10质子精确治疗

质子精确治疗与加速器方守贤高能所20121020主题简介精确治疗治疗粒子种类对剂量分布的改进-Bragg峰的应用多方向照射对剂量分布的改进-gantry的应用治疗模式对剂量分布的改进-扫描模式成为主流扫描模式对加速器的要求紧凑型装置与精确治疗

简介癌症是当今人类最难对付的严重疾病之一，在发达国家已成为人类死亡笫一杀手。在中国，癌症患者数目正在急剧上升。根据非官方统计，每年新增癌症患者为240万名，其中约50％需要接受放射治疗。放射治疗是治疗癌症的重要手段.

常规放射治疗:放射性同位素产生γ射线:γ刀.

电子直线加速器：电子打靶产生X射线新型放射治疗:

质子及重离子加速器:质子及重离子把足够的剂量放进肿瘤同时周围正常组织毫无损伤

理想的放射治疗-()精确治疗(适形調强)治疗粒子种类对剂量分布的改进离子治疗的优越性几何特性：强子与X射线的主要差别在于能量衰变规律(BraggPeak)生物特性：离子与质子的主要差别在于相对生物效应(REB)

—治疗粒子种类的选择粒子种类与精确治疗的关系

粒子与X射线----能量衰变规律单粒子剂量随体

内穿透深度的关系Bragg峰6个脉冲形成4cm宽的SOBP质子SOBP剂量与体内

的辐照深度的关系根据粒子辐射在体内随深度变化的Bragg峰曲线，剂量可集中在肿瘤部位。碳离子（290MeV/n）在杀死肿瘤细胞上具有最佳的特征曲线。峰后零剂量：能够保护肿瘤周围的健康组织或器官。光子DepthinTissue剂量质子SOBP肿瘤厚度质子布拉格锋多余剂量光子和质子剂量分布比较多方向照射对剂量分布的改进

单向照射时剂量的分布比较以肿瘤为轴进行旋转辐照的效应旋转的多方向辐照将极大的改进射线在人体内的剂量分布，对于质子的情况将变得更好。这也就是为什么质子和离子治疗需要旋转机架的原因。质子与X射线治疗的比较腮腺癌

X射线2向照射X射线5向照射质子3向照射1.加速器:注入器,快循环同步加速器,输运线系统M.D.AdersonProtonTherapyStandardNozzleScanningNozzleLargeFieldOcularExperimentalSynchrotron5StandardNozzles1PencilBeamScanningNozzleon

a4.5acrelot旋转机架(gantry)旋转机架要将总长三米,重达几十吨的治疗头和由偏转和聚焦磁铁组成的的束流输运系统沿旋转机架水平轴转动±180度,并且要求等中心点的位置误差小于1毫米。

因此这是一个又重又大而又精密的动结构大型机电装置，重量达约200吨,体积大,稳定性好。IBA的旋转机架海德堡630吨的巨大旋转机架

质子与碳离子----生物特性肿瘤区侵润组织通常被治疗的肿瘤病灶划分为肿瘤区和临床靶区；临床靶区包括肿瘤区和潜在的肿瘤侵润组织或亚临床灶区，实现精确治疗就是要将离子束精确地注入到临床靶区；对于质子而言，对潜在的肿瘤侵润组织区域的正常组织损伤较小，正常细胞可以修复；对于碳离子而言，由于双链会同时断裂，对在这个区域的正常组织来说，损伤较大，且不可修复；若考虑到定位误差及器官移动等问题，碳离子造成对正常组织的损伤的可能性比质子要大。肿瘤核心区亚病灶区

质子与碳离子的优缺点----生物特性质子和光子作为低LET的粒子，一般称之为“治疗粒子”。他们的治疗作用是通过所形成的活性HO基的化学毒化作用，活性HO基的这种化学毒化作用也发生在周围的正常组织上，但目前人们的正常组织已经形成了修复这种损伤的功能，肿瘤细胞尚没有这种功能。

碳离子作为高LET的轻粒子，一般称之为“外科手术粒子”。他们的治疗作用是通过电离所形成的高密度二次电子的电离作用，可以使得DNA的双链同时断裂，并且很难再修复。很少细胞可以逃过这种损伤HIBMC及世界各地的临床经验医学：在杀死癌细胞方面，碳离子的效果比质子好；碳离子治疗方式更适合于抗辐射型肿瘤。在头颈部、肺、肝脏及前列腺等器官的肿瘤控制方面，质子和碳离子并没有显著区别。质子放射治疗更适合于儿童肿瘤患者。缺乏完全随意的临床试验来直接比较两种治疗方式，所以现在无法给出确切的结论。技术：在技术上，碳离子治疗装置比质子装置复杂。经济：碳离子治疗装置的建造和运行费用比质子装置贵两倍。全球治疗经验：约65000名患者接受过质子放射治疗，而只有大约6500名患者接受过重离子治疗。随着国际上强子治疗的发展，为了达到最好的治疗效果，质子和碳离子应是相辅相成，互不可缺。治疗模式对剂量分布的改进

----两种治疗模式的比较RMS2S1HighZLowZ治疗方式一:双体散射皮肤表面重要组织肿瘤调能量到最深处挡块质子束皮肤表面重要组织肿瘤调能量到最深处挡块质子束补偿器–

