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质子放射治疗原理和临床应用(一)

更新作者:admin 更新日期:2020-07-23 21:45:03 点击次数:

一、质子治疗原理


    据统计,目前肿瘤总体5年控制率在45%;55%医治失败的病人中,18%是由于部分肿瘤失控形成的。放射治疗作为一种部分医治手腕,可以经过进步肿瘤剂量来进步部分肿瘤控制率,进而进步肿瘤总体5年生存率。但是由于肿瘤四周正常组织的限制,肿瘤剂量无法无效进步,由于肿瘤四周正常组织(如脑、脑干、腮腺、颞颌关节、脊髓、气管、肾脏、膀胱和直肠等)的超量照射会惹起晚期和/或早期副反应,发生一定的近期和/或远期并发症和后遗症。这不但严重影响患者生活质量,也使患者不得不付出昂贵医疗费用医治这些并发症。有时为了使肿瘤四周正常器官和组织的受照射量不超越其所允许耐受剂量,不得不降低肿瘤照射剂量,致使肿瘤部分控制率降低。


    以后世界各国少数肿瘤医治中心所运用外放疗安装多是兆伏特级高能X-线和电子线。这些品种射线在进入人体组织后,肿瘤旁正常组织受量均高于肿瘤所受剂量,即使采用三维适形或调强放疗技术仍无法防止肿瘤四周正常组织较高的放射剂量。质子放射治疗是初级放射治疗技术,一定能量的质子束进入人体组织时,在一定深度会发生一个急剧上升的剂量顶峰,Bragg峰;在构成Bragg峰之前,是一个低平整段;在Bragg峰前面,其能量则骤降为零。Bragg峰的深度是能量依赖的,因而经过调理质子射束能量,并且按不同肿瘤大小恰当地扩展峰的宽度,可使高量区集中在不同深度和大小的肿瘤部位(图1)。与传统X-线和电子线放射治疗技术相比,质子博拉格峰后正常组织的吸收剂量大大降低了,因而可以平安的进步肿瘤内的照射剂量,特别是当肿瘤相邻或接近重要的危及器官时(图2)。肿瘤遭到高剂量照射,应该会遭到更无效的杀灭,因而肿瘤的控制率进步了;肿瘤四周正常组织和危及器官受照剂量降低了,就意味着放射治疗的并发症降低了,这关于临时存活的肿瘤病人,特别是儿童肿瘤病人显得尤其重要。由于肿瘤四周正常组织剂量降低,可以更好的配合运用化疗。质子医治可以降低活动骨髓、耳蜗、心脏、肾脏等等危及器官的吸收剂量,所以可以结合运用强效化疗方案,可以降低结合运用顺铂形成的听力受损或肾功衰竭的风险,可以降低结合或续贯运用阿霉素化疗方案形成的严重心肌病变的风险。质子医治与手术配合,异样可以降低正常组织因手术形成的并发症。

不同能量质子射线的百分深度剂量曲线

图1、不同能量质子射线的百分深度剂量曲线



不同质量射线的百分深度剂量曲线

图2、不同能量,不同质量射线的百分深度剂量曲线


二、国内外质子医治的历史和现状


    1946年Wilson首先提出质子医学使用想象后。直到1954年Tobias等人在美国加州大学Lawrence Berkeley实验室(LBL)停止世界上第1例质子医治。尔后瑞典Uppsala大学(1957年)、美国哈佛盘旋加速器实验室(HCL、1961年)、前苏联(Dubna、莫斯科、Gachina研究所,1968—1975年)相继展开了质子医治的临床研讨。美国麻省总医院(MGH)和哈佛盘旋加速器实验室(HCL)(1975年)联手用质子医治眼球脉络膜黑色素瘤、颅底软骨瘤、脊索瘤、前列腺癌。日本国立放射医学研究所在1979年开端也停止了肿瘤质子医治。20世纪80年代前期开端,日本筑波大学质子医学研讨中心(PMRC),在肝癌、食道癌、肺癌等内脏器官肿瘤上做了少量临床研讨任务。尔后,又有瑞士、瑞典、英格兰科学家们参加这一研讨行列。以上所述质子医治都是应用高能物理实验室安装,体积庞大、费用昂贵,而且临床使用的工夫和范围很局限。1991年美国Loma Linda大学医学中心(LLUMC)首先启用了专为医院设计的质子安装。此安装体积大为减少,费用也分明减低,且适用于不同部位肿瘤照射,正式宣告质子医治进入临床医学范畴,使这一技术开展向前迈进了一大步。依据国际性粒子医治协作组(PTCOG) 2006年04月底发布的资料,目前已有美国、日本、瑞典、中国等13个国度,26个中心正在展开质子医治任务,已医治患者41,000余例;但医院内运用设备只要美国、日本和中国的4个中心。目前正在筹建质子安装的尚有美国、德国、瑞典、韩国、意大利、南非、法国、澳大利亚的13个质子医治中心。


