質子和重離子治療及其裝置

內容概要

《質子和重離子治療及其裝置》介紹質子和重離子治療的原理和方法、治療裝置的系統(tǒng)和設備，以及國際上質子和重離子治療中心的概況；物理概念清晰，內容圖文并茂、系統(tǒng)全面；高度概括了世界上質子和重離子治療及其裝置研制的最新研究成果、達到的水平以及發(fā)展趨勢，信息量豐富。
《質子和重離子治療及其裝置》適合從事放射治療的醫(yī)學界專業(yè)人士或從事治療裝置研制技術的專業(yè)人士，也適合放療專業(yè)的教師和學生、醫(yī)療行政管理工作人員和設備運行維修技術人員使用；對衛(wèi)生醫(yī)療領域的決策者，甚至對希望了解最適宜治療方法的癌癥患者，都有重要的參考價值。

作者簡介

劉世耀（1933～），上海人，研究員，加速器工程學家。1951年畢業(yè)于上海南洋模范中學。1955年畢業(yè)于清華大學電機系。1955～1975年在中國科學院原子能研究所從事研究工作。1975～1995年在中國科學院高能物理所從事研究工作。歷任束流測量室副主任、自動控制室主任、中國科學院高能物理所科學技術委員會副主任和加速器分委員會主任、北京正負電子對撞機國家實驗室學術委員會副主任、中國科學院高能物理所名譽學術委員會委員等職。曾兼任中國物理學會粒子加速器分會常務理事和加速器技術委員會主任、中國科學技術大學國家同步輻射實驗室學術委員會委員、中國科學院近代物理研究所國家重離子加速器實驗室學術委員會委員、歐洲物理學會會員、歐洲物理學會國際物理裝備控制學會會員、北京市第八屆政協(xié)委員、北京市社會科學院特邀研究員、河南新鄉(xiāng)市科技顧問等。1978～1985年先后在日本筑波高能物理所、美國加利福尼亞大學Lawrence實驗室、美國斯坦福大學SLAC中心、瑞士歐州核子中心（CERN）任訪問教授。1990年受日本文部省邀請赴日本筑波高能物理所工作一年，從事未來加速器控制系統(tǒng)結構研究。
退休前從事加速器自動控制和束流測量系統(tǒng)科研工作40年，期間，在1980年前負責中國第一臺直線電子加速器和“核爆炸模擬發(fā)生器”工程項目的自動控制和束測科研工作。兩個項目都獲1978年科技大會獎。1982年后負責北京正負電子對撞機計算機控制系統(tǒng)和束流測量系統(tǒng)研制建造工作，因此項目獲得1990年中國科學院科技進步獎特等獎和國家科技進步獎特等獎，國務院政府特殊津貼和國務院總理簽發(fā)的嘉獎證書。
1998年退休至今參與中國質子治療系統(tǒng)和總體方面工作，先后任北京質子科技開發(fā)公司總工程師、清華大學醫(yī)學院質子治療項目技術顧問、長安信息（京區(qū)）北京質子治療籌建中心首席技術顧問、中國泰和誠醫(yī)療集團有限公司的質子治療項目顧問。1996～2006年先后訪問日本三菱公司、日本住友公司、比利時IBA公司各公司總部，訪問美國、日本、德國、瑞士的質子和重離子治療中心。參與外商談判、考察、籌備建造、業(yè)務咨詢等工作。2000～2010年在國內有關期刊上發(fā)表有關質子重離子治療文章20余篇。

書籍目錄

序一序二前言第一部分 基礎和概況第1章 緒言第2章 質子和重離子放射治療的歷史回顧2.1 放射治療技術發(fā)展史2.2 質子治療技術發(fā)展史2.3 重離子治療發(fā)展史2.4 中國質子和重離子治療的發(fā)展經(jīng)歷第3章 質子和重離子治療的物理性能和基礎3.1 質子治療的物理性能和基礎3.2 重離子治療的物理性能第4章 質子和重離子治療的生物性能4.1 離子治療的生物效應4.2 相對生物有效性的一些特點4.3 擴展布拉格峰分布質子流的相對生物有效性4.4 輻照使癌細胞死亡的原因4.5 重離子治療的生物效應4.6 擴展布拉格峰分布碳離子流的相對生物有效性4.7 氧增比4.8 治療計劃中對RBE的處理方法第5章 