的递增，对邻近组织的伤害的风险也随之递增。在治疗过程中直肠是被受剂量最大的，最直接表现为直肠部位的出血。目前最终的放疗追求是在病灶区域获得最大的辐射剂量而周围相关键器官部位最小被受剂量。质子治疗的特性尽可能地满足了物理师的这一追求，逐渐运用到各种肿瘤治疗计划中。现阶段事实上，为了控制风险，正常使用时在肿瘤区域的辐射剂量都会调低这样放疗往往达不到杀死肿瘤的剂量，这种情况在质子治疗时是不会发生的。