醫(yī)用重離子加速器

1、 第三章 醫(yī)用重離子加速器醫(yī)用重離子加速器提供的重離子束主要應(yīng)用于重離子束治癌，而提供的放射性核素以在核醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用為主。重離子束治癌在美，日，德等發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入到臨床試驗(yàn)階段，而放射性核素在核醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用大都處于試驗(yàn)研究階段。由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所、甘肅省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院、甘肅省腫瘤醫(yī)院合作、蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院參與的甘肅省科技重大項(xiàng)目“重離子束輻射治療癌癥的關(guān)系就是開發(fā)研究”，于2006年12月開始臨床研究。到目前，已應(yīng)用重離子束放射治療淺表腫瘤受試者127名，效果顯著，絕大部分病人無(wú)明顯不良反應(yīng)，治療后病人的隨訪率達(dá)96%以上，使我國(guó)成為國(guó)際上第4個(gè)有能力進(jìn)行重離子治癌臨床研究的國(guó)家

2、。 第一節(jié) 重離子治癌原理一、 概述重離子束與物質(zhì)相互作用的特殊機(jī)理使得它在腫瘤治療方面具有一系列明顯的優(yōu)點(diǎn)：重離子束治療精度高達(dá)(毫米量級(jí));劑量相對(duì)集中，照射治療時(shí)間短，療效高；對(duì)腫瘤周圍健康組織損傷?。恢仉x子束治療能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于控制輻照位置和劑量。 以上優(yōu)點(diǎn)使得重離子束的治療作用可以與手術(shù)刀媲美，達(dá)到普通電離輻照(此處普通電離輻照指x、r及電子束)治療難以實(shí)現(xiàn)的療效，因而重離子束被稱為是21世紀(jì)最理想的放射治療用射線。也正是由于重離子束在放射治療中的上述優(yōu)點(diǎn)，世界上許多國(guó)家都傾注了大量的人力和物力進(jìn)行醫(yī)用重離子束加速器的研制，或利用已有的重離子加速器進(jìn)行治癌裝置的建造和治癌基礎(chǔ)及臨

3、床應(yīng)用研究，這使得重離子治癌成為放射治療領(lǐng)域的前沿性研究課題。二、 重離子治癌的科學(xué)依據(jù)和優(yōu)勢(shì)放射治療的主要原則就是給予腫瘤盡可能大的輻射劑量，將癌細(xì)胞殺死，同時(shí)又盡可能地保護(hù)腫瘤周圍和輻射通道上的正常組織使其少受損傷。由于普通電離輻照對(duì)劑量深度分布均呈指數(shù)衰減或略微上升而后衰減的特征，使治療受到很大限制；而重離子束以其獨(dú)特的放射物理學(xué)和放射生物學(xué)性質(zhì)，在放射治療上獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。（一）重離子束的物理特性1.特殊的深度劑量分布荷電重離子貫穿靶物質(zhì)時(shí)主要是通過與靶原子核外電子的碰撞損失其能量，隨離子能量的降低，這種碰撞的概率增大。因此，離子在接近其射程末端時(shí)損失其大部分初始動(dòng)能，形成一個(gè)高劑量的能量損

4、失峰，這就是Bragg峰，在其射程末端之后，即Bragg峰之后很少有劑量吸收；同時(shí)離子在其入射通道上損失的能量較小，因而形成一個(gè)相對(duì)低劑量的坪區(qū)。這就是重離子束特有的與X射線和r射線的深度劑量分布相比是倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布。重帶電粒子的電離能量損失以著名的貝蒂一布洛克公式表示為+相對(duì)論項(xiàng) （3-1） 其中是單位路徑上的能量損失，W為動(dòng)能，Z為靶物質(zhì)原子序數(shù)，為靶物質(zhì)的電子密度，I為原子平均激發(fā)能, 和 e分別是電子的靜止質(zhì)量與電荷， v為粒子的速度， z為粒子的原子序數(shù)。這種形式的能量 損失是形成重離子束倒轉(zhuǎn)深度劑量分布的根源。 這種倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布可以將其Bragg 峰區(qū)瞄準(zhǔn)腫瘤，而使其前后

