王 彤，肖 平，賈少微，袁克虹，楊紅杰

1 北京大學深圳醫(yī)院，深圳市，518036

2 清華大學深圳研究生院，深圳市，518055

重離子腫瘤治療裝置的基本構成

【作者】王 彤1,2，肖 平1，賈少微1，袁克虹2，楊紅杰1

1 北京大學深圳醫(yī)院，深圳市，518036

2 清華大學深圳研究生院，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上更具優(yōu)勢。隨著技術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)裝置的基本構成，包括加速器、旋轉(zhuǎn)機架、治療頭和治療計劃系統(tǒng)。

重離子；腫瘤治療；加速器；旋轉(zhuǎn)機架

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^間隙磁場對離子進行加速，離子運動軌跡類似一個螺旋線，其磁場強度決定了加速器尺寸，而且可以提供穩(wěn)定束流強度，但很少能夠調(diào)節(jié)參數(shù)，需要其他裝置配合調(diào)制強度。同步加速器是由多級磁鐵組成的狹窄真空環(huán)，離子在環(huán)內(nèi)反復循環(huán)獲得加速，其能量可變，但是需要注入和引出系統(tǒng)，操作相對復雜。

可靠性和穩(wěn)定性一直是重離子加速器設計要求的基礎，通常要保證加速器系統(tǒng)的可靠性在98%以上[6]，與此同時也要考慮核物理和核化學反應所造成的影響。重離子束具有固有分裂效應，穿透物質(zhì)后在橫截面上會產(chǎn)生3個α離子，容易產(chǎn)生較輕離子并引起橫向陰影擴大和后沿下降，而回旋加速器能量不可變，需要結合能量調(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)學中心[4]。超導回旋技術能夠有效解決采用回旋加速器加速重離子問題。美國Michigan州立大學國家超導回旋加速器實驗室（NSCL/MSU）研制出第一臺250 Mev的超導回旋加速器，并承建了瑞士保羅謝勒研究所（Paul-Scherrer-Institute, PSI）的PROSCAN建設項目。激光脈沖型加速器設計方案也是未來的發(fā)展方向，但困難很大，短期恐不能實現(xiàn)。

2 旋轉(zhuǎn)機架

為減少單一固定束對腫瘤前方正常組織的過度傷害，一般采用多個方向進行照射，旋轉(zhuǎn)機架的產(chǎn)生有效地解決了這一問題。機架裝置包含一個能夠±180°轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺內(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大學醫(yī)學中心設計了第一臺質(zhì)子旋轉(zhuǎn)機架，隨后比利時、日本、瑞士、德國等國家相繼開發(fā)出了不同類型的旋轉(zhuǎn)機架，并逐漸向“小”、“輕”、“廉”方向發(fā)展[7]。德國GSI首先建成了一臺重離子旋轉(zhuǎn)機架，日本HIMAC最初只設計了固定束機架，2006年才開始建造重離子旋轉(zhuǎn)機架[1]。

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

3 治療頭

治療頭實際上是一個“束流性能轉(zhuǎn)換裝置”，把束流照射野擴展到整個計算靶容積（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]。其中如何實現(xiàn)“橫向束流擴展”是治療頭的核心技術，其實現(xiàn)方式主要分為兩種：散射法（scattering）和掃描法(scanning)，也可以稱為“被動法”和“主動法”。

