重离子肿瘤治疗装置的基本构成

王 彤，肖 平，贾少微，袁克虹，杨红杰

1 北京大学深圳医院，深圳市，518036

2 清华大学深圳研究生院，深圳市，518055

重离子肿瘤治疗装置的基本构成

【作者】王 彤1,2，肖 平1，贾少微1，袁克虹2，杨红杰1

1 北京大学深圳医院，深圳市，518036

2 清华大学深圳研究生院，深圳市，518055

重离子与质子具有相似的深度-剂量分布特性，但在物理和放射生物学上更具优势。随着技术和临床研究的不断发展，重离子治疗装置在全球逐渐推广。与此同时重离子装置的核心系统和部件都得到了不断地优化和完善。该文整理和综述了国内外重离子治疗系统装置的基本构成，包括加速器、旋转机架、治疗头和治疗计划系统。

重离子；肿瘤治疗；加速器；旋转机架

0 引言

1 加速器

加速器是束流的生产装置，目前世界上专用的质子和重离子治疗中心，基本上采用三种类型：直线加速器、回旋加速器和同步加速器[5]。直线加速器通过电场控制使离子沿直线方向加速，加速器长度与能量增益成正比，所以重离子直线加速器规模非常庞大。回旋加速器通过间隙磁场对离子进行加速，离子运动轨迹类似一个螺旋线，其磁场强度决定了加速器尺寸，而且可以提供稳定束流强度，但很少能够调节参数，需要其他装置配合调制强度。同步加速器是由多级磁铁组成的狭窄真空环，离子在环内反复循环获得加速，其能量可变，但是需要注入和引出系统，操作相对复杂。

可靠性和稳定性一直是重离子加速器设计要求的基础，通常要保证加速器系统的可靠性在98%以上[6]，与此同时也要考虑核物理和核化学反应所造成的影响。重离子束具有固有分裂效应，穿透物质后在横截面上会产生3个α离子，容易产生较轻离子并引起横向阴影扩大和后沿下降，而回旋加速器能量不可变，需要结合能量调制器来调节重离子能量，所以现有或在建重离子治疗中心大多数采用同步加速器，如日本重离子医用加速器中心（Heavy Ion Medical Accelerator Center, HIMAC）、德国重离子研究所（Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI）和日本兵库重离子医学中心[4]。超导回旋技术能够有效解决采用回旋加速器加速重离子问题。美国Michigan州立大学国家超导回旋加速器实验室（NSCL/MSU）研制出第一台250 Mev的超导回旋加速器，并承建了瑞士保罗谢勒研究所（Paul-Scherrer-Institute, PSI）的PROSCAN建设项目。激光脉冲型加速器设计方案也是未来的发展方向，但困难很大，短期恐不能实现。

2 旋转机架

为减少单一固定束对肿瘤前方正常组织的过度伤害，一般采用多个方向进行照射，旋转机架的产生有效地解决了这一问题。机架装置包含一个能够±180°转动的旋转台，转台内配有很多磁铁，总重超过百吨，但等中心误差不足1 mm。美国Loma Linda大学医学中心设计了第一台质子旋转机架，随后比利时、日本、瑞士、德国等国家相继开发出了不同类型的旋转机架，并逐渐向“小”、“轻”、“廉”方向发展[7]。德国GSI首先建成了一台重离子旋转机架，日本HIMAC最初只设计了固定束机架，2006年才开始建造重离子旋转机架[1]。