5、及周圍的健康組織受損很小。而且，離子束Bragg 峰位的深度可以通過改變?nèi)松潆x子束的能量來(lái)調(diào)節(jié)(如圖3-1)，因而治療時(shí)Bragg峰位可精確地調(diào)整在腫瘤靶區(qū)上。 圖 3-1 治癌重離子束在水介質(zhì)中能量與射程的關(guān)系曲線 為達(dá)到對(duì)實(shí)體瘤的治療，可以實(shí)施不同能量粒離子束對(duì)靶區(qū)的照射，從而形成不同Bragg峰在靶區(qū)的疊加。盡管它會(huì)導(dǎo)致峰坪劑量比的減小，但疊加的深度劑量分布仍遠(yuǎn)好于常規(guī)輻射治療。圖3-2顯示出了Bragg峰的疊加，施加于碳離子束通道正常組織的劑量仍低于靶區(qū)的劑量。圖 3-2 為達(dá)到對(duì)實(shí)體瘤靶區(qū)的治療不同能量及強(qiáng)度碳離子束Bragg曲線的疊加 圖3-3顯示了當(dāng)展寬Bragg峰范圍相同時(shí)，碳

6、離子束與質(zhì)子束深度有效劑量分布的比較。從圖3-3可以看到，在束流通道上的正常組織經(jīng)受相同劑量的條件下，碳束在腫瘤靶區(qū)的有效劑量是質(zhì)子的1.5倍。圖3-4顯示了各種射線與重離子束深度劑量分布的比較。從圖中可以看出不管是X,r射線，還是電子束，它們均呈指數(shù)衰減型劑量分布，無(wú)法控制將其大部分劑量調(diào)整到腫瘤上，而且損失總是表層淺層最大，直至較深處健康組織仍能受到較大傷害。2.小的射程歧離與橫向散射由于離子束能量沉積的統(tǒng)計(jì)特性，會(huì)產(chǎn)生射程歧離。射程歧離導(dǎo)致其Bragg峰的加寬。這種歧離效應(yīng)相對(duì)重離子束的絕對(duì)射程而言非常小。列如對(duì)于射程為10cm的質(zhì)子和碳離子束，它們的射程歧離分別為各自射程的1.0%和0

7、.3%。 重離子束治療中另外一個(gè)特點(diǎn)就是重離子束貫穿靶物質(zhì)期間多重散射導(dǎo)致的離子橫向散射小。圖34就是初始直徑為4mm的質(zhì)子與碳離子束隨貫穿深度增加，束流半高寬（FWHM的變化情況?？梢钥吹?，碳離子束貫穿深度達(dá)到20cm時(shí)(對(duì)應(yīng)于初始能量約為350MeV/u),橫向散射為初始的25%，對(duì)于常發(fā)腫瘤深度而言（913cm）,僅為5%10%，相應(yīng)的質(zhì)子束則分別為170%和50%90%。從上面可以看出，對(duì)于深度為15cm左右的腫瘤，重離子束劑量范圍的精度可以控制在1mm水平上，質(zhì)子束是5mm。3. 束流配送的靈活性 重離子束可以通過擺動(dòng)磁鐵和散射體配合多葉準(zhǔn)直器進(jìn)行束流配送，達(dá)到被動(dòng)的適形治療；也可以

8、用掃描磁鐵引導(dǎo)束流對(duì)腫瘤靶區(qū)各斷層輪廓精確地掃描照射治療，達(dá)到主動(dòng)適形治療。對(duì)于受患者因呼吸而運(yùn)動(dòng)的內(nèi)臟器官及組織腫瘤，還可以根據(jù)瘤的實(shí)時(shí)位置，改變掃描磁鐵電流，從而引導(dǎo)束流主動(dòng)跟上腫瘤的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)腫瘤的主動(dòng)適形治療；還可以根據(jù)治療的要求，選擇如患者（腫瘤）旋轉(zhuǎn)等方式進(jìn)行束流配送達(dá)到適形治療的目的。而X射線、r射線無(wú)法通過掃描做到適形治療，最多只能用多葉準(zhǔn)直器限制照射野同腫瘤斷層輪廓適形，但不易做到精確，而且深度劑量也難以控制。（二）重離子與其他輻射的比較 通過上面對(duì)重離子治療癌原理及重離子束優(yōu)勢(shì)的敘述，我們可以將用X、r射線、質(zhì)子束和重離子束(碳離子束)對(duì)腫瘤進(jìn)行治療的效果進(jìn)行比較，見

