重離子腫瘤治療裝置的基本構(gòu)成

王 彤，肖 平，賈少微，袁克虹，楊紅杰

1 北京大學(xué)深圳醫(yī)院，深圳市，518036

2 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳市，518055

重離子腫瘤治療裝置的基本構(gòu)成

【作者】王 彤1,2，肖 平1，賈少微1，袁克虹2，楊紅杰1

1 北京大學(xué)深圳醫(yī)院，深圳市，518036

2 清華大學(xué)深圳研究生院，深圳市，518055

重離子與質(zhì)子具有相似的深度-劑量分布特性，但在物理和放射生物學(xué)上更具優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)和臨床研究的不斷發(fā)展，重離子治療裝置在全球逐漸推廣。與此同時(shí)重離子裝置的核心系統(tǒng)和部件都得到了不斷地優(yōu)化和完善。該文整理和綜述了國內(nèi)外重離子治療系統(tǒng)裝置的基本構(gòu)成，包括加速器、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、治療頭和治療計(jì)劃系統(tǒng)。

重離子；腫瘤治療；加速器；旋轉(zhuǎn)機(jī)架

0 引言

1 加速器

加速器是束流的生產(chǎn)裝置，目前世界上專用的質(zhì)子和重離子治療中心，基本上采用三種類型：直線加速器、回旋加速器和同步加速器[5]。直線加速器通過電場(chǎng)控制使離子沿直線方向加速，加速器長度與能量增益成正比，所以重離子直線加速器規(guī)模非常龐大?；匦铀倨魍ㄟ^間隙磁場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行加速，離子運(yùn)動(dòng)軌跡類似一個(gè)螺旋線，其磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了加速器尺寸，而且可以提供穩(wěn)定束流強(qiáng)度，但很少能夠調(diào)節(jié)參數(shù)，需要其他裝置配合調(diào)制強(qiáng)度。同步加速器是由多級(jí)磁鐵組成的狹窄真空環(huán)，離子在環(huán)內(nèi)反復(fù)循環(huán)獲得加速，其能量可變，但是需要注入和引出系統(tǒng)，操作相對(duì)復(fù)雜。

可靠性和穩(wěn)定性一直是重離子加速器設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)，通常要保證加速器系統(tǒng)的可靠性在98%以上[6]，與此同時(shí)也要考慮核物理和核化學(xué)反應(yīng)所造成的影響。重離子束具有固有分裂效應(yīng)，穿透物質(zhì)后在橫截面上會(huì)產(chǎn)生3個(gè)α離子，容易產(chǎn)生較輕離子并引起橫向陰影擴(kuò)大和后沿下降，而回旋加速器能量不可變，需要結(jié)合能量調(diào)制器來調(diào)節(jié)重離子能量，所以現(xiàn)有或在建重離子治療中心大多數(shù)采用同步加速器，如日本重離子醫(yī)用加速器中心（Heavy Ion Medical Accelerator Center, HIMAC）、德國重離子研究所（Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI）和日本兵庫重離子醫(yī)學(xué)中心[4]。超導(dǎo)回旋技術(shù)能夠有效解決采用回旋加速器加速重離子問題。美國Michigan州立大學(xué)國家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗(yàn)室（NSCL/MSU）研制出第一臺(tái)250 Mev的超導(dǎo)回旋加速器，并承建了瑞士保羅謝勒研究所（Paul-Scherrer-Institute, PSI）的PROSCAN建設(shè)項(xiàng)目。激光脈沖型加速器設(shè)計(jì)方案也是未來的發(fā)展方向，但困難很大，短期恐不能實(shí)現(xiàn)。

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)架

為減少單一固定束對(duì)腫瘤前方正常組織的過度傷害，一般采用多個(gè)方向進(jìn)行照射，旋轉(zhuǎn)機(jī)架的產(chǎn)生有效地解決了這一問題。機(jī)架裝置包含一個(gè)能夠±180°轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)配有很多磁鐵，總重超過百噸，但等中心誤差不足1 mm。美國Loma Linda大學(xué)醫(yī)學(xué)中心設(shè)計(jì)了第一臺(tái)質(zhì)子旋轉(zhuǎn)機(jī)架，隨后比利時(shí)、日本、瑞士、德國等國家相繼開發(fā)出了不同類型的旋轉(zhuǎn)機(jī)架，并逐漸向“小”、“輕”、“廉”方向發(fā)展[7]。德國GSI首先建成了一臺(tái)重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架，日本HIMAC最初只設(shè)計(jì)了固定束機(jī)架，2006年才開始建造重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架[1]。

