淺談醫(yī)用輕離子束設(shè)備的發(fā)展

遼寧省醫(yī)療器械檢驗檢測院 (遼寧 沈陽 110171)

內(nèi)容提要：重離子和質(zhì)子都屬于“粒子治療”。質(zhì)子治療其實就是“輕離子治療”，利用較輕質(zhì)量的離子，如重氫、氦、鋰來治療算“輕離子治療”；重離子治療就是利用質(zhì)量較重又適合腫瘤治療的離子來進行治療，如碳、氮、氧均算“重離子治療”。醫(yī)用輕離子束治療設(shè)備龐大，包括加速器和束流傳輸系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機架（或固定機架）、治療頭、圖像引導系統(tǒng)、治療控制系統(tǒng)、治療計劃系統(tǒng)、患者虛擬定位系統(tǒng)等。所謂質(zhì)子治療，就是將失掉電子的氫原子原子核，利用回旋加速器或者同步加速器加速到光速約70%，將原子核快速的穿透到人體內(nèi)部，到達指定部位，通過能量守恒原理將速度突然降低并停止，釋放出最大能量，產(chǎn)生“布拉格峰”，將癌細胞殺死，同時有效地保護周圍正常組織，且副作用小。例如當腫瘤直接與重要器官相鄰時，質(zhì)子治療能有效地治療腫瘤部位，并盡可能的減小傷害這些重要器官或部位的功能，這在常規(guī)輻射治療中是不可能的。

1946年質(zhì)子被發(fā)現(xiàn)了可以用來治療，1954年，質(zhì)子被世界首次用于治療腫瘤病例。此后，歐美、日等發(fā)達國家相繼開始對粒子對醫(yī)用領(lǐng)域的研究，但直到1988年，核醫(yī)學有了質(zhì)的飛躍，得到美國FDA的批準入市，在腫瘤治療領(lǐng)域又有了新的治療手段。帶電粒子用于治療技術(shù)在腫瘤學領(lǐng)域中是最先進的放射治療技術(shù)。帶電粒子特有的兩大特性：深度劑量分布和生物學特性，在對腫瘤組織的控制上和對腫瘤附近正常組織減小傷害上有著巨大的優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)放療所不具備的。就目前來看，隨著生活水平的逐漸提高，人民財富水平的增高，世界范圍內(nèi)的質(zhì)子治療中心如雨后春筍般的成指數(shù)性的增長，但是因設(shè)備成本和維護成本的巨大，治療費用也是居高不下，相比傳統(tǒng)放療的費用低廉，還是很難對普通百姓大范圍的推廣，這也是目前學術(shù)界熱議的話題。

1.質(zhì)子治療的核心部件加速器及工作原理

質(zhì)子治療的核心部件是加速器，加速器是一種利用對電場的控制來提高帶電粒子速度的裝置。常用的加速器有兩種：回旋和同步加速器。兩個D字形扁金屬盒組成了回旋加速器核心部件，中間的間隙中加上一個電場，整個裝置放在真空容器中，兩個D形盒之間留有一個窄縫，在中心位置放有粒子源，在兩個半圓盒上再加一個二極磁場。帶電粒子由于受電場的影響，產(chǎn)生速度上的變化；在磁場的作用下產(chǎn)生方向上的偏轉(zhuǎn)。在雙場的作用下變成了高能的粒子。束流入射到加速器，每經(jīng)過電場一次獲得一次加速，在磁場的作用下圍繞正加速器中心做圓周運動，在一個特定的精確時刻又重新進入電場區(qū)，帶點粒子在D形盒中都能運動相等的時間，與電場方向平行加速。電場的極性按時間間隔不斷變換，以確保束流的速度總是在加速的。可見帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運動時，越靠近D形金屬盒的邊緣，相鄰兩軌道的間距越小。當束流加速到最高能量時，就會被能量選擇裝置將束流引入傳輸系統(tǒng)，將束流傳輸?shù)街委熓摇?/p>

同步加速器是一個由帶磁鐵的狹窄真空管道組成的環(huán)（或某些閉合形狀），利用一定的環(huán)形軌道上用高頻電場加速電子或離子的環(huán)形加速器裝置。束流從同步加速器環(huán)外的一個直線加速器入射，環(huán)形裝置中磁場強度隨被加速粒子能量的增加而增加。束流連續(xù)地在環(huán)內(nèi)循環(huán)，反復磁場的變換來獲得加速。因為環(huán)形裝置內(nèi)部磁場的強度與束流的能量是成正比的，因此也稱為同步加速器?；匦铀倨髋c同步加速器的區(qū)別在于，一個磁場固定不變，一個是粒子軌道不變。因為回旋加速器輸出的粒子能量是固定不變的所以一般會配合能量選擇系統(tǒng)一起使用，已達到獲取所需能量粒子的目的。粒子走向為回旋加速器→能量選擇系統(tǒng)→能量傳輸系統(tǒng)→治療室。能量傳輸系統(tǒng)一般由真空管道，管道外覆聚焦磁鐵，伴隨水冷系統(tǒng)降溫磁鐵組成。當管道需要轉(zhuǎn)向時，在轉(zhuǎn)向部位會配置偏轉(zhuǎn)磁鐵，改變束流偏轉(zhuǎn)方向以達到束流方向的改變。