9、表3-1。日本的放射治療學(xué)家在參考了本國(guó)及歐美諸國(guó)的重離子治療資料后，認(rèn)為重離子對(duì)一些難治癌癥可望會(huì)有良好的治療，見表3-2。因此，大力發(fā)展醫(yī)用重離子加速器，開展重離子治療的臨床應(yīng)用研究，對(duì)提高我國(guó)人民的健康水平具有重要意義。 表3-1 重離子與其他輻射治療的比較 X、r射線 質(zhì)子束 重離子束相對(duì)生物效應(yīng) 小 小 大正常組織所受劑量 大 較小 最小治愈率 低 高 高 費(fèi)用 低 高 高表3-2重離子束對(duì)一些難治癌癥的預(yù)期療效癌癥類別 臨床特點(diǎn) 低LET治療法缺點(diǎn) 重離子預(yù)期療效胰腺癌 發(fā)現(xiàn)晚 給足劑量困難 周圍臟器損傷小，可局部治愈腦瘤 必須保護(hù)正常組織 給足劑量困難 腦損傷減小，局部治愈率提高

10、頭頸部癌 必須保護(hù)功能 存在放射損傷 損傷降到10%以下食道癌 發(fā)現(xiàn)晚 給足劑量困難 損傷顯著減小，治愈率提高骨軟組織肉瘤 對(duì)射線不敏感 放射損傷嚴(yán)重 損傷減小，不需截肢子宮頸癌 放療適應(yīng)癥 治愈率較高，損傷也大 治愈率更高，損傷減小垂體瘤 不轉(zhuǎn)移 60%病例療效好 最有效療法前列腺癌 多為局限性癌 40%病例治療不需手術(shù) 完全不需要手術(shù)治療膀胱癌 保持功能最重要 手術(shù)治療損傷功能 可局部控制，保持功能直腸癌 保持功能最重要 損傷膀胱功能 提高治愈率，保持功能肺癌 患者增多趨勢(shì) 對(duì)晚期僅做對(duì)癥放療 有望提高早期肺癌治愈率并保持功能肝癌 患者增多趨勢(shì) 有手術(shù)得救病例 保持功能比手術(shù)更好三、 重離

11、子治癌現(xiàn)狀治療、這里也有必要對(duì)重離子治癌的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述，以其對(duì)重離子治癌有更深刻的認(rèn)識(shí)。 回顧重離子治癌的歷史我們可以發(fā)現(xiàn)，重離子治癌一般都先在大的物理研究中心現(xiàn)有的重離子加速器上實(shí)現(xiàn)，然后待技術(shù)成熟后向建于醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)用加速器發(fā)展。美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室于1957年在世界上首先利用其高能同步回旋重離子加速器BEVALAC提供的高能重離子束，開始進(jìn)行重離子治癌臨床試驗(yàn)研究，在上世紀(jì)九十年代初就收治各種難治癌癥患者2500多名，其中用He離子束治療的癌癥患者就有2000多人，用C和Ne離子束治療的有440多人。盡管BEVALAC的束流配送系統(tǒng)不是很完善，但是對(duì)于選定的腫瘤，腫瘤局部控制率較X、r和電子束

12、等治療提高了23倍，取得了很高的腫瘤治愈功率，較利用X、r和電子束等的常規(guī)放射治療有明顯優(yōu)越性（見表3-3）。由于BEVALAC于1992年關(guān)閉，使得重離子治癌臨床試驗(yàn)暫停，但對(duì)先前接受重離子治療的腫瘤患者晚期效應(yīng)的跟蹤和臨床治療評(píng)價(jià)等研究仍在繼續(xù)。表3-3 美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室的離子束治療效果日本在政府“對(duì)癌十年計(jì)劃”的支持下，從1983年開始了重離子治癌的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，于1993年在國(guó)立放射線醫(yī)學(xué)綜合研究所(NIRS)建成了目前世界上首臺(tái)醫(yī)用重離子加速器(HIMAC),專門用于重離子治癌及放射醫(yī)學(xué)研究。HIMAC治療裝置主要包括同步加速器、束流配送和輻照系統(tǒng)、患者定位系統(tǒng)和治療方案系統(tǒng)，其離

