淺談質(zhì)子治療系統(tǒng)

金野 楊艷 王博 遼寧省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測院 （遼寧 沈陽 110171）

近年來，質(zhì)子治療系統(tǒng)發(fā)展迅速，輻射束能量與患者接受劑量已經(jīng)成為當(dāng)今大眾關(guān)注的熱點(diǎn)。能否合理準(zhǔn)確接收劑量，精準(zhǔn)治療，直接關(guān)系到患者能否在合理的輻射劑量下達(dá)到臨床的治療要求。本文基于《質(zhì)子/碳離子治療系統(tǒng)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對質(zhì)子治療系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品性能驗(yàn)證與分析。

1.行業(yè)現(xiàn)狀

在2018年8月1日實(shí)施的最新版《醫(yī)療器械分類目錄》中，質(zhì)子治療系統(tǒng)所屬大類為放射治療器械，一級(jí)產(chǎn)品類別為放射治療設(shè)備，二級(jí)產(chǎn)品類別為醫(yī)用電子加速器，管理類別為Ⅲ類醫(yī)療器械。質(zhì)子治療系統(tǒng)是利用電磁原理對電子進(jìn)行加速，利用直流高壓電場進(jìn)行加速的加速器能量較低，利用感應(yīng)渦旋電場進(jìn)行加速的加速器只能加速電子。質(zhì)子治療需要較高能量的質(zhì)子，只能由高頻諧振加速器獲得。質(zhì)子是帶正電的氫粒子，其電荷量與電子相同，但是質(zhì)量比電子大得多，約是電子的1836倍。質(zhì)子和其他許多粒子一樣，進(jìn)入人體后由于電離作用能量逐漸損失，但是質(zhì)子其他粒子進(jìn)入人體內(nèi)的能量損失過程和劑量分布曲線有很大的不同。質(zhì)子的劑量曲線有這樣的特點(diǎn)：緩慢上升一段后，急速到達(dá)峰值，后急速下降。這個(gè)劑量峰稱作布拉格峰。對于很小的腫瘤，只要將布拉格峰對準(zhǔn)它，那么腫瘤處就能接受到最大的劑量值。對于較大的腫瘤可以通過調(diào)制質(zhì)子能量使布拉格峰展寬到和腫瘤厚度相當(dāng)?shù)乃皆龠M(jìn)行治療。用于臨床上各種腫瘤的治療，特別是深部腫瘤的治療。質(zhì)子治療系統(tǒng)的預(yù)期用途為：由執(zhí)業(yè)醫(yī)師決定實(shí)施相關(guān)影像引導(dǎo)的各個(gè)身體部位上執(zhí)行門控式或非門控式投照時(shí)，用作靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)治療中單次或多次放療過程的一部分。它可在實(shí)施治療之前、期間和之后提供實(shí)時(shí)2D、3D 和4D 影像引導(dǎo)，在產(chǎn)生并投照質(zhì)子束流的醫(yī)療設(shè)備，可用來治療患有局部腫瘤以及對放射治療敏感的其他病癥的患者。適用腫瘤有：兒童腫瘤（成神經(jīng)管細(xì)胞瘤、室管膜瘤、顱咽管瘤、橫紋肌肉瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)生殖細(xì)胞瘤、非典型畸胎樣橫紋肌樣瘤、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、顱底脊索瘤和軟骨肉瘤、軟組織肉瘤、骨肉瘤、尤文氏肉瘤、淋巴瘤（霍奇金和非霍奇金）、神經(jīng)母細(xì)胞瘤）；眼部腫瘤；顱底和脊柱脊索瘤以及軟骨肉瘤；原發(fā)性肝癌-肝細(xì)胞癌；淋巴瘤（霍奇金淋巴瘤、非霍奇金淋巴瘤）；腦腫瘤（腦膜瘤、垂體腺瘤、聽神經(jīng)瘤和神經(jīng)細(xì)胞瘤、動(dòng)靜脈型血管畸形、神經(jīng)膠質(zhì)瘤）；頭頸部腫瘤（副鼻竇和鼻腔腫瘤、咽癌、唾液腺癌）；肺癌（早期非小細(xì)胞肺癌、局部晚期非小細(xì)胞肺癌）；再輻照；術(shù)后放射療法；胃腸道惡性腫瘤；胰腺癌；食管癌；乳腺癌；前列腺癌）。

