质子治疗系统原理及其应用

 

原载：中国医学装备2021年4月第18卷第4期

说明：为增加手机阅读的可读性，文中引用研究结果的文献标注被去掉了，英文术语只保留了缩写，如果需要进一步的阅读，请查看原文献。

[摘要]

质子治疗作为新兴的肿瘤治疗手段，与传统放射治疗相比具有不良反应小、治愈率及精确度高等优势。

但质子治疗系统(PTS)在国内安装较少且安装要求较高，涉及的大型设备及技术较为复杂。

现有PTS的研究仍停留在理论介绍阶段，并不依托具体产品进行贴近临床应用的介绍。

通过对国内首台装机完成并即将开展临床试验的IBA Proteus PLUS多室质子解决方案设备进行系统性介绍，以产品技术为主线，阐述从理论到实际临床应用的研究现状，弥补国内质子相关研究领域的空白。

 

 

引言

 

质子治疗系统(proton therapy system，PTS)是利用质子射线束杀伤肿瘤的一种大型放射治疗设备。

随着质子加速器的小型化、肿瘤定位追踪的精细化及质子辐射生物学效应的研究等进展，质子治疗正在迅速进入大众视野，成为目前乃至未来肿瘤治疗的一大利器。

1946年美国哈佛大学Wilson首先提出应用质子治疗肿瘤的建议。

1954年加利福尼亚大学劳伦斯-伯克利国家实验室利用同步回旋加速器进行了全球首例患者质子脑垂体照射。

1990年美国洛玛琳达大学医学中心安装了第一台医用质子治疗设备，可通过等中心机架向不同角度进行质子束流照射。

2006年，MD Anderson癌症中心安装世界第一台可实施二维扫描束功能的质子治疗设备，此后全球竞相出现质子建设大潮。

 

 

根据国际粒子治疗联合会官网最新统计，截止2020年底，全球已运营的学术型或商业型粒子治疗中心已达100余家，其中大部分为质子治疗中心，截至2019年底已有约260150名患者接受过各类型粒子治疗，其中质子约222425名，碳离子约34138名，使用He、π介子及其他离子处理的约3587名，且这一数字还在极速增长当中。

 

目前，全球主要有比利时IBA、美国Varian与Mevion及日本日立等公司提供商业化质子治疗解决方案。

其代表产品分别为Proteus ONE/Proteus PLUS(IBA)、ProBeam(Varian)、MEVION S250/MEVION S250i(Mevion)及PROBEAT/PROBEAT-V(日立)等。

除日本日立主体结构采用同步加速器外，其余厂家皆采用回旋加速器。

IBA目前提供多室质子治疗中心解决方案(IBA Proteus PLUS)及紧凑单室系统(IBA Proteus ONE)可供客户选择，其中IBA Proteus PLUS采用等时性回旋加速器C230，作为下一代紧凑单室解决方案的IBA Proteus ONE则采用超导同步回旋加速器S2C2，其重量仅50t左右且直径＜2.5m。

河北一洲肿瘤医院于2015年采购IBA Proteus PLUS多室质子解决方案，已完成该系统的安装及调试，并通过了其中两间治疗室的验收、测试及模型验证等工作，即将进入临床试验阶段。

通过介绍这一国内第一家IBA Proteus PLUS多室质子解决方案的系统配置情况及工作原理，探讨质子放射治疗临床应用情况及未来发展，推动大众与相关临床工作人员对质子技术的进一步了解与应用。

 

 

1 质子治疗系统组成

1.1 束流管理系统(BMS)

束流管理系统

(beam management system，BMS)

主要包括

束流产生系统

(beam production system，BPS)

能量选择系统

(energy selection system，ESS)

束流传输系统

(beam transport system，BTS)

束流照射系统

(beam delivery system，BDS)

4部分

 

BPS为一个C230固定能量等时性回旋加速器通过ESS，将加速器引出的连续固定能量(230MeV)质子流通过降能器将能量调整为临床上所需的70～230MeV各能量束流，最后通过主干运输线束流传输系统及各治疗室束流分配线将束流引至各治疗舱室，其性能参数见表1。