13、子束種類是，束流強(qiáng)度為1010pps, 最大能量 可達(dá)800Me V/u劑量率控制在5Gy/min左右。1994年6月第一批患者在HIMAC接受了碳離子束治療，到2001年6月已治療腫瘤患者917列，其中包括頭頸部腫瘤、腦瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、宮頸癌、食道癌和軟組織肉瘤等。對(duì)于頭頸部腫瘤，取得了大于80%的局部腫瘤控制率的結(jié)果；對(duì)于總體治療，在沒有明顯并發(fā)癥的前提下，都取得了良好的療效，腫瘤生長(zhǎng)抑制率很高。表34列出了到1998年3月，HIMAC治療過的患者在治療后12個(gè)月時(shí)的局部控制率。正是受HIMAC治療結(jié)果的鼓舞，日本又于1996年在兵庫(kù)（Hyogo）開始興建另一臺(tái)醫(yī)用重離子加速器(

14、PATRO), 該同步加速器可提供230MeV的質(zhì)子束，230MeV/u的氦離子束和320MeV/u的碳離子束，治療裝置已于2000年建成，治療中心設(shè)有50個(gè)床位。2001年開始接受患者治療，到2001年11月已治療癌癥患者30例。 表3-4 HIMAC治療后12個(gè)月時(shí)的腫瘤局部控制率在歐洲，1996年德國(guó)重離子研究中心(GSI) 在他們的以物理研究為目的的重離子加速器上建成治癌裝置。GSI借鑒了美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室離子束及日本NIRS離子束的治療特點(diǎn)和治療經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)和應(yīng)用了先進(jìn)的光柵磁掃描系統(tǒng)和正電子發(fā)射斷層術(shù)兩大技術(shù)手段，達(dá)到了重離子束適形放射治療和束流實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。1997年12月GSI開始

15、用高能碳離子束治療了兩例顱底瘤患者，治療后三個(gè)月的臨床跟蹤研究表明顱低瘤基本消失。到2001年底,GSI共收治顱內(nèi)腫瘤患者117人，在沒有明顯毒副作用的前提下，總體療效非常顯著，因而重離子治癌在德國(guó)甚至歐洲產(chǎn)生了很大的影響。GSI從1998年下半年起開始了一項(xiàng)為期5年的臨床研究，計(jì)劃治療幾百位顱底和腦部腫瘤患者，最終將重離子治癌新療法介紹到德國(guó)的各大醫(yī)院，使得每年幾千列的腫瘤患者能從這種先進(jìn)的治療手段中獲益。正是在這種形勢(shì)下，GSI聯(lián)合德國(guó)癌癥研究中心(DKFZ)向德國(guó)政府提出申請(qǐng)，計(jì)劃在德國(guó)海德堡建造一臺(tái)專用于治癌的醫(yī)用重離子加速器，該項(xiàng)目得到德國(guó)政府的批準(zhǔn)，政府投資1，417億馬克，先期待

16、重離子治療機(jī)架(Gantry)的設(shè)計(jì)與研制已由GSI NN 完成，加速器已于2002年5月開始動(dòng)工興建，預(yù)計(jì)該治療裝置可于2006年開始接受患者。歐洲癌癥研究與治療聯(lián)盟（EORTC）于1985年終法國(guó)尼斯舉行會(huì)議，向歐共體申請(qǐng)?zhí)岢鲆卺t(yī)院建造一臺(tái)歐洲輕離子醫(yī)用加速器（EULIMA）。1986年又在西歐核子中心（CERN）開來(lái)第二次會(huì)議，法國(guó)、瑞士、前南斯拉夫和比利時(shí)等九國(guó)參加。1993年，意大利出來(lái)強(qiáng)子治療網(wǎng)計(jì)劃，包括中子、質(zhì)子和重離子的醫(yī)學(xué)研究和臨床治療。該計(jì)劃也是跨國(guó)性的，有意大利、法國(guó)和瑞士等國(guó)參加。目前已經(jīng)開展了一些技術(shù)基礎(chǔ)研究，主要內(nèi)容是醫(yī)用加速器的設(shè)計(jì)，劑量學(xué)的精確測(cè)量，包括方法、

