质子治疗及其装备的相关情况

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1、关于质子治疗及其装备的相关情况田新智一、质子治疗的基本原理质子是带正电的粒子，其电荷量与电子相同，但是质量比电子大得多，约是电子的1836倍。质子和其他许多粒子一样，进入人体后由于电离作用能量逐渐损失，但是质子其他粒子进人人体内的能量损失过程和剂量分布曲线有很大的不同。下图为不同射线粒子在人体内的能量损失和剂量分布图，横坐标为进入人体内的深度，纵坐标为相对剂量值。曲线A对应质子，曲线B对应20MeV电子，曲线C对应60钴γ射线。这三种都是放射治疗中较常用的粒子流。由上图可知，在用60钴照射时，剂量

2、随深度而下降，这就给治疗带来了两个比较严重的问题。第一，对较深处肿瘤，前面正常的细胞要受到比肿瘤处更大的剂量照射。第二，肿瘤后部的正常细胞不可避免地要受到较大的辐射而受到损伤。用电子照射时，这两个问题也存在，但是比60钴γ射线的危害要小。代表质子的曲线A有这样的特点：缓慢上升一段后，急速到达峰值，后急速下降。这个剂量峰称作Bragg峰。对于很小的肿瘤，只要将Bragg峰对准它，那么肿瘤处就能接受到最大的剂量值。对于较大的肿瘤，可以通过调制质子能量使Bragg峰展宽到和肿瘤厚度相当的水平再进行治疗。

3、肿瘤前的正常细胞只受到较小的剂量值，受到的伤害低于60钴和电子治疗水平，肿瘤后的正常细胞基本不受伤害。二、质子治疗装置的构成框图（一）质子加速器利用直流高压电场进行加速的加速器能量较低，利用感应涡旋电场进行加速的加速器只能加速电子。质子治疗需要较高能量的质子，只能由高频谐振加速器获得。一般来说，为使质子束能治疗深度为30cm到315cm的肿瘤，需要一台70~230MeV的质子加速器。质子加速器类型基本是以下几种：1)同步加速器2)回旋加速器3)同步回旋加速器4)直线加速器。这几种加速器孰优孰劣历来

4、有较大争议。回旋加速器最大的优点在于操作方便，但是它需要额外配置能量选择系统，因为它不具备能量可调性，而且它的束流品质不如其他两类加速器好。同步加速器的优势在于输出能量可调，不需要再配置能量选择系统，但是它操作起来比较复杂，占地面积大。直线加速器也能实现输出能量可调，而且它的束流品质特别优良。（二）能量选择系统质子治疗时要根据肿瘤本身深度和厚度用不同能量的质子，而回旋加速器引出的质子流能量是固定的，因此要在加速器与治疗头之间有一个能量选择系统，这个系统由降能器与离子光学用的各种磁铁与测量元件所组成

5、。当质子通过石墨层时，石墨厚度大则降低的能量越大，故用不同的厚度就可以得到不同的降能。当加速器引出的230MeV固定能量的质子进入能量选择系统，通过调节降能器的不同厚度，就可以在输出端得到从70MeV到230MeV连续可调的不同能量的质子流。（三）束流运输系统和旋转机架束流运输系统的任务是将加速器产生的质子束送到患者的治疗部位附近。沿着束流运输管道安放着四极磁铁、偏转磁铁、导向磁铁、束流测量设备和真空设备。四极磁铁的任务是对质子束进行聚焦。偏转磁铁的任务是改变束流的方向。导向磁铁的任务是纠正质子束

6、在系统安装时产生的偏离。患者在治疗室中往往需要用较长时间进行定位，为了充分利用加速器的束流，质子治疗装置通常配置多个治疗室，各个治疗室在照射时间上相互错开。治疗室分为固定束治疗室和转动束治疗室，转动束治疗室中配有旋转机架，它们能环绕卧姿患者进行转动，以便质子束从不同方向对靶区进行照射。从加速器引出的质子束先进入主束线，然后根据需要转入不同的支束线进入治疗室。主束线和支束线的交界处配置偏转磁铁改变束流方向，这种偏转磁铁又称为开关磁铁。（四）治疗头和定位准直系统为将加速器引出的束流扩展成较大且均匀的质

7、子流，覆盖所有肿瘤横向面积，需要有一个束流配送系统。为了将质子流形成一个扩展布拉格峰，能照射到肿瘤的整个纵向深度，需要有一个束流能量调制器。所有这类专用功能的部件，共十多种都装在治疗头内。例如：①降能器：用于较大幅度降低质子能量，常用的降能器是一个石墨柱体，外加不锈钢壳作为保护。②转动调制器：用于质子束的射程调制。③二进制调能器：用于射程细调。④射程补偿器：确保扩展Bragg峰后沿恰好落在靶区后方边界上。⑤散射系统：目前运用最广泛的束流扩展系统，其中单散射系统只适用于照射野很小的情况，大量应用的都

8、是双散射系统。①准直器：用于限制照射野，一般配有射程监测器监测质子射程。②定位系统：用于使质子束精确地辐射在肿瘤病灶部位。（五）其他系统①剂量验证系统：为了确保在治疗时的真实质子治疗剂量参数达到治疗的规定要求值，同时保证安全和疗效，必须有一套剂量验证系统进行治疗剂量的实时监测。②治疗计划系统：本质是一个专用于质子治疗的软件，医生根据患者的有关诊断信息，用这个软件来制定患者的治疗方案，并确定设备运行参数。③治疗控制系统：将质子治疗系统中各个独立完成某一特定功能的设备相互连接在一起，通