浅谈质子治疗系统

金野 杨艳 王博 辽宁省医疗器械检验检测院 （辽宁 沈阳 110171）

近年来，质子治疗系统发展迅速，辐射束能量与患者接受剂量已经成为当今大众关注的热点。能否合理准确接收剂量，精准治疗，直接关系到患者能否在合理的辐射剂量下达到临床的治疗要求。本文基于《质子/碳离子治疗系统技术审查指导原则》行业标准对质子治疗系统进行产品性能验证与分析。

1.行业现状

在2018年8月1日实施的最新版《医疗器械分类目录》中，质子治疗系统所属大类为放射治疗器械，一级产品类别为放射治疗设备，二级产品类别为医用电子加速器，管理类别为Ⅲ类医疗器械。质子治疗系统是利用电磁原理对电子进行加速，利用直流高压电场进行加速的加速器能量较低，利用感应涡旋电场进行加速的加速器只能加速电子。质子治疗需要较高能量的质子，只能由高频谐振加速器获得。质子是带正电的氢粒子，其电荷量与电子相同，但是质量比电子大得多，约是电子的1836倍。质子和其他许多粒子一样，进入人体后由于电离作用能量逐渐损失，但是质子其他粒子进入人体内的能量损失过程和剂量分布曲线有很大的不同。质子的剂量曲线有这样的特点：缓慢上升一段后，急速到达峰值，后急速下降。这个剂量峰称作布拉格峰。对于很小的肿瘤，只要将布拉格峰对准它，那么肿瘤处就能接受到最大的剂量值。对于较大的肿瘤可以通过调制质子能量使布拉格峰展宽到和肿瘤厚度相当的水平再进行治疗。用于临床上各种肿瘤的治疗，特别是深部肿瘤的治疗。质子治疗系统的预期用途为：由执业医师决定实施相关影像引导的各个身体部位上执行门控式或非门控式投照时，用作静态和/或动态治疗中单次或多次放疗过程的一部分。它可在实施治疗之前、期间和之后提供实时2D、3D 和4D 影像引导，在产生并投照质子束流的医疗设备，可用来治疗患有局部肿瘤以及对放射治疗敏感的其他病症的患者。适用肿瘤有：儿童肿瘤（成神经管细胞瘤、室管膜瘤、颅咽管瘤、横纹肌肉瘤、中枢神经系统生殖细胞瘤、非典型畸胎样横纹肌样瘤、神经胶质瘤、颅底脊索瘤和软骨肉瘤、软组织肉瘤、骨肉瘤、尤文氏肉瘤、淋巴瘤（霍奇金和非霍奇金）、神经母细胞瘤）；眼部肿瘤；颅底和脊柱脊索瘤以及软骨肉瘤；原发性肝癌-肝细胞癌；淋巴瘤（霍奇金淋巴瘤、非霍奇金淋巴瘤）；脑肿瘤（脑膜瘤、垂体腺瘤、听神经瘤和神经细胞瘤、动静脉型血管畸形、神经胶质瘤）；头颈部肿瘤（副鼻窦和鼻腔肿瘤、咽癌、唾液腺癌）；肺癌（早期非小细胞肺癌、局部晚期非小细胞肺癌）；再辐照；术后放射疗法；胃肠道恶性肿瘤；胰腺癌；食管癌；乳腺癌；前列腺癌）。

2.质子治疗系统组成

质子治疗系统（Proton Therapy System，PTS）由大量硬件元素组成，如回旋加速器、束流传输线、束流选择系统、旋转机架、治疗头等、患者支撑装置、患者定位装置等。除物理结构外，PTS也很有逻辑结构。连接的主要逻辑组件有：治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）（连接的）、肿瘤信息系统（Tumor Information System，OIS）（连接的）、PTS软件、患者定位确认系统（Patient Positioning Confirmation System，PPVS）。

