淺談醫用質子加速器的應用

劉鵬

摘 要：目的：介紹醫用質子加速器的原理、技術優勢和質子治療在國內的應用現狀。方法：以IBA研發的CYCIAE-235加速器為例，講述其加速器設備構造和產生的質子束在治療腫瘤上面的優勢。結果：質子加速器以其獨特的優勢和穩定性使得其在國內的發展前景將會非常樂觀，醫療應用將會更為普遍。結論：當前的常規治療方法已無法控制癌癥的擴散，必須采用更先進的治療方法，質子加速器的醫療應用開辟了癌癥治療的新途徑。采用質子放療方法治療癌癥腫瘤疾病，標志著我國腫瘤醫療將達到世界先進水平。

關鍵詞：加速器；質子束；醫療應用

產生質子的加速器有很多種，這里主要以醫用回旋加速器[1]為主介紹質子加速器的組成和原理以及在國內的應用。

1 結構

下面是IBA研發的CYCIAE-235加速器。

醫用質子回旋加速器由真空系統、水冷系統、磁鐵系統、離子源、高頻系統、束流監測配送系統、治療應用系統和安全聯鎖系統組成。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構，它綜合了分離扇型回旋加速器和緊湊型回旋加速器的優點。磁鐵由完全對稱的4個扇形磁鐵葉片（上下共8片），上下蓋板和磁軛組成，結構簡單、緊湊。磁鐵重220噸，8個葉片位于真空室內。上下蓋板為真空的組成部分，并與磁軛構成磁閉合通路，同時真空室內部的射線構成了局部屏蔽，有效減少了加速器周圍的放射性劑量。整個主磁鐵分成上、下兩大部分，上蓋板與上面的4個磁極葉片連接在一起，可以用安裝在磁軛堆成兩側的液壓舉升裝置舉起，以便真空室內部部件的安裝、更換和維修。

2 原理和質子射線特性

主磁鐵的中心部分為離子源，離子源使用的氣體為H2，由氫氣發生器在主磁鐵底部產生并通過管道送到離子源燈絲室，燈絲加高壓產生電子進一步電離H2產生質子H+，主磁鐵中心加引出電壓把質子引出，同時經過分離扇型結構的磁極間隙進行加速，當質子能量達到235MeV時被引出。235MeV的質子射線可以穿透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備中，醫用直線加速器產生的X射線和電子束其物理劑量分布和生物效應都在不同程度上傷害腫瘤附近的正常細胞，而且劑量的有效利用率也低；中子和負π粒子的生物效應雖好，但物理劑量分布不好，對正常組織損害過大，都不是理想的治療方法[3]。相比之下，質子加速器提供的質子束有突出的優點。質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峰值 （通常稱為Bragg峰），然后急速下降到零。這種Bragg峰的優良劑量分布促使重離子的能量能集中在癌細胞處釋放。質子束治療時將峰值部分對準腫瘤病灶處，腫瘤處受到最大的照射劑量，腫瘤前的正常細胞只受到1/3到1/2的峰值劑量，腫瘤后部的正常細胞基本上不受到傷害。此外，質子束具有高的LET，導致高的相對生物學效應RBE，使得質子束坪區與Bragg峰區對生物體的作用表現出獨特的生物學效應。這種物理特性和生物學特性決定質子束治療比電子線、伽瑪射線和X射線要好[4]。

3 質子治療發展現狀

質子治療是當前醫學物理界的一大前沿熱點，是在二十世紀電子直線加速器腫瘤放療的基礎上，放療方法的一個新的質的飛躍。 雖然人們早在二十世紀五十年代就己知道其原理，但是由于定位精度遠高于常規放療要求，對產生質子的加速器技術指標，對腫瘤的定位診斷精度，對旋轉機架的等中心點精度，對計算機的快速數據傳輸，處理和醫用影像學等都有很高的要求。因而直到二十一世紀初，才得以在上世紀八十年代后發展起來的加速器應用技術、計算機技術和CT影像診斷技術等高科技的基礎上逐步得到發展和推廣。質子治療裝置是核技術、計算機技術、精密機械、圖像處理、數據通訊、自動控制和醫用影像、醫療方法、先進管理等高科技的相互交叉和整體集成的產物，是一個醫學和核技術的高科技工程，具有相當高的復雜性[5]。

目前的質子治療的相關技術已發展得相當完善，使用可變光闌準直器與專用補償器等的適形治療和鉛筆束掃描治療法，已能將質子控制得幾乎像“量體裁衣”一樣精確地消滅癌細胞而不傷及正常細胞。近幾十年來的質子治療的巨大臨床成就，已使世界醫學界公認質子治療（也包括性質相類似的離子治療）是當前最先進的治癌癥方法。各先進國家的政府都以大力發展粒子治療作為強國健民的方針。近10年內國內山東一家民企已經引進了質子加速器并且嘗試了臨床治療；上海也引進了一款西門子研發的同步加速器，其性能更為優越，既能產生質子也能產生更為先進的重離子，預計2014年可以投入臨床使用。

4 結束語

自1946年威爾森提出質子治療建議以來，全球已經建設近40個專用質子治療中心，已經近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、全面的質子治療加速器的科技工程書籍，嚴重阻礙了該先進治療技術的發展，國家有能力和條件去培養質子治療方面的人才，建立一個長效的培養機制，把質子加速器治療作為利國利民的民生工程，面對中國龐大的癌癥患病人群，爭取在2020年國家能有10家以上的質子治療中心，讓更多的癌癥患者得到更好的治療，屆時中國的癌癥治療技術將會走在世界的前列。

參考文獻

[1]顧本廣.醫用加速器[M].北京：科學出版社，2003

[2]王書鴻等.質子直線加速器原理[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[M].北京：軍事醫學科學出版社，2006，1-5.

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