质子重离子治疗装备的相关情况介绍
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关注一、质子治疗的基本原理
质子是带正电的氢粒子，其电荷量与电子相同，但是质量比电子大得多，约是电子的1836倍。质子和其他许多粒子一样，进入人体后由于电离作用能量逐渐损失，但是质子其他粒子进人人体内的能量损失过程和剂量分布曲线有很大的不同。下图为不同射线粒子在人体内的能量损失和剂量分布图，横坐标为进入人体内的深度，纵坐标为相对剂量值。曲线A对应质子，曲线B对应20MeV电子，曲线C对应60钴γ射线。这三种都是放射治疗中较常用的粒子流。
由上图可知，在用60钴照射时，剂量随深度而下降，这就给治疗带来了两个比较严重的问题。第一，对较深处肿瘤，前面正常的细胞要受到比肿瘤处更大的剂量照射。第二，肿瘤后部的正常细胞不可避免地要受到较大的辐射而受到损伤。用电子照射时，这两个问题也存在，但是比60钴γ射线以及X射线的危害要小。
代表质子的曲线A有这样的特点：缓慢上升一段后，急速到达峰值，后急速下降。这个剂量峰称作Bragg峰。对于很小的肿瘤，只要将Bragg峰对准它，那么肿瘤处就能接受到最大的剂量值。对于较大的肿瘤，可以通过调制质子能量使Bragg峰展宽到和肿瘤厚度相当的水平再进行治疗。肿瘤前的正常细胞只受到相对较小的剂量值，同样的治疗方式下受到的伤害低于60钴和电子治疗水平，肿瘤后的正常细胞基本不受伤害。
二、质子治疗装置的构成框图
（一）质子加速器
利用直流高压电场进行加速的加速器能量较低，利用感应涡旋电场进行加速的加速器只能加速电子。质子治疗需要较高能量的质子，只能由高频谐振加速器获得。一般来说，为使质子束能治疗深度为30cm到315cm的肿瘤，需要一台70~230MeV的质子加速器。
质子加速器类型基本是以下几种：
1) 同步加速器
2) 回旋加速器
3) 同步回旋加速器
4) 直线加速器。
这几种加速器孰优孰劣历来有较大争议。回旋加速器最大的优点在于操作方便，但是它需要额外配置能量选择系统，因为它不具备能量可调性，而且它的束流品质不如其他两类加速器好。同步加速器的优势在于输出能量可调，不需要再配置能量选择系统，但是它操作起来比较复杂，占地面积大。直线加速器也能实现输出能量可调，而且它的束流品质特别优良。
（二）能量选择系统
质子治疗时要根据肿瘤本身深度和厚度用不同能量的质子，而回旋加速器引出的质子流能量是固定的，因此要在加速器与治疗头之间有一个能量选择系统，这个系统由降能器与离子光学用的各种磁铁与测量元件所组成。当质子通过石墨层时，石墨厚度大则降低的能量越大，故用不同的厚度就可以得到不同的降能。当加速器引出的230MeV固定能量的质子进入能量选择系统，通过调节降能器的不同厚度，就可以在输出端得到从70MeV到 230MeV连续可调的不同能量的质子流。
（三）束流运输系统和旋转机架
束流运输系统的任务是将加速器产生的质子束送到患者的治疗部位附近。沿着束流运输管道安放着四极磁铁、偏转磁铁、导向磁铁、束流测量设备和真空设备。四极磁铁的任务是对质子束进行聚焦。偏转磁铁的任务是改变束流的方向。导向磁铁的任务是纠正质子束在系统安装时产生的偏离。
患者在治疗室中往往需要用较长时间进行定位，为了充分利用加速器的束流，质子治疗装置通常配置多个治疗室，各个治疗室在照射时间上相互错开。治疗室分为固定束治疗室和转动束治疗室，转动束治疗室中配有旋转机架，它们能环绕卧姿患者进行转动，以便质子束从不同方向对靶区进行照射。
从加速器引出的质子束先进入主束线，然后根据需要转入不同的支束线进入治疗室。主束线和支束线的交界处配置偏转磁铁改变束流方向，这种偏转磁铁又称为开关磁铁。
（四）治疗头和定位准直系统
为将加速器引出的束流扩展成较大且均匀的质子流，覆盖所有肿瘤横向面积，需要有一个束流配送系统。为了将质子流形成一个扩展布拉格峰，能照射到肿瘤的整个纵向深度，需要有一个束流能量调制器。所有这类专用功能的部件，共十多种都装在治疗头内。例如：
① 降能器：用于较大幅度降低质子能量，常用的降能器是一个石墨柱体，外加不锈钢壳作为保护。
② 转动调制器：用于质子束的射程调制。
