10質(zhì)子精確治療

質(zhì)子精確治療與加速器方守賢高能所20121020主題簡(jiǎn)介精確治療治療粒子種類對(duì)劑量分布的改進(jìn)-Bragg峰的應(yīng)用多方向照射對(duì)劑量分布的改進(jìn)-gantry的應(yīng)用治療模式對(duì)劑量分布的改進(jìn)-掃描模式成為主流掃描模式對(duì)加速器的要求緊湊型裝置與精確治療

簡(jiǎn)介癌癥是當(dāng)今人類最難對(duì)付的嚴(yán)重疾病之一，在發(fā)達(dá)國(guó)家已成為人類死亡笫一殺手。在中國(guó)，癌癥患者數(shù)目正在急劇上升。根據(jù)非官方統(tǒng)計(jì)，每年新增癌癥患者為240萬名，其中約50％需要接受放射治療。放射治療是治療癌癥的重要手段.

常規(guī)放射治療:放射性同位素產(chǎn)生γ射線:γ刀.

電子直線加速器：電子打靶產(chǎn)生X射線新型放射治療:

質(zhì)子及重離子加速器:質(zhì)子及重離子把足夠的劑量放進(jìn)腫瘤同時(shí)周圍正常組織毫無損傷

理想的放射治療-()精確治療(適形調(diào)強(qiáng))治療粒子種類對(duì)劑量分布的改進(jìn)離子治療的優(yōu)越性幾何特性：強(qiáng)子與X射線的主要差別在于能量衰變規(guī)律(BraggPeak)生物特性：離子與質(zhì)子的主要差別在于相對(duì)生物效應(yīng)(REB)

—治療粒子種類的選擇粒子種類與精確治療的關(guān)系

粒子與X射線----能量衰變規(guī)律單粒子劑量隨體

內(nèi)穿透深度的關(guān)系Bragg峰6個(gè)脈沖形成4cm寬的SOBP質(zhì)子SOBP劑量與體內(nèi)

的輻照深度的關(guān)系根據(jù)粒子輻射在體內(nèi)隨深度變化的Bragg峰曲線，劑量可集中在腫瘤部位。碳離子（290MeV/n）在殺死腫瘤細(xì)胞上具有最佳的特征曲線。峰后零劑量：能夠保護(hù)腫瘤周圍的健康組織或器官。光子DepthinTissue劑量質(zhì)子SOBP腫瘤厚度質(zhì)子布拉格鋒多余劑量光子和質(zhì)子劑量分布比較多方向照射對(duì)劑量分布的改進(jìn)

單向照射時(shí)劑量的分布比較以腫瘤為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)輻照的效應(yīng)旋轉(zhuǎn)的多方向輻照將極大的改進(jìn)射線在人體內(nèi)的劑量分布，對(duì)于質(zhì)子的情況將變得更好。這也就是為什么質(zhì)子和離子治療需要旋轉(zhuǎn)機(jī)架的原因。質(zhì)子與X射線治療的比較腮腺癌

X射線2向照射X射線5向照射質(zhì)子3向照射1.加速器:注入器,快循環(huán)同步加速器,輸運(yùn)線系統(tǒng)M.D.AdersonProtonTherapyStandardNozzleScanningNozzleLargeFieldOcularExperimentalSynchrotron5StandardNozzles1PencilBeamScanningNozzleon

a4.5acrelot旋轉(zhuǎn)機(jī)架(gantry)旋轉(zhuǎn)機(jī)架要將總長(zhǎng)三米,重達(dá)幾十噸的治療頭和由偏轉(zhuǎn)和聚焦磁鐵組成的的束流輸運(yùn)系統(tǒng)沿旋轉(zhuǎn)機(jī)架水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)±180度,并且要求等中心點(diǎn)的位置誤差小于1毫米。

因此這是一個(gè)又重又大而又精密的動(dòng)結(jié)構(gòu)大型機(jī)電裝置，重量達(dá)約200噸,體積大,穩(wěn)定性好。IBA的旋轉(zhuǎn)機(jī)架海德堡630噸的巨大旋轉(zhuǎn)機(jī)架

