醫(yī)用重離子加速器

1、 第三章 醫(yī)用重離子加速器醫(yī)用重離子加速器提供的重離子束主要應(yīng)用于重離子束治癌，而提供的放射性核素以在核醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用為主。重離子束治癌在美，日，德等發(fā)達國家已進入到臨床試驗階段，而放射性核素在核醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用大都處于試驗研究階段。由中國科學(xué)院近代物理研究所、甘肅省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院、甘肅省腫瘤醫(yī)院合作、蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院參與的甘肅省科技重大項目“重離子束輻射治療癌癥的關(guān)系就是開發(fā)研究”，于2006年12月開始臨床研究。到目前，已應(yīng)用重離子束放射治療淺表腫瘤受試者127名，效果顯著，絕大部分病人無明顯不良反應(yīng)，治療后病人的隨訪率達96%以上，使我國成為國際上第4個有能力進行重離子治癌臨床研究的國家

2、。 第一節(jié) 重離子治癌原理一、 概述重離子束與物質(zhì)相互作用的特殊機理使得它在腫瘤治療方面具有一系列明顯的優(yōu)點：重離子束治療精度高達(毫米量級);劑量相對集中，照射治療時間短，療效高；對腫瘤周圍健康組織損傷小；重離子束治療能做到實時監(jiān)測，便于控制輻照位置和劑量。 以上優(yōu)點使得重離子束的治療作用可以與手術(shù)刀媲美，達到普通電離輻照(此處普通電離輻照指x、r及電子束)治療難以實現(xiàn)的療效，因而重離子束被稱為是21世紀(jì)最理想的放射治療用射線。也正是由于重離子束在放射治療中的上述優(yōu)點，世界上許多國家都傾注了大量的人力和物力進行醫(yī)用重離子束加速器的研制，或利用已有的重離子加速器進行治癌裝置的建造和治癌基礎(chǔ)及臨

3、床應(yīng)用研究，這使得重離子治癌成為放射治療領(lǐng)域的前沿性研究課題。二、 重離子治癌的科學(xué)依據(jù)和優(yōu)勢放射治療的主要原則就是給予腫瘤盡可能大的輻射劑量，將癌細胞殺死，同時又盡可能地保護腫瘤周圍和輻射通道上的正常組織使其少受損傷。由于普通電離輻照對劑量深度分布均呈指數(shù)衰減或略微上升而后衰減的特征，使治療受到很大限制；而重離子束以其獨特的放射物理學(xué)和放射生物學(xué)性質(zhì)，在放射治療上獨具優(yōu)勢。（一）重離子束的物理特性1.特殊的深度劑量分布荷電重離子貫穿靶物質(zhì)時主要是通過與靶原子核外電子的碰撞損失其能量，隨離子能量的降低，這種碰撞的概率增大。因此，離子在接近其射程末端時損失其大部分初始動能，形成一個高劑量的能量損

4、失峰，這就是Bragg峰，在其射程末端之后，即Bragg峰之后很少有劑量吸收；同時離子在其入射通道上損失的能量較小，因而形成一個相對低劑量的坪區(qū)。這就是重離子束特有的與X射線和r射線的深度劑量分布相比是倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布。重帶電粒子的電離能量損失以著名的貝蒂一布洛克公式表示為+相對論項 （3-1） 其中是單位路徑上的能量損失，W為動能，Z為靶物質(zhì)原子序數(shù)，為靶物質(zhì)的電子密度，I為原子平均激發(fā)能, 和 e分別是電子的靜止質(zhì)量與電荷， v為粒子的速度， z為粒子的原子序數(shù)。這種形式的能量 損失是形成重離子束倒轉(zhuǎn)深度劑量分布的根源。 這種倒轉(zhuǎn)的深度劑量分布可以將其Bragg 峰區(qū)瞄準(zhǔn)腫瘤，而使其前后

