质子治疗广受推崇｜有何独门秘籍？

质子放射治疗是目前国际上先进的放疗技术之一。其原理是使用高能加速器，将带正电荷的氢离子(质子)加速到光速的60%，再通过束流传输线，将质子束引入到需要治疗的肿瘤部位。

质子束流进入人体之后到达肿瘤的部位时，会释放很高的治疗能量（即能量曲线的 Bragg peak 布拉格峰），而在肿瘤之后不会有无必要的照射剂量。因此可以明显减少肿瘤周围的正常组织所遭受到的辐射破坏。

广州泰和肿瘤医院引进的是全球领先的瓦里安ProBeam质子治疗系统。这是一套多室系统，包括1套超导回旋加速器、1套束流传输系统、4间旋转机架治疗室，所有的治疗室都配备了笔形束扫描治疗头。

根据功能和控制逻辑，整个质子治疗系统分成加速器、束流传输线、治疗室运动控制、治疗头、影像、人身安全系统等子系统。各子系统通过TCP/IP 网络连接，共同保障质子系统安全、稳定地运行。系统还同时集成了ARIA 肿瘤信息管理系统和Eclipse治疗计划系统，为治疗效率提供了保障。

什么是质子(Proton)？

物质由分子组成，分子由原子组成。原子由带正电的原子核及带负电的核外电子组成。原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。原子中，质子的数量等于电子的数量。因此，原子表现为不带电的中性。

质子是一种带有1个单位正电荷(1.6×10-19C)的稳定强子，通常标记为p或p+。直径约为1.6-1.7×10-15m。

每个原子的原子核内部都至少会含有一个质子。

▲原子结构示意图

如何获得质子？

氢气是一种单质分子，化学式是H2。氢元素在自然界中有3种同位素，分别为氕[piē]、氘[dāo]、氚[chuān]，普通氢气中基本都是氕。氕的原子核中，只有一个质子，没有中子，其它原子的原子核中都至少含有1个中子。氢气中的质子含量最高，因此，质子治疗系统使用电离氢气来获取质子。

常用提供氢气的方式有两种：使用氢气发生器现场生产氢气，或者使用氢气瓶提供压缩氢气。质子治疗系统通过氢气管将减压后的氢气(约2bar)注入到一个真空腔中，用一定速度的电子束流轰击氢气。使氢分子电离产生质子，然后通过引出装置，将质子引到真空腔，并注入加速器中进行加速，从而获得治疗肿瘤需要的高能质子束。

▲广州泰和肿瘤医院所用的H2储存瓶

▲回旋加速器离子源

▲加速器中心

质子治疗的独特优势是什么？

质子束具有独特的物理学优势，可以将绝大多数能量准确沉积在肿瘤处。只对肿瘤周围健康组织造成很少的伤害，对肿瘤后方的健康组织几乎不造成伤害。质子治疗可用于治疗多种复杂的肿瘤病例。譬如，儿童肿瘤、头颈部肿瘤、肝癌、肺癌等等。

传统放疗使用光子对肿瘤部位进行照射。与光子相比，质子、碳离子拥有独特的布拉格峰，可以将更多的能量沉积在肿瘤处。与碳离子相比，质子没有拖尾效应，可以更好地保护肿瘤后方的健康组织。

布拉格峰的位置和质子能量强度有关。质子能量强度越高，布拉格峰距离人体表面距离越远。通过调整质子束能量强度，可以使布拉格峰出现在不同深度的肿瘤处。

当前，质子治疗系统普遍采用笔形束扫描技术(PBST)，将质子束调成直径小于4mm的点。配合质子调强技术(IMPT)，对肿瘤部位进行逐层逐点扫描照射。从而在立体空间上将能量准确沉积在肿瘤部位，大大减少对正常组织的伤害。

▲质子治疗笔形束扫描

什么是布拉格峰？

1904年

布拉格(Bragg)在实验中观测到质子射线等带电粒子束在射入物质时，根据其能量大小会在某个深度形成一个剂量高峰。

1905年

布拉格在研究α离子在空气中衰减的现象时，将其命名为“Bragg 峰”(中文译为“布拉格峰”)。

1946年

罗伯特・威尔森(Robert Wilson)首先提出用质子和更重的粒子治疗癌肿的思想。

基于这个特性，质子束的能量释放可以更集中地沉积在肿瘤部位，包含皮肤在内的肿瘤前方的正常组织将受到较小剂量的照射，而肿瘤之后的正常组织受到的剂量几乎为零。

因此，质子治疗将带来更好的肿瘤控制率(tumor control probability, TCP)，以及更小的正常组织并发症发生率(normal tissue complication probability, NTCP)，综合放疗效果更好。

▲不同射线不同能量在组织中的剂量分布

撰稿：广州泰和肿瘤医院设备管理部质子系统工程师 刘冰