淺談醫(yī)用質(zhì)子加速器的應(yīng)用

劉鵬

摘 要：目的：介紹醫(yī)用質(zhì)子加速器的原理、技術(shù)優(yōu)勢和質(zhì)子治療在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀。方法：以IBA研發(fā)的CYCIAE-235加速器為例，講述其加速器設(shè)備構(gòu)造和產(chǎn)生的質(zhì)子束在治療腫瘤上面的優(yōu)勢。結(jié)果：質(zhì)子加速器以其獨(dú)特的優(yōu)勢和穩(wěn)定性使得其在國內(nèi)的發(fā)展前景將會(huì)非常樂觀，醫(yī)療應(yīng)用將會(huì)更為普遍。結(jié)論：當(dāng)前的常規(guī)治療方法已無法控制癌癥的擴(kuò)散，必須采用更先進(jìn)的治療方法，質(zhì)子加速器的醫(yī)療應(yīng)用開辟了癌癥治療的新途徑。采用質(zhì)子放療方法治療癌癥腫瘤疾病，標(biāo)志著我國腫瘤醫(yī)療將達(dá)到世界先進(jìn)水平。

關(guān)鍵詞：加速器；質(zhì)子束；醫(yī)療應(yīng)用

產(chǎn)生質(zhì)子的加速器有很多種，這里主要以醫(yī)用回旋加速器[1]為主介紹質(zhì)子加速器的組成和原理以及在國內(nèi)的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)

下面是IBA研發(fā)的CYCIAE-235加速器。

醫(yī)用質(zhì)子回旋加速器由真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、磁鐵系統(tǒng)、離子源、高頻系統(tǒng)、束流監(jiān)測配送系統(tǒng)、治療應(yīng)用系統(tǒng)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)組成。其中核心部分就是上圖所示的主磁鐵。主磁鐵采用了深谷型結(jié)構(gòu)，它綜合了分離扇型回旋加速器和緊湊型回旋加速器的優(yōu)點(diǎn)。磁鐵由完全對(duì)稱的4個(gè)扇形磁鐵葉片（上下共8片），上下蓋板和磁軛組成，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。磁鐵重220噸，8個(gè)葉片位于真空室內(nèi)。上下蓋板為真空的組成部分，并與磁軛構(gòu)成磁閉合通路，同時(shí)真空室內(nèi)部的射線構(gòu)成了局部屏蔽，有效減少了加速器周圍的放射性劑量。整個(gè)主磁鐵分成上、下兩大部分，上蓋板與上面的4個(gè)磁極葉片連接在一起，可以用安裝在磁軛堆成兩側(cè)的液壓舉升裝置舉起，以便真空室內(nèi)部部件的安裝、更換和維修。

2 原理和質(zhì)子射線特性

主磁鐵的中心部分為離子源，離子源使用的氣體為H2，由氫氣發(fā)生器在主磁鐵底部產(chǎn)生并通過管道送到離子源燈絲室，燈絲加高壓產(chǎn)生電子進(jìn)一步電離H2產(chǎn)生質(zhì)子H+，主磁鐵中心加引出電壓把質(zhì)子引出，同時(shí)經(jīng)過分離扇型結(jié)構(gòu)的磁極間隙進(jìn)行加速，當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到235MeV時(shí)被引出。235MeV的質(zhì)子射線可以穿透300mm的人體組織，基本可以治療全身各深度的腫瘤[2]。

在諸多的放射線治療設(shè)備中，醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的X射線和電子束其物理劑量分布和生物效應(yīng)都在不同程度上傷害腫瘤附近的正常細(xì)胞，而且劑量的有效利用率也低；中子和負(fù)π粒子的生物效應(yīng)雖好，但物理劑量分布不好，對(duì)正常組織損害過大，都不是理想的治療方法[3]。相比之下，質(zhì)子加速器提供的質(zhì)子束有突出的優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)子束在人體中的能量衰減，起初不大，后又快速上升形成一個(gè)峰值 （通常稱為Bragg峰），然后急速下降到零。這種Bragg峰的優(yōu)良劑量分布促使重離子的能量能集中在癌細(xì)胞處釋放。質(zhì)子束治療時(shí)將峰值部分對(duì)準(zhǔn)腫瘤病灶處，腫瘤處受到最大的照射劑量，腫瘤前的正常細(xì)胞只受到1/3到1/2的峰值劑量，腫瘤后部的正常細(xì)胞基本上不受到傷害。此外，質(zhì)子束具有高的LET，導(dǎo)致高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)RBE，使得質(zhì)子束坪區(qū)與Bragg峰區(qū)對(duì)生物體的作用表現(xiàn)出獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)。這種物理特性和生物學(xué)特性決定質(zhì)子束治療比電子線、伽瑪射線和X射線要好[4]。

