医用重离子加速器

第三章医用重离子加速器医用重离子加速器提供的重离子束主要应用于重离子束治癌，而提供的放射性核素以在核医学方面的应用为主。

重离子束治癌在美，日，德等发达国家已进入到临床试验阶段，而放射性核素在核医学方面的应用大都处于试验研究阶段。

由中国科学院近代物理研究所、甘肃省医学科学研究院、甘肃省肿瘤医院合作、兰州军区兰州总医院参与的甘肃省科技重大项目——“重离子束辐射治疗癌症的关系就是开发研究”，于2006年12月开始临床研究。

到目前，已应用重离子束放射治疗浅表肿瘤受试者127名，效果显著，绝大部分病人无明显不良反应，治疗后病人的随访率达96%以上，使我国成为国际上第4个有能力进行重离子治癌临床研究的国家。

第一节重离子治癌原理一、概述重离子束与物质相互作用的特殊机理使得它在肿瘤治疗方面具有一系列明显的优点：重离子束治疗精度高达(毫米量级);剂量相对集中，照射治疗时间短，疗效高；对肿瘤周围健康组织损伤小；重离子束治疗能做到实时监测，便于控制辐照位置和剂量。

以上优点使得重离子束的治疗作用可以与手术刀媲美，达到普通电离辐照(此处普通电离辐照指x、r及电子束)治疗难以实现的疗效，因而重离子束被称为是21世纪最理想的放射治疗用射线。

也正是由于重离子束在放射治疗中的上述优点，世界上许多国家都倾注了大量的人力和物力进行医用重离子束加速器的研制，或利用已有的重离子加速器进行治癌装置的建造和治癌基础及临床应用研究，这使得重离子治癌成为放射治疗领域的前沿性研究课题。

二、重离子治癌的科学依据和优势放射治疗的主要原则就是给予肿瘤尽可能大的辐射剂量，将癌细胞杀死，同时又尽可能地保护肿瘤周围和辐射通道上的正常组织使其少受损伤。

由于普通电离辐照对剂量深度分布均呈指数衰减或略微上升而后衰减的特征，使治疗受到很大限制；而重离子束以其独特的放射物理学和放射生物学性质，在放射治疗上独具优势。

（一）重离子束的物理特性1.特殊的深度剂量分布荷电重离子贯穿靶物质时主要是通过与靶原子核外电子的碰撞损失其能量，随离子能量的降低，这种碰撞的概率增大。

因此，离子在接近其射程末端时损失其大部分初始动能，形成一个高剂量的能量损失峰，这就是Bragg 峰，在其射程末端之后，即Bragg 峰之后很少有剂量吸收；同时离子在其入射通道上损失的能量较小，因而形成一个相对低剂量的坪区。

这就是重离子束特有的与X 射线和r 射线的深度剂量分布相比是倒转的深度剂量分布。

重带电粒子的电离能量损失以著名的贝蒂一布洛克公式表示为I v m v m Z z e dx dW 2020242ln 4ρπ=+相对论项 （3-1）其中dxdW 是单位路径上的能量损失，W 为动能，Z 为靶物质原子序数，ρ为靶物质的电子密度，I 为原子平均激发能,0m 和 e 分别是电子的静止质量与电荷， v 为粒子的速度， z 为粒子的原子序数。