2.質(zhì)子治療系統(tǒng)組成

質(zhì)子治療系統(tǒng)（Proton Therapy System，PTS）由大量硬件元素組成，如回旋加速器、束流傳輸線、束流選擇系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、治療頭等、患者支撐裝置、患者定位裝置等。除物理結(jié)構(gòu)外，PTS也很有邏輯結(jié)構(gòu)。連接的主要邏輯組件有：治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）（連接的）、腫瘤信息系統(tǒng)（Tumor Information System，OIS）（連接的）、PTS軟件、患者定位確認(rèn)系統(tǒng)（Patient Positioning Confirmation System，PPVS）。

TPS使用戶可以準(zhǔn)備并存儲(chǔ)所有處方數(shù)據(jù)。開始治療之前，治療中心的工作人員采用各種成像技術(shù)，如X射線成像、CT掃描、MRI、PET等，采集需要進(jìn)行輻照的患者身體部位的影像。根據(jù)這些影像和掃描，治療中心的工作人員使用TPS選擇束流照射技術(shù)、確定劑量分布并設(shè)計(jì)可能的患者專用設(shè)備，如束流調(diào)節(jié)單元或射程補(bǔ)償器。對于許多腫瘤類型，CT掃描有助于啟動(dòng)PPVS（比如，adaPTinsight）以在治療時(shí)進(jìn)行校正向量計(jì)算。通過這種輸入材料，PPVS可以執(zhí)行自動(dòng)影像配準(zhǔn)某些腫瘤類型，如前列腺腫瘤，需要建立患者特定的標(biāo)記作為基準(zhǔn)點(diǎn)。在這種情況下，若干植入物將標(biāo)識(shí)CT掃描上的腫瘤內(nèi)的特定位置。治療時(shí)，需在PPVS（比如，adaPTinsight）中選擇這些位置。CT掃描將有助于在治療時(shí)計(jì)算正確的患者定位校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。TPS通過使數(shù)據(jù)可互換的DICOM?1連接與OIS連接起來。DICOM協(xié)議是用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

OIS：將處方數(shù)據(jù)輸入PTS軟件的一種非常有效的方法是使用OIS。OIS可以管理和傳輸可能來自各種提供多種治療類型（如傳統(tǒng)放療、質(zhì)子治療及其他）的不同系統(tǒng)的所有患者和治療相關(guān)的數(shù)據(jù)。OIS是所有治療類型的處方數(shù)據(jù)的中央儲(chǔ)存庫。提供多種治療類型（如傳統(tǒng)放療、質(zhì)子治療及其他）的各種不同的系統(tǒng)可與OIS傳輸患者和治療相關(guān)的數(shù)據(jù)。治療計(jì)劃數(shù)據(jù)在TPS中完成后，可通過Dicom協(xié)議從TPS傳輸至OIS。治療時(shí)，計(jì)劃每一次均通過DICOM接口從OIS傳輸至PTS軟件。治療結(jié)束時(shí)，治療記錄將從PTS軟件返回至OIS；此信息存儲(chǔ)在OIS中。對于每一個(gè)將用PTS進(jìn)行治療的患者，其患者數(shù)據(jù)均來自O(shè)IS并存儲(chǔ)在PTS軟件數(shù)據(jù)庫中。為了啟用質(zhì)子治療，也要保存特定檢查和治療計(jì)劃數(shù)據(jù)。

PTS軟件：它主要由軟件組件組成。根據(jù)其在治療中心的職能，不同的用戶可訪問PTS軟件的不同選項(xiàng)；有些是臨床的，其他是管理類或更多是面向硬件方面的。顯然，作為系統(tǒng)的臨床用戶，您可以訪問PTS軟件的全部臨床功能。關(guān)于由PTS提供的質(zhì)子治療，PTS軟件將所有臨床數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至專用的軟件數(shù)據(jù)庫，并對其進(jìn)行檢索。PTS軟件是PTS所有關(guān)鍵信息的中央存儲(chǔ)庫。OIS和PTS之間的通信是通過DICOM接口實(shí)現(xiàn)的。