重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架的基本結(jié)構(gòu)明顯要比質(zhì)子復(fù)雜。偏轉(zhuǎn)重離子對(duì)磁鐵的磁剛度Bρ(B是磁場(chǎng)強(qiáng)度、ρ是旋轉(zhuǎn)半徑)要求很高，重離子設(shè)備的磁剛度為6.3 T·m，而質(zhì)子僅2.5 T·m，常規(guī)鋼材磁場(chǎng)難以增高，只有擴(kuò)大曲率半徑才能滿足要求，這使得機(jī)架結(jié)構(gòu)體積和重量很大[4]。GSI旋轉(zhuǎn)機(jī)架的橫向旋轉(zhuǎn)半徑7 m，最大結(jié)構(gòu)尺寸20 m，總重量超過600 t，為防止溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形變，還必須將整套設(shè)備放置在嚴(yán)格的恒溫空間中[8]。HIMAC機(jī)架結(jié)構(gòu)小于GSI設(shè)備，長約16.5 m，半徑7.1 m，總重300 t。龐大的機(jī)架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致受力不均產(chǎn)生變形，繼而影響等中心旋轉(zhuǎn)精度和角度轉(zhuǎn)動(dòng)精度。如何保證超大重量的設(shè)備在固定角度內(nèi)完成加速、事故情況快速停轉(zhuǎn)都成為技術(shù)難題[4]。由于重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架建造和維護(hù)成本非常高，日本兵庫、群馬沒有建造旋轉(zhuǎn)機(jī)架，上海在旋轉(zhuǎn)機(jī)架選擇上也十分慎重，最終只采用水平、垂直和45o方向的固定束機(jī)架。目前重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架的設(shè)計(jì)并不完善，即便三菱電機(jī)的技術(shù)專家也沒有推薦其公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架。2009年IBA公司提出超導(dǎo)碳離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架方案，但尚在研制當(dāng)中[9]。日本應(yīng)用超導(dǎo)磁鐵設(shè)計(jì)的緊湊型旋轉(zhuǎn)機(jī)架，其長度和半徑縮短至13 m和5.5 m，而且已經(jīng)進(jìn)行了前期應(yīng)用測(cè)試[10]。目前重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架的設(shè)計(jì)仍是重離子治療設(shè)備的難點(diǎn)和核心問題之一。

3 治療頭

治療頭實(shí)際上是一個(gè)“束流性能轉(zhuǎn)換裝置”，把束流照射野擴(kuò)展到整個(gè)計(jì)算靶容積（planned target volume, PTV），并使之在PTV區(qū)域產(chǎn)生的劑量剛好等于要求劑量，以完成適形治療的目的[11]。其中如何實(shí)現(xiàn)“橫向束流擴(kuò)展”是治療頭的核心技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)方式主要分為兩種：散射法（scattering）和掃描法(scanning)，也可以稱為“被動(dòng)法”和“主動(dòng)法”。

3.1 被動(dòng)束流散射法

Moliere提出的多次庫倫散射效應(yīng)（multiple Coulomb scattering, CMS）是公認(rèn)的用于計(jì)算入射粒子類型、能量、材料與散射角特性之間關(guān)系的函數(shù)，多次散射后近似于高斯分布。雙散射法就是基于CMS原理提出的，原束流經(jīng)過相繼的兩個(gè)散射體后橫向范圍得到擴(kuò)展。雙散射法中的第一個(gè)散射體是均勻的，束流經(jīng)過第一個(gè)散射體后產(chǎn)生高斯分布，第二個(gè)散射體則是不均勻的，通過對(duì)高斯分布進(jìn)行修正得到較大且均勻的照射野[4]。在散射體后再配套使用量程位移器（range shifter）控制擴(kuò)展Bragg峰（spreadout Bragg peak, SOBP）的深度，準(zhǔn)直器保證束流不會(huì)損傷腫瘤外邊緣的正常組織，補(bǔ)償器防止腫瘤后部的組織受損，最終實(shí)現(xiàn)覆蓋腫瘤PTV并最大限度的保護(hù)正常組織。圖1為雙散射被動(dòng)束形調(diào)整的示意圖。目前被動(dòng)束流擴(kuò)展技術(shù)已應(yīng)用在離子治療設(shè)備中，HIMAC、兵庫和群馬等中心均采用這種方式。

