質(zhì)子治療相關(guān)設(shè)備技術(shù)特點分析

趙 木，常 晟，尚自強

（1.中核質(zhì)子（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100037；2.國電龍源節(jié)能技術(shù)有限公司，北京100039；3.中國寶原投資有限公司，北京 100143）

0 引言

目前，手術(shù)、化療和放療是惡性腫瘤治療的主要方法，一般根據(jù)患者腫瘤的性質(zhì)、范圍，腫瘤對周圍器官和組織的侵犯范圍以及患者本身的體質(zhì)，選擇適合每位患者的最佳治療方案。帶電粒子束放療的出現(xiàn)，使得現(xiàn)代放療技術(shù)邁入了一個嶄新的發(fā)展時代[1-4]。帶電粒子束包括由回旋加速器或同步加速器產(chǎn)生的質(zhì)子或重離子，其中質(zhì)子治療由于安全性好、技術(shù)成熟被廣泛推廣。

質(zhì)子治療與不斷改進的常規(guī)放療有根本的不同[5]：常規(guī)放療的射線在穿透人體組織后能量會大量衰減，這既影響了腫瘤靶區(qū)劑量分布，也導(dǎo)致周圍組織受到較大輻射損傷。質(zhì)子治療的質(zhì)子束在腫瘤區(qū)有極好的劑量分布，能量全部釋放，形成布拉格（Bragg）峰；正常組織所受劑量很少，損傷降到最低。因此，質(zhì)子治療既可以提高腫瘤的治療效果，同時又可以改善患者的生活質(zhì)量。

由于質(zhì)子治療主工藝系統(tǒng)技術(shù)密集、研發(fā)成本高、建設(shè)投資大、回報周期長、運行維護費用高等原因，質(zhì)子治療中心主要集中在發(fā)達國家。目前，我國腫瘤發(fā)病率、增長率以及死亡率都處在世界前列[6]，按照每1 000萬人口配置1個質(zhì)子治療中心計算，我國未來需要約130個質(zhì)子治療中心。質(zhì)子治療中心[7]是以主工藝系統(tǒng)為核心的，因此主工藝技術(shù)方案的選擇是質(zhì)子治療項目其他工作開展的前提條件，是項目決策期需要特別重視的基礎(chǔ)工作。質(zhì)子治療項目最終是通過工程項目實現(xiàn)主工藝系統(tǒng)的醫(yī)療目的，因此主工藝系統(tǒng)技術(shù)成熟度、設(shè)備選擇、治療室數(shù)量、治療方式等因素直接關(guān)系到治療能力與質(zhì)子治療中心運營情況[8]。

1 質(zhì)子治療特點

質(zhì)子束進入人體組織時，Bragg曲線先是形成一個低平坦段，在射程末端會產(chǎn)生一個急劇上升的Bragg峰，峰后面的能量則驟降為零。質(zhì)子治療就是利用質(zhì)子能量損失集中于射程末端的特性，調(diào)節(jié)質(zhì)子束能量，并且擴展Bragg峰的寬度，使質(zhì)子能量釋放區(qū)處于不同深度和大小的腫瘤位置。在到達腫瘤前，質(zhì)子穿過的正常組織受到的損傷較?。煌瑫r，由于質(zhì)子已經(jīng)停在腫瘤部位，腫瘤后面的正常組織基本不受影響。質(zhì)子治療系統(tǒng)采用的是全智能化操作，輔助藥物使用少，患者治療后休息30 min即可自由活動。

任何組織的損壞都會影響兒童的生長發(fā)育，而質(zhì)子治療對非靶區(qū)器官和組織照射劑量很低，因此在兒童腫瘤的治療中尤為重要。相同能量下，質(zhì)子束流比重離子束流在同一組織中引起的生物學(xué)效應(yīng)更低，質(zhì)子束流偏離對正常組織的損傷比重離子小，治療時可選擇更多的照射角度，因此質(zhì)子治療在腫瘤治療中具有較好的應(yīng)用前景。