17、技術(shù)和裝置，例如平行板電離室和多絲正比室等。此外，還有劑量與鞭體積的適形技術(shù)，例如點(diǎn)掃描和線掃描，以及計(jì)算機(jī)控制顯示讀出系統(tǒng)。在我國(guó)，蘭州重離子研究裝置(HIRFL) 于1988年建成出束，具備了開展重離子治癌技術(shù)基礎(chǔ)研究的條件，因而我國(guó)于1995年將“重離子治癌技術(shù)的研究”列入了攀登計(jì)劃(B)“核醫(yī)學(xué)與放射治療中先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目中。通過近5年代研究工作，我們進(jìn)行了大量的放射物理，放射生物學(xué)實(shí)驗(yàn)以及一些治癌技術(shù)的研究，為重離子束臨床治癌積累了一些必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，做了一定的技術(shù)準(zhǔn)備。2000年以來(lái)在HIRFL治癌裝置開展中能重離子束淺層(2.53.3cm) 腫瘤的臨床治療實(shí)驗(yàn)；2006年

18、，國(guó)家重大科學(xué)工程蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)（HIRFL-CSR）建成出束后，可順利地將其提供的高能重離子束用來(lái)治療人體內(nèi)任意深度的腫瘤。 第二節(jié) 醫(yī)用重離子加速器方案為保證精確的劑量配送和患者安全，重離子治療裝置必須滿足一系列臨床規(guī)范和技術(shù)規(guī)范，這些規(guī)范決定了醫(yī)用重離子加速器及束流配送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此。本節(jié)首先討論重離子治療裝置的臨床規(guī)范和技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行講述醫(yī)用重離子加速器的設(shè)計(jì)方案。一， 醫(yī)用重離子加速器的臨床規(guī)范和技術(shù)規(guī)范 當(dāng)討論治療裝置的規(guī)范時(shí) ，區(qū)分治療裝置臨床規(guī)范和加速器技術(shù)規(guī)范是容易的事情。臨床規(guī)范即為重離子治療裝置應(yīng)滿足癌癥患者臨床治療的要求，而技術(shù)規(guī)范是重離子加速器為滿足臨床

19、規(guī)范而制定的技術(shù)要求。 （一） 離子種類 運(yùn)用重離子進(jìn)行放射治療就是希望重離子加速器可以提供從物理學(xué)及生物學(xué)特性上都較佳的束流，經(jīng)大量的重離子放射物理及放射生物學(xué)基礎(chǔ)研究工作目前認(rèn)為碳離子束是最佳的治癌重離子束，因而醫(yī)用重離子加速器都應(yīng)能提供碳離子束，以滿足重離子治療的需要，同時(shí)也要考慮重離子治療與常規(guī)低能線密度放射治療及質(zhì)子治療的兼容性，這是對(duì)醫(yī)用重離子加速器首要的臨床及技術(shù)規(guī)范。這是碳離子就可作為參考束流進(jìn)行醫(yī)用重離子加速器的設(shè)計(jì)以及加速器最大輸出能量的確定，如果需要比碳離子更高LET的治療時(shí)，加速器也應(yīng)提供與碳離子每個(gè)核子能量相同的氧離子，所有的這些來(lái)自都應(yīng)能在共同的加速器系統(tǒng)中得以加速

20、，離子源更換離子種類要方便。（二） 離子能量及射程 相同能量的重離子束在不同組織的射程不一，對(duì)于不同部位的腫瘤，治療時(shí)需要重離子的能量也不一樣。一般而言，對(duì)于絕大多數(shù)腫瘤而言，需要重離子在水中的射程處在20300mm之間，射程小于20mm的離子束，需通過被動(dòng)方式的射程調(diào)節(jié)裝置降能來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)碳離子束而言，加速器引出的束流能量約為85430MeV/u, 而相同能量范圍內(nèi)的氧離子，射程要減小0.75倍。這一能量間隔相應(yīng)的束流磁剛度從1.036.6T·m變化。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，射程調(diào)節(jié)的分辨為1mm, 即離子束射程可以1mm間隔調(diào)節(jié)，若離子束射程在20300mm之間變化 ，則相應(yīng)的能量階梯為(3

