德國(guó)GSI的重離子放射治療

1、德國(guó)gsi的重離子放射治療徳國(guó)gs1的重離子放射治療作者：張叔鳴范我綜述摘要 本文敘述了德國(guó)重離子研究中心(gsi)將重離子物理和生物效應(yīng)引入 腫瘤的放射治療，建立了精確的raster束流掃描和安全系統(tǒng)以及在線pet、體 內(nèi)束流定位系統(tǒng)。在脊索瘤、軟組織肉瘤、腺樣囊性癌的治療中取得了良好效果。關(guān)鍵詞離子放射療法粒子加速器德國(guó)腫瘤德國(guó)重離了研究中心(gsi)受日木千葉縣醫(yī)用重離了加速器“h1mac”成功 運(yùn)行的鼓舞，經(jīng)德國(guó)國(guó)家科技部和衛(wèi)生部批準(zhǔn)，于1993年春犬與德國(guó)國(guó)家癌癥 研究屮心(dkfz)、heidelberg大學(xué)臨床放射協(xié)會(huì)、magdeburg大學(xué)1臨床醫(yī)學(xué)協(xié) 會(huì)、dresdenros

2、sendorf研究屮心等多家單位組成協(xié)作組計(jì)劃用3年時(shí)間、投資 約1300萬(wàn)馬克在gsi的生物物理實(shí)驗(yàn)室建立實(shí)驗(yàn)性重離了放射治療裝置。該裝 置包括加速器束流引入，raster柬流掃描及安全系統(tǒng)，在線pet體內(nèi)束流定位 檢驗(yàn)系統(tǒng)，治療計(jì)劃系統(tǒng)以及治療室屏蔽和輔助醫(yī)療設(shè)備等。該裝置于1996年 底建成并于當(dāng)年12月13 f1開始治療首批兩例病人，至今已累積治療32例病人 (統(tǒng)計(jì)至1999年3月)?，F(xiàn)介紹如下：一、重離子的劑量學(xué)與放射生物學(xué)的特點(diǎn)重帶電粒了如碳離了的深度劑量分布與光了不同：隨著穿透深度增加，能量 的積聚，在射程末端，劑量猛增至最大值，然后迅速下降，在劑量曲線上形成 bragg峰，它的

3、最大深度位置隨粒子束流的原始能量而變化。另外，粒子在縱向 和橫向兩個(gè)方向上的散射線隨原子序數(shù)平方降低，因此，重離子(如碳)的物理劑 量分布可以非常精確地控制。重離子的相對(duì)生物效應(yīng)也是隨著它們的徑跡而改變。入口處碳離子能量高， 電離密度低，產(chǎn)生的生物效應(yīng)接近于電離量少的光子輻射，人部分初始的輻射損 傷幾乎都能被修復(fù)，而在碳離子射程的末端，約最后2cm的地方電離密度人幅度 壇加，引起很難修復(fù)的生物損傷。因此那些對(duì)于光子輻射冇高修復(fù)能力的腫瘤細(xì) 胞對(duì)于重離子卻變得十分敏感。由此口j見(jiàn)，重離子治療從物理效應(yīng)和生物效應(yīng)來(lái) 看，其有效范圍僅限制在射程末端。只要將腫瘤靶區(qū)按實(shí)際深度切割成等能量片, 用不同能

4、量重離子進(jìn)行掃描照射就有可能將它們?nèi)繗⑺?。在gsi,用于治療的 碳離子從同步加速器sis引出，通過(guò)一個(gè)接口與raster束流掃描系統(tǒng)相連接。 加速器能提供80430mev/u范圍內(nèi)255個(gè)不同能量，相當(dāng)于穿透深度230cm。 能量z間切換有脈沖電路控制，并在2s內(nèi)完成。通常一個(gè)靶體積需要2060 個(gè)能量集合即可。二、raster束流掃描和安全系統(tǒng)目前一般放射治療靶體積的形成基本上靠準(zhǔn)直器、擋塊和吸收片，很難做到 照射靶體積和計(jì)劃靶體積的一致性。柬流成形的較好方式是用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)帶電粒 子。gst發(fā)展了一種全新的束流照射技術(shù)，這就是能控制不同能量束流強(qiáng)度的 raster掃描系統(tǒng)。在該技術(shù)屮根據(jù)治療