重离子旋转机架的基本结构明显要比质子复杂。偏转重离子对磁铁的磁刚度Bρ(B是磁场强度、ρ是旋转半径)要求很高，重离子设备的磁刚度为6.3 T·m，而质子仅2.5 T·m，常规钢材磁场难以增高，只有扩大曲率半径才能满足要求，这使得机架结构体积和重量很大[4]。GSI旋转机架的横向旋转半径7 m，最大结构尺寸20 m，总重量超过600 t，为防止温度变化导致结构形变，还必须将整套设备放置在严格的恒温空间中[8]。HIMAC机架结构小于GSI设备，长约16.5 m，半径7.1 m，总重300 t。庞大的机架结构导致受力不均产生变形，继而影响等中心旋转精度和角度转动精度。如何保证超大重量的设备在固定角度内完成加速、事故情况快速停转都成为技术难题[4]。由于重离子旋转机架建造和维护成本非常高，日本兵库、群马没有建造旋转机架，上海在旋转机架选择上也十分慎重，最终只采用水平、垂直和45o方向的固定束机架。目前重离子旋转机架的设计并不完善，即便三菱电机的技术专家也没有推荐其公司生产的旋转机架。2009年IBA公司提出超导碳离子旋转机架方案，但尚在研制当中[9]。日本应用超导磁铁设计的紧凑型旋转机架，其长度和半径缩短至13 m和5.5 m，而且已经进行了前期应用测试[10]。目前重离子旋转机架的设计仍是重离子治疗设备的难点和核心问题之一。

3 治疗头

治疗头实际上是一个“束流性能转换装置”，把束流照射野扩展到整个计算靶容积（planned target volume, PTV），并使之在PTV区域产生的剂量刚好等于要求剂量，以完成适形治疗的目的[11]。其中如何实现“横向束流扩展”是治疗头的核心技术，其实现方式主要分为两种：散射法（scattering）和扫描法(scanning)，也可以称为“被动法”和“主动法”。

3.1 被动束流散射法

Moliere提出的多次库伦散射效应（multiple Coulomb scattering, CMS）是公认的用于计算入射粒子类型、能量、材料与散射角特性之间关系的函数，多次散射后近似于高斯分布。双散射法就是基于CMS原理提出的，原束流经过相继的两个散射体后横向范围得到扩展。双散射法中的第一个散射体是均匀的，束流经过第一个散射体后产生高斯分布，第二个散射体则是不均匀的，通过对高斯分布进行修正得到较大且均匀的照射野[4]。在散射体后再配套使用量程位移器（range shifter）控制扩展Bragg峰（spreadout Bragg peak, SOBP）的深度，准直器保证束流不会损伤肿瘤外边缘的正常组织，补偿器防止肿瘤后部的组织受损，最终实现覆盖肿瘤PTV并最大限度的保护正常组织。图1为双散射被动束形调整的示意图。目前被动束流扩展技术已应用在离子治疗设备中，HIMAC、兵库和群马等中心均采用这种方式。

图1 双散射被动束型成形系统Fig.1 Double-scattering passive beam shaping system

图2 笔形束扫描Fig.2 Pencil beam scanning system

3.2 笔形束扫描法

笔形束扫描如图2所示，是一种主动型的束流扩展方法，一般可分为静态和动态扫描两种方式[11]。笔形束扫描将PTV划分为很多细小尺寸空间，离子束有顺序地移动和重叠扫描，将剂量传递到肿瘤区域。这种扫描方式具有很多优点：① 原则上能够覆盖任何不规则空间，实现真正的3D适形剂量分布；② 扫描路径是按照体素逐个移动，相邻体素间的剂量可以相互补偿，提高了剂量的利用率；③ 束流扫描不需要降能器、准直器和补偿器等装置，降低这些装置的生产和维护成本，也减少了束流与这些部件不必要的作用[12]。

离子束扫描系统的辐射场是经过固有强度进行调制的，类似于光子治疗中的调强治疗（intensitymodulated particle therapy, IMRT）技术，但在剂量控制上更具灵活性和可变性。日本千叶县首先尝试使用笔形束扫描治疗，PSI在1992年也开展了比较全面的质子束点扫描（spot scanning）试点研究。与此同时，GSI开发了光栅扫描（raster scanning）技术。美国瓦里安（Varian）公司的ProBeam质子治疗设备已经广泛采用笔形束扫描技术，而且已经在全球市场得到推广。德国GSI开发出了固定束碳离子扫描，目前仍是世界上唯一拥有重离子笔形束扫描技术的国家。