    质子医治在中国的开展概略:我国肿瘤学界非常重视质子医治技术开展,20世纪90年代初期开端,我国陆续派医师、物理研讨人员到美国、欧洲、日本等国学习质子医治的临床、根底和物理等技术或攻读博士学位及从事博士后研讨。1995年国家科委启动了国度攀爬方案“核医学与放疗中先进技术的根底研讨”,明白了中国开展先进放疗技术根底研讨的战略,论证了在中国开展质子医治技术的必要性和可行性。


    为进一步促进该技术在中国的开展,1999年中国科学院高能物理研究所质子医治技术研究组约请了局部专家撰写了《质子医治技术根底》一书,着重引见了质子医治技术的有关基本原理、医治安装、剂量计算方法和相关技术。2004年北京质子医疗中心(筹备处)组织了肿瘤医学、高能物理、医学工程、环境保护、辐射防护等范畴的专家编写了《肿瘤质子治疗学》一书,旨在使国际放射肿瘤学界学者们,片面理解质子医治开展历史、有关物理学和生物学根底、医治安装及临床医治后果。国际有数个单位正在积极地思索准备质子安装树立。1989年兰州近代物理所树立了兰州重离子研讨安装,1995年开端了重离子医治肿瘤的研讨任务。中国从1996年开端有几个肿瘤医治中心,包括山东淄博万杰医院、上海复旦肿瘤医院和北京中日友好医院,开端了质子医治设备引进任务;到2004年末,山东淄博万杰医院引进的比利时IBA(ion beam application)公司的质子医治设备开端投入使用。全套设备由质子加速器、束流输运零碎、束流配送零碎、剂量监测零碎、患者定位系统和控制系统构成。占地面积5000多平方米。可以提供70MeV-230MeV的质子束,可以用于医治体内任何部位的肿瘤(图3,4)。至今已医治820多例肿瘤患者。

万杰质子医治中心立体规划图

图3:万杰质子医治中心立体规划图。 

淄博万杰装有旋转机架(左)和固定束治疗室(右)

图4:淄博万杰装有旋转机架(左)和固定束治疗室(右)


三、质子医治的临床使用


1、临床适应症


    原则上说质子医治属于初级放射治疗技术,所以适于用放射线医治的病人都可以运用质子医治。但是由于医治费用较高,而且设备数量的限制,所以临床使用是十分无限的。由于质子无限的可调控的射程深度,在射程末端急速的剂量跌落和可以运用毫米以下的扫描束等特性,可以使病人从高度的靶区适形中获益。这在肿瘤与危及器官靠得很近的时分更有优势:如医治颅底脊索瘤、软骨肉瘤和脑膜瘤,垂体瘤,听神经鞘瘤,鼻旁窦癌,头颈部腺癌,前列腺癌,脉络膜黑色素瘤接近视神经或黄斑。图3示鼻咽癌、视神经、视穿插、脑干和脊髓、腮腺包绕。儿童肿瘤病人能够是质子医治获益最大的人群,由于放射治疗带来的早期反响成绩随着病人存活工夫的延伸惹起了人们的关注。这些早期反响次要表现为发育异常:身上下,甲状腺低功,早期肺功用低下,心肌病,颅脊髓照射后的认知和行为障碍等,以及放射治疗诱发的第二原发肿瘤的等成绩。由于许多早期的放射治疗副反应都和照射剂量有直接关系,所以降低这些早期副反应的最佳措施就是免除肿瘤四周正常组织的照射