21、00-20)+ 1=281個(gè)。然而上面的這個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算并未考慮單個(gè)Bragg峰的寬度依賴于束流射程這一因素，由于射程歧離隨束流射程的增大而增加，因而相應(yīng)束流Bragg峰的半高寬也增大?？紤]了這一因素，射程調(diào)節(jié)的分辨率也應(yīng)根據(jù)束流的射程而改變，最新資料推薦，當(dāng)離子射程小于22cm（碳離子相應(yīng)能量為 350MeV/u時(shí)射程分辨應(yīng)為1mm而當(dāng)射程大于22cm時(shí)，射程分辨率應(yīng)為1.5mm。 必須指出的是，上面討論的射程分辨率臨床規(guī)范并不與展寬離子束Bragg峰時(shí)所需疊加單個(gè)Bragg峰的步長(zhǎng)一致。當(dāng)腫瘤體積較大時(shí)，若展寬Bragg峰是由步長(zhǎng)為1mm放射分辨率的離子束疊加而成，那么就需要很多能量的離子束來(lái)

22、完成對(duì)腫瘤的治療因而治療的時(shí)間就會(huì)顯著增加。在這種情況下，只有在展寬Bragg峰內(nèi)劑量分布的不均勻性小于5%，則離子束的射程可以24mm的步長(zhǎng)改變。(三) 加速器類型的選擇 兩種類型的重離子加速器可以克服提供上述能量范圍的重離子束，它們分別是回旋加速器和同步加速器。經(jīng)典回旋加速器由于未克服相對(duì)論效應(yīng)當(dāng)影響，其能量不能滿足要求，可用于重離子治療的有等時(shí)性回旋加速器，同步回旋加速器及超導(dǎo)回旋加速器。在相同束流磁剛度的情況下，回旋加速器的主磁鐵需要較小的空間，這時(shí)由于回旋加速器主磁鐵固有的性質(zhì)決定的，而且可采用超導(dǎo)技術(shù)提高磁鐵的磁通密度。然而回旋加速器磁鐵的重量甚至高于同步加速器磁鐵的幾倍，這幾乎抵

23、消了由于空間尺寸減小而節(jié)約的費(fèi)用。回旋加速器提供連續(xù)輸出的離子束，因而控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但離子束能量的離散度大，能量歧離與平均能量的比值一般大于10 束流的這一初始能量歧離會(huì)對(duì)束流Bragg峰的最終寬度及Bragg峰后沿劑量下降梯度造成很大影響。另一方面，回旋加速器本身僅能提供固定能量的離子束，與同步加速器相比靈活性較小，只能通過被動(dòng)方式的射程調(diào)節(jié)裝置來(lái)改變束流能量，盡管操作起來(lái)方便，但當(dāng)束流線中吸收體較厚時(shí)，束流通過吸收體產(chǎn)生的核碎片及次級(jí)粒子顯著增加并導(dǎo)致束流品種惡化。另外，高能超導(dǎo)回旋加速器是一種較新的加速器設(shè)計(jì)思想，需要較大的加速器研究與開發(fā)工作。同步加速器需要一個(gè)叫昂貴的離子注入系統(tǒng)

24、和一個(gè)更復(fù)雜的控制系統(tǒng)?！白⑷?加速引出”周期性的運(yùn)行模式造成引出束流具有典型的微觀時(shí)間結(jié)構(gòu)。束流只是在機(jī)器周期的引出相被引出，而注入相對(duì)和加速相并沒有束流被引出。對(duì)于慢引出模式運(yùn)行的同步加速器，束流脈沖可持續(xù)幾秒時(shí)間。另一方面，同步加速器的加速過程可以在一個(gè)希望的水平下被中止，因此可引出不同能量的離子束。原理上講，每一個(gè)束流脈沖的能量都可以被單獨(dú)調(diào)節(jié)，稱此為脈沖對(duì)脈沖式的主動(dòng)能量改變。很明顯，束流能量可主動(dòng)改變的特性非常適合三維適形束流配送，而且同步加速器提供束流的能量離散度較小，通常能量歧離與平均能量的比值小于10，大大小于回旋加速器束流的此值，束流脈沖間的能量變化小于10，因而加速器克服