3 質(zhì)子治療發(fā)展現(xiàn)狀

質(zhì)子治療是當(dāng)前醫(yī)學(xué)物理界的一大前沿?zé)狳c(diǎn)，是在二十世紀(jì)電子直線加速器腫瘤放療的基礎(chǔ)上，放療方法的一個(gè)新的質(zhì)的飛躍。 雖然人們早在二十世紀(jì)五十年代就己知道其原理，但是由于定位精度遠(yuǎn)高于常規(guī)放療要求，對(duì)產(chǎn)生質(zhì)子的加速器技術(shù)指標(biāo)，對(duì)腫瘤的定位診斷精度，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)架的等中心點(diǎn)精度，對(duì)計(jì)算機(jī)的快速數(shù)據(jù)傳輸，處理和醫(yī)用影像學(xué)等都有很高的要求。因而直到二十一世紀(jì)初，才得以在上世紀(jì)八十年代后發(fā)展起來的加速器應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和CT影像診斷技術(shù)等高科技的基礎(chǔ)上逐步得到發(fā)展和推廣。質(zhì)子治療裝置是核技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械、圖像處理、數(shù)據(jù)通訊、自動(dòng)控制和醫(yī)用影像、醫(yī)療方法、先進(jìn)管理等高科技的相互交叉和整體集成的產(chǎn)物，是一個(gè)醫(yī)學(xué)和核技術(shù)的高科技工程，具有相當(dāng)高的復(fù)雜性[5]。

目前的質(zhì)子治療的相關(guān)技術(shù)已發(fā)展得相當(dāng)完善，使用可變光闌準(zhǔn)直器與專用補(bǔ)償器等的適形治療和鉛筆束掃描治療法，已能將質(zhì)子控制得幾乎像“量體裁衣”一樣精確地消滅癌細(xì)胞而不傷及正常細(xì)胞。近幾十年來的質(zhì)子治療的巨大臨床成就，已使世界醫(yī)學(xué)界公認(rèn)質(zhì)子治療（也包括性質(zhì)相類似的離子治療）是當(dāng)前最先進(jìn)的治癌癥方法。各先進(jìn)國家的政府都以大力發(fā)展粒子治療作為強(qiáng)國健民的方針。近10年內(nèi)國內(nèi)山東一家民企已經(jīng)引進(jìn)了質(zhì)子加速器并且嘗試了臨床治療；上海也引進(jìn)了一款西門子研發(fā)的同步加速器，其性能更為優(yōu)越，既能產(chǎn)生質(zhì)子也能產(chǎn)生更為先進(jìn)的重離子，預(yù)計(jì)2014年可以投入臨床使用。

4 結(jié)束語

自1946年威爾森提出質(zhì)子治療建議以來，全球已經(jīng)建設(shè)近40個(gè)專用質(zhì)子治療中心，已經(jīng)近8萬患者接受了治療，但是全球至今仍沒有出版過一本系統(tǒng)、全面的質(zhì)子治療加速器的科技工程書籍，嚴(yán)重阻礙了該先進(jìn)治療技術(shù)的發(fā)展，國家有能力和條件去培養(yǎng)質(zhì)子治療方面的人才，建立一個(gè)長效的培養(yǎng)機(jī)制，把質(zhì)子加速器治療作為利國利民的民生工程，面對(duì)中國龐大的癌癥患病人群，爭取在2020年國家能有10家以上的質(zhì)子治療中心，讓更多的癌癥患者得到更好的治療，屆時(shí)中國的癌癥治療技術(shù)將會(huì)走在世界的前列。

參考文獻(xiàn)

[1]顧本廣.醫(yī)用加速器[M].北京：科學(xué)出版社，2003

[2]王書鴻等.質(zhì)子直線加速器原理[M].北京：原子能出版社，1986

[3]宋明濤等.重離子治療裝置研究[M].原子核物理評(píng)論，2001，18（2）：116-119

[4]馬林，周桂霞，馮林春.惡性腫瘤高LET（重離子、快中子）放射治療學(xué)[M].北京：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2006，1-5.

[5]劉世耀.中國質(zhì)子治療展望[J].世界醫(yī)療器械，2000，6（9）：48-52.