2.質(zhì)子治療發(fā)展現(xiàn)狀與治療優(yōu)勢

2.1 質(zhì)子治療發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全美有20多家癌癥質(zhì)子束治療中心，2004年12月山東淄博萬杰腫瘤醫(yī)院投6億元人民幣引進世界頂級質(zhì)子治療系統(tǒng)開始進入臨床使用，標志著中國開始進入質(zhì)子治療的時代。2015年5月8日，我國首家質(zhì)子碳離子醫(yī)院——位于上海國際醫(yī)學園區(qū)的上海市質(zhì)子碳離子醫(yī)院正式運營，截至到目前，收治患者已突破1000例。大多數(shù)國家都是非常支持質(zhì)子和重離子治療中心的發(fā)展，因為從醫(yī)療價值、經(jīng)濟價值和社會責任來考慮，都是利好于當?shù)匕l(fā)展，所以一些發(fā)達國家已經(jīng)開始將質(zhì)子和重離子治療納入了基本的居民醫(yī)療保障體系。由于質(zhì)子治療中心前期投入巨大，一些國家治療中心由政府出資建設(shè)，例如日本除大阪重離子中心外的其他質(zhì)子重離子醫(yī)療機構(gòu)都是由政府出資建設(shè)，美國及歐洲質(zhì)子治療中心由民間資本投資建設(shè)，但政府給與巨大的政策性支持，美國FDA（食品藥品監(jiān)督管理局）是全球第一個批準質(zhì)子治療臨床應用的政府醫(yī)藥審批機構(gòu)，中國目前是2種建設(shè)方式兼有。保障方面除日本是由政府納入基本醫(yī)保范圍范疇，其他國家均是商業(yè)保險公司獨有發(fā)行的商業(yè)保險。

2.2 質(zhì)子治療的優(yōu)勢

同時，質(zhì)子治療對比其他放射手術(shù)方法，因質(zhì)子特有的布拉格峰特性，穿透能力強，定位效果佳（能量在峰值處爆發(fā)），治療床位移精準度也最高，病灶區(qū)域受輻射劑量高，非受劑量區(qū)域被受輻射劑量很少，被受不必要劑量的概率很小。相比質(zhì)子治療，普通放療方式誘發(fā)2次病變風險是質(zhì)子治療的12倍左右，治療后患者的身體感受和健康水平比傳統(tǒng)放療后的患者有了很多的提高。國外臨床數(shù)據(jù)表明，質(zhì)子治療對于腫瘤的治愈和患者的存活率都要比傳統(tǒng)放療的高。這使得質(zhì)子治療劑量增加超出較少，適形放療將允許。物理特性導致潛在的副作用小，更能直接殺傷腫瘤細胞，控制腫瘤生長。患者在治療期間無不良感覺，正常組織損傷很小，惡心、嘔吐或腹瀉等副作用很少會發(fā)生，患者在質(zhì)子治療后會獲得更好的生活質(zhì)量。

2.3 質(zhì)子治療的應用

臨床上，前列腺癌、頭頸部腫瘤、部分兒童腫瘤、胰腺癌對于質(zhì)子治療是十分受用的，早期的乳腺癌和肺癌都有很好的效果。對于早期的頭頸部腫瘤現(xiàn)階段還是以放療為主要治愈手段，臨床研究表明高劑量的輻射要比手術(shù)效果和后期質(zhì)量要好的多。但是傳統(tǒng)放療治療，對前列腺區(qū)域的放射劑量的遞增，對鄰近組織的傷害的風險也隨之遞增。在治療過程中直腸是被受劑量最大的，最直接表現(xiàn)為直腸部位的出血。目前最終的放療追求是在病灶區(qū)域獲得最大的輻射劑量而周圍相關(guān)鍵器官部位最小被受劑量。質(zhì)子治療的特性盡可能地滿足了物理師的這一追求，逐漸運用到各種腫瘤治療計劃中?，F(xiàn)階段事實上，為了控制風險，正常使用時在腫瘤區(qū)域的輻射劑量都會調(diào)低這樣放療往往達不到殺死腫瘤的劑量，這種情況在質(zhì)子治療時是不會發(fā)生的。