圖1 雙散射被動(dòng)束型成形系統(tǒng)Fig.1 Double-scattering passive beam shaping system

圖2 筆形束掃描Fig.2 Pencil beam scanning system

3.2 筆形束掃描法

筆形束掃描如圖2所示，是一種主動(dòng)型的束流擴(kuò)展方法，一般可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)掃描兩種方式[11]。筆形束掃描將PTV劃分為很多細(xì)小尺寸空間，離子束有順序地移動(dòng)和重疊掃描，將劑量傳遞到腫瘤區(qū)域。這種掃描方式具有很多優(yōu)點(diǎn)：① 原則上能夠覆蓋任何不規(guī)則空間，實(shí)現(xiàn)真正的3D適形劑量分布；② 掃描路徑是按照體素逐個(gè)移動(dòng)，相鄰體素間的劑量可以相互補(bǔ)償，提高了劑量的利用率；③ 束流掃描不需要降能器、準(zhǔn)直器和補(bǔ)償器等裝置，降低這些裝置的生產(chǎn)和維護(hù)成本，也減少了束流與這些部件不必要的作用[12]。

離子束掃描系統(tǒng)的輻射場(chǎng)是經(jīng)過固有強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的，類似于光子治療中的調(diào)強(qiáng)治療（intensitymodulated particle therapy, IMRT）技術(shù)，但在劑量控制上更具靈活性和可變性。日本千葉縣首先嘗試使用筆形束掃描治療，PSI在1992年也開展了比較全面的質(zhì)子束點(diǎn)掃描（spot scanning）試點(diǎn)研究。與此同時(shí)，GSI開發(fā)了光柵掃描（raster scanning）技術(shù)。美國瓦里安（Varian）公司的ProBeam質(zhì)子治療設(shè)備已經(jīng)廣泛采用筆形束掃描技術(shù)，而且已經(jīng)在全球市場(chǎng)得到推廣。德國GSI開發(fā)出了固定束碳離子掃描，目前仍是世界上唯一擁有重離子筆形束掃描技術(shù)的國家。

3.3 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)

器官運(yùn)動(dòng)降低了靶區(qū)劑量的均勻性，明顯導(dǎo)致治療誤差，因?yàn)楣P形束掃描存在局限性，所以目前掃描技術(shù)主要集中在頭頸部等移動(dòng)度較小的腫瘤位置。多次掃描、呼吸門控和主動(dòng)跟蹤技術(shù)已經(jīng)逐漸用于補(bǔ)償靶區(qū)運(yùn)動(dòng)造成的影響。多次掃描技術(shù)通過減少單次照射劑量而增加次數(shù)消除劑量冷點(diǎn)和熱點(diǎn)，包括層多次掃描和體多次掃描兩種方法。門控技術(shù)主要是用于肺部等受呼吸影響較大的腫瘤器官治療，它通過記錄靶區(qū)運(yùn)功信號(hào)控制束流只在呼吸末對(duì)靶區(qū)進(jìn)行照射[13]。主動(dòng)跟蹤技術(shù)是目前能夠解決器官移動(dòng)問題最精確的技術(shù)，但對(duì)靶區(qū)運(yùn)動(dòng)信息要求高，需要配合高精度探測(cè)設(shè)備，距離臨床推廣還有很長的距離[14]。

4 治療計(jì)劃系統(tǒng)

治療計(jì)劃系統(tǒng)( treatment planning system, TPS)輔助醫(yī)生完成治療計(jì)劃和治療過程，是粒子治療中必不可少的軟件系統(tǒng)。目前設(shè)計(jì)的TPS系統(tǒng)主要由圖像處理模塊和劑量計(jì)算模塊組成。圖像處理模塊組要實(shí)現(xiàn)對(duì)CT、MR、PET或者融合圖像的讀取、三維重建、自動(dòng)或手動(dòng)分割，勾畫出腫瘤區(qū)、敏感區(qū)以及正常組織。放射醫(yī)師根據(jù)圖像數(shù)據(jù)制定治療參數(shù)，如照射劑量、次數(shù)、方向等，通過劑量運(yùn)算確定劑量分布圖。3D虛擬定位軟件幫助醫(yī)生精確定位組織的位置，并通過不斷優(yōu)化后確定最佳治療計(jì)劃方案[15]。