表1 IBA Proteus PLUS C230加速器相关参数指标

 

 

IBA Proteus PLUS治疗室分别为：

（1）配备笔形束扫描(pencil beam scanning，PBS)专用治疗头(dedicated nozzle，DN)的固定束治疗室FBTR1、旋转机架治疗室GTR2、GTR3、GTR4；

（2）配备支持PBS与双散射(double scattering，DS)技术的通用治疗头(universal nozzle，UN)旋转机架治疗室GTR5。

 

通过配备自动束流调度(automatic beam scheduler，ABS)功能管理多束流请求，且超快速束流线功能可将不同治疗室间平均束流切换时间降低至20s或更低。治疗室分布见图1。

 

注：图中1为C230加速器；2为能量选择系统；

3为主控室；4为束流运输系统；5为屏蔽；

6为固定束治疗室；7为旋转机架治疗室

图1 IBA Proteus PLUS多室分布图

 

 

束流照射系统主要包括各类型机架与治疗头

 

每个360°旋转机架治疗室包含一套旋转机架束流传输系统及一套随机架一起旋转的履带式封板，允许工作人员在旋转机架的任意角度进入患者周围，旋转封板设计承重为500kg。

 

固定束治疗室则仅包含一个水平束流传输系统，其中一间旋转机架治疗室结构见图2。

 

注：图中1为机架；2为附件抽屉；

3为治疗床机械臂；4为状态显示面板；

5为可旋转履带；6为床板；7为手控盒；

8为角度指示器；

9为两个可接受X射线的平板探测器

图2 旋转机架治疗室图例

 

 

 

IBA Proteus PLUS系统共提供DN与UN两种类型治疗头，分属于不同治疗室。

 

1.1.1 DN治疗头

 

该治疗头支持PBS照射模式，其最大照射野为30cm×40cm，标准最大射程(Range)为32g/cm2，最小射程为4.1g/cm2，在最大射程处的束斑尺寸为3mm。

 

配备可支持远程控制的附件抽屉，通过附件固定器装载射程移位器或脊形过滤器，以调整束流射程范围或布拉格峰宽度。

 

针对DN，该系统同时配备专用治疗头气隙调节器，此功能配件可远程调节附件和患者间距离(此距离调整通常根据计划要求设定)。

 

配备4.0cm射程移位器，此设备可使治疗头的最小射程进一步延伸到4.1g/cm2以内，以专供浅层肿瘤的治疗。

 

配备8mm脊形过滤器，可通过一系列固定的局部脊形棒作用，抹去较小射程范围内陡峭的布拉格峰，以减少浅层扩展布拉格峰中的总能量层数。

 

1.1.2 UN治疗头

 

通用治疗头UN支持DS及PBS两种照射模式，两种模式切换不超过15min。

 

DS模式支持两种射程的治疗：最大射程为24g/cm2模式，对应最大照射野直径为24cm；最大射程为28g/cm2模式，对应最大照射野直径为14cm。

 

该UN配备小、中、大及超大尺寸共4种大小的圆形喷嘴，距等中心距离皆为32.5cm。

 

对于PBS模式其治疗参数除在最大射程处的束斑尺寸为4mm外，其余与DN相同。

 

1.2 定位管理系统(PMS)

 

定位管理系统(positioning management system，PMS)主要包括患者定位系统(patient positioning system，PPS)、患者定位确认系统(即质子治疗图像引导)、远程治疗摆位系统及门控设备等。

 

1.2.1 患者定位系统(PPS)

 

PPS是PTS的主要子系统，是在质子治疗期间用于支撑和定位患者的高精度机械设备，其精度对于治疗的成功实施至关重要。

 

该系统PPS的主体设备为KUKA机械臂，可提供3个平移与3个旋转共计6个自由度方位为患者进行精准定位。

 

此定位系统包含一套Qfix kVue机械式患者定位专用床板，该床板包括碳纤维治疗床基架和背板，床板设计可支持多种插板。

 

1.2.2 质子治疗图像引导

 

质子治疗图像引导系统具备双源X射线立体影像功能，配备有Rad-A和Rad-B 2套X射线管和2套彼此正交的数字影像平板探测器系统。

 

