張偉，王貞麗，郭申波

1.青島大學醫(yī)學院附屬醫(yī)院 醫(yī)學工程科，山東 青島 266003；2.濟南軍區(qū)青島第一療養(yǎng)院 綜合科，山東 青島 266001；3.青島大學醫(yī)學院 人體機能中心，山東 青島 266023

腫瘤放療前沿：質(zhì)子治療系統(tǒng)

張偉1，王貞麗2，郭申波3

1.青島大學醫(yī)學院附屬醫(yī)院 醫(yī)學工程科，山東 青島 266003；2.濟南軍區(qū)青島第一療養(yǎng)院 綜合科，山東 青島 266001；3.青島大學醫(yī)學院 人體機能中心，山東 青島 266023

本文介紹了質(zhì)子治療的原理、特點及優(yōu)勢，并闡述了質(zhì)子治療系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷程及其臨床應用現(xiàn)狀，指出質(zhì)子治療作為前沿放療技術(shù)將為腫瘤治療帶來新的發(fā)展方向。

腫瘤放療；質(zhì)子治療系統(tǒng)；Bragg峰；回旋加速器；同步加速器

0 前言

從早期常規(guī)放射治療設(shè)備到以醫(yī)用直線加速器為代表的放療治療系統(tǒng)，放療技術(shù)發(fā)展迅速。其中質(zhì)子治療已成為醫(yī)學物理界的前沿熱點，它是在電子直線加速器基礎(chǔ)上的質(zhì)的飛躍[1-3]。自1946年美國哈佛大學Wilson提出質(zhì)子治療建議以來，質(zhì)子治療經(jīng)歷了漫長的發(fā)展道路。質(zhì)子治療作為最新的放射治療技術(shù)，國內(nèi)相關(guān)報道較少，本文主要介紹這一新技術(shù)的特點、優(yōu)勢及其設(shè)備的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，旨在為腫瘤治療提供相關(guān)信息。

1 質(zhì)子治療概述

1.1 原理

質(zhì)子與中子結(jié)合形成各種原子核，再加上電子，組成各種元素。質(zhì)子粒子極其微小，帶正電，可以經(jīng)電場高速運動，產(chǎn)生極高的能量。質(zhì)子在人體內(nèi)是直線型照射前進的，用于放射治療的質(zhì)子是氫（H2）電離后形成的。質(zhì)子在人體中的能量衰減速度起初不大，后快速上升形成一個峰值，通常稱為Bragg峰（布拉格峰），然后又急速下降到零，見圖1。

圖1 質(zhì)子線與X線在機體內(nèi)的吸收劑量分布特征曲線比較

早在20世紀50年代人們就己知道質(zhì)子治療的原理，但是受定位精度、質(zhì)子加速器、計算機傳輸速率等條件的限制，直到21世紀質(zhì)子治療才在加速器應用技術(shù)、計算機技術(shù)和CT影像診斷技術(shù)等高科技的基礎(chǔ)上逐步得到了發(fā)展。目前放射治療技術(shù)雖在腫瘤治療中取得了明顯療效，但由于X射線、γ射線等放射線以指數(shù)形式衰減，射程無法控制，所以對正常組織的損傷較大。而質(zhì)子射線在能量釋放過程中會出現(xiàn)Bragg峰，這種Bragg峰的優(yōu)良劑量分布促使質(zhì)子束的能量能集中釋放在癌細胞處[4]。用自動化技術(shù)人為控制射線能量釋放的方向和部位，稱為“定點爆破”技術(shù)，可顯著提高腫瘤的治療劑量，同時減少正常組織的損傷。質(zhì)子治療時，質(zhì)子峰值部分對準腫瘤病灶處，腫瘤處受照劑量最大，而腫瘤前方的正常細胞的受照劑量只有峰值的1/3～1/2，腫瘤后方的正常細胞基本上不會受到任何放射損害。這種物理特性決定質(zhì)子治療比電子線、γ射線、X射線等目前主要的腫瘤放療手段，在腫瘤治療上有能量大、穿透力強、對周邊組織損傷小和治療時間短等顯著優(yōu)勢[5]。此外質(zhì)子還有半影小、旁散射少等優(yōu)良特性，因而質(zhì)子治療被認為是當前最先進的腫瘤放射治療技術(shù)。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

質(zhì)子治療系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是射線源發(fā)生器，有回旋加速器和同步加速器兩種。最早在美國進行的治療實驗采用的是核物理研究用的回旋加速器。隨著治療實驗的進一步深入，美國FNAL實驗室首先研制了治療專用的同步加速器。質(zhì)子治療系統(tǒng)主要由加速器、能量選擇系統(tǒng)、束流輸運系統(tǒng)、治療頭、控制系統(tǒng)、劑量測量與定標系統(tǒng)以及治療與裝置數(shù)據(jù)庫、專用準直器與補償器加工中心、呼吸門開關(guān)控制等部分組成。

與傳統(tǒng)放療技術(shù)相比，質(zhì)子治療具有以下優(yōu)勢：① 提高腫瘤照射水平。治療用的質(zhì)子束需要根據(jù)病人病變情況進行精細改造，以達到最佳劑量分布，符合治療需求。②提高局部控制率。質(zhì)子治療可使腫瘤接受最大照射劑量，而正常細胞基本上不會受到傷害，降低了由于腫瘤局部劑量不足導致治療失敗的可能。③ 減少并發(fā)癥。普通放射線在殺死癌細胞的同時會損傷癌細胞周圍的正常組織，引發(fā)嚴重的并發(fā)癥。質(zhì)子治療由于其特殊的物理特性能夠顯著減少治療后的并發(fā)癥，還能降低患者繼發(fā)第2種腫瘤的風險。④ 加強放、化療的治療效果。和傳統(tǒng)治療方法聯(lián)合使用，質(zhì)子治療還可以提高患者的生存期。日本筑波大學的研究表明，肝癌患者在接受質(zhì)子治療后，中位生存期提高到29個月，Ⅰ期+Ⅱ期患者的5年生存率達到了46%；前列腺癌患者在接受質(zhì)子治療后，5年生存率提高到84%～94%。