这种形式的能量 损失是形成重离子束倒转深度剂量分布的根源。

这种倒转的深度剂量分布可以将其Bragg 峰区瞄准肿瘤，而使其前后及周围的健康组织受损很小。

而且，离子束Bragg 峰位的深度可以通过改变人射离子束的能量来调节(如图3-1)，因而治疗时Bragg峰位可精确地调整在肿瘤靶区上。

图3-1 治癌重离子束在水介质中能量与射程的关系曲线为达到对实体瘤的治疗，可以实施不同能量粒离子束对靶区的照射，从而形成不同Bragg峰在靶区的叠加。

尽管它会导致峰坪剂量比的减小，但叠加的深度剂量分布仍远好于常规辐射治疗。

图3-2显示出了Bragg峰的叠加，施加于碳离子束通道正常组织的剂量仍低于靶区的剂量。

图3-2 为达到对实体瘤靶区的治疗不同能量及强度碳离子束Bragg曲线的叠加图3-3显示了当展宽Bragg峰范围相同时，碳离子束与质子束深度有效剂量分布的比较。

从图3-3可以看到，在束流通道上的正常组织经受相同剂量的条件下，碳束在肿瘤靶区的有效剂量是质子的1.5倍。

图3-4显示了各种射线与重离子束深度剂量分布的比较。

从图中可以看出不管是X,r射线，还是电子束，它们均呈指数衰减型剂量分布，无法控制将其大部分剂量调整到肿瘤上，而且损失总是表层浅层最大，直至较深处健康组织仍能受到较大伤害。

2.小的射程歧离与横向散射由于离子束能量沉积的统计特性，会产生射程歧离。

射程歧离导致其Bragg 峰的加宽。

这种歧离效应相对重离子束的绝对射程而言非常小。

列如对于射程为10cm的质子和碳离子束，它们的射程歧离分别为各自射程的1.0%和0.3%。

重离子束治疗中另外一个特点就是重离子束贯穿靶物质期间多重散射导致的离子横向散射小。

图3~4就是初始直径为4mm的质子与碳离子束随贯穿深度增加，束流半高宽（FWHM的变化情况。

可以看到，碳离子束贯穿深度达到20cm 时(对应于初始能量约为350MeV/u),横向散射为初始的25%，对于常发肿瘤深度而言（9～13cm）,仅为5%～10%，相应的质子束则分别为170%和50%～90%。

从上面可以看出，对于深度为15cm左右的肿瘤，重离子束剂量范围的精度可以控制在1mm水平上，质子束是5mm。

3. 束流配送的灵活性重离子束可以通过摆动磁铁和散射体配合多叶准直器进行束流配送，达到被动的适形治疗；也可以用扫描磁铁引导束流对肿瘤靶区各断层轮廓精确地扫描照射治疗，达到主动适形治疗。

对于受患者因呼吸而运动的内脏器官及组织肿瘤，还可以根据瘤的实时位置，改变扫描磁铁电流，从而引导束流主动跟上肿瘤的运动，达到对运动肿瘤的主动适形治疗；还可以根据治疗的要求，选择如患者（肿瘤）旋转等方式进行束流配送达到适形治疗的目的。

而X射线、r射线无法通过扫描做到适形治疗，最多只能用多叶准直器限制照射野同肿瘤断层轮廓适形，但不易做到精确，而且深度剂量也难以控制。

（二）重离子与其他辐射的比较通过上面对重离子治疗癌原理及重离子束优势的叙述，我们可以将用X、r射线、质子束和重离子束(碳离子束)对肿瘤进行治疗的效果进行比较，见表3-1。

日本的放射治疗学家在参考了本国及欧美诸国的重离子治疗资料后，认为重离子对一些难治癌症可望会有良好的治疗，见表3-2。

因此，大力发展医用重离子加速器，开展重离子治疗的临床应用研究，对提高我国人民的健康水平具有重要意义。

表3-1 重离子与其他辐射治疗的比较X、r射线质子束重离子束相对生物效应小小大正常组织所受剂量大较小最小治愈率低高高费用低高高表3-2重离子束对一些难治癌症的预期疗效癌症类别临床特点低LET治疗法缺点重离子预期疗效胰腺癌发现晚给足剂量困难周围脏器损伤小，可局部治愈脑瘤必须保护正常组织给足剂量困难脑损伤减小，局部治愈率提高头颈部癌必须保护功能存在放射损伤损伤降到10%以下食道癌发现晚给足剂量困难损伤显著减小，治愈率提高骨软组织肉瘤对射线不敏感放射损伤严重损伤减小，不需截肢子宫颈癌放疗适应症治愈率较高，损伤也大治愈率更高，损伤减小垂体瘤不转移60%病例疗效好最有效疗法前列腺癌多为局限性癌40%病例治疗不需手术完全不需要手术治疗膀胱癌保持功能最重要手术治疗损伤功能可局部控制，保持功能直肠癌保持功能最重要损伤膀胱功能提高治愈率，保持功能肺癌患者增多趋势对晚期仅做对症放疗有望提高早期肺癌治愈率并保持功能肝癌患者增多趋势有手术得救病例保持功能比手术更好三、重离子治癌现状治疗、这里也有必要对重离子治癌的现状进行评述，以其对重离子治癌有更深刻的认识。