3.3 运动补偿技术

器官运动降低了靶区剂量的均匀性，明显导致治疗误差，因为笔形束扫描存在局限性，所以目前扫描技术主要集中在头颈部等移动度较小的肿瘤位置。多次扫描、呼吸门控和主动跟踪技术已经逐渐用于补偿靶区运动造成的影响。多次扫描技术通过减少单次照射剂量而增加次数消除剂量冷点和热点，包括层多次扫描和体多次扫描两种方法。门控技术主要是用于肺部等受呼吸影响较大的肿瘤器官治疗，它通过记录靶区运功信号控制束流只在呼吸末对靶区进行照射[13]。主动跟踪技术是目前能够解决器官移动问题最精确的技术，但对靶区运动信息要求高，需要配合高精度探测设备，距离临床推广还有很长的距离[14]。

4 治疗计划系统

治疗计划系统( treatment planning system, TPS)辅助医生完成治疗计划和治疗过程，是粒子治疗中必不可少的软件系统。目前设计的TPS系统主要由图像处理模块和剂量计算模块组成。图像处理模块组要实现对CT、MR、PET或者融合图像的读取、三维重建、自动或手动分割，勾画出肿瘤区、敏感区以及正常组织。放射医师根据图像数据制定治疗参数，如照射剂量、次数、方向等，通过剂量运算确定剂量分布图。3D虚拟定位软件帮助医生精确定位组织的位置，并通过不断优化后确定最佳治疗计划方案[15]。

在质子治疗的TPS系统中，美国瓦里安公司的Eclipse[16]系统已经非常成熟，能够实现交互式IMRT治疗、图像引导治疗、动态适形治疗等治疗计划。重离子也需要一个相似的治疗计划应用软件。由于重离子RBE在体内是变量，与肿瘤位置、类型以及生长周期都有关系，其计算理论基础与质子完全不同。三菱电机的TPS系统将重离子RBE做成了对照表，GSI则尝试确定RBE在体内的函数关系。重离子治疗计划系统仍在进一步发展当中。

5 全球重离子治疗装置现状及发展趋势

目前全球共计60台质子和重离子治疗设备，投入使用和在建重离子设备仅有10台。全世界已有12.5万人接受粒子线治疗，其中约1.1万人受益于重离子治疗。继德国西门子公司宣布退出重离子装置研制领域后，日本三菱电机、日立等公司成为全球重离子研究和建造的领跑者，占有60%的市场份额。中国科学院近代物理研究研制出的具有自主知识产权的重离子治疗装置，在加速器、束流传输、高精度的治疗头以及精准的定位和TPS系统等技术上都得到了国际认可。至2013年底中国科学院近代物理研究所基于兰州重离子研究装置共进行213例肿瘤患者(103例浅层和110例深层)的试验治疗，并取得了显著疗效，使我国成为继美国、日本和德国之后世界上第四个实现重离子束治疗肿瘤临床试验研究的国家[17]。

重离子治疗装置过于庞大，使得基础设施建设、设备制造与运输、系统维修保养耗时耗力，三菱公司所提供的最快建造时间也需4年以上，所以重离子设备的小型化已经成为研究重点。另外将质子和重离子集成在同一设备中的双频射线治疗装置也已成为发展方向，目前全球已有5套运行和在建的双频线治疗装置[18]。

6 结语

近年来北京、上海、广州、深圳、香港和台湾等地均已开始重离子治疗装置的调研与立项。我国一方面要推动国产治疗装置的产业化，在高端医疗市场占领一席之地，也应适当引进国际最先进的重离子治疗装置，既能满足国内供不应求的治疗需求，又可快速提升国内临床应用和研究的科技水平，缩短与世界恶性肿瘤防治方面的差距。

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The Basic Structure of Heavy-ion Tumor Therapy Facility

【Writers】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

贾少微，E-mail: 2067434673@qq.com