2 質(zhì)子治療過程

在確定腫瘤患者采用質(zhì)子治療方式后，首先進行患者體位固定和模擬定位。模擬定位是利用大孔徑CT、MRI或者PET-CT等設(shè)備模擬腫瘤及正常組織位置等信息，在病灶位置進行腫瘤標(biāo)定并設(shè)定中心點和照射方向。放療醫(yī)生在放射治療計劃系統(tǒng)（therapy planning system，TPS）軟件上進行靶區(qū)勾畫以及給定放療的處方劑量，這是決定放療質(zhì)量最復(fù)雜、最關(guān)鍵的步驟。通過勾畫腫瘤靶區(qū)和正常組織的靶區(qū)，更精準(zhǔn)地確定腫瘤靶區(qū)和需要保護的正常組織器官。物理師在TPS軟件上制訂治療計劃，結(jié)合質(zhì)子治療設(shè)備的特點，可計算出腫瘤和正常組織受到的照射劑量和劑量分布等。在患者進行放療前先進行劑量驗證，以確認患者實際受照劑量與計劃給予劑量相同。質(zhì)子治療系統(tǒng)是以劑量為驅(qū)動的病灶治療，故照射控制系統(tǒng)由劑量測量系統(tǒng)驅(qū)動實現(xiàn)劑量控制。行質(zhì)子治療時，將患者固定在六維治療床（椅）后，利用定位準(zhǔn)直系統(tǒng)將治療頭的等中心點和設(shè)定的中心點重合，并符合照射方向的需求。同時，在治療室內(nèi)采用錐形束CT（cone beam CT，CBCT）圖像引導(dǎo)方式，在三維范疇情況下比較患者治療位置的CT影像和治療計劃的CT影像間的差別。治療后，可通過PET-CT發(fā)現(xiàn)患者組織結(jié)構(gòu)中腫瘤信息變化情況，并判斷腫瘤治療效果。

3 主工藝技術(shù)分析

目前，質(zhì)子治療設(shè)備各生產(chǎn)廠家主要進行系統(tǒng)集成，提供相對定型的產(chǎn)品。主工藝設(shè)備的選擇首先要面向需求，如醫(yī)院情況（包括專業(yè)特長、空間、使用習(xí)慣等）、患者來源及預(yù)估量等。從設(shè)備角度考慮，質(zhì)子治療中心1臺加速器可以配備2~4個旋轉(zhuǎn)機架治療室和1~2個固定束治療室，最多可配備5個治療室。一般情況下，治療室數(shù)量根據(jù)用戶需求與技術(shù)情況做增減。從運行效率和可靠性考慮，平均1臺加速器配備3個治療室左右。

主工藝技術(shù)的選擇需要結(jié)合用戶需求與設(shè)備性能綜合考慮，具體如下。

3.1 加速器

加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流質(zhì)量需要滿足后端治療要求。質(zhì)子加速器主要包括同步加速器[9]和回旋加速器[10]2種類型，一般引出質(zhì)子束流強100~800 nA，能量70~250 MeV。同步加速器直徑一般在5~8 m，且需要質(zhì)子直線加速器作為注入器，但具有能量可變、束流品質(zhì)高、單件尺寸小等優(yōu)點。回旋加速器（如圖1所示）直徑一般在4.0~4.6 m，總質(zhì)量約200 t，具有引出連續(xù)束流的優(yōu)點，適合目前最先進的快掃描治療技術(shù)，但能量固定，引出效率相對較低。近年出現(xiàn)的緊湊型超導(dǎo)回旋加速器引出效率高，適合在醫(yī)院安裝使用，相比普通回旋加速器，運營費用更低。

為了減少治療次數(shù)和時間，腫瘤治療向低分次、大劑量趨勢發(fā)展，此模式需要加速器提供不間斷的質(zhì)子束流，所以回旋加速器是更適合的選擇?？焖僬{(diào)強掃描技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展為主要的質(zhì)子治療方式，等時性超導(dǎo)回旋加速器具有尺寸小、質(zhì)量輕、束流連續(xù)、流強可快速變化、磁場間隙大、效率高、運行功耗低等優(yōu)勢，適合與快速調(diào)強掃描的質(zhì)子治療技術(shù)匹配。加速器性能對治療方式有很大影響，引出束的位置和束流強度的穩(wěn)定度在3%以內(nèi)的加速器更適合于點掃描治療。