質子和重離子治療的工作原理5.1 質子治療的基本工作原理5.2 重離子治療的工作原理第6章 質子和重離子治療的臨床治療參數(shù)6.1 臨床治療參數(shù)6.2 美國能源部在1993年發(fā)表的質子醫(yī)用裝置的臨床治療參數(shù)第7章 質子和重離子治療在放射治療中的定位7.1 評估治療效果的判斷標準7.2 評估和比較不同粒子治療優(yōu)缺點的判斷標準7.3 質子和重離子、X射線、電子在放射治療中的比較7.4 質子和碳離子在放射治療中的比較7.5 質子和重離子治療發(fā)展的原因和局限性第8章 國際上對質子和重離子治療的不同看法8.1 歐、美、日、中放療界對質子和重離子治療的看法8.2 美國官方對粒子和常規(guī)放療的意見8.3 國際腫瘤醫(yī)學界對質子和重離子治療的意見8.4 對質子和重離子治療持懷疑反對態(tài)度的意見第9章 質子和重離子治療腫瘤的適應類型9.1 引言9.2 質子和重離子治療的腫瘤適應類型的分類9.3 治療腫瘤的適應性指示9.4 1968~1998年的30年質子治療總結9.5 2001~2009年質子治療的腫瘤類型9.6 21世紀碳離子治療的腫瘤類型9.7 質子和重離子治療的腫瘤適應患者市場第10章 國際上質子和重離子治療的發(fā)展概況10.1 美國目前質子治療的發(fā)展概況10.2 日本質子和重離子治療的發(fā)展概況10.3 歐洲建造重離子治療中心的有關情況10.4 預測今后質子和重離子治療裝置的應用前景第11章 全球的質子和重離子治療中心概況11.1 已停止運行的裝置11.2 運行中的裝置11.3 正在建造中的專用質子和重離子治療中心11.4 新建的中心平均年治療患者數(shù)第12章 全球的質子和重離子治療裝置12.1 質子和重離子治療裝置分代方法12.2 國際上運行治療的質子和重離子治療中心(場所)的分類12.3 世界上正在建造的質子和重離子治療中心(場所)的分類12.4 國際上能提供交鑰匙整體治療系統(tǒng)的供應商和類型第一部分參考文獻第二部分 治療裝置和系統(tǒng)第13章 質子和重離子治療系統(tǒng)的結構13.1 質子治療系統(tǒng)的結構13.2 重離子治療系統(tǒng)的結構第14章 質子和重離子的束流產生裝置——加速器14.1 對質子和重離子加速器的要求14.2 質子和重離子治療加速器的技術參數(shù)14.3 質子和重離子治療加速器的類型14.4 世界上各治療中心用的同步加速器性能特性14.5 直線加速器14.6 同步加速器14.7 回旋加速器第15章 質子能量選擇系統(tǒng)15.1 引言15.2 系統(tǒng)的總體結構15.3 能量選擇和發(fā)射度控制段15.4 束流能量和能散度控制段15.5 運用效率第16章 質子和重離子治療用的旋轉機架16.1 質子治療用的旋轉機架16.2 碳離子治療用的旋轉機架16.3 新型Riesenrad型離子旋轉機架16.4 新型FFAG永磁結構的超輕質子旋轉機架16.5 新型IBA的超導碳離子旋轉機架方案16.6 旋轉機架的技術要求16.7 旋轉機架的類型16.8 等中心旋轉機架的分類16.9 旋轉機架的基本結構16.10 旋轉機架的電子光學16.11 旋轉機架的控制第17章 束流輸運系統(tǒng)17.1 引言17.2 總體安排17.3 固定治療頭的支束線輸運線17.4 直線節(jié)周期性輸運段17.5 旋轉治療頭的支束線輸運線第18章 質子和重離子治療用的治療頭18.1 引言18.2 束流橫向擴展法18.3 散射法治療頭18.4 鉛筆束掃描治療頭18.5 掃描治療中器官的運動問題18.6 瑞士PSI旋轉掃描治療頭的掃描方法18.7 世界各大治療中心所采用的掃描方法18.8 世界各大治療中心所采用的治療頭實例第19章 質子和重離子的精密定位和準直系統(tǒng)19.1 患者精密定位的內容19.2 患者腫瘤固定裝置19.3 