5、計(jì)劃把靶體積分割成等于粒子射程的小 片，即等能量片，片與片間隔為2mni。每一小片劃分成等面積的很多像索，聚焦 束流通過(guò)兩組快速偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從一個(gè)像索掃描至另一個(gè)像索，像筆一樣依次涂覆 每一個(gè)像索，先掃描遠(yuǎn)端層面，然后改變能量逐漸掃描近端層面。每一像索需照 射的粒子數(shù)事先由治療計(jì)劃安排好，遠(yuǎn)端層面照射對(duì)前面層面的劑量沉積以及附 加的相對(duì)生物效應(yīng)改變事先均進(jìn)行了修正。對(duì)于一個(gè)約300cm3的腦部腫瘤大約 需要60個(gè)能量片，約4萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，共需照射時(shí)間為12mino現(xiàn)在正在做lom/s 的高速掃描實(shí)驗(yàn)，冇口j能將照射時(shí)問(wèn)縮短。為了防備可能出現(xiàn)的失誤，安全系統(tǒng)至關(guān)重要。在一個(gè)非常復(fù)雜的重離子加 速器中

6、要正確引岀束流必須控制很多組件。對(duì)于安全系統(tǒng)來(lái)講一旦束流位置和強(qiáng) 度發(fā)生嚴(yán)重偏差時(shí)就能停止照射。安全系統(tǒng)主耍rfl安裝在治療室的-對(duì)電離室和 多絲正比計(jì)數(shù)器組成。它能每隔ioops將束流狀態(tài)顯示在控制面板上，并自動(dòng) 與預(yù)先安裝在外部可讀儲(chǔ)存模塊中由治療計(jì)劃系統(tǒng)提供的計(jì)算值進(jìn)行比較。當(dāng)單 個(gè)像素的強(qiáng)度偏差達(dá)到5%時(shí)，安全系統(tǒng)將給出警告信號(hào)，超過(guò)5%時(shí)就在300rts 內(nèi)屮斷照射。當(dāng)束流位置空間偏差大于束流半寬度30%時(shí)也在300 ns內(nèi)屮斷照 射。從很多次水模體的照射實(shí)驗(yàn)以及近兩年的實(shí)驗(yàn)性病人治療情況看，這些嚴(yán)格 的安全條件都能夠順利地被執(zhí)行，只發(fā)生過(guò)很少幾次柬流中斷關(guān)閉，這主要?dú)w因 于同步加速

7、器具有非常好的穩(wěn)定性。用計(jì)算機(jī)控制的raster掃描系統(tǒng)所產(chǎn)生的非常靈活的束流外形輪廓能方便 適應(yīng)各種形狀靶體積的照射，它是0前世界上唯一能真正做到照射靶體積與計(jì)劃 靶體積相一致的掃描系統(tǒng)。三、在線pet體內(nèi)束流定位檢驗(yàn)系統(tǒng)目前放射治療中照射靶體積與計(jì)劃靶體積的一致性還沒(méi)有較為精確的核實(shí) 方法，全方位核實(shí)更是難以實(shí)現(xiàn)，在gsi,用碳離子進(jìn)行放射治療的核實(shí)方法上 有了突破性進(jìn)展。碳離子的射程末端，因核反應(yīng)部分穩(wěn)定碳核轉(zhuǎn)變?yōu)?1c和10c, 這兩種b+發(fā)射體同位素半衰期分別為20min和19s。止電了被靶內(nèi)電了湮滅同 時(shí)以180。的方向發(fā)射兩個(gè)能量為0.511mev的7光了，用兩個(gè)具有符合線路的

8、在線y照相機(jī)進(jìn)行測(cè)量，它們的原點(diǎn)就是碳離了停留的地方。將這些符合計(jì)數(shù)全 部采集起來(lái)，用正電子發(fā)射體層技術(shù)，即pet,進(jìn)行3d重建并與治療計(jì)劃的ct 圖像疊加，就可檢驗(yàn)照射靶體積與計(jì)劃靶體積空間位置是否一致。精確度可達(dá)到 pet的空間分辨率23mm。該技術(shù)還可用于形狀復(fù)雜的腫瘤各部分照射位置的校 正。在照射前先用一個(gè)小劑量來(lái)檢驗(yàn)靶體積。然后進(jìn)行校正直至滿意后再正式進(jìn) 行照射。該技術(shù)提供的體內(nèi)精確定位，使得碳離子照射成為放射外科乂一個(gè)理想 工具。rossendorf研究屮心承擔(dān)了該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)并取得了成功。它們改造碳離 子治療屮的射線測(cè)量，使斷層探測(cè)和控制系統(tǒng)整體進(jìn)入治療設(shè)備和控制單元。 用大量軟

9、件組支持pet數(shù)據(jù)獲取、操作、檢查。用一個(gè)重建算法和蒙特卡羅代碼 能以反向投影方法快速重建構(gòu)成三維影像空間。它們還支持每周、每口自動(dòng)檢查 探測(cè)和控制系統(tǒng)的靈皺度和穩(wěn)定性等。為節(jié)約投資，它們利用研究中心現(xiàn)有的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)，在gst采集數(shù)據(jù)以列表模式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至500千米以外位于 dresden的研究中心，運(yùn)算處理后重建圖像再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回gsi,全部過(guò)程大約 1小時(shí)。四、病人治療情況統(tǒng)計(jì)至1999年3刀，在每年提供的束流時(shí)間內(nèi)共有32例病人得到了治療， 其小12例病人接受了 20次碳離子束治療，每次3gy,主要是脊索瘤和軟組織肉 瘤;20例病人分別接受碳離子束輔助治療6次，每次3gy,附加常規(guī)光