③ 二进制调能器：用于射程细调。
④ 射程补偿器：确保扩展Bragg峰后沿恰好落在靶区后方边界上。
⑤ 散射系统：目前运用最广泛的束流扩展系统，其中单散射系统只适用于照射野很小的情况，大量应用的都是双散射系统。
⑥ 准直器：用于限制照射野，一般配有射程监测器监测质子射程。
⑦ 定位系统：用于使质子束精确地辐射在肿瘤病灶部位。
（五）其他系统
① 剂量验证系统：为了确保在治疗时的真实质子治疗剂量参数达到治疗的规定要求值，同时保证安全和疗效，必须有一套剂量验证系统进行治疗剂量的实时监测。
② 治疗计划系统：本质是一个专用于质子治疗的软件，医生根据患者的有关诊断信息，用这个软件来制定患者的治疗方案，并确定设备运行参数。
③ 治疗控制系统：将质子治疗系统中各个独立完成某一特定功能的设备相互连接在一起，通过专用应用软件按治疗要求使所有设备协调地进行工作。
④ 治疗安全系统：用于保证患者和医务人员不受辐射伤害。
三、发展历史
质子治疗思想是1946年提出的，到1954年美国加利福尼亚大学辐射实验室进行了世界上第一例质子治疗。截止到2003年，全世界质子治疗患者总数累计超过3万人，质子治疗的疗效被充分肯定。世界上的质子治疗中心截止到03年共有20个，其中美国有6个（其中2个已经退役），前苏联有3个，日本有4个，欧洲有7个，加拿大和南非各有1个。其中5个是装备有专用质子治疗加速器和旋转机架的现代化大型质子治疗中心，其中日本有3个，美国有2个。
质子治疗技术的发展经历了质子放射手术、眼部质子治疗、较大照射野的质子治疗3个阶段，但是较简单的质子放射手术至今仍在发挥作用。质子加速器的发展也经历了同步加速器、同步回旋加速器、回旋加速器、直线加速器4个阶段，并且按照能量越来越高的趋势发展。同样，这4种加速器至今也都在使用。
四、质子治疗的肿瘤适应者市场
就目前而言，我们对质子和重离子治疗的最佳治疗适应症还不十分清楚。但是据Amaldi的欧洲统计数据说明，在欧洲总人口中，每年有0.2%的患者需要进行放射治疗，期中的10%（即相应总人口的0.02%）癌症患者用质子治疗能得到更好的控制。期中又有20%（相应总人口的0.04%）的癌症患者具有抗阻性。在抗阻性癌症中，有1/3~1/2（相应总人口的0.01%）癌症适应于重离子治疗。
当前欧洲的百万人口中，每年有4000名癌症患者。期中半数需要常规放射治疗，在所有常规放疗患者中，12%~15%用质子放疗会有更佳效果。此外约有3%用X射线放疗的抗放射患者，用碳离子治疗比用质子或X线放疗更有效果。因此5700万人口的意大利，应该具有3个放疗室的碳离子治疗中心和5个基于医院的质子放疗中心。
中国目前没有这方面的统计，但是中国的癌症发病率和欧洲相当。因此可以根据欧洲的情况来类推。在中国13亿人口中，每年25万患者适合于用质子治疗，每年12万患者适合于重离子放疗。当然这个数据是粗糙的，但是也可以看出，质子和重离子治疗在中国的一个市场。
下图是截止2008年3月全世界质子治疗中心的治疗人数和运转中心统计。
根据PTCOG 2011年12月底的统计，全球共有96537名癌症患者做过粒子治疗。期中质子治疗患者83667名，碳离子治疗患者9283名，氦离子治疗2054名，负π粒子治疗1100名，其他粒子治疗433名。
五、对于质子加速器的适应症
理想的放射治疗的必要条件是杀死肿瘤中的全部癌细胞，不伤害患者的正常细胞，且没有复发的后效应等。从医学和经济综合观点来看，尽管质子和重离子是一种先进的治疗粒子，但是也还不是理想的粒子。质子和重离子的治疗也有其有特定的医疗范围。如果按照“只要使肿瘤处照射足够大的使癌细胞致死的剂量，而尽量使肿瘤周围正常细胞少受照射，使副作用最小”的原则来看，只要放疗严格按照质量规范来执行，都是满足此条件的，但是也有30%的局部肿瘤，用常规治疗根本找不出能控制的剂量值。这就需要用质子和重离子来治疗了。
1、 质子和重离子适合于治疗那些接近敏感器官，属于不可手术或用X射线和电子治疗难以达到局部控制的肿瘤。
2、 原来用常规放疗也能治好但是副作用难以全部消除且复发率高的肿瘤，如前列腺
3、 大量儿童患者，由于正常组织处于发育期，一旦放疗受损就会产生畸变致残停滞发育等严重后果的