2、射野构成零碎和医治方案比拟


    将放射线剂量传送到病人的方式有两种:自动和主动剂量传送技术。


    主动剂量传送技术:少数设备的射束是经过散射箔或摇晃磁铁构成的。照射野再经过加工制造的准直器或多叶光栅将射束依照肿瘤的外形停止塑形;运用博拉格峰展宽器将很窄的博拉格峰展宽来掩盖肿瘤;在射束中参加组织补偿器,使粒子束射程与肿瘤的后缘婚配。由于扩展了的博拉格峰的深度是依照肿瘤的最大厚度调理的,所以肿瘤前缘的剂量与肿瘤的适形度较差(图5)。 

主动剂量传送技术。照射野经过固定准直器和组织补偿器调整到肿瘤地位,但是剂量散布不能调整到肿瘤前缘

图5:主动剂量传送技术。照射野经过固定准直器和组织补偿器调整到肿瘤地位,但是剂量散布不能调整到肿瘤前缘。


    自动剂量传送技术:目前,最先进的粒子剂量传送技术是强度控制-光栅扫描技术,并且在扫描中自动调理射束能量。德国GSI(Gesellschaft für Schwerionenforschung)的重离子医治设备上装备这项技术。在这套设备上,笔形射束经过一对二极磁铁控制,在每一个光栅点上照射剂量由射束监控器来控制;经过自动改动同步加速器发生粒子射束能量,射束在病人体内的射程失掉了调理。因而,肿瘤可以按相反的厚度沿肿瘤横截面一层一层照射。照射一层后,调理粒子束的能量照射下一层(图6)。每层内每一点粒子的数量在制定医治方案时期停止了优化,因而我们可以取得我们需求的剂量散布。与主动剂量传送技术相比,该技术不需求博拉格峰展宽器,准直器和组织补偿器等设备。经过这种技术,肿瘤前缘剂量散布适形度也很高。


    另一种与强度控制光栅扫描技术类似的技术是PSI(Paul-Scherrer Institute)的点扫描技术。在PSI,质子射束只沿一个方向扫描,而床沿着另一个方向扫描。与GSI的零碎相比,射束射程是由射程转换器来主动控制的。射程转换器由几片吸收资料组成,吸收片可以自动的进入到射束中来调理射束的射程

光栅扫描技术的原理示意图。离子束沿肿瘤横截面扫描

图6:光栅扫描技术的原理示意图。离子束沿肿瘤横截面扫描。粒子的射程经过选择适宜的粒子能量来调理。与主动剂量传送技术相比,该技术生成的剂量散布可以与肿瘤前缘适形。


    在瑞典Uppsala研制了另外一套扫描零碎。该零碎也有两个扫描磁铁,但是与GSI不同的是垂直扫描磁铁可以绕着程度扫描磁铁的中心做圆形径迹扫描。这种设计的优点是增加了垂直扫描磁铁的极间隙,这对将扫描磁铁装入旋转机架较重要


四、质子医治方案准绳和优势


由于质子射束优越的物理特性,运用单个射束就可以很好的医治肿瘤(图7)。

单束质子射线(a)X-线(b)的剂量散布比拟

图7:单束质子射线(a)与X-线(b)的剂量散布比拟


    单照射野照射经常适用于小肿瘤,地位浅并且肿瘤后没有危及器官相邻。多野照射技术比拟常用,由于单野照射不能总是无效的避开危及器官,特别是运用固定束技术时;而且运用多野技术可以增加由于摆位误差形成肿瘤前方危及器官超剂量照射的可能性;多野照射也可以降低肿瘤四周正常组织和皮肤剂量(图8)。

运用2个X-线(左)和质子射束(右)照射前列腺癌

图8:运用2个X-线(左)和质子射束(右)照射前列腺癌。可以看出质子医治的高剂量区均集中到了肿瘤上,而四周的正常组织遭到了比X-线医治低得多的剂量。

    淄博岜山万杰医院是非营利性三级综合医院,省、市、区三级医疗保险定点医院、商业保险定点医院,中华中医药学会“中药特色剂型传承创新推广基地”,全国综合医院中医药工作示范单位,山东省第一批中药炮制技术传承示范基地、淄博市首批中医药文化宣传教育基地,设有金世元国医大师工作室。对髓母细胞瘤横纹肌肉瘤等肿瘤有丰富治疗经验。

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