25、了束流初始能量歧離大的弊端。與回旋加速器相比，同步加速器可在較短的時(shí)間內(nèi)更換離子種類，易于保養(yǎng)與維修。通過上面對(duì)回旋和同步加速器優(yōu)點(diǎn)的比較，可以清楚地看到同步加速器以其固有的能量靈活性，便捷的離子種類更換，高的治療三維適行程度以及相對(duì)容易的保養(yǎng)與維修等優(yōu)點(diǎn)，成為醫(yī)用重離子加速器的首選。目前已經(jīng)運(yùn)行的日本千葉重離子醫(yī)用加速器及兵庫(kù)醫(yī)用重離子加速器都采用了同步加速方案，而且德國(guó)海德堡計(jì)劃新建的醫(yī)用重離子加速器也采用了同步加速器方案，因此，本章對(duì)醫(yī)用重離子加速器方案的討論也著重在同步加速器方面。(四) 劑量與束流強(qiáng)度規(guī)范在放射治療中靶物質(zhì)的吸收劑量定義為單位質(zhì)量的能量沉積，它是一個(gè)宏觀量，也稱物理劑

26、量。假如離子束在其貫穿靶物質(zhì)期間的能量損失變化不大時(shí)，靶物質(zhì)的吸收劑量D可表示為DGy=1.6LETkeV/mFcmcm/g (3-2)其中LET是離子束的傳能線密度，F(xiàn) 是離子束的通量，即單位面積上的離子貫穿數(shù)，為靶物質(zhì)密度。在放射治療中，必須改變初始離子束的能量，使其以均勻的劑量照射整個(gè)腫瘤靶區(qū)，以期產(chǎn)生均勻的生物效應(yīng)，如癌細(xì)胞的致死。通常每次治療施于靶區(qū)的劑量約為12Gy,考慮了重離子的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)后，每次治療的有效劑量約為33.5Gy有效劑量與物理吸收劑量的關(guān)系如下 D=DRBE (3-3) 其中D為有效劑量D是物理吸收劑量，RBE為重離子的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)。由于重離子治療是一種新的方

27、法，因而重離子治療方案大都需要借鑒目前大量的常規(guī)輻射治療的成功經(jīng)驗(yàn)，這就需要將重離子輻照產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)同目前大量研究的X或r射線的數(shù)據(jù)做對(duì)比，以X或r射線的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)重離子產(chǎn)生的效應(yīng)，這就是相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。也是為什么在重離子治療中引入有效劑量的原因。離子束Bragg峰后沿劑量寬度有100%下降到30%水平的距離要求小于30%，同時(shí)射程末端的橫向劑量半影(由80%到20%劑量水平的距離)小于4mm，靶區(qū)劑量的非均勻性好于 5%。這些臨床規(guī)范就需要治療裝置的束流配送系統(tǒng)中盡可能避免使用射程調(diào)節(jié)與射程調(diào)制器，以同步加速器主動(dòng)變能配合束流掃描進(jìn)行束流配送為佳。為達(dá)到在幾分鐘的一次治療時(shí)間內(nèi)對(duì)靶

28、區(qū)實(shí)施2Gy物理劑量的照射，就需要考慮加速器提供束流的強(qiáng)度。以Bragg峰區(qū)LET為100keV/m的碳離子束對(duì)靶區(qū)實(shí)施2Gy的照射為例，由式(32)可得到需要離子的通量為1.2離子/mm，再假定運(yùn)用同步加速對(duì)10cm10cm 面積實(shí)施照射，則束流強(qiáng)度為1離子 /脈沖。對(duì)于其他離子，必須考慮LET的不同，又式(3- 1)可近似得到LET 這里z是離子的原子序數(shù)，這是加速器的最大束流強(qiáng)度與離子種類的關(guān)系如表35所列。更普遍的，為對(duì)1升體積的靶區(qū)在小于1min 之內(nèi)實(shí)施2Gy的照射，束流大于10 離子 脈沖就足夠了。然而，達(dá)到一定劑量水平所需要的離子通量依賴于靶區(qū)的大小和在體內(nèi)的深度，表36是不同