4、 许多不规则形状的肿瘤，即使用X射线调强治疗也费时费力的肿瘤
5、 对X射线和电子线甚至于质子也难以治疗的具有抗阻性、乏氧型肿瘤，就只能用重离子治疗了。
统计而言，在美国，质子治疗的病症如下表：
而在日本，治疗病症的类型如下表：
在中国，目前还没有一个全国性的统计数据，下图是万杰医院的统计数据，
六、国际上对质子和重离子治疗的看法
1. 欧洲的看法
欧洲有三派，第一派以德国为首，大力赞扬重离子治疗。第二派以瑞士为首，明确表示质子治疗已经成熟，而重离子治疗还存在许多治疗疑点，至今治疗的病例数也少，安全性比质子治疗差，推广治疗还不成熟。第三派认为侄子和重离子各有特点，都要，还不够。
2. 美国的看法
美国既是质子治疗的前驱者，也是重离子治疗的先驱者。当前的点扫描、调强都是在美国创造的。奇怪的是，美国当前专门发展质子治疗，却从不见重离子治疗中心建造的报道，也不见评述重离子治疗的文章。
3. 日本的看法
日本主流派大力赞美重离子，认为冷点后效应根本没事，大部分情况下可以替代质子。最新建的群马中心的同步加速器只有碳离子，不像欧洲的重离子治疗中心都兼有质子，但是也有不少在野派人士持不同意见。
4. 中国医界的看法
在万杰之前，质子和重离子中国都没有装备过。在2003年日本HIMAC报道重离子治疗之前，中国的放射医学界是质子治疗热。在HIMAC报告后，其对肝癌、肺癌二次治愈的报道征服了中国医学界，于是质子热的同时，重离子热也起来了。
2009年Bjorn Hofmann在J。Med。Ethics 上发表了一篇“在质子治疗新技术辩论中的伪命题”，该文充分反映出当前对质子和重离子治疗持反对态度的意见。
1、 质子治疗是提升治疗剂量的希望
正方：质子治疗比常规放疗有更好的剂量分布，肿瘤可以用更高一些的剂量来治疗，正常组织损伤少。因此，应该立即推广。
反方：仅有上述理性看法是不够的，至今还没有质子治疗和常规治疗比较的随机临床试验报告。目前对质子治疗有不同看法，而上述理性优点又没有通过随机控制实验（RCT）科学地加以实验证实。
2、 不需要对新技术的有效性进行论证
正方：大家都承认质子治疗优于X射线治疗，从伦理学角度，已经不需要用RCT对两者进行比较。
反方：由于在有用性、有效性和效率上存在足够的差异，因此若仅从质子比光子“效果更好”这点，做出从伦理上不需要对质子治疗的效果进行论证的结论是一个伪结论，因为还不清楚“效果更好”是什么含义，必须通过RCT来验证才能知道“效果更好”的含义。
3、 质子是先进技术的综合，要促进先进技术的应用
正方：根据历史规律，技术在不断进步，我们要对连续的技术进步抱有信心，质子治疗是先进技术，应促进发展。
反方：上述说法是诡辩，至今有许多新技术因存在怀疑而最终没有实施。历史经验应对新技术提出疑问才是正确的。
对于临床疗效的评估，多数人意见认为，质子治疗的优点是：
① 对治疗多种癌症如前列腺、胸部、肺部、头颈部和脑部肿瘤有效。
② 质子治疗允许提高靶区剂量且正常组织受损少，副作用小
③ 治疗后复发率低，可提高生活质量
少数人意见认为：
① 质子治疗仅在物理性能的设想上比X射线具有更多优点
② 目前仅多用于前列腺治疗
③ 从目前疗效看，除去用在少数儿科肿瘤外，并无绝对明显的证据证明质子治疗要比X射线治疗具有更高超的疗效
④ 质子治疗费用高昂
⑤ 目前公布的质子治疗和X射线调强治疗疗效的比较，因具有商业性因素，非纯医学性，所以不能全信。
但是总体而言，目前还是多数派占有优势。
七、质子治疗中心的建造成本
从美国的已建和在建的专用质子治疗中心的概况表中来看，一个质子治疗中心的造价不菲，至少都是千万美元计。如下图所示。
这样也就引出了另外一个问题，专用质子治疗中心存在以下四大缺陷：
1、 价贵。动则上亿美元的投资。
2、 占地大，要上万平米
3、 建成时间长，超过三年
4、 仅适用于大城市
这四条，即使在发达国家的美国 ，也令大多数的投资者和医务人员望而却步。离子放疗事业，靠这种大全贵的方案是难以普及和推广的。因此设计价廉、体小、建快的紧凑型质子治疗设备，即要求价格在2000万美金以下，占地250平米，建成时间不超过一年，这样才有可能成为今后全球推广和普及的有效工具。