PPVS：治療時(shí)，PPVS會(huì)向OIS請求所需信息（例如CT掃描、DRR 等）。PPVS 將CT 轉(zhuǎn)換成DRR，然后DRR 將與DR進(jìn)行自動(dòng)對比；比如程序adaPTinsight，會(huì)使用灰度值比較算法計(jì)算校正數(shù)據(jù)。計(jì)算出的校正數(shù)據(jù)必須手動(dòng)輸入（或電子交換并確認(rèn)）并從TR的PTS軟件監(jiān)控器進(jìn)行應(yīng)用。這些應(yīng)用的校正數(shù)據(jù)隨后必須使用手控盒執(zhí)行。

不同形式的質(zhì)子治療系統(tǒng)的加速器，主要區(qū)別在于加速電子的方式不同。質(zhì)子加速器類型基本是以下幾種：同步加速器、回旋加速器、同步回旋加速器、直線加速器。這幾種加速器孰優(yōu)孰劣歷來有較大爭議?；匦铀倨髯畲蟮膬?yōu)點(diǎn)在于操作方便，但是它需要額外配置能量選擇系統(tǒng)，因?yàn)樗痪邆淠芰靠烧{(diào)性，而且它的束流品質(zhì)不如其他兩類加速器好。同步加速器的優(yōu)勢在于輸出能量可調(diào)，不需要再配置能量選擇系統(tǒng)，但是它操作起來比較復(fù)雜，占地面積大。直線加速器也能實(shí)現(xiàn)輸出能量可調(diào)，而且它的束流品質(zhì)特別優(yōu)良。

在放射治療過程中，由于設(shè)備方面原因?qū)е碌恼`差有許多，如患者定位系統(tǒng)設(shè)備的擺位誤差、外照射設(shè)備自身等中心存在誤差、治療室本身建筑結(jié)構(gòu)的誤差、患者支撐裝置的位置偏移等情況，如不及時(shí)進(jìn)行糾正，這些誤差將伴隨放射治療過程始終，導(dǎo)致靶區(qū)劑量的不準(zhǔn)確。所以，為了提高放射治療質(zhì)量，除了控制好擺位精度，還應(yīng)當(dāng)對外照射設(shè)備的機(jī)械和幾何參數(shù)進(jìn)行定期檢查，如外照射設(shè)備等中心的校準(zhǔn)，患者支撐裝置的位置糾正等，使擺位誤差減小到最低限度，以保證每次放射治療擺位的準(zhǔn)確性，使得整個(gè)治療計(jì)劃能夠得到正確地執(zhí)行，保證放射治療劑量的投遞能夠滿足臨床治療要求。

在放射治療過程中患者的擺位決定了放射的部位的準(zhǔn)確性，在整個(gè)放射治療過程中占比時(shí)間最長，放射治療患者體表光學(xué)擺位系統(tǒng)可以很大的減少擺位時(shí)間在放射治療過程中占比，并監(jiān)測放射過程中患者身體的微小位移。放射治療患者體表光學(xué)擺位系統(tǒng)，重新定義了放射治療患者體位及腫瘤運(yùn)動(dòng)管理的標(biāo)準(zhǔn)。

3.質(zhì)子治療系統(tǒng)臨床作用

經(jīng)過幾十年的積淀和發(fā)展，質(zhì)子技術(shù)和設(shè)備逐漸從研究機(jī)構(gòu)中剝離出來，成立商業(yè)公司，隨著需求的增加，商用質(zhì)子系統(tǒng)趨于成熟，有能力的腫瘤醫(yī)院采購多室系統(tǒng)。同時(shí)更多商用質(zhì)子系統(tǒng)供應(yīng)商出現(xiàn)：IBA、Varian、Mevion、Protom、Hitachi等，醫(yī)院可以有更多選擇，新技術(shù)在逐漸激勵(lì)的競爭環(huán)境下不斷發(fā)展。與傳統(tǒng)醫(yī)院加速器放療設(shè)備相比，傳統(tǒng)放療使用X射線照射腫瘤。X射線在進(jìn)入人體不久達(dá)到能量最大值，隨后衰減，使得腫瘤周圍的健康組織中沉積大量能量，從而會(huì)對人體正常組織造成傷害。而質(zhì)子束進(jìn)入人體后，能量在初始處沒有被釋放出來，直到到達(dá)病灶，能量才被完全釋放?？傮w看，質(zhì)子治療與使用X射線的傳統(tǒng)放療相比具有七大臨床優(yōu)勢：①質(zhì)子束可以在病灶處釋放大量能量，確保腫瘤受到足夠劑量的照射；②在非病灶處減少能量照射，大大降低放療對健康組織的傷害；③兒童對放射線極為敏感，極易產(chǎn)生放射損傷不良反應(yīng)，質(zhì)子治療能夠有效保護(hù)兒童的生理功能，減少對兒童身體發(fā)育和智商的影響；④提高生活質(zhì)量，提高腫瘤局部控制率和生存率；⑤減少繼發(fā)腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；⑥為不能手術(shù)的患者提供了新的治療手段；⑦為既往采用常規(guī)X射線放射治療后復(fù)發(fā)的患者，提供了二次放療的機(jī)會(huì)。

