质子治疗肿瘤的前世今生

   目前临床治疗上最常见的是光子放疗,即使用X射线或钴60放射源产生的伽马射线来照射和杀灭肿瘤细胞。光子放疗相对于手术治疗和化疗等方法治疗癌症虽然有一定的优势,但同时伴随着正常组织照射剂量高、有一定毒副反应等缺点。近年来,在全球掀起一股旋风的质子治疗是采用质子束治疗癌症,并且凭借其精确性和对正常组织的保护获得了越来越多医生的认可和患者的青睐。

  今天我们就来介绍一下质子治疗的前世今生。

  质子治疗发展历程与现状

  1946年,哈佛物理学教授Dr. Robert Wilson便提出质子物理性有利于治疗肿瘤的理论,由此启发国际上具备质子束流条件的物理实验室向此方向进行探究。1954年,C. A. Tobias等人在美国劳伦斯伯克利国家实验室开展了世界首例肿瘤患者的质子治疗。50年代末到60 年代,瑞典乌普萨拉大学Gustav Werner、美国波士顿哈佛大学、苏联杜布纳联合核子研究所和苏联莫斯科理论与实验物理研究所等相继开始进行质子治疗研究;到了80年代初,日本筑波大学粒子放射医学研究中心也开始使用质子治疗肝癌、肺癌、食道癌等疾病的研究,成为亚洲首个开展质子治疗研究的机构。

  80年代可以称为质子治疗受到医疗界认可的一个标志性年代。1985年,世界各地从事质子治疗的科研工作者和医务工作者成立了质子治疗协作委员会,每年组织召开若干次国际学术讨论会,出版会议纪要与期刊,对质子治疗做出一些建议——这就是如今的国际粒子治疗协作委员会 (Particle Therapy Co-Operative GroupPTCOG)的前身。 1988年,质子治疗获得了美国食品药品监督管理局(FDA)的官方认证。

  90年代是临床专用质子治疗中心兴建初见矛头的年代。1990年,世界上首家临床质子治疗中心——美国Loma Linda大学医疗中心质子治疗及研究中心成立。随后,美国、德国、意大利、法国、日本等国家开始积极筹建质子治疗中心,并陆续进入临床治疗阶段。

  根据PTCOG的统计数据,截至2017年全球已运营的质子治疗中心有63家,约170间治疗室,其中71%在欧美国家,其中美国的质子中心数量占全球的40%。按照目前各国的发展计划,预计到2018年底全球质子治疗中心将增至逾120家。而自1954年起至今,接受过质子治疗的患者已有逾13万人。美国的MD安德森质子治疗中心成为世界上年度治疗患者最多的质子中心,而且能接收年龄较小的肿瘤患者。

  全球质子治疗中心分布数据(PTCOG 20174)

  随着技术被逐渐认可,质子治疗供需之间的不平衡开始逐渐显现,设备体积过大、造价过高是阻碍质子治疗技术发展与普及的障碍之一。为了解决这一难题,紧凑型质子治疗设备的发展就成为当前质子治疗行业发展的重要方向之一,缩小设备体积意味着缩小占地面积,进而降低成本,更加有利于质子治疗中心在世界各地的兴建。正如瑞士PaulScherrer研究所Jacobus Maarten Schippers博士所说:有两个因素驱动着小型化质子治疗设备的发展,一个是人们需要更小更便宜的设备,另一个是单室质子治疗系统能够让质子治疗的应用更广泛。这两个因素互相影响,推动着技术的发展,而技术发展的目标是最终实现让质子治疗设备的体积与当前光子治疗系统的体积相当。

  在缩小质子治疗设备体积的这场战斗中,如何缩小旋转机架和加速器体积一直是焦点。

  当前的技术发展针对缩小旋转机架体积主要采用两种方法:一是通过把扫描磁铁放置到偏转磁铁前面(如瑞士PSI、德国海德堡离子治疗中心和日本国立放射学研究所的质子治疗设备)或置入偏转磁铁内(IBAProteusONE质子治疗设备),缩小旋转机架体积;另外一个是设计出长度更短,但半径更大的旋转机架,这种旋转机架的加速器安置在旋转机架下方的加速器舱内,这种上下两层的设计能够减小设备的占地面面积,但是显然需要加高建筑的高度。还有一个思路是通过让加速器只能旋转180°的方法将设备的占地面积缩小大约100平方米。

  另外一个方向是缩小质子束偏转直径,即增强主偏转磁铁的磁场强度。就当前的技术水平而言,使用常导磁铁(resistive magnet)技术的偏转磁铁磁场已经很接近最大值了,因此目前的研发重点是如何将超导磁铁用于质子治疗设备。

  通过改进磁铁、调整束流特性以及与注入器加速器联合使用已经实现了将同步加速器直径从8米缩小到5米。未来使用超导磁铁的质子回旋加速器直径可以缩小到3.5米,质量可以从200吨降到100吨。超导回旋加速器研发的下一步就是通过将磁场强度提高2-3倍将加速器缩小到50-30吨重。

  在20175月刚刚结束的第56PTCOG年会上,专家提出了未来重离子治疗设备的体积与直线加速器持平的愿景,事实上无论是质子还是重离子治疗设备,与这些大型的环状加速器相比,线性加速器具有明显的优势——体积更小,更适合安装在大多数医院内;此外,线性加速器的一个优势是能够快速调整出射束流的剂量(在几毫秒时间内),并且对束流的强度没有影响。束流能量决定了质子或粒子在组织内运行的深度,因此这一特点可以用于伴随患者的呼吸运动调整质子束流的位置,或者让束流准确地瞄准肿瘤的不同位置。

  来自瑞士欧洲核研究协会的Stefano Benedetti和他的同事设计了一个完全直线加速器版本的质子加速器,它能够将质子加速并射入人体深达33cm处,这一效果与当前使用的大型加速器相当。新设计的加速器能够被安装在一间面积仅10m×20m的房间里,实现质子治疗设备体积与目前的医用直线加速器体积相当。

  总之,在过去的几十年中,质子治疗技术在不断完善。期待在不久的将来,质子治疗这一先进的肿瘤精准治疗利器能够帮助更多的肿瘤患者解除病痛。

 

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