患者精密定位椅19.4 患者精密定位床19.5 患者精密準直系統(tǒng)19.6 數(shù)字化影像定位系統(tǒng)19.7 機器人患者定位系統(tǒng)19.8 影像引導下的放療定位新技術19.9 動態(tài)適應的放療定位新技術19.10 錐形束CT和四維CT19.11 容積CT掃描第20章 質子和重離子的治療計劃系統(tǒng)20.1 引言20.2 治療計劃系統(tǒng)的基本功能20.3 治療計劃系統(tǒng)的基本圖像操作20.4 散射束流場的治療計劃設計工作20.5 掃描調強治療計劃設計工作20.6 美國瓦里安公司的EclipseTM治療計劃系統(tǒng)20.7 國際醫(yī)科達公司的XIO治療計劃系統(tǒng)第21章 質子和重離子治療輻射安全系統(tǒng)21.1 引言21.2 安全要求和標準21.3 危險分析21.4 連鎖分析和其質量論證21.5 斷開束流的方法21.6 束流中斷部件21.7 控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)之間的關系21.8 瑞士PSI的安全系統(tǒng)21.9 比利時IBA的安全連鎖系統(tǒng)21.10 治療參數(shù)的測量驗證、數(shù)據(jù)庫和檔案管理系統(tǒng)21.11 水、電、空調、冷卻水等通用系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性第22章 粒子束流測量和劑量學22.1 引言22.2 束流測量22.3 粒子劑量學22.4 絕對測量吸收劑量方法22.5 劑量的質量驗證22.6 監(jiān)示單位的計算第23章 質子和重離子治療控制系統(tǒng)23.1 引言23.2 控制系統(tǒng)的設計目的23.3 控制系統(tǒng)的設計原則23.4 控制系統(tǒng)的分系統(tǒng)和控制功能23.5 治療控制硬件系統(tǒng)的結構23.6 治療控制硬件系統(tǒng)的層次23.7 治療控制軟件系統(tǒng)的設計準則23.8 質子治療控制軟件系統(tǒng)的層次和對應功能23.9 治療控制軟件系統(tǒng)的結構第24章 質子和重離子治療系統(tǒng)的調試和驗收24.1 引言24.2 驗收測試和調試的區(qū)別24.3 治療參數(shù)和束流參數(shù)間的關系24.4 驗證系統(tǒng)的任務和分類24.5 調試和驗收的基本原則24.6 測試、總調、驗收和質量檢驗的準備工作24.7 測試總調和質量驗證的表達方法第25章 質子和重離子治療系統(tǒng)的QA、調試和驗收的實例25.1 引言25.2 質子和重離子放療的QA25.3 美國M.D.Anderson質子治療中心的調試和QA實例25.4 美國Florida質子治療中心的調試和QA實例25.5 美國MGH質子治療中心NPTC的患者專用裝置和鉛筆掃描調試實例25.6 韓國癌癥中心建成驗收實例第26章 腫瘤信息系統(tǒng)26.1 引言26.2 腫瘤信息系統(tǒng)的發(fā)展歷史26.3 整合型計算機化的OIS中的功能件26.4 OIS的效果26.5 國際Elekta公司的IMPAC's MOSAIQ OIS26.6 美國Varian公司的ARIA腫瘤信息系統(tǒng)第27章 專用質子和重離子治療中心的系統(tǒng)集成和整合27.1 系統(tǒng)集成和整合27.2 系統(tǒng)集成所需的技術和方法27.3 專用質子和重離子治療中心的系統(tǒng)集成27.4 中心系統(tǒng)集成的基本方案27.5 實施中的難點和關注點第28章 質子和重離子治療裝置的運行和維護28.1 引言28.2 裝置的治療控制系統(tǒng)的運行模式28.3 不同職員的控制權限28.4 患者定位裝置的機械運動和操作28.5 