浅谈医用质子加速器的应用

刘鹏

摘 要：目的：介绍医用质子加速器的原理、技术优势和质子治疗在国内的应用现状。方法：以IBA研发的CYCIAE-235加速器为例，讲述其加速器设备构造和产生的质子束在治疗肿瘤上面的优势。结果：质子加速器以其独特的优势和稳定性使得其在国内的发展前景将会非常乐观，医疗应用将会更为普遍。结论：当前的常规治疗方法已无法控制癌症的扩散，必须采用更先进的治疗方法，质子加速器的医疗应用开辟了癌症治疗的新途径。采用质子放疗方法治疗癌症肿瘤疾病，标志着我国肿瘤医疗将达到世界先进水平。

关键词：加速器；质子束；医疗应用

产生质子的加速器有很多种，这里主要以医用回旋加速器[1]为主介绍质子加速器的组成和原理以及在国内的应用。

1 结构

下面是IBA研发的CYCIAE-235加速器。

医用质子回旋加速器由真空系统、水冷系统、磁铁系统、离子源、高频系统、束流监测配送系统、治疗应用系统和安全联锁系统组成。其中核心部分就是上图所示的主磁铁。主磁铁采用了深谷型结构，它综合了分离扇型回旋加速器和紧凑型回旋加速器的优点。磁铁由完全对称的4个扇形磁铁叶片（上下共8片），上下盖板和磁轭组成，结构简单、紧凑。磁铁重220吨，8个叶片位于真空室内。上下盖板为真空的组成部分，并与磁轭构成磁闭合通路，同时真空室内部的射线构成了局部屏蔽，有效减少了加速器周围的放射性剂量。整个主磁铁分成上、下两大部分，上盖板与上面的4个磁极叶片连接在一起，可以用安装在磁轭堆成两侧的液压举升装置举起，以便真空室内部部件的安装、更换和维修。

2 原理和质子射线特性

主磁铁的中心部分为离子源，离子源使用的气体为H2，由氢气发生器在主磁铁底部产生并通过管道送到离子源灯丝室，灯丝加高压产生电子进一步电离H2产生质子H+，主磁铁中心加引出电压把质子引出，同时经过分离扇型结构的磁极间隙进行加速，当质子能量达到235MeV时被引出。235MeV的质子射线可以穿透300mm的人体组织，基本可以治疗全身各深度的肿瘤[2]。

在诸多的放射线治疗设备中，医用直线加速器产生的X射线和电子束其物理剂量分布和生物效应都在不同程度上伤害肿瘤附近的正常细胞，而且剂量的有效利用率也低；中子和负π粒子的生物效应虽好，但物理剂量分布不好，对正常组织损害过大，都不是理想的治疗方法[3]。相比之下，质子加速器提供的质子束有突出的优点。质子束在人体中的能量衰减，起初不大，后又快速上升形成一个峰值 （通常称为Bragg峰），然后急速下降到零。这种Bragg峰的优良剂量分布促使重离子的能量能集中在癌细胞处释放。质子束治疗时将峰值部分对准肿瘤病灶处，肿瘤处受到最大的照射剂量，肿瘤前的正常细胞只受到1/3到1/2的峰值剂量，肿瘤后部的正常细胞基本上不受到伤害。此外，质子束具有高的LET，导致高的相对生物学效应RBE，使得质子束坪区与Bragg峰区对生物体的作用表现出独特的生物学效应。这种物理特性和生物学特性决定质子束治疗比电子线、伽玛射线和X射线要好[4]。

3 质子治疗发展现状

质子治疗是当前医学物理界的一大前沿热点，是在二十世纪电子直线加速器肿瘤放疗的基础上，放疗方法的一个新的质的飞跃。 虽然人们早在二十世纪五十年代就己知道其原理，但是由于定位精度远高于常规放疗要求，对产生质子的加速器技术指标，对肿瘤的定位诊断精度，对旋转机架的等中心点精度，对计算机的快速数据传输，处理和医用影像学等都有很高的要求。因而直到二十一世纪初，才得以在上世纪八十年代后发展起来的加速器应用技术、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发展和推广。质子治疗装置是核技术、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、医疗方法、先进管理等高科技的相互交叉和整体集成的产物，是一个医学和核技术的高科技工程，具有相当高的复杂性[5]。

目前的质子治疗的相关技术已发展得相当完善，使用可变光阑准直器与专用补偿器等的适形治疗和铅笔束扫描治疗法，已能将质子控制得几乎像“量体裁衣”一样精确地消灭癌细胞而不伤及正常细胞。近几十年来的质子治疗的巨大临床成就，已使世界医学界公认质子治疗（也包括性质相类似的离子治疗）是当前最先进的治癌症方法。各先进国家的政府都以大力发展粒子治疗作为强国健民的方针。近10年内国内山东一家民企已经引进了质子加速器并且尝试了临床治疗；上海也引进了一款西门子研发的同步加速器，其性能更为优越，既能产生质子也能产生更为先进的重离子，预计2014年可以投入临床使用。

4 结束语

自1946年威尔森提出质子治疗建议以来，全球已经建设近40个专用质子治疗中心，已经近8万患者接受了治疗，但是全球至今仍没有出版过一本系统、全面的质子治疗加速器的科技工程书籍，严重阻碍了该先进治疗技术的发展，国家有能力和条件去培养质子治疗方面的人才，建立一个长效的培养机制，把质子加速器治疗作为利国利民的民生工程，面对中国庞大的癌症患病人群，争取在2020年国家能有10家以上的质子治疗中心，让更多的癌症患者得到更好的治疗，届时中国的癌症治疗技术将会走在世界的前列。

参考文献

[1]顾本广.医用加速器[M].北京：科学出版社，2003

[2]王书鸿等.质子直线加速器原理[M].北京：原子能出版社，1986

[3]宋明涛等.重离子治疗装置研究[M].原子核物理评论，2001，18（2）：116-119

[4]马林，周桂霞，冯林春.恶性肿瘤高LET（重离子、快中子）放射治疗学[M].北京：军事医学科学出版社，2006，1-5.

[5]刘世耀.中国质子治疗展望[J].世界医疗器械，2000，6（9）：48-52.