TPS使用户可以准备并存储所有处方数据。开始治疗之前，治疗中心的工作人员采用各种成像技术，如X射线成像、CT扫描、MRI、PET等，采集需要进行辐照的患者身体部位的影像。根据这些影像和扫描，治疗中心的工作人员使用TPS选择束流照射技术、确定剂量分布并设计可能的患者专用设备，如束流调节单元或射程补偿器。对于许多肿瘤类型，CT扫描有助于启动PPVS（比如，adaPTinsight）以在治疗时进行校正向量计算。通过这种输入材料，PPVS可以执行自动影像配准某些肿瘤类型，如前列腺肿瘤，需要建立患者特定的标记作为基准点。在这种情况下，若干植入物将标识CT扫描上的肿瘤内的特定位置。治疗时，需在PPVS（比如，adaPTinsight）中选择这些位置。CT扫描将有助于在治疗时计算正确的患者定位校准数据。TPS通过使数据可互换的DICOM®1连接与OIS连接起来。DICOM协议是用于医学应用的事实标准通信协议。

OIS：将处方数据输入PTS软件的一种非常有效的方法是使用OIS。OIS可以管理和传输可能来自各种提供多种治疗类型（如传统放疗、质子治疗及其他）的不同系统的所有患者和治疗相关的数据。OIS是所有治疗类型的处方数据的中央储存库。提供多种治疗类型（如传统放疗、质子治疗及其他）的各种不同的系统可与OIS传输患者和治疗相关的数据。治疗计划数据在TPS中完成后，可通过Dicom协议从TPS传输至OIS。治疗时，计划每一次均通过DICOM接口从OIS传输至PTS软件。治疗结束时，治疗记录将从PTS软件返回至OIS；此信息存储在OIS中。对于每一个将用PTS进行治疗的患者，其患者数据均来自OIS并存储在PTS软件数据库中。为了启用质子治疗，也要保存特定检查和治疗计划数据。

PTS软件：它主要由软件组件组成。根据其在治疗中心的职能，不同的用户可访问PTS软件的不同选项；有些是临床的，其他是管理类或更多是面向硬件方面的。显然，作为系统的临床用户，您可以访问PTS软件的全部临床功能。关于由PTS提供的质子治疗，PTS软件将所有临床数据存储至专用的软件数据库，并对其进行检索。PTS软件是PTS所有关键信息的中央存储库。OIS和PTS之间的通信是通过DICOM接口实现的。

PPVS：治疗时，PPVS会向OIS请求所需信息（例如CT扫描、DRR 等）。PPVS 将CT 转换成DRR，然后DRR 将与DR进行自动对比；比如程序adaPTinsight，会使用灰度值比较算法计算校正数据。计算出的校正数据必须手动输入（或电子交换并确认）并从TR的PTS软件监控器进行应用。这些应用的校正数据随后必须使用手控盒执行。

不同形式的质子治疗系统的加速器，主要区别在于加速电子的方式不同。质子加速器类型基本是以下几种：同步加速器、回旋加速器、同步回旋加速器、直线加速器。这几种加速器孰优孰劣历来有较大争议。回旋加速器最大的优点在于操作方便，但是它需要额外配置能量选择系统，因为它不具备能量可调性，而且它的束流品质不如其他两类加速器好。同步加速器的优势在于输出能量可调，不需要再配置能量选择系统，但是它操作起来比较复杂，占地面积大。直线加速器也能实现输出能量可调，而且它的束流品质特别优良。

在放射治疗过程中，由于设备方面原因导致的误差有许多，如患者定位系统设备的摆位误差、外照射设备自身等中心存在误差、治疗室本身建筑结构的误差、患者支撑装置的位置偏移等情况，如不及时进行纠正，这些误差将伴随放射治疗过程始终，导致靶区剂量的不准确。所以，为了提高放射治疗质量，除了控制好摆位精度，还应当对外照射设备的机械和几何参数进行定期检查，如外照射设备等中心的校准，患者支撑装置的位置纠正等，使摆位误差减小到最低限度，以保证每次放射治疗摆位的准确性，使得整个治疗计划能够得到正确地执行，保证放射治疗剂量的投递能够满足临床治疗要求。

