質子治療相關設備技術特點分析

趙 木，常 晟，尚自強

（1.中核質子（北京）科技發展股份有限公司，北京 100037；2.國電龍源節能技術有限公司，北京100039；3.中國寶原投資有限公司，北京 100143）

0 引言

目前，手術、化療和放療是惡性腫瘤治療的主要方法，一般根據患者腫瘤的性質、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，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，使得現代放療技術邁入了一個嶄新的發展時代[1-4]。帶電粒子束包括由回旋加速器或同步加速器產生的質子或重離子，其中質子治療由于安全性好、技術成熟被廣泛推廣。

質子治療與不斷改進的常規放療有根本的不同[5]：常規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劑量分布，也導致周圍組織受到較大輻射損傷。質子治療的質子束在腫瘤區有極好的劑量分布，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量。

由于質子治療主工藝系統技術密集、研發成本高、建設投資大、回報周期長、運行維護費用高等原因，質子治療中心主要集中在發達國家。目前，我國腫瘤發病率、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個質子治療中心計算，我國未來需要約130個質子治療中心。質子治療中心[7]是以主工藝系統為核心的，因此主工藝技術方案的選擇是質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工作。質子治療項目最終是通過工程項目實現主工藝系統的醫療目的，因此主工藝系統技術成熟度、設備選擇、治療室數量、治療方式等因素直接關系到治療能力與質子治療中心運營情況[8]。

1 質子治療特點

質子束進入人體組織時，Bragg曲線先是形成一個低平坦段，在射程末端會產生一個急劇上升的Bragg峰，峰后面的能量則驟降為零。質子治療就是利用質子能量損失集中于射程末端的特性，調節質子束能量，并且擴展Bragg峰的寬度，使質子能量釋放區處于不同深度和大小的腫瘤位置。在到達腫瘤前，質子穿過的正常組織受到的損傷較小；同時，由于質子已經停在腫瘤部位，腫瘤后面的正常組織基本不受影響。質子治療系統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育，而質子治療對非靶區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，質子束流比重離子束流在同一組織中引起的生物學效應更低，質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，因此質子治療在腫瘤治療中具有較好的應用前景。

2 質子治療過程

在確定腫瘤患者采用質子治療方式后，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定并設定中心點和照射方向。放療醫生在放射治療計劃系統（therapy planning system，TPS）軟件上進行靶區勾畫以及給定放療的處方劑量，這是決定放療質量最復雜、最關鍵的步驟。通過勾畫腫瘤靶區和正常組織的靶區，更精準地確定腫瘤靶區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，結合質子治療設備的特點，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。質子治療系統是以劑量為驅動的病灶治療，故照射控制系統由劑量測量系統驅動實現劑量控制。行質子治療時，將患者固定在六維治療床（椅）后，利用定位準直系統將治療頭的等中心點和設定的中心點重合，并符合照射方向的需求。同時，在治療室內采用錐形束CT（cone beam CT，CBCT）圖像引導方式，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發現患者組織結構中腫瘤信息變化情況，并判斷腫瘤治療效果。

3 主工藝技術分析

目前，質子治療設備各生產廠家主要進行系統集成，提供相對定型的產品。主工藝設備的選擇首先要面向需求，如醫院情況（包括專業特長、空間、使用習慣等）、患者來源及預估量等。從設備角度考慮，質子治療中心1臺加速器可以配備2~4個旋轉機架治療室和1~2個固定束治療室，最多可配備5個治療室。一般情況下，治療室數量根據用戶需求與技術情況做增減。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。

主工藝技術的選擇需要結合用戶需求與設備性能綜合考慮，具體如下。

3.1 加速器

加速器產生的質子束流質量需要滿足后端治療要求。質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，且需要質子直線加速器作為注入器，但具有能量可變、束流品質高、單件尺寸小等優點?；匦铀倨鳎ㄈ鐖D1所示）直徑一般在4.0~4.6 m，總質量約200 t，具有引出連續束流的優點，適合目前最先進的快掃描治療技術，但能量固定，引出效率相對較低。近年出現的緊湊型超導回旋加速器引出效率高，適合在醫院安裝使用，相比普通回旋加速器，運營費用更低。