質子和重離子的治療輻照流程28.6 如何進行運行和維護28.7 治療中心的人員編制第二部分參考文獻第三部分 專用質子和重離子治療中心第29章 美國和加拿大的質子治療中心29.1 美國Loma Linda大學專用質子治療中心29.2 美國M.D.Anderson質子治療中心29.3 美國Florida質子治療中心29.4 美國費城大學Roberts質子治療中心29.5 美國中西部質子放療研究所29.6 美國ProCure質子治療中心29.7 美國麻省總醫(yī)院Francis H.Burr質子治療中心29.8 美國北Illinois質子治療和研究中心29.9 美國Hampton大學質子治療研究所29.10 加拿大TRIUMF癌癥治療中心第30章 日本專用質子和重離子治療中心30.1 日本重離子醫(yī)用加速器中心30.2 日本兵庫重離子醫(yī)學中心30.3 日本群馬重離子治療中心30.4 日本筑波大學質子醫(yī)學研究中心30.5 日本若狹彎WERC的質子治療中心30.6 日本南東北質子治療中心30.7 日本松元相澤醫(yī)院質子治療中心第31章 德國和歐洲其他國家的質子和重離子治療中心31.1 德國慕尼黑的Rinecker質子治療中心31.2 德國海德堡重離子治療中心31.3 瑞士PSI質子治療中心31.4 德國GSI重粒子物理研究所31.5 奧地利離子治療和研究中心31.6 捷克布拉格質子治療中心31.7 意大利輕離子治療中心第32章 中國質子和重離子治療中心與韓國國家癌癥中心32.1 中國淄博萬杰醫(yī)院博拉格質子治療中心32.2 中國北京質子醫(yī)療中心32.3 中國蘭州重離子治癌中心32.4 中國上海市質子重離子醫(yī)院32.5 中國臺灣長庚醫(yī)院質子暨放射治療中心32.6 中國臺灣臺大醫(yī)院質子治療中心32.7 中國香港養(yǎng)和醫(yī)院質子治療中心32.8 韓國國家癌癥中心第33章 下一代緊湊型質子治療裝置33.1 引言33.2 美國MEVION S250(Monarch 250TM PBRT)緊湊型質子治療裝置33.3 美國介質壁型加速器小型質子治療裝置33.4 激光加速器型質子治療裝置33.5 美國ProTom Radiance 330TM緊湊型質子治療裝置33.6 分布式質子放射治療第34章 研制中的新型離子治療方案34.1 美國BNL的快周期RCS方案34.2 醫(yī)用粒子加速器的PAMELA方案34.3 意大利TERA的Cyclinac方案34.4 圖像引導的直線強子治療方案34.5 日本PMRC的激光治療方案第三部分參考文獻第四部分 治療中心的設計和建造第35章 治療中心的設計35.1 治療中心的類型35.2 治療中心的設備和面積35.3 資金和使用35.4 患者和工作人員的流向第36章 建造的階段、要點、設備選型和談判36.1 建造的工作內容和階段36.2 籌建治療中心的有關要點36.3 選擇治療裝備的類型36.4 外商談判的項目內容和方法第37章 治療中心的建筑37.1 引言37.2 建筑要求37.3 輻射安全措施37.4 節(jié)能措施37.5 通用設備第38章 建筑的輻射屏蔽38.1 屏蔽的基本原理38.2 束流損失和輻射源38.3 輻射區(qū)的分類和劑量限值38.4 屏蔽材料38.5 迷宮和穿透管道第39章 環(huán)境保護安全39.1 概述39.2 系統(tǒng)運行時產生的輻射和有害物質39.3 質子束流損失及中子產額39.4 進入天空的中子源強39.5 氣載放射性流出物排放量39.6 放射性固體廢物和加速器結構材料的活化39.7 土壤和地下水的活化39.8 電磁輻射和噪聲39.9 可能發(fā)生對環(huán)境影響的事故第40章 場所和環(huán)境的監(jiān)測40.1 加速器的輻射場及對監(jiān)測器的要求40.2 輻射監(jiān)測器布點的選擇40.3 (區(qū)域)高輻射水平中子和γ射線監(jiān)測器40.4 (環(huán)境)低輻射水平中子和γ射線監(jiān)測系統(tǒng)40.5 ANM型高靈敏度中子探測器40.6 AGM型區(qū)域γ射線監(jiān)測器40.7 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)第四部分參考文獻附錄一 “2000~2011年質子和重離子治療與其裝置論文集”的目錄附錄二 作者簡介附錄三 媒體對作者工作的評論