其中Rad-A是束流射野方向观方向，Rad-B垂直于Rad-A。

 

除正交平片外，旋转机架上的Rad-B也可提供锥形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)功能。可根据需要进行180°半扫描及360°全扫描，可选扫描条件为小型扫描视野(small field of view，SFOV)(23cm)与大型扫描视野(large field of view，LFOV)(50cm)。

 

IBA为各治疗室提供一个单独的X射线影像室，可供工作人员在治疗室内实施X射线影像拍摄。

 

提供2D-3D基于点配准、手动配准和自动配准，共3种及最大6个自由度的配准方式，并最终实现摆位误差移床的校准。

 

1.2.3 远程治疗摆位系统

 

此功能使操作人员在治疗控制室即可远程控制喷嘴、治疗床、旋转机架及X射线设备等，可使等中心计划各射野依序自动治疗，而无需再次进入治疗室进行相关程序确认。

 

并可直接使用治疗控制室内的X射线控制台，完成患者X射线成像和位置校正等。

 

1.2.4 门控设备

 

系统采用第三方Dyn'R公司(法国)SDX呼吸门控设备，利用呼吸肺活量控制技术实施治疗过程中的肿瘤实时运动管理。

 

该设备与IBA通用束流触发接口(universe beam triggering interface，UBTI)相整合，以此对束流状态进行综合管理。

 

1.3 治疗控制系统(TRCS)

 

治疗控制系统(treatment control system，TRCS)由一系列高级别软件组成，其通过BMS、位置管理系统和治疗安全系统提供的服务协调并监督完整的患者治疗过程(或体模验证校准等)。

 

该系统将主控室、治疗控制室及治疗室三方合理统筹，共同完成整个临床工作流程。

 

尤其在治疗控制室内将adaPT治疗包与相关服务进行整合。

 

adaPT治疗包是IBA质子设备的终端控制软件包，包括adaPT prescribe、adaPT deliver及adaPT insight等软件。

 

adaPT prescribe软件应是可对单独临床和质量保证(quality assurance，QA)模式的治疗计划及处方进行编辑的平台。

 

adapt deliver是治疗照射的前端，以流水线形式控制患者治疗和质量保障模式，且与治疗计划系统(treatment planning system，TPS)及肿瘤信息系统(oncology information system，OIS)相连接整合。

 

本中心OIS选用第三方医科达MOSAIQ(Ver2.64)系统，TPS则为RaySearch公司RayStation(Ver7.0)计划系统工作站。

 

adaPT insight是患者摆位的前端，可控制患者影像获取、配准及治疗床控制器的数据交流并支持多等中心计划等。治疗控制室见图3。

 

注：图中1和2为闭路监控；3为状态显示面板；

4为adaPT insight工作站；

5为adaPT prescribe及adaPT deliver等工作站；

6为Mosaiq工作站；7为kV曝光手控盒

图3 治疗控制室示图

 

 

1.4 治疗安全系统(TSS)

 

治疗安全系统(therapy safety system，TSS)是自动防故障系统，一定程度上是对TRCS的补充，用于防止患者、工作人员或公众受到质子治疗系统伤害。

 

其完全独立于TRCS特定电子单元的连接，通过联锁少量关键组件(如离子源电源、旋转机架电机及患者定位系统电机等)及时阻断因某项故障带来的伤害。

 

1.5 支持系统(Support System)及其他

 

为保障IBA Proteus PLUS系统正常运转，也需要一些其他重要组件支持。

 

如提供水、电源及气动空气供给的设备接口设施及一些真空系统、水冷系统、气动系统、磁铁和磁铁电源设备、束流供给系统、旋转机架的控制诊断及安全仪器等。

 

此外如机加工设备(milling machine devices，MMD)，为实现GTR5通用治疗头DS治疗模式，该系统专门设计一间机加工车间，包含两台机加工车床，用于生产可安装在不同喷嘴上的孔径和补偿器等。

 

2 质子治疗工作原理

 