减少射程皮肤表面重要组织肿瘤补偿器–减少射程挡块质子束皮肤表面重要组织肿瘤补偿器–减少射程挡块质子束叠加效应SOBP散射模式治疗头双环散射加扭摆磁铁扫描方法散射治疗头照射野的大小为±20cm旋转支架出口到等中心需4m眼睛治疗时束斑的最大直径为5cm在第一散射体上束斑大小为7mmFHWM,控制方向使第二散射体的中心位置偏差小于0.5mm至少需三个独立的检测系统,以确保照射的均匀性,位置的准确性及总的积分剂量精确到0.1cGy的水平散射模式的缺点照射剂量率不够高，2.5Gy/min,而X-ray通常可达6-10Gy/min治疗过程中各种硬件多,而且因人而异,因病请变化而变,一个有效的QA治疗所需的RWMs太多.需要一车间随时加工一部份健康组织受到了不该受的剂量经散射片约损失30%的束流但对于运动器管肿瘤治疗较有效治疗模式对剂量分布的改进

----扫描模式成为主流笔束扫描原理SM1SM2OptionalApertures&Boluses/RS/RFforUN

束流持续调节扫描速度持续调整降能器调整能量扫描不同层面每一层提供重复扫描Q1&Q2间断的点扫描ScanningMagnetsTargetSpotLayerProtonBeamRangemodulationAtargetisdividedintomanylayers

AlayerisdividedintomanyspotsSpotsareirradiatedonebyoneEchangeSuzuki/MDACC连续的点(线)扫描模式--PSILinescanningLines:10msfora10cmlinePlanes:20lines→200msChangeofenergy→100ms.Volume:20energy5mmsteps6sfora1litervolume

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

点(綫)扫描加调强治疗点扫描治疗头照射野为40cmx30cm,旋转支架的最后一块Q鉄可用於调节束水平尺寸束流均匀性在束的80%横向截面内要好於+/-2%,在SOBP内好于+/-2%在旋转支架出口束流尺寸为7mmFWHM,在不用散射体时,等中心处为10mmFWHM至少用四个独立的检测系统,测量束的强度均匀性,束照射处的积分剂量,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扫描模式治疗头穿透深度：30cm照射范围：标准范围：20×20cm，扩展范围：40×80cm平整度：±3.5%束流利用率：100%治疗时间：10000voxels/升，4～5分钟扫描模式是当前的主流PSI及GSI是扫描模式的开创者,前者始於1996年用Gantry1-质子(至2008年已超过350人),后者始於1997年用固定水平束-碳离子(至2008为400余人).尽管扫描模式对动态癌的治疗尚有难度,但扫描模式是当前的主流,所有欧洲新建的装置均采用扫描模式.M.D.Anderson治疗中心三个Gantry中有一个已改为扫描模式,自2008年5月到2010年1月已治疗了200个病人(散射模式自2006年5月到2010年1月已治1300人)扫描模式对加速器的要求(1)最高能量230MeV,治疗时要求能量精确可调,2MeV一档.调节速度小于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时损失98%的束流,导至高放射性.防护墙厚致6m,关机后两小时内不准进入大厅2.必需用耐高辐射的电子学元件,3.需用庞大的分析磁鉄,选择所需能量,能散度<0.2%4.导致降能器价格昂贵,与加速器相等！！这些是回旋加速器的缺点.成为选型时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变,但每档间的调节速度约1.5s!,不够快扫描模式对加速器的要求(2)优点是不需降能器,无放射性.

需在加速器磁场上升或下降过程中按需引出不同能量的粒子,NIRS己成功.连续扫描速度1cm/ms,

回旋加速器引出的是连续束,扫描磁鉄很容易做到1cm/ms

慢同步加速器采用慢引出,spill可延长到5-10s,然而有2s的间断(重新加速),故可近似认为连续,效率低一些而己(仅对静态治疗而言)

对于脉冲型加速器、如快同步、同步回旋加速器等,则脉冲次数需要到1-2KHz!!!才能做到扫描速度1cm/ms(每点为5-10mm)扫描模式的优点不需个性化硬件健康组织的照射剂量，仅为散射模式的1/10治疗的效果与加速器的束流性能紧密相关目前尚无找到对付动态器管的治疗办法慢同步加速器的特殊问题治疗对流强稳定度要求并不高,通常1x10-3已足够,但是慢同步加速器引出的束流性能中含有1-10KHz的<100%的流强起伏,治疗头中的剂量仪可以用来克服这一困难。即当打到每一点上的剂量达到预定值时才发出信号，使转移到下一点上。慢引出束流在两横向相空间分布是极不对称的,垂直方向近似橢圆，而水平方向为一棍状。为使靶上的束斑不随旋转支架转动而变化，则需在旋转支架前采用移相器或散射片等特殊措施。如今后采用适形调强治疗时，要求能随意改变加速器的输出流强，而调强速度要快于100s。回旋加速器利用调节中心离子源处的偏转板电压，可容易地做到这一点。而慢同步加速器最快也得在下一周期中完成，至少1.5S。实行门控治疗(动态)时,比連续束流效率底。Extractedbeamintensity

Theextractedbeamintensityfromthecarbonsynchrotronduringonespill

紧凑型装置与精确治疗MEVIONS250MEVIONS250MEVIONS250优缺点采用超导同步回旋加速器(60年代初),固定磁场,调频,脉冲束,每秒500次,平均流强约a级.加速器功率约10Kw!!超小型,一个房间就够.价格便宜2500万美元固定引出能量,仅能进行散射模式治疗中子本底大?ProTom330—一个颇有竞争力的装置McLarenProtonTherapyCenter(MPTC)

Totalweight=15tons4.9mdiameter70–250MeVfortreatments330MeVforProtontomographyVariableextractionsequenceVariableintensity常规慢同步加速器加速器与旋转支架分离

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