王搖搖 太和縣人民醫(yī)院放療科 （安徽 阜陽(yáng) 236600）

淺談醫(yī)用質(zhì)子加速器原理

王搖搖 太和縣人民醫(yī)院放療科 （安徽 阜陽(yáng) 236600）

放射治療設(shè)備是放療的物質(zhì)基礎(chǔ)，目前光子束和電子束在腫瘤放射治療中已得到廣泛應(yīng)用。而質(zhì)子束的劑量分布形式具有典型的布喇格峰型劑量分布，Bragg峰的深度可通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)子射束能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以可以提高腫瘤內(nèi)的照射劑量，降低周圍正常組織和危及器官受照劑量，同時(shí)質(zhì)子治療設(shè)備具有使用年限長(zhǎng)的特點(diǎn)，所以醫(yī)用質(zhì)子加速器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定性使其具有廣闊的發(fā)展前景。

放射治療 質(zhì)子加速器 原理

質(zhì)子在放射治療中的優(yōu)勢(shì)已得到放療界的廣泛認(rèn)同，甚至可以說(shuō)質(zhì)子治療是放射治療方法的一次革命性飛躍[1]。所以從某種意義上說(shuō)，質(zhì)子可以挽救常規(guī)放療不能治愈的癌癥患者。放射治療設(shè)備的更新?lián)Q代帶動(dòng)了照射技術(shù)的改進(jìn)與升級(jí)，同時(shí)也反映出醫(yī)療水平的高低，而質(zhì)子加速器也具有自身的原理，現(xiàn)就質(zhì)子加速器的原理談?wù)勛约旱囊还苤?jiàn)[2]。

1.質(zhì)子加速器

產(chǎn)生質(zhì)子射線的加速器（回旋、同步或直線加速器）。質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，也就是氫的原子核。帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)受洛倫茲力而作圓周運(yùn)動(dòng)，質(zhì)子主要與組織中的原子核外電子相互作用，因質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836倍，其慣性比較大，要保持高速的質(zhì)子作小半徑圓周運(yùn)動(dòng)就需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。作為質(zhì)子治療的醫(yī)用質(zhì)子加速器必須滿足以下基本條件：質(zhì)子經(jīng)過(guò)人工加速后為達(dá)到治療條件其最大能量要高于250MeV，并且在70～250MeV范圍內(nèi)能量連續(xù)可調(diào)，在10cm×10cm×10cm靶體積內(nèi)能夠輸出每分鐘幾個(gè)Gy的劑量率，相當(dāng)于質(zhì)子束流強(qiáng)度約為1010/s。因此設(shè)備復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高是質(zhì)子治療設(shè)備發(fā)展的首要問(wèn)題。超導(dǎo)的應(yīng)用、加速到一個(gè)固定能量、使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)管理等措施使質(zhì)子治療系統(tǒng)逐步進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng)，在有條件的醫(yī)院使用它為患者服務(wù)成為可能。另外，對(duì)于質(zhì)子加速器的運(yùn)行和維修都需要專門的培訓(xùn)，臨床醫(yī)生也需要對(duì)質(zhì)子特性作更深的了解，還需要配備一定的物理人員。

2.質(zhì)子束的均整與準(zhǔn)直

質(zhì)子束的束流截面一般為3～4mm，在水中停止后也只有1～2cm，同時(shí)在質(zhì)子到達(dá)射程末端停止時(shí)形成的布喇格峰值得深度范圍也很窄。假設(shè)某一能量的質(zhì)子在組織中的射程為30cm，則其束流截面積和射程之積約為30cm×1cm2=30cm3。若布喇格峰寬為1cm，則射程末端處布喇格峰的體積大約只有1cm3。因此，必須要在線束方向的側(cè)方向上用調(diào)能器將質(zhì)子束同時(shí)展寬到臨床可用的范圍。

3.質(zhì)子回旋加速器的基本原理

經(jīng)典的回旋加速器只能把質(zhì)子加速到幾十MeV，無(wú)法用于治療。原理如圖。

所示，隨著質(zhì)子能量的增加，其軌道半徑也不斷加大。這樣，質(zhì)子在受到高頻電場(chǎng)諧振加速的同時(shí)又在磁場(chǎng)的束縛下做由內(nèi)向外的螺旋運(yùn)動(dòng)。為避免束流發(fā)散，而用加速電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分量產(chǎn)生聚焦作用。