质子的布拉格峰特性允许质子只需将其峰值对准肿瘤病灶，肿瘤接受最大剂量，而肿瘤前的正常组织器官等只受到相应1/3～1/2的剂量，且肿瘤后沿正常组织器官几乎不受辐射伤害，克服了常规X射线及电子线临床治疗的缺陷，最大程度提高了射线利用率。

 

但单一能量质子束仅毫米数量级的布拉格峰宽度较窄，且束流本身能散度及束流经过患者身体的能量离散度不足以将布拉格峰展宽至覆盖厘米级肿瘤厚度的范围。

 

因此必须对束流进行纵向能量调制以扩展布拉格峰，并与被照射肿瘤厚度相适应才可进行临床应用。

 

除束流纵向能量调制外，通常也需对其进行束流横向扩展。

 

因为从回旋加速器引出的质子束流截面仅毫米到厘米数量级，远不足以覆盖肿瘤的最大横向尺寸，难以用于临床治疗。

 

2.1 束流纵向能量调制

 

束流纵向能量调制即临床上目标深度处均匀剂量的照射通过构造布拉格峰实现。

 

布拉格峰由一系列各强度及能量的原始布拉格峰组成。

 

对于被动散射系统，主要通过一个能量调制轮实现这一点。

 

调制轮是由低Z材料制成的一系列高度及宽度各不相同的台阶所构成，当其以恒定速度旋转时，加速器引出的具有一定能量的质子束按顺序通过台阶，从而使光束能量降低，以产生一组计划所需能量和强度的布拉格峰进而构造出布拉格峰。

 

笔形束布拉格峰的实现则无需能量调制轮，而主要依靠从能量选择系统引出的质子流，通过多层扫描实现布拉格峰的展宽与均匀化。

 

对于浅层肿瘤的治疗，可通过使用脊形过滤器及射程移位器进一步扩展及优化笔形束扫描技术的临床应用价值。

 

2.2 束流横向扩展

 

束流的横向扩展形成了各种不同的质子束束流输送技术。

 

本中心IBA Proteus PLUS系统可提供目前临床上常用的被动散射及笔形束扫描两种束流输送技术。

 

被动散射作为一种常规的质子束治疗技术，利用加速器输出聚焦质子束，通过1～2个散射体散射，最终获得经扩展后临床可用的较大照射野。

 

其中单散射技术仅利用束流线中的一个散射体进行射束横向扩展，该散射体通常由铅等高原子序数金属箔制成。

 

单散射系统对射线利用率较低，形成的射野较小且剂量分布平坦度不高，但与比双散射系统相比，通常具有更尖锐的横向半影，更常用于眼睛或脑部肿瘤的小靶区治疗。

 

双散射系统通过上、下两个散射体进行束流扩展，首先质子束通过第一级散射体形成高斯形场强分布，然后通过第二散射体使得横向剂量分布更为平坦，最终可形成直径达40cm的均匀强度场剂量分布。

 

笔形束扫描系统则采用两对正交偶极磁铁(扫描磁铁)横向引导质子，将具有一定强度即质子数的小尺寸笔形束引至预设位置，因此整个肿瘤的剂量由多个笔形束叠加而成。

 

最终为使束流与肿瘤形状相适应，被动散射技术采用治疗机头安装的一系列孔径及补偿器以实现适形治疗。

 

笔形束扫描技术通过对质子束位置和质子数量的控制，形成调强质子治疗(intensity modulated proton therapy，IMPT)技术，即横向强度调制与IMRT类似，通过改变能量实现纵向深度调制。

 

因此，PBS可实现真正的3D剂量绘制，并且因为无需相关光束修正硬件，PBS与被动散射相比较，可明显降低空气中中子的产生量。

 

3 质子治疗临床应用

 

3.1 质子治疗临床优势

 

质子治疗适用于局部非扩散肿瘤的治疗，在物理、生物学及临床医疗方面具有一定优势。

 

尤其在对有重要组织器官包绕的肿瘤或治疗方案有限且常规放射治疗给患者带来不可接受风险的情况下，如眼睛和脑瘤、头颈部肿瘤、前列腺癌、肝癌、肺癌、乳腺癌、儿科肿瘤及其他邻近存在一种或多种危及器官的肿瘤等方面优势显著。