章節(jié)摘錄

第1章 緒言人類進入知識創(chuàng)新的21世紀，一系列新技術、新方法和新設備正在沖擊著社會生活的方方面面，也沖擊著醫(yī)學各領域，尤其是利用新技術、新方法和新設備治療對人類生命威脅最嚴重的惡性腫瘤，不僅是廣大醫(yī)務人員關心的，更是眾多腫瘤患者所期望的。百年來手術是公認的首選腫瘤治療法。此外，腫瘤醫(yī)務界嘗試用冷凍、高溫、超聲、微波、激光、X射線、γ射線①，直到各種放射粒子，如電子、質子、中子、負π粒子、重離子等來治療癌癥。至今治療腫瘤的方法，基本上仍是手術、放療與化療三種。彼此既相互獨立又互補兼容。當前世界各地，估計70%的腫瘤患者，不論手術與否，都要采用放療。中國特有的中藥治療腫瘤，近年來有所進展，報道中也不乏特效病例，但離科學化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代理論與實踐的統(tǒng)一研究還有很大距離。神奇的基因癌癥治療近年來在理論上有所突破，有些學者也抱樂觀態(tài)度，而要將其變?yōu)楝F(xiàn)實并推廣使用還有相當長的時間，因此預測在今后幾十年間，放射治療還將是治療腫瘤的最主要方法之一。理想的放射治療是殺死腫瘤中的全部癌細胞，而不傷害患者的正常細胞?，F(xiàn)實中這是不可能實現(xiàn)的。因此，人們將放射治療的最終準則定為“實現(xiàn)最大的腫瘤控制概率和最小的正常組織損傷率”，并千方百計地接近理想目標。放射治療的精確度和療效主要由下列因素決定：治療放射粒子的類型、射線和病灶靶區(qū)間的定位方法、射線和靶區(qū)相互作用的治療原則、治療計劃、劑量計算、病灶診斷等。此外，還涉及一系列治療難題，如診斷和治療之間的實時性、照射靶區(qū)和腫瘤體積自身變化之間的實時同步性、旋轉束流等中心點的精確定位誤差、束流中心本身的穩(wěn)定度等。因此，放射治療是一項多學科、十分復雜的高科技工程。如果人們能克服并解決上述一系列難點，真正做到接近理想的適形治療，一定能大大提高腫瘤患者的生存率，提高患者治療后的生活質量。在上述許多影響放射成效的因素中，放射用的粒子類型更為重要?；仡櫚雮€世紀放射治療的歷史，當前放療中的立體精確定向、調強放療等先進技術已獲得相當高的水平。要進一步提高放療的療效，必須對有關方面的技術作進一步的研究改進。其中放射粒子的類型對放療成效有重要意義。在諸多放射治療類型中，常用的X射線與電子的物理劑量分布和生物效應都在不同程度上使被照射腫瘤的前后正常細胞受到傷害，劑量的有效利用率也低；中子和負π粒子的生物效應雖好，但物理劑量分布不好，給正常組織帶來太大的損害，都不是理想的治療射線。質子在人體中的能量衰減開始時慢，后又快速上升，形成一個峰值后，又急速下降到零（通常稱此為布拉格峰），布拉格峰劑量分布的優(yōu)良特點促使質子治療有很大的發(fā)展。質子治療時將峰值部分對準腫瘤病灶處，腫瘤處受到最大的照射劑量，腫瘤前的正常細胞通常只受到1/3～1/2的峰值劑量，腫瘤后部的正常細胞基本上未受傷害。從質子內含的物理特性就能斷定質子治療要比電子、X射線治療要好。何況隨著當今的質子治療技術的發(fā)展與完善，可變光闌準直器與專用補償器等的適形治療和鉛筆束掃描治療法的使用，已能將質子控制得像“量體裁衣”一樣精確地消滅癌細胞分布而不傷及正常細胞的程度。