4.醫(yī)用同步加速器基本原理

把適當(dāng)能量的質(zhì)子注入到真空室后，質(zhì)子收到加速的同時(shí)，把磁場(chǎng)也逐步加強(qiáng)使質(zhì)子收到加大的洛倫茲力，這樣就可以保持質(zhì)子軌道曲率半徑為一常數(shù)。因此質(zhì)子在一環(huán)形區(qū)域內(nèi)作回旋運(yùn)動(dòng)，從而大大減輕磁鐵的重量。在環(huán)形軌道上可以放置一個(gè)或幾個(gè)高頻加速腔。因?yàn)榇艌?chǎng)變化有一定的范圍，因此注入的質(zhì)子能量不能太低，需用一臺(tái)質(zhì)子直線加速器作為質(zhì)子注入器。

加速中，質(zhì)子能量開(kāi)始明顯增加，高速后相對(duì)論效應(yīng)不能再被忽略。為使某一質(zhì)子群在經(jīng)過(guò)加速窄縫時(shí)正好處于高頻電場(chǎng)的加速相位上，使之每經(jīng)過(guò)一次窄縫都能得到同樣能量的增加，這就要求質(zhì)子的回旋周期是高頻電場(chǎng)變化周期的偶數(shù)倍。

5.質(zhì)子直線加速器原理

質(zhì)子加速器是由三根高柱組成，高柱由絕緣材料制成，高柱間裝有加速器管，加速器管裝中有金屬圈，加速器管的上端裝有生產(chǎn)質(zhì)子的離子源。真空泵可使加速器保持真空。一系列金屬圈的負(fù)壓可以靠加速器管中的金屬圈同高壓發(fā)生器以相連的方式能由底部向頂端逐漸升高，在帶負(fù)電的金屬圈的吸引下，帶正電的質(zhì)子順管向下發(fā)射，由于下面金屬圈所帶的負(fù)電壓越來(lái)越高，質(zhì)子的速度也越來(lái)越大。在加速器管的地端的地板下面，有一間裝有接收器的小室，質(zhì)子能夠在這里同物質(zhì)碰撞，在此過(guò)程中，轟擊能夠引起原子核的蛻變。

6.回旋周期與高頻電場(chǎng)周期實(shí)現(xiàn)同步的方法有兩種：

（1）調(diào)整高頻電場(chǎng)的頻率與磁場(chǎng)按一定規(guī)律周期性變化實(shí)現(xiàn)匹配來(lái)達(dá)到同步。美國(guó)Loma Linda大學(xué)質(zhì)子同步加速器沿著徑向增強(qiáng)磁場(chǎng)加大洛倫茲力，同時(shí)改變磁鐵的形狀來(lái)達(dá)到磁場(chǎng)沿方位角調(diào)變，用以保證質(zhì)子束的良好聚焦。

（2）改變磁場(chǎng)的空間分布法。比利時(shí)IBA公司的質(zhì)子治療加速器就是這種類型的代表，采用高場(chǎng)非超導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)緊湊型的醫(yī)用質(zhì)子加速器，可以提供70MeV～230MeV的質(zhì)子束，可用于治療體內(nèi)任何部位的腫瘤。治療裝置得到放療界的好評(píng)，技術(shù)成熟，簡(jiǎn)單可靠。加速器的參數(shù)不隨時(shí)間變化，只有極少數(shù)的（5～7個(gè)）參數(shù)需要調(diào)節(jié)，即主線圈電流、高頻電壓、離子源電流和電壓、靜電偏轉(zhuǎn)電壓（也可能有兩個(gè)調(diào)和線圈裝置）。這些調(diào)節(jié)是為了補(bǔ)償加速器某些參數(shù)的緩慢漂移，可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

質(zhì)子由于具有光子束和電子束無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)受到放療界的高度重視與積極探索，它以以物理方式改變靶區(qū)與正常組織間的劑量比，從而更有效的殺滅腫瘤細(xì)胞，保護(hù)正常組織和危及器官，提高了治療增益比。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多家放療機(jī)構(gòu)開(kāi)展了質(zhì)子治療，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與完善，質(zhì)子治療必將成為治療腫瘤的一種常規(guī)手段，其發(fā)展前景將更為廣闊。

[1] 顧本廣.醫(yī)用加速器[M].北京:科學(xué)出版社,2003:518.

[2] 郁慶長(zhǎng),羅正明.質(zhì)子治療技術(shù)基礎(chǔ)[M].原子能出版社,1999:100-103.

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2017-08-02