3.2 束流傳輸系統(tǒng)

圖1 回旋加速器基本構(gòu)成圖

圖2 束流線

束流傳輸系統(tǒng)的主要作用是將加速器引出的質(zhì)子束流，根據(jù)腫瘤治療的束流需求調(diào)節(jié)到所需能量和品質(zhì)（如圖2所示），按照治療需求將束流及時切換到不同的治療艙。由加速器引出的質(zhì)子束流經(jīng)過能量選擇系統(tǒng)（僅回旋加速器）和束流傳輸系統(tǒng)，通過一系列聚焦、導(dǎo)向、監(jiān)測、偏轉(zhuǎn)等，被傳輸?shù)叫D(zhuǎn)機架治療室或者固定束治療室中，最終由治療頭進行束流性能轉(zhuǎn)換以滿足治療要求。根據(jù)病灶深度對質(zhì)子能量的需求，回旋加速器在束流傳輸線上需要降能器調(diào)節(jié)質(zhì)子的能量，以適應(yīng)病灶深度的需求。為了提高治療效率，要求束流傳輸系統(tǒng)具有快速能量調(diào)節(jié)能力、較高的束流傳輸效率及低的束流損失。目前，國外企業(yè)研發(fā)的超導(dǎo)束流傳輸系統(tǒng)減小了磁鐵及旋轉(zhuǎn)機架的尺寸與質(zhì)量，但超導(dǎo)磁鐵在磁場切換時間上要慢于普通磁鐵。

3.3 旋轉(zhuǎn)機架

束流傳輸系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)機架（如圖3所示）作為載體，實現(xiàn)束流線的旋轉(zhuǎn)與變向功能，從不同方向?qū)Σ≡钸M行照射，減小皮膚與皮下正常組織受到的傷害，更好地保護神經(jīng)組織等重要器官。國際上旋轉(zhuǎn)機架的結(jié)構(gòu)主要有桁架式、整體式及分片式。從機架上安裝的磁鐵模式分，旋轉(zhuǎn)機架可分為常溫磁鐵旋轉(zhuǎn)機架及超導(dǎo)磁鐵旋轉(zhuǎn)機架。常溫旋轉(zhuǎn)機架質(zhì)量通常在100 t以上，半徑約為5 m，長度在9 m左右；超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)機架質(zhì)量通常在50 t以上，半徑約為4.3 m，長度在7 m左右，從質(zhì)量及尺寸上均小于常溫旋轉(zhuǎn)機架，有利于安裝與運行。從掃描方式分，旋轉(zhuǎn)機架可分為前掃描和后掃描2種模式，前掃描旋轉(zhuǎn)機架本身半徑小，但長度增大?？傮w來說，同為常溫磁鐵模式時，前掃描的旋轉(zhuǎn)機架所需的空間體積小于后掃描旋轉(zhuǎn)機架。

圖3 旋轉(zhuǎn)機架

3.4 治療頭

經(jīng)過多年的發(fā)展，治療頭已經(jīng)從最初的散射束治療頭發(fā)展到快速鉛筆束掃描治療頭（如圖4所示）。目前，呼吸門控等技術(shù)并沒有完全成熟，散射束治療頭治療體內(nèi)運動器官還有很大的應(yīng)用空間。鉛筆束掃描治療頭也發(fā)展出點掃描、線掃描、輪廓掃描、光柵掃描等多種方式。鉛筆束掃描治療頭束流利用率高，單位劑量率大，可以大幅縮短腫瘤照射時間，使健康組織照射劑量最小化。其束流的調(diào)制時間不超過150 μs，束流控制方式復(fù)雜，精度要求高，對束流線元件的控制要求和時序要求都非常高，更有利于對腫瘤的精確治療。

圖4 鉛筆束掃描治療頭

3.5 定位與驗證系統(tǒng)