回顾重离子治癌的历史我们可以发现，重离子治癌一般都先在大的物理研究中心现有的重离子加速器上实现，然后待技术成熟后向建于医院内的医用加速器发展。

美国伯克利实验室于1957年在世界上首先利用其高能同步回旋重离子加速器BEVALAC 提供的高能重离子束，开始进行重离子治癌临床试验研究，在上世纪九十年代初就收治各种难治癌症患者2500多名，其中用4He 离子束治疗的癌症患者就有2000多人，用12C和20Ne离子束治疗的有440多人。

尽管BEVALAC的束流配送系统不是很完善，但是对于选定的肿瘤，肿瘤局部控制率较X、r和电子束等治疗提高了2～3倍，取得了很高的肿瘤治愈功率，较利用X、r和电子束等的常规放射治疗有明显优越性（见表3-3）。

由于BEVALAC于1992年关闭，使得重离子治癌临床试验暂停，但对先前接受重离子治疗的肿瘤患者晚期效应的跟踪和临床治疗评价等研究仍在继续。

表3-3 美国伯克利实验室的Ne20离子束治疗效果日本在政府“对癌十年计划”的支持下，从1983年开始了重离子治癌的基础及应用研究，于1993年在国立放射线医学综合研究所(NIRS)建成了目前世界上首台医用重离子加速器(HIMAC),专门用于重离子治癌及放射医学研究。

HIMAC治疗装置主要包括同步加速器、束流配送和辐照系统、患者定位系统和治疗方案系统，其离子束种类是4，束流强度为107~1010pps, 最大能量He~Ar可达800Me V/u剂量率控制在5Gy/min 左右。

1994年6月第一批患者在HIMAC 接受了碳离子束治疗，到2001年6月已治疗肿瘤患者917列，其中包括头颈部肿瘤、脑瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、宫颈癌、食道癌和软组织肉瘤等。

对于头颈部肿瘤，取得了大于80%的局部肿瘤控制率的结果；对于总体治疗，在没有明显并发症的前提下，都取得了良好的疗效，肿瘤生长抑制率很高。

表3~4列出了到1998年3月，HIMAC治疗过的患者在治疗后12个月时的局部控制率。

正是受HIMAC治疗结果的鼓舞，日本又于1996年在兵库（Hyogo）开始兴建另一台医用重离子加速器(PATRO), 该同步加速器可提供230MeV 的质子束，230MeV/u的氦离子束和320MeV/u的碳离子束，治疗装置已于2000年建成，治疗中心设有50个床位。

2001年开始接受患者治疗，到2001年11月已治疗癌症患者30例。

表3-4 HIMAC治疗后12个月时的肿瘤局部控制率在欧洲，1996年德国重离子研究中心(GSI) 在他们的以物理研究为目的的重离子加速器上建成治癌装置。

GSI借鉴了美国伯克利实验室Ne20离子束及日本NIRS C12离子束的治疗特点和治疗经验，开发和应用了先进的光栅磁扫描系统和正电子发射断层术两大技术手段，达到了重离子束适形放射治疗和束流实时在线监控。

1997年12月GSI开始用高能碳离子束治疗了两例颅底瘤患者，治疗后三个月的临床跟踪研究表明颅低瘤基本消失。

到2001年底,GSI共收治颅内肿瘤患者117人，在没有明显毒副作用的前提下，总体疗效非常显著，因而重离子治癌在德国甚至欧洲产生了很大的影响。

GSI从1998年下半年起开始了一项为期5年的临床研究，计划治疗几百位颅底和脑部肿瘤患者，最终将重离子治癌新疗法介绍到德国的各大医院，使得每年几千列的肿瘤患者能从这种先进的治疗手段中获益。