在放射治疗过程中患者的摆位决定了放射的部位的准确性，在整个放射治疗过程中占比时间最长，放射治疗患者体表光学摆位系统可以很大的减少摆位时间在放射治疗过程中占比，并监测放射过程中患者身体的微小位移。放射治疗患者体表光学摆位系统，重新定义了放射治疗患者体位及肿瘤运动管理的标准。

3.质子治疗系统临床作用

经过几十年的积淀和发展，质子技术和设备逐渐从研究机构中剥离出来，成立商业公司，随着需求的增加，商用质子系统趋于成熟，有能力的肿瘤医院采购多室系统。同时更多商用质子系统供应商出现：IBA、Varian、Mevion、Protom、Hitachi等，医院可以有更多选择，新技术在逐渐激励的竞争环境下不断发展。与传统医院加速器放疗设备相比，传统放疗使用X射线照射肿瘤。X射线在进入人体不久达到能量最大值，随后衰减，使得肿瘤周围的健康组织中沉积大量能量，从而会对人体正常组织造成伤害。而质子束进入人体后，能量在初始处没有被释放出来，直到到达病灶，能量才被完全释放。总体看，质子治疗与使用X射线的传统放疗相比具有七大临床优势：①质子束可以在病灶处释放大量能量，确保肿瘤受到足够剂量的照射；②在非病灶处减少能量照射，大大降低放疗对健康组织的伤害；③儿童对放射线极为敏感，极易产生放射损伤不良反应，质子治疗能够有效保护儿童的生理功能，减少对儿童身体发育和智商的影响；④提高生活质量，提高肿瘤局部控制率和生存率；⑤减少继发肿瘤发生的风险；⑥为不能手术的患者提供了新的治疗手段；⑦为既往采用常规X射线放射治疗后复发的患者，提供了二次放疗的机会。

4.患者进行放射治疗的副作用与禁忌

电离辐射可能对活的有机体有害。在放射肿瘤学中，电离辐射用于治疗患有局部肿瘤或对放射治疗敏感的其他病症的患者。治疗的获益/风险由放射肿瘤医师评估，其确定了健康组织可以安全接受的放射剂量，具有的副作用应可接受。放射肿瘤医师和临床团队将确定最佳的治疗方案（技术和剂量），将可达到最佳的风险/获益比率（即，辐照引起的不良副作用的限制）/获益（即，肿瘤根除）比率。

已有大量报道表明，放射治疗增加了癌症患者胶原血管病急性和晚期毒性的风险[1-5]。大多数临床医生可能会认为胶原血管病，如系统性红斑狼疮、皮肌炎、硬皮病、风湿性关节炎和混合性结缔组织病是放疗的绝对或相对禁忌症[6]。尽管也有研究表明，毒性增加的风险没有统计学意义，但患有胶原血管病的癌症患者的预后可能是多种多样的，因此在进行放射治疗时应非常谨慎[7-9]。

接受放射治疗的另一个禁忌症是DNA修复酶的基因异常，例如毛细血管扩张性失调及其相关的多态性。这些突变使患者在放射治疗过程中出现急性副作用的风险更高[10]。

质子和光子一样，是一种具有低线性能量转移的电离辐射。在目前的临床实践中，采用了的相对生物效应，假设质子和光子对肿瘤和正常组织具有相似的可预测效应。然而，越来越多的实验和临床证据表明，相对生物效应可能会发生变化[11,12]。相对生物效应的变化可能导致制定次优的质子治疗计划，在肿瘤中的效果低于预期，在正常组织中的效果高于预期[13]。对患有光子放射治疗高危疾病的患者应用质子治疗时应格外小心。

质子疗法用于治疗多种疾病。为了减少治疗过程中的失误，将操作风险降到最低，必须制定质量保证措施，并在实践中遵循指南和治疗方案。在风险管理方面，进行质子治疗时须遵守与光子放射治疗相同的安全指南和要求。

在进行治疗的效益风险比分析时，医疗专业人员需要注意以下可能增加风险的情况：怀孕；主动和被动植入物和装置；化疗和免疫治疗相结合，可能增加对辐射的敏感性。