2 質(zhì)子治療系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

1946年Wilson首次提出了將高能粒子用于放射治療的設(shè)想，他詳細地描述了人體內(nèi)各種高速粒子的深度計量分布圖-Bragg峰。1954年Tobias等人在美國加州大學進行了世界上第1例質(zhì)子治療。此后瑞典Uppsala大學、美國哈佛回旋加速器實驗室、前蘇聯(lián)等相繼開展了質(zhì)子治療的臨床研究。20世紀80年代末，日本、瑞士、瑞典及英格蘭的科學家們紛紛加入這一研究行列。1991年美國Loma Linda大學醫(yī)學中心首先啟用了專為醫(yī)學設(shè)計的質(zhì)子裝置。此裝置體積小、費用低，正式宣告質(zhì)子治療進入臨床醫(yī)學領(lǐng)域。1986年第1個國際性粒子治療協(xié)作組成立，目前已有包含美國、日本、俄羅斯、德國、瑞士、瑞典、英國、法國、南非、加拿大、意大利、中國等在內(nèi)的26個國家的研究中心正在開展質(zhì)子治療[6]。

2.2 應用現(xiàn)狀

1975年，美國麻省總醫(yī)院和哈佛大學將質(zhì)子治療應用于眼球脈絡膜黑色素瘤、顱底軟骨瘤、脊索瘤和前列腺癌。1976年，美國馬薩諸塞州將質(zhì)子治療引入眼葡萄膜黑色素瘤的治療中。1979年，日本也開始進行腫瘤質(zhì)子治療。20世紀80年代后期，日本筑波大學在肝癌、食道癌、肺癌等內(nèi)臟器官腫瘤上做了大量臨床研究工作。20世紀90年代初期，我國研究人員開始學習質(zhì)子治療的基礎(chǔ)知識、物理知識以及臨床知識等。1995年國家科委啟動了國家攀登計劃“核醫(yī)學與放療中先進技術(shù)的基礎(chǔ)研究”，明確了中國發(fā)展先進放療技術(shù)基礎(chǔ)研究的戰(zhàn)略。為進一步促進該技術(shù)在中國的發(fā)展，1999年中國科學院高能物理研究所邀請部分專家撰寫了《質(zhì)子治療技術(shù)基礎(chǔ)》，2004年北京質(zhì)子醫(yī)療中心組織了腫瘤醫(yī)學、高能物理、醫(yī)學工程、環(huán)境保護、輻射防護等領(lǐng)域的專家編寫了《腫瘤質(zhì)子治療學》，以使國內(nèi)放射腫瘤學界學者們較全面地了解質(zhì)子治療的發(fā)展歷史、相關(guān)物理學和生物學基礎(chǔ)、治療裝置構(gòu)成及臨床治療結(jié)果等。2004年11月，國內(nèi)第1臺醫(yī)用質(zhì)子治療系統(tǒng)在山東淄博萬杰醫(yī)院建成并應用于臨床，至今已用于治療200多例腫瘤患者[6]。

目前質(zhì)子治療的適應癥主要包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤如腦轉(zhuǎn)移瘤、垂體瘤、腦動靜脈畸形、腦膜瘤、星形細胞瘤等；顱底腫瘤如脊索瘤、軟骨肉瘤等；眼部脈絡膜黑色素瘤、黃斑變性、眼眶腫瘤等；頭頸部腫瘤如鼻咽癌、口咽癌等；胸腹部腫瘤如肺癌、肝癌、食道癌等；盆腔腫瘤如前列腺癌、子宮腫瘤及脊索瘤、軟骨瘤等[7-10]。

3 展望

質(zhì)子治療是核技術(shù)、計算機技術(shù)、精密機械、圖像處理、數(shù)據(jù)通訊、自動控制和醫(yī)用影像等相互交叉和整體集成的產(chǎn)物，復雜性高。目前國際上只有歐美少數(shù)幾家大醫(yī)院采用質(zhì)子治療系統(tǒng)開展了腫瘤質(zhì)子治療。相信隨著我國經(jīng)濟、科技的發(fā)展和人們健康意識的不斷增強，在不遠的將來，國內(nèi)也會逐步開展相關(guān)研究工作。

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Tumor Radiotherapy Frontier: Proton Therapy System

ZHANG Wei1, WANG Zhen-li2,GUO Shen-bo3
1.Department of Medical Engineering, The Affiliated Hospital of Medical College, Qingdao University, Qingdao Shandong 266003, China; 2.Department of General Medicine, The First Sanatorium of Jinan Military Area Command, Qingdao Shandong 266001, China; 3.Human Function Center, Medical College, Qingdao University, Qingdao Shandong 266023, China

This paper introduces the principle, features and advantages of proton therapy, and describes the basic structures, development history of proton therapy system with its application status. This paper also points out that proton therapy which is the frontier technology of radiotherapy will bring about a new development direction for oncotherapy.

tumor radiotherapy; proton therapy system; Bragg peak; cyclotron; synchrotron

R197.39；TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.022

1674-1633(2014)03-0069-02

2013-09-03

2013-10-15

作者郵箱：13505327272@163.com