肿瘤放疗前沿：质子治疗系统

张伟，王贞丽，郭申波

1.青岛大学医学院附属医院 医学工程科，山东 青岛 266003；2.济南军区青岛第一疗养院 综合科，山东 青岛 266001；3.青岛大学医学院 人体机能中心，山东 青岛 266023

肿瘤放疗前沿：质子治疗系统

张伟1，王贞丽2，郭申波3

1.青岛大学医学院附属医院 医学工程科，山东 青岛 266003；2.济南军区青岛第一疗养院 综合科，山东 青岛 266001；3.青岛大学医学院 人体机能中心，山东 青岛 266023

本文介绍了质子治疗的原理、特点及优势，并阐述了质子治疗系统的基本结构、发展历程及其临床应用现状，指出质子治疗作为前沿放疗技术将为肿瘤治疗带来新的发展方向。

肿瘤放疗；质子治疗系统；Bragg峰；回旋加速器；同步加速器

0 前言

从早期常规放射治疗设备到以医用直线加速器为代表的放疗治疗系统，放疗技术发展迅速。其中质子治疗已成为医学物理界的前沿热点，它是在电子直线加速器基础上的质的飞跃[1-3]。自1946年美国哈佛大学Wilson提出质子治疗建议以来，质子治疗经历了漫长的发展道路。质子治疗作为最新的放射治疗技术，国内相关报道较少，本文主要介绍这一新技术的特点、优势及其设备的发展和应用现状，旨在为肿瘤治疗提供相关信息。

1 质子治疗概述

1.1 原理

质子与中子结合形成各种原子核，再加上电子，组成各种元素。质子粒子极其微小，带正电，可以经电场高速运动，产生极高的能量。质子在人体内是直线型照射前进的，用于放射治疗的质子是氢（H2）电离后形成的。质子在人体中的能量衰减速度起初不大，后快速上升形成一个峰值，通常称为Bragg峰（布拉格峰），然后又急速下降到零，见图1。

图1 质子线与X线在机体内的吸收剂量分布特征曲线比较

早在20世纪50年代人们就己知道质子治疗的原理，但是受定位精度、质子加速器、计算机传输速率等条件的限制，直到21世纪质子治疗才在加速器应用技术、计算机技术和CT影像诊断技术等高科技的基础上逐步得到了发展。目前放射治疗技术虽在肿瘤治疗中取得了明显疗效，但由于X射线、γ射线等放射线以指数形式衰减，射程无法控制，所以对正常组织的损伤较大。而质子射线在能量释放过程中会出现Bragg峰，这种Bragg峰的优良剂量分布促使质子束的能量能集中释放在癌细胞处[4]。用自动化技术人为控制射线能量释放的方向和部位，称为“定点爆破”技术，可显著提高肿瘤的治疗剂量，同时减少正常组织的损伤。质子治疗时，质子峰值部分对准肿瘤病灶处，肿瘤处受照剂量最大，而肿瘤前方的正常细胞的受照剂量只有峰值的1/3～1/2，肿瘤后方的正常细胞基本上不会受到任何放射损害。这种物理特性决定质子治疗比电子线、γ射线、X射线等目前主要的肿瘤放疗手段，在肿瘤治疗上有能量大、穿透力强、对周边组织损伤小和治疗时间短等显著优势[5]。此外质子还有半影小、旁散射少等优良特性，因而质子治疗被认为是当前最先进的肿瘤放射治疗技术。

1.2 系统优势

质子治疗系统的关键设备是射线源发生器，有回旋加速器和同步加速器两种。最早在美国进行的治疗实验采用的是核物理研究用的回旋加速器。随着治疗实验的进一步深入，美国FNAL实验室首先研制了治疗专用的同步加速器。质子治疗系统主要由加速器、能量选择系统、束流输运系统、治疗头、控制系统、剂量测量与定标系统以及治疗与装置数据库、专用准直器与补偿器加工中心、呼吸门开关控制等部分组成。