3.1 被動束流散射法

Moliere提出的多次庫倫散射效應（multiple Coulomb scattering, CMS）是公認的用于計算入射粒子類型、能量、材料與散射角特性之間關系的函數(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)過相繼的兩個散射體后橫向范圍得到擴展。雙散射法中的第一個散射體是均勻的，束流經(jīng)過第一個散射體后產(chǎn)生高斯分布，第二個散射體則是不均勻的，通過對高斯分布進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）控制擴展Bragg峰（spreadout Bragg peak, SOBP）的深度，準直器保證束流不會損傷腫瘤外邊緣的正常組織，補償器防止腫瘤后部的組織受損，最終實現(xiàn)覆蓋腫瘤PTV并最大限度的保護正常組織。圖1為雙散射被動束形調(diào)整的示意圖。目前被動束流擴展技術已應用在離子治療設備中，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，是一種主動型的束流擴展方法，一般可分為靜態(tài)和動態(tài)掃描兩種方式[11]。筆形束掃描將PTV劃分為很多細小尺寸空間，離子束有順序地移動和重疊掃描，將劑量傳遞到腫瘤區(qū)域。這種掃描方式具有很多優(yōu)點：① 原則上能夠覆蓋任何不規(guī)則空間，實現(xiàn)真正的3D適形劑量分布；② 掃描路徑是按照體素逐個移動，相鄰體素間的劑量可以相互補償，提高了劑量的利用率；③ 束流掃描不需要降能器、準直器和補償器等裝置，降低這些裝置的生產(chǎn)和維護成本，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)的輻射場是經(jīng)過固有強度進行調(diào)制的，類似于光子治療中的調(diào)強治療（intensitymodulated particle therapy, IMRT）技術，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)子束點掃描（spot scanning）試點研究。與此同時，GSI開發(fā)了光柵掃描（raster scanning）技術。美國瓦里安（Varian）公司的ProBeam質(zhì)子治療設備已經(jīng)廣泛采用筆形束掃描技術，而且已經(jīng)在全球市場得到推廣。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的國家。

3.3 運動補償技術

器官運動降低了靶區(qū)劑量的均勻性，明顯導致治療誤差，因為筆形束掃描存在局限性，所以目前掃描技術主要集中在頭頸部等移動度較小的腫瘤位置。多次掃描、呼吸門控和主動跟蹤技術已經(jīng)逐漸用于補償靶區(qū)運動造成的影響。多次掃描技術通過減少單次照射劑量而增加次數(shù)消除劑量冷點和熱點，包括層多次掃描和體多次掃描兩種方法。門控技術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)運功信號控制束流只在呼吸末對靶區(qū)進行照射[13]。主動跟蹤技術是目前能夠解決器官移動問題最精確的技術，但對靶區(qū)運動信息要求高，需要配合高精度探測設備，距離臨床推廣還有很長的距離[14]。

4 治療計劃系統(tǒng)

治療計劃系統(tǒng)( treatment planning system, TPS)輔助醫(yī)生完成治療計劃和治療過程，是粒子治療中必不可少的軟件系統(tǒng)。目前設計的TPS系統(tǒng)主要由圖像處理模塊和劑量計算模塊組成。圖像處理模塊組要實現(xiàn)對CT、MR、PET或者融合圖像的讀取、三維重建、自動或手動分割，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、圖像引導治療、動態(tài)適形治療等治療計劃。重離子也需要一個相似的治療計劃應用軟件。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系，其計算理論基礎與質(zhì)子完全不同。三菱電機的TPS系統(tǒng)將重離子RBE做成了對照表，GSI則嘗試確定RBE在體內(nèi)的函數(shù)關系。重離子治療計劃系統(tǒng)仍在進一步發(fā)展當中。

5 全球重離子治療裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前全球共計60臺質(zhì)子和重離子治療設備，投入使用和在建重離子設備僅有10臺。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域后，日本三菱電機、日立等公司成為全球重離子研究和建造的領跑者，占有60%的市場份額。中國科學院近代物理研究研制出的具有自主知識產(chǎn)權的重離子治療裝置，在加速器、束流傳輸、高精度的治療頭以及精準的定位和TPS系統(tǒng)等技術上都得到了國際認可。至2013年底中國科學院近代物理研究所基于蘭州重離子研究裝置共進行213例腫瘤患者(103例淺層和110例深層)的試驗治療，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實現(xiàn)重離子束治療腫瘤臨床試驗研究的國家[17]。

重離子治療裝置過于龐大，使得基礎設施建設、設備制造與運輸、系統(tǒng)維修保養(yǎng)耗時耗力，三菱公司所提供的最快建造時間也需4年以上，所以重離子設備的小型化已經(jīng)成為研究重點。另外將質(zhì)子和重離子集成在同一設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套運行和在建的雙頻線治療裝置[18]。

6 結語

近年來北京、上海、廣州、深圳、香港和臺灣等地均已開始重離子治療裝置的調(diào)研與立項。我國一方面要推動國產(chǎn)治療裝置的產(chǎn)業(yè)化，在高端醫(yī)療市場占領一席之地，也應適當引進國際最先進的重離子治療裝置，既能滿足國內(nèi)供不應求的治療需求，又可快速提升國內(nèi)臨床應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