29、深度1升體積的靶區(qū)以6Gy/min的劑量率照射時(shí)對(duì)加速器所能提供不同離子束束流強(qiáng)大的要求。表3-6 束流強(qiáng)度規(guī)范對(duì)于采用束流掃描的主動(dòng)適行治療方式，不僅最大束流強(qiáng)度是一個(gè)重要的量，而且束流強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化范圍也是至關(guān)重要的。由于在對(duì)靶區(qū)較深斷層治療時(shí)，也對(duì)較淺斷層進(jìn)行了預(yù)照射，因此最大與最小流強(qiáng)度比應(yīng)為1000，且至少能以20個(gè)強(qiáng)度臺(tái)階調(diào)節(jié)束流強(qiáng)度。 （五） 其他規(guī)范重離子治療一個(gè)很重要的特性就是適形程度很高，這就需要在一個(gè)盡可能短的照射時(shí)間內(nèi)完成治療，以減小患者移動(dòng)而帶來(lái)的定位上的誤差，而且短的治療時(shí)間也受到在治療期間處于固定位置患者的歡迎。更重要的是，輻照時(shí)間還影響到一個(gè)治療裝置可以治療患者

30、的總數(shù)，因此，也會(huì)影響對(duì)每一個(gè)患者的治療費(fèi)用。采用逐斷層精確掃描的治療照射時(shí)間要大于靠擴(kuò)展束流的被動(dòng)照射治療時(shí)間，根據(jù)目前重離子治療的經(jīng)驗(yàn)，每一輻照野的照射時(shí)間約為68min。由于照射時(shí)間還與腫瘤體積和形狀有關(guān)，所以上述規(guī)范只是一個(gè)典型的照射時(shí)間而不是一個(gè)固定的限制。同步加速器采用慢引出技術(shù)可以展寬束流脈沖寬度，為了高效地利用束流脈沖，常建議加速器的引出時(shí)間在110s之間，脈沖占空比接近50%，這就使得在上一個(gè)能量斷層治療結(jié)束后立刻開始一個(gè)新的加速周期，從而減小總的照射治療時(shí)間，同時(shí)也能在1020ms的時(shí)間內(nèi)切斷引出。這種性能非常有利于針對(duì)隨呼吸而運(yùn)動(dòng)的腫瘤的照射治療。束流在治療裝置等中心的定

31、位精度要好于0.5mm在引出脈沖束流期間，束流位置的穩(wěn)定性要好于束斑半高度FWHM的15% 。 束斑的臨床規(guī)范由 橫向半影來(lái)決定，在不考慮束流在患者體內(nèi)多重散射因素的影響時(shí)半影為 2mm, 對(duì)于橫載面內(nèi)束流強(qiáng)度呈高斯型分布的離子束，束斑點(diǎn)半高寬(FWHM)與半影的關(guān)系為 FWHM= (3-4) 若半影為2mm, 則束斑的半高寬約為4mm。對(duì)于一些類型及位置的腫瘤 ，可以充許較大的束斑半高寬以減小輻照治療時(shí)間，這時(shí)束斑可有410mm 以2mm間距變化，并且希望束流強(qiáng)度在橫載面內(nèi)呈高斯型分布，以利用束流在不同掃描點(diǎn)疊加形成均勻的劑量分布。對(duì)配有治療機(jī)架的治療室，不論采用散射體還是束流掃描方式的束流配送系統(tǒng)，最大輻射野都應(yīng)為20cm對(duì)于水平束流線，還可以考慮跟達(dá)的輻照野。束流配送系統(tǒng)中的散射體或掃描磁鐵可等效地看作重離子輻射源，這個(gè)輻射源到治療機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離成為等效源 軸距，患者體表劑量和靶區(qū)劑量之比隨等效源 軸距的增加而減小，有文獻(xiàn)推薦治療室的等效源 軸距SAD應(yīng)大于3m ，對(duì)于水平束流線，這意味著散射體或掃描磁鐵到治療裝置中心的距離應(yīng)大于3