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医学论文

癌症质子治疗系统工作原理分析

时间:2022-07-15 10:40 所属分类:医学论文 点击次数:

  摘要:质子治疗是世界上高精尖的癌症治疗方法,具有独特的深度-剂量特性,质子治疗比光子治疗具有优势,将减少治疗毒性,提高局部控制率、提升患者治疗后的生活质量和生存率。本文将对质子治疗的应用背景、系统结构、工作原理进行简要介绍。

  关键词:高端医疗设备、癌症治疗、质子治疗

  引言

  癌症是全世界首要的死亡原因之一,在全世界范围内,癌症确诊后,5年内存活的总人数约为5060萬,数据惊人。由于质子具有独特的深度-剂量特性,质子治疗比光子治疗更具有优势,将减少治疗毒性,提高局部控制率、提升患者治疗后的生活质量和生存率。本文将对质子治疗的应用背景、系统结构、工作原理进行简要介绍。

  1背景简介

  根据国际癌症研究机构(IARC)的数据,到2020年,全球癌症数量已上升至1930万新病例和1000万死亡病例。在全世界范围内,在癌症确诊后,5年内存活的总人数约为5060万。全世界有1/4男性和1/5女性在其一生中罹患癌症。全世界有1/8男性和1/11女性死于癌症[1]。

  10种最常见的癌症类型占新确诊癌症病例的60%以上,占癌症死亡病例的70%以上。乳腺癌是全世界最常见的癌症(占新增病例总数的11.7%),其次是肺癌(11.4%)、结直肠癌(10.0%)、前列腺癌(7.3%)和胃癌(5.6%)。在全球范围内,预计2040年将出现2840万例新增癌症病例,比2020年估计的1930万例增加47%[1]。

  癌症治疗对挽救人类生命、改善人类生活越来越重要。癌症治疗方式有很多种,手术、放疗、化疗、免疫治疗、靶向治疗、激素治疗、干细胞移植、肿瘤治疗的生物标志物检测等为目前癌症治疗采用的主要手段[2]。到2020年底,全世界有29万多名患者接受粒子疗法治疗,近25万名患者接受质子治疗,近4万名患者接受碳离子治疗,约3500名患者接受He、介子和其他离子治疗[3]。对于生长缓慢、难以切除或无法切除的肿瘤,以及靠近放射源敏感的解剖结构的肿瘤(如脊髓、脑干),质子治疗具有相当大的潜在优势[4]。

  由于质子具有独特的深度-剂量特性,质子治疗比光子治疗更具有优势,可以使肿瘤靶区远端和近端正常组织剂量显著减少。这一特性可使对肿瘤进行放射治疗时,大大降低邻近肿瘤的易感器官的照射性,提高局部控制率、提升患者治疗后的生活质量和生存率。对各种癌症的剂量学研究表明,相较于光子疗法,质子治疗在剂量分布方面有显著优势。质子治疗是一种公认的安全、有效的治疗方法。目前,质子治疗的适应症包括乳腺癌、小儿癌、头颈部癌、肺癌、肝癌、胰腺癌和前列腺癌、肝细胞癌、肝内胆管癌、脊索瘤、口咽癌、鼻咽癌、食管癌等[5]。

  2质子治疗系统结构组成

  质子治疗系统一般包括加速器系统、能量需求系统、束流传输系统、治疗终端系统等辅助系统。除了以上系统外,质子治疗系统还包括供配电系统、送风系统等辅助系统[7]。

  2.1.1主加速器系统

  主加速器系统主要包括离子源单元、磁铁单元、射频单元、引出单元、束测单元以及辅助单元,从而产生连续稳定的质子束。

  2.1.2能量选择系统

  能量选择系统主要包括铁磁单元、降能器、束测单元、真空单元和束流阻断器。通过一系列的输运线元件,对束流的参数进行控制及调节。

  2.1.3束流传输系统

  束流传输系统主要包括磁铁单元、束测单元、真空单元、束流阻断器系统、输运线控制系统和输运安全连锁系统。束流输运线是连接能量选择系统和治疗头之间的部件,主要用于质子束流的传输。