近幾十年來，質子治療的臨床成就已使全世界醫(yī)學界一致公認質子治療比目前所用的X射線、γ射線與電子治療要優(yōu)越得多。重離子腫瘤治療在原理上其物理和生物效應優(yōu)于質子。2002年前因缺乏臨床實驗，故沒有提上日程。2003年日本HIMAC（千葉縣重離子醫(yī)用加速器中心）和德國GSI（德國亥姆霍茲重離子研究中心，也稱德國重離子物理研究所）正式公布碳離子治療的成功事例后，其優(yōu)良的生物效應，特別是治療抗阻型和乏氧型腫瘤的優(yōu)良療效，引起國內外許多放療專家和投資者的興趣。其中，日本和歐洲的重離子治療有取代質子治療之勢。但是重離子治療本身也有內在的缺點：分裂效應、冷點和后效應。治療事例太少和治療費用昂貴，促使一些國家對重離子治療有所保留，例如美國只有發(fā)展質子治療的戰(zhàn)略方針?？傮w來說，由于重離子建造價格過于昂貴，難以推廣，估計在今后相當長時間內，質子和重離子治療各自存在并相互補充，質子治療不可能被重離子治療取代，仍然是現(xiàn)實的先進的腫瘤治療方法。本書共分四個部分。第一部分是質子和重離子治療的基礎和概況，對質子和重離子治療作一個全方位的介紹，使讀者對質子和重離子治療有一個全面的、基本的認識，為閱讀全書做基礎知識準備。這部分共有12章：緒言；質子和重離子放射治療的歷史回顧；質子和重離子治療的物理性能和基礎；質子和重離子治療的生物性能；質子和重離子治療的工作原理；質子和重離子治療的臨床治療參數(shù)；質子和重離子治療在放射治療中的定位；國際上對質子和重離子治療的不同看法；質子和重離子治療腫瘤的適應類型；國際上質子和重離子治療的發(fā)展概況；全球的質子和重離子治療中心概況；全球的質子和重離子治療裝置。第二部分是質子和重離子治療裝置和系統(tǒng)，詳細介紹質子和重離子治療裝置、系統(tǒng)部件裝備和分系統(tǒng)，使讀者對質子和重離子治療裝置與系統(tǒng)的結構和工作原理有一個基本了解。這部分共有16章：質子和重離子治療系統(tǒng)的結構；質子和重離子的束流產生裝置――加速器；質子能量選擇系統(tǒng)；質子和重離子治療用的旋轉機架；束流輸運系統(tǒng)；質子和重離子治療用的治療頭；質子和重離子的精密定位和準直系統(tǒng)；質子和重離子的治療計劃系統(tǒng)；質子和重離子治療輻射安全系統(tǒng)；粒子束流測量和劑量學；質子和重離子治療控制系統(tǒng)；質子和重離子治療系統(tǒng)的調試和驗收；質子和重離子治療系統(tǒng)的QA、調試和驗收的實例；腫瘤信息系統(tǒng)；專用質子和重離子治療中心的系統(tǒng)集成和整合和質子；重離子治療裝置的運行和維護。第三部分是描述專用質子和重離子治療中心，重點介紹國際上有代表性的、著名的專用質子和重離子治療中心，最后再介紹當前正在研制的下一代用的小型質子治療裝置。該部分共有6章：美國和加拿大的質子治療中心；日本專用質子和重離子治療中心；德國和歐洲其他國家的質子和重離子治療中心；中國質子和重離子治療中心與韓國國家癌癥中心；下一代緊湊型質子治療裝置；研制中的新型離子治療方案。第四部分是治療中心的設計和建造，分別描述治療中心的有關設計、籌建和建造的工作內容，如籌建治療中心的有關要點、選擇質子治療裝備的類型、外商談判的項目內容和方法、建造中心建筑的基本要求、建筑的輻射屏蔽、環(huán)境保護安全和場所環(huán)境的監(jiān)測，以及如何建造安裝質子和重離子治療裝備的專用建筑和為該裝備提供水、電、氣等的通用設備。該部分共有6章：治療中心的設計；建造的階段、要點、設備選型和談判；治療中心的建筑；建筑的輻射屏蔽；環(huán)境保護安全；場所和環(huán)境的監(jiān)測。第2章 質子和重離子放射治療的歷史回顧質子放射治療是諸多放射治療中的一種治療方法，既是放射治療歷史發(fā)展的產物，也是質子治療本身發(fā)展的產物。