以下是极有希望的下一代质子治疗装置。
1、 美国MEVION S250（Monarch 250 PBRT） 紧凑型质子治疗装置
该系统的核心是一个10T的超导磁铁。用该磁铁制成的回旋加速器是目前世界上最紧凑的质子源。并于2011年试制成功。加速器仅重20t。加速器最高能量250MeV，造价200万美元以内，整个治疗系统的造价大概是2000万美元左右。
这个超导高磁场超小型加速器的样机，直径小于2米，估计是世界上最小的高能医用回旋加速器。
2、 美国介质壁型小型质子治疗装置（dielectric wall accelerator，DWA）
2007年3月首先由LLNL和加利福尼亚大学签订一个合同，通过此合同再发给美国TOMOTHERAPY公司该技术的许可证，允许该公司合法利用DWA成果于民用开发。TOMOTHERAPY出资，研制开发这台基于介质壁加速器技术的小型质子治疗装置。要求其价格低于2000万美元。此外要求研制的介质壁加速器能够安装在小型直线加速器的外壳内，再安装到旋转机架上，使得介质壁加速器能够以患者为中心进行旋转和治疗。此介质壁加速器还能在治疗过程中改变质子束的能量、强度和截面，从而进行先进模式的质子治疗。
介质壁感应加速器是一个约长2m的能加速质子能量到150MeV的直线型加速器，通过一个绝缘的介质壁将重叠的脉冲形成线和束流耦合，在这种多层的高梯度绝缘体中，可产生高达50~100MeV/m的梯度，形成高能加速器。
2007年开始研制到2010年，美国Tomotherapy公司还没有克服技术难关。并发现原来计划的每米加速到100MeV的技术指标也不现实。后TOMOtherapy专门成立一个子公司，取名紧凑型粒子加速器公司，简称CPAC，并予以特别的资源投入，调整设计指标，但也直到2011年2月才宣布首先研制质子的治疗装置，预计质子能量要高于150MeV，并希望2013年将该装置运到治疗场地进行总装总调。
2011年7月，CPAC宣布已经完成第一个商用介质壁预研样机的建造，在此基础上，开发第一个商用介质壁加速器系统。此系统用的加速梯度开始时约20MeV/m，随后9月份再提高到40MeV/m，最终再超过50MeV/m，计划2013年能研制成功一个加速管全场约4米的150MeV的介质壁质子治疗装置。
2012年5月CPAC宣布一个介质壁加速器的样机已经在CPAC运行了约18个月。今后计划开发的150MeV的介质壁质子治疗装置可以适用于许多种癌症，其价格要远小于市销的质子治疗系统，占地也大大减小，建造周期大大缩短，能满足有需用质子治疗的用户。
3、 激光加速器型质子治疗装置
4、 美国ProTom Radiance 330紧凑型质子治疗装置
该型设备于2012年5月前就已经研制成功。同步加速器的外环直径少于4.9米，周长约16m，全部总重15t。设计指标是30~330MeV的质子，能散0.15%。在一秒内加速质子到330MeV。一般的质子治疗装置需要1亿美金，220t的设备，占地10000平米。而这个ProTom系统只需要2500万美元，500平米的占地面积，重15t。资金面积均不到以前的1/4，具有较强的竞争力。
编者按：本文写作时间较早，大概是写于2011年和2012年之间。本文的一些数据信息目前也可能有些变化，大致大致的趋势不会变。
作者简介
田新智
高级工程师、中国医疗器械行业协会肿瘤粒子治疗器械与技术专业委员会常委、中国生物医学工程协会精确放疗技术委员会委员、中国医学装备协会放射治疗设备与技术专业委员会委员、中国粒子加速器学会应用物理分会委员。
先后在广东威达医疗器械有限公司、宁波电子加速器技术研究所（现宁波超能股份有限公司）、北京清华同方核技术有限公司（现同方威视有限公司）从事医用、辐照和探测加速器工作近20年，2005年--2018年间，就职于沈阳东软医疗系统有限公司。先后任放疗产品研发部技术总监、研发部部长、RT事业部副总经理、RNM事业部副总经理兼电子研发部部长等职。
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