患者腫瘤定位和驗證系統(tǒng)主要包括頭罩固定、體模固定，激光定位、攝像頭可視定位和雙源CT、CBCT等數(shù)字化影像定位系統(tǒng)等。定位系統(tǒng)可以最大程度地保證患者的人身安全，其系統(tǒng)內(nèi)含有多個位置探測器。

后端治療系統(tǒng)通常采用激光定位和CBCT圖像引導(dǎo)相結(jié)合的方式。激光定位燈放置在旋轉(zhuǎn)機架治療頭上，具有定位標(biāo)記靶區(qū)的位置及保證體位重復(fù)性的功能，而且在放療的實施過程中，它除了保證體位重復(fù)性及治療準(zhǔn)確性外還可充當(dāng)源皮距燈，具有擺位功能。在治療室內(nèi)采用CBCT圖像引導(dǎo)方式，可以在三維范疇情況下比較患者治療位置的CT影像和治療計劃的CT影像間的差別，給出比常用正交準(zhǔn)直系統(tǒng)更精確的定位結(jié)果。目前，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)把CBCT加入到治療室內(nèi)，根據(jù)安放方式主要分為2種：（1）安放在旋轉(zhuǎn)機架上，跟隨旋轉(zhuǎn)機架一起運動；（2）安放在治療床上，獨立運動。

4 質(zhì)子治療中心功能設(shè)計

質(zhì)子治療中心建筑設(shè)計可以與主工藝系統(tǒng)選擇同時開始，明確主要的功能區(qū)域。由設(shè)備供應(yīng)商、醫(yī)院及項目建設(shè)方組成策劃小組進行詳細的醫(yī)療工藝策劃，提出需求并形成醫(yī)療任務(wù)書，包括主工藝系統(tǒng)選型、布置，輔助設(shè)備，建筑規(guī)模，治療能力等。

質(zhì)子治療中心建筑方案首先明確加速器、束流線、治療艙等主工藝設(shè)備的選型、布置與數(shù)量，在此基礎(chǔ)上配套主工藝附屬系統(tǒng)。建筑設(shè)計要滿足醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時滿足質(zhì)子項目的功能要求，主要包括門診區(qū)、定位檢查區(qū)、辦公區(qū)、治療準(zhǔn)備區(qū)、質(zhì)子治療區(qū)等功能區(qū)域（如圖5所示）。

目前，新建立的質(zhì)子治療中心開診后12個月可達到正常工作狀態(tài)。質(zhì)子治療中心1個治療室1 a的實際治療量約300名患者，平均1個患者需要照射25~30次，1 a有8 000~9 000照射次。根據(jù)一個治療室年治療能力、治療天數(shù)及每天患者數(shù)量、工作時間，計算出患者更衣、準(zhǔn)備、等候、留觀等時間和需求。從醫(yī)生、物理師、工程師等角度考慮辦公、休息、會議等空間需求，以及不同類患者（如VIP、兒童等）的等候、準(zhǔn)備、急救、留觀、人文關(guān)懷等空間需求。建筑空間布局中合理設(shè)計內(nèi)部橫向與縱向交通，各種人員流、車輛流、污物流及潔物流線等不交叉干擾。質(zhì)子治療患者本身不需要住院，但由于有些患者需要在院觀察或多種治療手段并用等情況，因此可以設(shè)置一定數(shù)量的病床。

圖5 質(zhì)子治療中心功能分區(qū)示意圖

5 展望

質(zhì)子治療由于精準(zhǔn)度高、副作用少等特點，在國內(nèi)外受到越來越高的重視。由于質(zhì)子治療中心初始投資巨大且醫(yī)院場地緊張等問題，質(zhì)子治療設(shè)備將向小型化發(fā)展，但小型化設(shè)備不能以犧牲設(shè)備性能為代價。目前，我國有中科院上海應(yīng)用物理研究所、中國原子能科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)、合肥離子中心等相關(guān)單位大力推進質(zhì)子治療設(shè)備國產(chǎn)化工作。未來，質(zhì)子治療國產(chǎn)化設(shè)備造價更低廉，治療成本將進一步降低，癌癥治療效率將會顯著提高。