當前質子治療采用的先進技術，如立體定位、射線影像學、調強放療等都源自放射治療本身的需求；而質子治療自身的特殊性也促進它本身技術的發(fā)展。這兩種因素相互促進，形成了當前質子治療的成就。2.1 放射治療技術發(fā)展史半個世紀以來，放射治療技術的發(fā)展主要是沿著下面兩條路線來進行的。一條是選用治療的輻射類型，進行X射線、電子、中子、負π介子、質子、氦和碳離子的臨床放療試驗，形成了當前的放療評價：對X射線和電子的放療方法給予充分肯定，至今仍在使用；在特殊治療領域保留了中子治療，否定了負π介子治療；在20世紀90年代肯定了質子治療的優(yōu)點和成熟性；2003年后肯定了重離子治療的優(yōu)秀性[1]。另一條路線是沿著射線和腫瘤靶區(qū)相互間的定位方法和治療原則來進行的。1951年L.Lekell提出的“立體定向放射手術”（SRS）概念，后來又發(fā)展為“立體定向放射治療”（SRT）的方法。在用SRT時，腫瘤四周的正常組織不可避免地受到相當?shù)恼丈淞?。為盡可能減少這種腫瘤四周正常組織受到的照射量，人們在SRT基礎上，再用可變準直光柵和患者補償器等輔助裝備，使照射的劑量體積形狀盡可能與腫瘤的體積形狀相同，二者相互“適形”，形成了目前質子治療中常用的先進“適形放射治療”的技術基礎。隨后，從20世紀90年代至今廣泛應用的一種用三維放射治療計劃系統(tǒng)（3D-TPS），設計非共面不規(guī)則野分次照射的三維適形放射治療（3D-CRT）、調強治療（IMRT）和影像引導下放療定位（IGRT）、動態(tài)適應放療（DART）等放療新技術，以及錐形束CT（CBCT）、容積CT（volume CT）掃描等診斷新技術。這樣用3D-CRT、IMRT，特別是IGRT和DART的放療方法可以對運動中的病灶給予優(yōu)化的、隨時間變化的四維劑量分布，減少因病灶運動帶來的治療誤差，使正常組織和敏感部位受到的損害比適形治療的損害還小，大大提高控制率，減少副作用，改善患者治療后的生活質量，獲得更佳的療效，成為目前國內外最先進的放療方法之一。計算機技術、數(shù)據(jù)和圖像處理軟件、影像診斷儀器等的高度發(fā)展形成了當前的先進質子和重離子治療。2.2 質子治療技術發(fā)展史1946年以來的質子放射治療歷史基本上可分為三個階段[2]，即1946～1985年研究開發(fā)階段、1985～1998年應用與發(fā)展階段、1998年以后推廣與市場開發(fā)階段。2.2.1 1946～1985年研究開發(fā)階段1946年美國R.Wilson在Radiology雜志上發(fā)表論文，提出用質子治療腫瘤的建議。他指出質子具有以下三個內在的物理性能。①質子布拉格峰（Bragg峰）在射程終點處的劑量值比入口處的劑量值大三四倍，在射程終點后的劑量等于零。此特點用于治療腫瘤，使腫瘤處的劑量為最大值，得到最大的治療效果，腫瘤后的正常細胞不受損傷。腫瘤前部的正常細胞僅受到1/3左右的較小損害的腫瘤劑量值。②單一能量的質子流在相同的射程（深度）傳遞最大劑量值，不同深度的腫瘤可用不同能量質子來照射治療，固定深度的腫瘤可用單一能量質子進行若干次的照射。③質子在傳輸時，其前進軌道不會偏離直線軌跡太遠。質子具有相對較小的散射與本底，使照射野邊緣比較清晰分明，陰影小，能治療距離敏感器官很近的腫瘤。R.Wilson在文中認為上述三種物理性能有利于治療腫瘤，首先提出用質子來治療腫瘤的建議。1946 年后，國際上具備質子束流條件的物理實驗室，都向此方向進行探究。為了將建議轉化為現(xiàn)實，必須著重研究解決一系列專門的治療技術。例如，如何將直徑較小的質子束流擴展成與治療腫瘤尺寸相一致的均勻劑量，如何在治療時將質子束流正確地定位在患者的病灶處，如何使質子布拉格峰擴展成能適應治療腫瘤的厚度，如何使質子束流的橫向尺寸與縱向射程寬度既能有恰當均勻的劑量率、又能剛好與被照射腫瘤的三維尺寸相一致，以及其他有關生物效應、劑量計算法、劑量測量等研究工作。