10、子治療25 次，每次2gy,主要是腺樣囊性癌。病人分布見(jiàn)表1表1 碳離子束放射治療病人分布腫瘤病人數(shù)（例）腦基部許索瘤 10祗骨脊索瘤3軟組織肉癇5腺樣囊性癌8鱗狀細(xì)胞癌1神經(jīng)癇2非典型腦膜瘤1成肌細(xì)胞瘤1轉(zhuǎn)移細(xì)胞畑1由于raster掃描系統(tǒng)和pet體內(nèi)定位檢驗(yàn)系統(tǒng)的高度精確性，因此目前臨 床適應(yīng)證集中于頭頸部腫瘤，其中生長(zhǎng)緩慢、抗光子輻射的腫瘤如脊索瘤、腦膜 瘤、軟組織肉瘤為首選對(duì)象，對(duì)不便進(jìn)行手術(shù)的頭頸部腫瘤及骨盆部腫瘤也能進(jìn) 行治療。目前不適應(yīng)治療的腫瘤為快速生長(zhǎng)腫瘤、轉(zhuǎn)移腫瘤等。市于法律原兇對(duì) 18歲以下兒童不做重離了治療。治療結(jié)果的初步觀察表明療效良好，腫瘤消退 比預(yù)期的要快得多，病

11、人的生存質(zhì)量明顯改善。五、徳國(guó)離子束治療中心計(jì)劃由于療效顯著，目前冇幾百例患者要求作為志愿者接受重離子治療，但因束 流時(shí)間冇限，不能滿足廣大病人要求。在gsi,當(dāng)前主要述是以開展適j立證的 研究和完善治療計(jì)劃系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試工作為主。同時(shí)協(xié)作組向徳國(guó)政府遞交了在徳 國(guó)國(guó)家癌癥研究中心建造專門用來(lái)治療腫瘤病人的離子束治療中心的計(jì)劃。該計(jì) 劃預(yù)計(jì)投資11億馬克，其中0.77億馬克用于加速器和束流傳輸及治療室機(jī)架 系統(tǒng)的建造，0.33億馬克用于建筑物和相關(guān)設(shè)備及輔助醫(yī)療設(shè)備。該中心占地 60mx70m, rfl 個(gè)緊湊型直線加速器作為注入器和一個(gè)同步回旋加速器組成。注 入能量為7mev/u,同步冋旋加速

12、器直徑18m,磁硬度（magnetic rigidity）b. 91. 0 至6. 6tm,粒子加速能量范圍50430mev/u,相當(dāng)于穿透深度230cm。計(jì)劃加 速的粒子和強(qiáng)度為,質(zhì)子：4x1010;氨:1x1010;碳:1x109;氧：5x108（離子 /脈沖）。束流經(jīng)傳輸系統(tǒng)分別進(jìn)入三個(gè)治療室。一個(gè)治療室捉供水平束流，另兩 個(gè)裝備旋轉(zhuǎn)機(jī)架系統(tǒng)，束流能360。旋轉(zhuǎn)，raster掃描系統(tǒng)及pet束流定位檢驗(yàn) 系統(tǒng)全部集成在機(jī)架上。機(jī)架直徑6m,重量約160 000千克，類似于美國(guó)loma linda質(zhì)了治療中心的機(jī)架系統(tǒng)。在德國(guó)每年冇40萬(wàn)人得腫瘤，隨著社會(huì)進(jìn)一步老齡化，腫瘤發(fā)病趨勢(shì)還將 進(jìn)一步壇長(zhǎng)。男性前列腺癌尤為明顯。第一次診斷約冇58%的病人腫瘤沒(méi)冇轉(zhuǎn)移, 約有42%的病人腫瘤已經(jīng)轉(zhuǎn)移。在58%的病人屮，口前有22%的病人可用外科手 術(shù)治愈，12%的病人可用現(xiàn)有的放療技術(shù)治愈，6%的病人可用手術(shù)加放療治愈。 但還有約18%的局部腫瘤患者用現(xiàn)有的方法治療無(wú)效，每年有約8力人，其中8 000 11 000人是不宜進(jìn)行手術(shù)的，如腦部腫瘤、軟組織肉瘤、前列腺癌等，這 部分人將從離子束治療小受益。因此估計(jì)該屮心每年治療1 000例病人是有可能 的