質(zhì)子與碳離子----生物特性腫瘤區(qū)侵潤(rùn)組織通常被治療的腫瘤病灶劃分為腫瘤區(qū)和臨床靶區(qū)；臨床靶區(qū)包括腫瘤區(qū)和潛在的腫瘤侵潤(rùn)組織或亞臨床灶區(qū)，實(shí)現(xiàn)精確治療就是要將離子束精確地注入到臨床靶區(qū)；對(duì)于質(zhì)子而言，對(duì)潛在的腫瘤侵潤(rùn)組織區(qū)域的正常組織損傷較小，正常細(xì)胞可以修復(fù)；對(duì)于碳離子而言，由于雙鏈會(huì)同時(shí)斷裂，對(duì)在這個(gè)區(qū)域的正常組織來說，損傷較大，且不可修復(fù)；若考慮到定位誤差及器官移動(dòng)等問題，碳離子造成對(duì)正常組織的損傷的可能性比質(zhì)子要大。腫瘤核心區(qū)亞病灶區(qū)

質(zhì)子與碳離子的優(yōu)缺點(diǎn)----生物特性質(zhì)子和光子作為低LET的粒子，一般稱之為“治療粒子”。他們的治療作用是通過所形成的活性HO基的化學(xué)毒化作用，活性HO基的這種化學(xué)毒化作用也發(fā)生在周圍的正常組織上，但目前人們的正常組織已經(jīng)形成了修復(fù)這種損傷的功能，腫瘤細(xì)胞尚沒有這種功能。

碳離子作為高LET的輕粒子，一般稱之為“外科手術(shù)粒子”。他們的治療作用是通過電離所形成的高密度二次電子的電離作用，可以使得DNA的雙鏈同時(shí)斷裂，并且很難再修復(fù)。很少細(xì)胞可以逃過這種損傷HIBMC及世界各地的臨床經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué)：在殺死癌細(xì)胞方面，碳離子的效果比質(zhì)子好；碳離子治療方式更適合于抗輻射型腫瘤。在頭頸部、肺、肝臟及前列腺等器官的腫瘤控制方面，質(zhì)子和碳離子并沒有顯著區(qū)別。質(zhì)子放射治療更適合于兒童腫瘤患者。缺乏完全隨意的臨床試驗(yàn)來直接比較兩種治療方式，所以現(xiàn)在無法給出確切的結(jié)論。技術(shù)：在技術(shù)上，碳離子治療裝置比質(zhì)子裝置復(fù)雜。經(jīng)濟(jì)：碳離子治療裝置的建造和運(yùn)行費(fèi)用比質(zhì)子裝置貴兩倍。全球治療經(jīng)驗(yàn)：約65000名患者接受過質(zhì)子放射治療，而只有大約6500名患者接受過重離子治療。隨著國(guó)際上強(qiáng)子治療的發(fā)展，為了達(dá)到最好的治療效果，質(zhì)子和碳離子應(yīng)是相輔相成，互不可缺。治療模式對(duì)劑量分布的改進(jìn)

----兩種治療模式的比較RMS2S1HighZLowZ治療方式一:雙體散射皮膚表面重要組織腫瘤調(diào)能量到最深處擋塊質(zhì)子束皮膚表面重要組織腫瘤調(diào)能量到最深處擋塊質(zhì)子束補(bǔ)償器–

減少射程皮膚表面重要組織腫瘤補(bǔ)償器–減少射程擋塊質(zhì)子束皮膚表面重要組織腫瘤補(bǔ)償器–減少射程擋塊質(zhì)子束疊加效應(yīng)SOBP散射模式治療頭雙環(huán)散射加扭擺磁鐵掃描方法散射治療頭照射野的大小為±20cm旋轉(zhuǎn)支架出口到等中心需4m眼睛治療時(shí)束斑的最大直徑為5cm在第一散射體上束斑大小為7mmFHWM,控制方向使第二散射體的中心位置偏差小于0.5mm至少需三個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)系統(tǒng),以確保照射的均勻性,位置的準(zhǔn)確性及總的積分劑量精確到0.1cGy的水平散射模式的缺點(diǎn)照射劑量率不夠高，2.5Gy/min,而X-ray通?？蛇_(dá)6-10Gy/min治療過程中各種硬件多,而且因人而異,因病請(qǐng)變化而變,一個(gè)有效的QA治療所需的RWMs太多.需要一車間隨時(shí)加工一部份健康組織受到了不該受的劑量經(jīng)散射片約損失30%的束流但對(duì)于運(yùn)動(dòng)器管腫瘤治療較有效治療模式對(duì)劑量分布的改進(jìn)