  2.1.4治疗子系统-旋转治疗室

  旋转机架系统:支撑治疗头和CBCT影像系统进行旋转和任意角度精确定位,实现质子束流的多角度照射。

  笔形束扫描治疗头:对质子束流横向扩展,照射点位置、照射剂量进行监测,并配合治疗控制系统对制定空间进行扫描式辐照。

  CBCT图像引导系统:与旋转机架配合使用,多角度扫描成像后,快速进行三维重建和配准,实现患者肿瘤的精确定位。

  激光定位系统:主要用于放射治疗中的患者定位,投射一个空间固定的坐标系统,使得操作者能够为患者进行标记并重复定位。

  呼吸门控系统:可使肺部或其他受呼吸而产生运动的特殊部位治疗更精准。

  放射治疗患者摆位系统:通过治疗控制系统控制治疗床按设定运动到相应的位置,配合治疗头进行各种位置的调整,使质子束能从不同位置、不同角度对患者进行照射。治疗控制系统按照治疗的需求协调控制各系统的运行。

  2.1.5治疗子系统-固定治疗室

  固定机架为90°的固定角度,束流角度不可调整,质子束流固定从墙壁一个位置射出。

  二维图像引导系统通过2副或多副交叉角度的X射线影像,将平面图像进行三维重建,给出位置偏差值,偏差值最终反馈给治疗计划系统。固定治疗室也具备笔形束扫描治疗头、激光定位系统、呼吸门控系统、放射治疗患者摆位系统和治疗控制系统。

  2.1.6其他辅助设备

  肿瘤信息系统是质子治疗装置的配套软件。肿瘤信息系统具有对质子治疗流程,以及病人的治疗信息统一管理和质子治疗记录与验证的功能。治疗计划系统软件用于为已指定要采取外部射束调强放射治疗(IMRT)的任何癌症患者创建治疗计划,系统将计算给定治疗计划摆位中二维或三维放射剂量在患者体内的分布。

  3质子治疗系统工作原理

  主加速器系统通过对高纯度氢气电离,形成等离子体态的带正电质子和电子的混合体,质子在高压负电场的引导下把等离子体态中的质子从主加速器的离子源单元引出,经过垂直磁场下偏转,形成回旋路径,通过对主加速器高频系统的加速腔缝隙进行加速,当质子达到一定速度,质子的能量达到可引出能量时,通过主加速器的引出单元对其引出至能选系统,并通过束流传输系统进行束流的偏转和聚焦,到达旋转治疗室或固定治疗室,经治疗子系统的治疗头照射患者肿瘤病灶,杀死癌细胞,以达到治疗癌症的目的。在治疗过程中,首先确认核对患者信息,然后在治疗床上固定患者,由激光定位系统进行多轮患者定位,同时进行患处的靶区勾画,在治疗控制系统中指定治疗计划系统,开启一轮治疗实施。治疗的所有过程均由治疗控制系统全程配合,实现远程操作[6]。

  4总结

  本文简单介绍了质子治疗系统的应用背景、系统结构和工作原理,质子治疗系统由于其独特的深度-剂量特性,经证明,质子治疗比光子治疗更具有优势,将减少治疗毒性,提高局部控制率、提升患者治疗后的生活质量和生存率。我国目前已有多家研究机构引入质子重离子研究,这势必成为我国癌症患者的福音。

  参考文献

  [1]Latestglobalcancerdata:Cancerburdenrisesto19.3millionnewcasesand10.0millioncancerdeathsin2020.IARCPressRelease292.2020.12

  [2]TypeofCancerTreatment,NationalCancerInstitute

  [3]TypesofCancerTreatment,AmericanCancerSociety

  [4] Statisticsaboutpatientstreatedwithparticles,TherapyCo-OperativeGroup

  [5] Particletherapyfacilitiesinclinicaloperation(lastupdate:June2021),Therapy Co-OperativeGroup

  [6]刘世耀.质子和重离子治疗及其装置[M].北京:科学出版社,2012.107-245