1950～1960年研究工作主要集中在下述五個既有現(xiàn)成的高能質子束、又有興趣從事質子治療的研究室（所），即美國加利福尼亞大學勞倫斯-伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory），美國哈佛大學回旋加速器實驗室（Cyclotron Laboratory，Harvard University，HCL），瑞典烏普薩拉大學（Uppsala University） Gustaf Werner研究所，蘇聯(lián)莫斯科理論與實驗物理研究所（Institute of Theoretical and Experimental Physics，ITEP）與蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合核子研究所（ОбЬединный Инстут Ядерных Исследований，Дубна）。美國勞倫斯-伯克利國家實驗室在1948年由J.H.Lawrence利用104in①回旋加速器上的340MeV質子流和910MeV氦離子首先進行質子流的生物與醫(yī)學應用研究工作。1954年C.A.Tobias等進行世界上第一例質子治療，使用了交叉穿透照射技術來照射腦垂體，達到抑制其激素分泌來治療乳腺轉移癌的目的。勞倫斯-伯克利國家實驗室在1954～1957年用質子治療了30多名患者；截至1985年，用氦離子總共治療了1600多名患者。美國波士頓的哈佛大學在1959后由W.H.Sweat和A.M.Koebler合作，用哈佛大學回旋加速器實驗室（HCL）的160MeV質子束流進行了質子治療研究。后來哈佛又與美國馬薩諸塞總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital，MGH）合作做質子臨床治療工作。1961年R.N.Kjellbery用HCL的質子流進行質子治療腦垂體有關的疾病，如肢端肥大癥、糖尿病引發(fā)的視網(wǎng)膜病、Cushing綜合征（是指各種病因造成腎上腺分泌過多糖皮質激素，主要是皮質醇所致病癥的總稱）等。到1992年為止，他們共治療了582名肢端肥大癥患者并取得良好療效。1965年R。N。Kjellbery又用質子布拉格峰放射手術治療動靜脈畸形，到1992年共治療1351名患者。1975年MGH與HCL合作用質子對眼黑色素瘤治療，患者在八九天內接受5次治療，平均總劑量為70～80Gy，5年局部控制率為96%，大部分患者都能保持視力。截至1992年，已治愈1600多名患者。質子治療眼黑色素瘤是質子治療最成功的表現(xiàn)，也是質子治療優(yōu)越性最突出的表現(xiàn)。1961～1999年12月底統(tǒng)計MGH與HCL總共治療了8372個患者，占當時國際上質子治療總人數(shù)的1/3左右，因此MGH與HCL在全世界質子治療工作中作出了杰出貢獻，具有很高的學術地位。MGH所研究使用的質子治療計劃系統(tǒng)曾為全世界廣泛使用與參考。MGH在1970～1990年治療規(guī)模已有相當水平，最高曾達每年治療500名患者。瑞典Gustaf Werner研究所在1955年由B.Larsson領導一個研究組開始研究質子治療工作。1959年用該研究所的185MeV回旋加速器治療第一個患者。該大學對質子治療作出了多方面貢獻。例如，利用質子交叉穿透治療照射技術首次治療Parkinson綜合征（帕金森綜合征）與其他功能性神經(jīng)疾病。他們在質子放射手術方面的成就奠定了后來研制開發(fā)用多個放射鈷源的伽馬刀。該所1989～1999年底的十年間共治療了215名患者。

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