----掃描模式成為主流筆束掃描原理SM1SM2OptionalApertures&Boluses/RS/RFforUN

束流持續(xù)調(diào)節(jié)掃描速度持續(xù)調(diào)整降能器調(diào)整能量掃描不同層面每一層提供重復(fù)掃描Q1&Q2間斷的點(diǎn)掃描ScanningMagnetsTargetSpotLayerProtonBeamRangemodulationAtargetisdividedintomanylayers

AlayerisdividedintomanyspotsSpotsareirradiatedonebyoneEchangeSuzuki/MDACC連續(xù)的點(diǎn)(線)掃描模式--PSILinescanningLines:10msfora10cmlinePlanes:20lines→200msChangeofenergy→100ms.Volume:20energy5mmsteps6sfora1litervolume

→10volumetricrepaintings/liter/minuteContourscanningRepaintmainlyattheedgeofthetargetxyLinescanContourscanSpotscanDoseapplicationofspotscanning(toprowofcircles)andlinescanning,wherethebeamintensity(curveatbottom)variesintimewiththesettingofthescan

點(diǎn)(綫)掃描加調(diào)強(qiáng)治療點(diǎn)掃描治療頭照射野為40cmx30cm,旋轉(zhuǎn)支架的最后一塊Q鉄可用於調(diào)節(jié)束水平尺寸束流均勻性在束的80%橫向截面內(nèi)要好於+/-2%,在SOBP內(nèi)好于+/-2%在旋轉(zhuǎn)支架出口束流尺寸為7mmFWHM,在不用散射體時(shí),等中心處為10mmFWHM至少用四個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)系統(tǒng),測(cè)量束的強(qiáng)度均勻性,束照射處的積分劑量,束在水平及垂直方向上的位置精度±0.5mm

PerformanceRange:4.0–30.6g/cm2Adjustability:0.1g/cm2Max.fieldsize:30x30cmBeamsize:5–14mmσinairSAD:>2.5mSpotScanningNozzleBeamIsoCenter3.2mScanningMagnetsProfileMonitorCeramicChamberSpotPositionMonitorDoseMonitor1,2EnergyAbsorberEnergyFilter掃描模式治療頭穿透深度：30cm照射范圍：標(biāo)準(zhǔn)范圍：20×20cm，擴(kuò)展范圍：40×80cm平整度：±3.5%束流利用率：100%治療時(shí)間：10000voxels/升，4～5分鐘掃描模式是當(dāng)前的主流PSI及GSI是掃描模式的開創(chuàng)者,前者始於1996年用Gantry1-質(zhì)子(至2008年已超過350人),后者始於1997年用固定水平束-碳離子(至2008為400余人).盡管掃描模式對(duì)動(dòng)態(tài)癌的治療尚有難度,但掃描模式是當(dāng)前的主流,所有歐洲新建的裝置均采用掃描模式.M.D.Anderson治療中心三個(gè)Gantry中有一個(gè)已改為掃描模式,自2008年5月到2010年1月已治療了200個(gè)病人(散射模式自2006年5月到2010年1月已治1300人)掃描模式對(duì)加速器的要求(1)最高能量230MeV,治療時(shí)要求能量精確可調(diào),2MeV一檔.調(diào)節(jié)速度小于100ms.