与传统放疗技术相比，质子治疗具有以下优势：① 提高肿瘤照射水平。治疗用的质子束需要根据病人病变情况进行精细改造，以达到最佳剂量分布，符合治疗需求。②提高局部控制率。质子治疗可使肿瘤接受最大照射剂量，而正常细胞基本上不会受到伤害，降低了由于肿瘤局部剂量不足导致治疗失败的可能。③ 减少并发症。普通放射线在杀死癌细胞的同时会损伤癌细胞周围的正常组织，引发严重的并发症。质子治疗由于其特殊的物理特性能够显著减少治疗后的并发症，还能降低患者继发第2种肿瘤的风险。④ 加强放、化疗的治疗效果。和传统治疗方法联合使用，质子治疗还可以提高患者的生存期。日本筑波大学的研究表明，肝癌患者在接受质子治疗后，中位生存期提高到29个月，Ⅰ期+Ⅱ期患者的5年生存率达到了46%；前列腺癌患者在接受质子治疗后，5年生存率提高到84%～94%。

2 质子治疗系统的发展现状

2.1 发展历程

1946年Wilson首次提出了将高能粒子用于放射治疗的设想，他详细地描述了人体内各种高速粒子的深度计量分布图-Bragg峰。1954年Tobias等人在美国加州大学进行了世界上第1例质子治疗。此后瑞典Uppsala大学、美国哈佛回旋加速器实验室、前苏联等相继开展了质子治疗的临床研究。20世纪80年代末，日本、瑞士、瑞典及英格兰的科学家们纷纷加入这一研究行列。1991年美国Loma Linda大学医学中心首先启用了专为医学设计的质子装置。此装置体积小、费用低，正式宣告质子治疗进入临床医学领域。1986年第1个国际性粒子治疗协作组成立，目前已有包含美国、日本、俄罗斯、德国、瑞士、瑞典、英国、法国、南非、加拿大、意大利、中国等在内的26个国家的研究中心正在开展质子治疗[6]。

2.2 应用现状

1975年，美国麻省总医院和哈佛大学将质子治疗应用于眼球脉络膜黑色素瘤、颅底软骨瘤、脊索瘤和前列腺癌。1976年，美国马萨诸塞州将质子治疗引入眼葡萄膜黑色素瘤的治疗中。1979年，日本也开始进行肿瘤质子治疗。20世纪80年代后期，日本筑波大学在肝癌、食道癌、肺癌等内脏器官肿瘤上做了大量临床研究工作。20世纪90年代初期，我国研究人员开始学习质子治疗的基础知识、物理知识以及临床知识等。1995年国家科委启动了国家攀登计划“核医学与放疗中先进技术的基础研究”，明确了中国发展先进放疗技术基础研究的战略。为进一步促进该技术在中国的发展，1999年中国科学院高能物理研究所邀请部分专家撰写了《质子治疗技术基础》，2004年北京质子医疗中心组织了肿瘤医学、高能物理、医学工程、环境保护、辐射防护等领域的专家编写了《肿瘤质子治疗学》，以使国内放射肿瘤学界学者们较全面地了解质子治疗的发展历史、相关物理学和生物学基础、治疗装置构成及临床治疗结果等。2004年11月，国内第1台医用质子治疗系统在山东淄博万杰医院建成并应用于临床，至今已用于治疗200多例肿瘤患者[6]。

目前质子治疗的适应症主要包括中枢神经系统肿瘤如脑转移瘤、垂体瘤、脑动静脉畸形、脑膜瘤、星形细胞瘤等；颅底肿瘤如脊索瘤、软骨肉瘤等；眼部脉络膜黑色素瘤、黄斑变性、眼眶肿瘤等；头颈部肿瘤如鼻咽癌、口咽癌等；胸腹部肿瘤如肺癌、肝癌、食道癌等；盆腔肿瘤如前列腺癌、子宫肿瘤及脊索瘤、软骨瘤等[7-10]。

3 展望

质子治疗是核技术、计算机技术、精密机械、图像处理、数据通讯、自动控制和医用影像等相互交叉和整体集成的产物，复杂性高。目前国际上只有欧美少数几家大医院采用质子治疗系统开展了肿瘤质子治疗。相信随着我国经济、科技的发展和人们健康意识的不断增强，在不远的将来，国内也会逐步开展相关研究工作。

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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

作者邮箱：13505327272@163.com