為了減少治療次數和時間，腫瘤治療向低分次、大劑量趨勢發展，此模式需要加速器提供不間斷的質子束流，所以回旋加速器是更適合的選擇?？焖僬{強掃描技術已經逐步發展為主要的質子治療方式，等時性超導回旋加速器具有尺寸小、質量輕、束流連續、流強可快速變化、磁場間隙大、效率高、運行功耗低等優勢，適合與快速調強掃描的質子治療技術匹配。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定度在3%以內的加速器更適合于點掃描治療。

3.2 束流傳輸系統

圖1 回旋加速器基本構成圖

圖2 束流線

束流傳輸系統的主要作用是將加速器引出的質子束流，根據腫瘤治療的束流需求調節到所需能量和品質（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。由加速器引出的質子束流經過能量選擇系統（僅回旋加速器）和束流傳輸系統，通過一系列聚焦、導向、監測、偏轉等，被傳輸到旋轉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換以滿足治療要求。根據病灶深度對質子能量的需求，回旋加速器在束流傳輸線上需要降能器調節質子的能量，以適應病灶深度的需求。為了提高治療效率，要求束流傳輸系統具有快速能量調節能力、較高的束流傳輸效率及低的束流損失。目前，國外企業研發的超導束流傳輸系統減小了磁鐵及旋轉機架的尺寸與質量，但超導磁鐵在磁場切換時間上要慢于普通磁鐵。

3.3 旋轉機架

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

圖3 旋轉機架

3.4 治療頭

經過多年的發展，治療頭已經從最初的散射束治療頭發展到快速鉛筆束掃描治療頭（如圖4所示）。目前，呼吸門控等技術并沒有完全成熟，散射束治療頭治療體內運動器官還有很大的應用空間。鉛筆束掃描治療頭也發展出點掃描、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。其束流的調制時間不超過150 μs，束流控制方式復雜，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

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

后端治療系統通常采用激光定位和CBCT圖像引導相結合的方式。激光定位燈放置在旋轉機架治療頭上，具有定位標記靶區的位置及保證體位重復性的功能，而且在放療的實施過程中，它除了保證體位重復性及治療準確性外還可充當源皮距燈，具有擺位功能。在治療室內采用CBCT圖像引導方式，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，給出比常用正交準直系統更精確的定位結果。目前，多數生產企業已經把CBCT加入到治療室內，根據安放方式主要分為2種：（1）安放在旋轉機架上，跟隨旋轉機架一起運動；（2）安放在治療床上，獨立運動。

4 質子治療中心功能設計

質子治療中心建筑設計可以與主工藝系統選擇同時開始，明確主要的功能區域。由設備供應商、醫院及項目建設方組成策劃小組進行詳細的醫療工藝策劃，提出需求并形成醫療任務書，包括主工藝系統選型、布置，輔助設備，建筑規模，治療能力等。

質子治療中心建筑方案首先明確加速器、束流線、治療艙等主工藝設備的選型、布置與數量，在此基礎上配套主工藝附屬系統。建筑設計要滿足醫院的標準要求，同時滿足質子項目的功能要求，主要包括門診區、定位檢查區、辦公區、治療準備區、質子治療區等功能區域（如圖5所示）。

目前，新建立的質子治療中心開診后12個月可達到正常工作狀態。質子治療中心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。根據一個治療室年治療能力、治療天數及每天患者數量、工作時間，計算出患者更衣、準備、等候、留觀等時間和需求。從醫生、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、準備、急救、留觀、人文關懷等空間需求。建筑空間布局中合理設計內部橫向與縱向交通，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，因此可以設置一定數量的病床。

圖5 質子治療中心功能分區示意圖

5 展望

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