4.患者進(jìn)行放射治療的副作用與禁忌

電離輻射可能對活的有機(jī)體有害。在放射腫瘤學(xué)中，電離輻射用于治療患有局部腫瘤或?qū)Ψ派渲委熋舾械钠渌“Y的患者。治療的獲益/風(fēng)險(xiǎn)由放射腫瘤醫(yī)師評(píng)估，其確定了健康組織可以安全接受的放射劑量，具有的副作用應(yīng)可接受。放射腫瘤醫(yī)師和臨床團(tuán)隊(duì)將確定最佳的治療方案（技術(shù)和劑量），將可達(dá)到最佳的風(fēng)險(xiǎn)/獲益比率（即，輻照引起的不良副作用的限制）/獲益（即，腫瘤根除）比率。

已有大量報(bào)道表明，放射治療增加了癌癥患者膠原血管病急性和晚期毒性的風(fēng)險(xiǎn)[1-5]。大多數(shù)臨床醫(yī)生可能會(huì)認(rèn)為膠原血管病，如系統(tǒng)性紅斑狼瘡、皮肌炎、硬皮病、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和混合性結(jié)締組織病是放療的絕對或相對禁忌癥[6]。盡管也有研究表明，毒性增加的風(fēng)險(xiǎn)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但患有膠原血管病的癌癥患者的預(yù)后可能是多種多樣的，因此在進(jìn)行放射治療時(shí)應(yīng)非常謹(jǐn)慎[7-9]。

接受放射治療的另一個(gè)禁忌癥是DNA修復(fù)酶的基因異常，例如毛細(xì)血管擴(kuò)張性失調(diào)及其相關(guān)的多態(tài)性。這些突變使患者在放射治療過程中出現(xiàn)急性副作用的風(fēng)險(xiǎn)更高[10]。

質(zhì)子和光子一樣，是一種具有低線性能量轉(zhuǎn)移的電離輻射。在目前的臨床實(shí)踐中，采用了的相對生物效應(yīng)，假設(shè)質(zhì)子和光子對腫瘤和正常組織具有相似的可預(yù)測效應(yīng)。然而，越來越多的實(shí)驗(yàn)和臨床證據(jù)表明，相對生物效應(yīng)可能會(huì)發(fā)生變化[11,12]。相對生物效應(yīng)的變化可能導(dǎo)致制定次優(yōu)的質(zhì)子治療計(jì)劃，在腫瘤中的效果低于預(yù)期，在正常組織中的效果高于預(yù)期[13]。對患有光子放射治療高危疾病的患者應(yīng)用質(zhì)子治療時(shí)應(yīng)格外小心。

質(zhì)子療法用于治療多種疾病。為了減少治療過程中的失誤，將操作風(fēng)險(xiǎn)降到最低，必須制定質(zhì)量保證措施，并在實(shí)踐中遵循指南和治療方案。在風(fēng)險(xiǎn)管理方面，進(jìn)行質(zhì)子治療時(shí)須遵守與光子放射治療相同的安全指南和要求。

在進(jìn)行治療的效益風(fēng)險(xiǎn)比分析時(shí)，醫(yī)療專業(yè)人員需要注意以下可能增加風(fēng)險(xiǎn)的情況：懷孕；主動(dòng)和被動(dòng)植入物和裝置；化療和免疫治療相結(jié)合，可能增加對輻射的敏感性。