 

质子治疗可显著降低正常组织剂量及二次肿瘤发生风险，对于儿童或年轻患者肿瘤治疗意义重大。

 

虽然许多研究表明导致早期癌症患者死亡的主因仍然为原发性肿瘤，但幸存者会产生许多与治疗相关的后遗症，严重损伤其生活质量。

 

临床上大量剂量学及基于模型的评价表明，PTS治疗对患者的临床疗效有利，其生活质量改善及正常器官功能发育风险得以降低。

 

3.2 问题分析

 

PTS仍存在许多不完善之处，尤其是射程不确定性、对治疗分次间误差或解剖位置变化敏感等带来的不确定性问题，及笔形束相较于被动散射对器官运动更敏感等。

 

虽然质子对肿瘤的杀伤效果更优，但考虑到其独特的物理特性，使得质子治疗对位置和运动更加敏感，位置的偏移会使最大剂量误照在正常组织上，如此造成的生物损伤比光子更为严重。

 

针对各种治疗的不确定性，被动散射使用正向计划，通过使用摆位边界及射程边界以减小其不确定性，PBS则使用逆向计划，通过鲁棒性优化和鲁棒性测试以应对不确定性。

 

此外还可利用如PTS所配备的CBCT影像对患者位置或周期性影像进行监测，或采用呼吸门控管理设备等对运动肿瘤实施门控管理，目的是尽可能减少各种不确定性问题，实现对肿瘤的精确治疗。

 

业界对于运用质子的临床治疗在物理剂量分布上的优势几乎无异议，但其在生物学方面仍存在争议：相对生物效应(relative biological effectiveness，RBE)会随着射线射入人体深度的增加而变大，变化的RBE会影响射束射程大小。

 

临床上使用固定值1.1计算出来的射程实际上仍会或大或小于实际射程，由于该不确定性，业界仍担心其潜在的晚期反应。

 

导致质子放射治疗现阶段仍处于临床广泛应用的初级阶段。

 

 

4 展望

 

放射治疗是依赖于大型医疗设备的学科，即使质子治疗目前仍存在争论，但并不影响新技术在质子治疗上的研发与应用。

 

Flash放射治疗是一种新型的超高剂量率放射治疗技术。

 

Flash放射治疗与以常规剂量率进行的放射治疗相比，其以高剂量率(≥40Gy/s)粒子短脉冲进行束流治疗，从而产生Flash现象。

 

高剂量率照射会导致组织中的氧气消耗，使健康组织具有一定抗辐射能力，而肿瘤对Flash照射的敏感性却与传统治疗相同，从而使剂量可在高缺氧条件下进一步提高，以利于破坏杀灭肿瘤。

 

动物实验表明，Flash放射治疗在治疗肿瘤的同时，可在很大程度上降低对正常器官的不良反应。

 

除临床上展现的生物学优势外，该治疗方式还可显著提高患者治疗效率，将治疗时间从6～8周缩短到1～2周，可进一步降低治疗费用。

 

因此，将Flash放射治疗应用于质子放射治疗的技术模式有望成为未来质子治疗领域的潜在主流发展趋势。

 

此外，束流质量及输送技术的进步使弧形质子治疗在临床上的应用成为可能。

 

点扫描质子弧形治疗(spot scanning proton ARC，SPArc)技术可显著提高靶区处方剂量的适形性，降低患者正常组织器官的受照剂量，缩短治疗时间。

 

Ding等研究首次从剂量学意义上展示SPArc应用于前列腺癌治疗，不仅可提高计划的鲁棒性，改善计划质量，而且可显著减少治疗过程中束流照射时间，提高治疗效率。此外质子栅极治疗、笔形束扫描准直技术、核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)引导质子治疗及质子治疗自动计划等新技术层出不穷，尤其随着凝聚态物理学特别是超导技术的发展与应用，以及超导材料成本下降，加速器与机架小型化程度不断改善，推动小型质子化的实现与普及。加速传统放射治疗从光子迈入质子时代。

 

 

 

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