在質(zhì)子治療的TPS系統(tǒng)中，美國瓦里安公司的Eclipse[16]系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)交互式IMRT治療、圖像引導(dǎo)治療、動(dòng)態(tài)適形治療等治療計(jì)劃。重離子也需要一個(gè)相似的治療計(jì)劃應(yīng)用軟件。由于重離子RBE在體內(nèi)是變量，與腫瘤位置、類型以及生長周期都有關(guān)系，其計(jì)算理論基礎(chǔ)與質(zhì)子完全不同。三菱電機(jī)的TPS系統(tǒng)將重離子RBE做成了對(duì)照表，GSI則嘗試確定RBE在體內(nèi)的函數(shù)關(guān)系。重離子治療計(jì)劃系統(tǒng)仍在進(jìn)一步發(fā)展當(dāng)中。

5 全球重離子治療裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前全球共計(jì)60臺(tái)質(zhì)子和重離子治療設(shè)備，投入使用和在建重離子設(shè)備僅有10臺(tái)。全世界已有12.5萬人接受粒子線治療，其中約1.1萬人受益于重離子治療。繼德國西門子公司宣布退出重離子裝置研制領(lǐng)域后，日本三菱電機(jī)、日立等公司成為全球重離子研究和建造的領(lǐng)跑者，占有60%的市場(chǎng)份額。中國科學(xué)院近代物理研究研制出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重離子治療裝置，在加速器、束流傳輸、高精度的治療頭以及精準(zhǔn)的定位和TPS系統(tǒng)等技術(shù)上都得到了國際認(rèn)可。至2013年底中國科學(xué)院近代物理研究所基于蘭州重離子研究裝置共進(jìn)行213例腫瘤患者(103例淺層和110例深層)的試驗(yàn)治療，并取得了顯著療效，使我國成為繼美國、日本和德國之后世界上第四個(gè)實(shí)現(xiàn)重離子束治療腫瘤臨床試驗(yàn)研究的國家[17]。

重離子治療裝置過于龐大，使得基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、設(shè)備制造與運(yùn)輸、系統(tǒng)維修保養(yǎng)耗時(shí)耗力，三菱公司所提供的最快建造時(shí)間也需4年以上，所以重離子設(shè)備的小型化已經(jīng)成為研究重點(diǎn)。另外將質(zhì)子和重離子集成在同一設(shè)備中的雙頻射線治療裝置也已成為發(fā)展方向，目前全球已有5套運(yùn)行和在建的雙頻線治療裝置[18]。

6 結(jié)語

近年來北京、上海、廣州、深圳、香港和臺(tái)灣等地均已開始重離子治療裝置的調(diào)研與立項(xiàng)。我國一方面要推動(dòng)國產(chǎn)治療裝置的產(chǎn)業(yè)化，在高端醫(yī)療市場(chǎng)占領(lǐng)一席之地，也應(yīng)適當(dāng)引進(jìn)國際最先進(jìn)的重離子治療裝置，既能滿足國內(nèi)供不應(yīng)求的治療需求，又可快速提升國內(nèi)臨床應(yīng)用和研究的科技水平，縮短與世界惡性腫瘤防治方面的差距。

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The Basic Structure of Heavy-ion Tumor Therapy Facility

【W(wǎng)riters】Wang Tong1,2, Xiao Ping1, Jia Shaowei1, Yuan Kehong2, Yang Hongjie1
1 Peking University Shenzhen Hospital, Shenzhen, 518036
2 Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, 518055

Heavy-ions have the similar characteristic of depth-dose distribution with protons, but exhibit enhanced physical and radiobiological benefits. With increasing development in technical and clinical research, more facilities are being installed in the world. At the same time, many critical techniques of heavy-ion therapy facility were optimized and completed. This paper classifed and reviewed the basic structure of heavy-ion system equipments, especially the accelerator, gantry , nozzle , TPS.

heavy-ion, tumor therapy, accelerators, gantry

TH774

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.06.010

1671-7104(2014)06-0427-03

2014-06-09

王彤，E-mail: kingsred@163.com

賈少微，E-mail: 2067434673@qq.com