回旋加速器,<230MeV,引出能量固定,但利用快速降能器可以做到(2MeV,100ms),但

1.降到70MeV時(shí)損失98%的束流,導(dǎo)至高放射性.防護(hù)墻厚致6m,關(guān)機(jī)后兩小時(shí)內(nèi)不準(zhǔn)進(jìn)入大廳2.必需用耐高輻射的電子學(xué)元件,3.需用龐大的分析磁鉄,選擇所需能量,能散度<0.2%4.導(dǎo)致降能器價(jià)格昂貴,與加速器相等??！這些是回旋加速器的缺點(diǎn).成為選型時(shí)的舍取重要因素慢同步加速器,>230MeV,每周期引出能量可以容易改變,但每檔間的調(diào)節(jié)速度約1.5s!,不夠快掃描模式對(duì)加速器的要求(2)優(yōu)點(diǎn)是不需降能器,無放射性.

需在加速器磁場(chǎng)上升或下降過程中按需引出不同能量的粒子,NIRS己成功.連續(xù)掃描速度1cm/ms,

回旋加速器引出的是連續(xù)束,掃描磁鉄很容易做到1cm/ms

慢同步加速器采用慢引出,spill可延長(zhǎng)到5-10s,然而有2s的間斷(重新加速),故可近似認(rèn)為連續(xù),效率低一些而己(僅對(duì)靜態(tài)治療而言)

對(duì)于脈沖型加速器、如快同步、同步回旋加速器等,則脈沖次數(shù)需要到1-2KHz!!!才能做到掃描速度1cm/ms(每點(diǎn)為5-10mm)掃描模式的優(yōu)點(diǎn)不需個(gè)性化硬件健康組織的照射劑量，僅為散射模式的1/10治療的效果與加速器的束流性能緊密相關(guān)目前尚無找到對(duì)付動(dòng)態(tài)器管的治療辦法慢同步加速器的特殊問題治療對(duì)流強(qiáng)穩(wěn)定度要求并不高,通常1x10-3已足夠,但是慢同步加速器引出的束流性能中含有1-10KHz的<100%的流強(qiáng)起伏,治療頭中的劑量?jī)x可以用來克服這一困難。即當(dāng)打到每一點(diǎn)上的劑量達(dá)到預(yù)定值時(shí)才發(fā)出信號(hào)，使轉(zhuǎn)移到下一點(diǎn)上。慢引出束流在兩橫向相空間分布是極不對(duì)稱的,垂直方向近似橢圓，而水平方向?yàn)橐还鳡睢槭拱猩系氖卟浑S旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，則需在旋轉(zhuǎn)支架前采用移相器或散射片等特殊措施。如今后采用適形調(diào)強(qiáng)治療時(shí)，要求能隨意改變加速器的輸出流強(qiáng)，而調(diào)強(qiáng)速度要快于100s?；匦铀倨骼谜{(diào)節(jié)中心離子源處的偏轉(zhuǎn)板電壓，可容易地做到這一點(diǎn)。而慢同步加速器最快也得在下一周期中完成，至少1.5S。實(shí)行門控治療(動(dòng)態(tài))時(shí),比連續(xù)束流效率底。Extractedbeamintensity

Theextractedbeamintensityfromthecarbonsynchrotronduringonespill

緊湊型裝置與精確治療MEVIONS250MEVIONS250MEVIONS250優(yōu)缺點(diǎn)采用超導(dǎo)同步回旋加速器(60年代初),固定磁場(chǎng),調(diào)頻,脈沖束,每秒500次,平均流強(qiáng)約a級(jí).加速器功率約10Kw!!超小型,一個(gè)房間就夠.價(jià)格便宜2500萬美元固定引出能量,僅能進(jìn)行散射模式治療中子本底大?ProTom330—一個(gè)頗有競(jìng)爭(zhēng)力的裝置McLarenProtonTherapyCenter(MPTC)

Totalweight=15tons4.9mdiameter70–250MeVfortreatments330MeVforProtontomographyVariableextractionsequenceVariableintensity常規(guī)慢同步加速器加速器與旋轉(zhuǎn)支架分離

McLarenSpecificationsPencilbeamscanningforIMPTandSFUDΔE/Eofbeamatextraction:≤0.2%Maximumtreatmentfieldsize:40cmx30cmTreatmentbeampenetration:≤4–37g/cm2Spotsizesinairatisocenter(1σ):3mmto7mmBeamspilllength(flattop):0.1to≥5sTimebetweenbeamspills:～1s(energydependent)Beamintensity:variablewithinspill.DR～10:1Timeto