5、及周圍的健康組織受損很小。而且，離子束Bragg 峰位的深度可以通過改變?nèi)松潆x子束的能量來調(diào)節(jié)(如圖3-1)，因而治療時Bragg峰位可精確地調(diào)整在腫瘤靶區(qū)上。 圖 3-1 治癌重離子束在水介質(zhì)中能量與射程的關(guān)系曲線 為達到對實體瘤的治療，可以實施不同能量粒離子束對靶區(qū)的照射，從而形成不同Bragg峰在靶區(qū)的疊加。盡管它會導(dǎo)致峰坪劑量比的減小，但疊加的深度劑量分布仍遠好于常規(guī)輻射治療。圖3-2顯示出了Bragg峰的疊加，施加于碳離子束通道正常組織的劑量仍低于靶區(qū)的劑量。圖 3-2 為達到對實體瘤靶區(qū)的治療不同能量及強度碳離子束Bragg曲線的疊加 圖3-3顯示了當(dāng)展寬Bragg峰范圍相同時，碳

6、離子束與質(zhì)子束深度有效劑量分布的比較。從圖3-3可以看到，在束流通道上的正常組織經(jīng)受相同劑量的條件下，碳束在腫瘤靶區(qū)的有效劑量是質(zhì)子的1.5倍。圖3-4顯示了各種射線與重離子束深度劑量分布的比較。從圖中可以看出不管是X,r射線，還是電子束，它們均呈指數(shù)衰減型劑量分布，無法控制將其大部分劑量調(diào)整到腫瘤上，而且損失總是表層淺層最大，直至較深處健康組織仍能受到較大傷害。2.小的射程歧離與橫向散射由于離子束能量沉積的統(tǒng)計特性，會產(chǎn)生射程歧離。射程歧離導(dǎo)致其Bragg峰的加寬。這種歧離效應(yīng)相對重離子束的絕對射程而言非常小。列如對于射程為10cm的質(zhì)子和碳離子束，它們的射程歧離分別為各自射程的1.0%和0

7、.3%。 重離子束治療中另外一個特點就是重離子束貫穿靶物質(zhì)期間多重散射導(dǎo)致的離子橫向散射小。圖34就是初始直徑為4mm的質(zhì)子與碳離子束隨貫穿深度增加，束流半高寬（FWHM的變化情況。可以看到，碳離子束貫穿深度達到20cm時(對應(yīng)于初始能量約為350MeV/u),橫向散射為初始的25%，對于常發(fā)腫瘤深度而言（913cm）,僅為5%10%，相應(yīng)的質(zhì)子束則分別為170%和50%90%。從上面可以看出，對于深度為15cm左右的腫瘤，重離子束劑量范圍的精度可以控制在1mm水平上，質(zhì)子束是5mm。3. 束流配送的靈活性 重離子束可以通過擺動磁鐵和散射體配合多葉準(zhǔn)直器進行束流配送，達到被動的適形治療；也可以

8、用掃描磁鐵引導(dǎo)束流對腫瘤靶區(qū)各斷層輪廓精確地掃描照射治療，達到主動適形治療。對于受患者因呼吸而運動的內(nèi)臟器官及組織腫瘤，還可以根據(jù)瘤的實時位置，改變掃描磁鐵電流，從而引導(dǎo)束流主動跟上腫瘤的運動，達到對運動腫瘤的主動適形治療；還可以根據(jù)治療的要求，選擇如患者（腫瘤）旋轉(zhuǎn)等方式進行束流配送達到適形治療的目的。而X射線、r射線無法通過掃描做到適形治療，最多只能用多葉準(zhǔn)直器限制照射野同腫瘤斷層輪廓適形，但不易做到精確，而且深度劑量也難以控制。（二）重離子與其他輻射的比較 通過上面對重離子治療癌原理及重離子束優(yōu)勢的敘述，我們可以將用X、r射線、質(zhì)子束和重離子束(碳離子束)對腫瘤進行治療的效果進行比較，見

9、表3-1。日本的放射治療學(xué)家在參考了本國及歐美諸國的重離子治療資料后，認為重離子對一些難治癌癥可望會有良好的治療，見表3-2。因此，大力發(fā)展醫(yī)用重離子加速器，開展重離子治療的臨床應(yīng)用研究，對提高我國人民的健康水平具有重要意義。 表3-1 重離子與其他輻射治療的比較 X、r射線 質(zhì)子束 重離子束相對生物效應(yīng) 小 小 大正常組織所受劑量 大 較小 最小治愈率 低 高 高 費用 低 高 高表3-2重離子束對一些難治癌癥的預(yù)期療效癌癥類別 臨床特點 低LET治療法缺點 重離子預(yù)期療效胰腺癌 發(fā)現(xiàn)晚 給足劑量困難 周圍臟器損傷小，可局部治愈腦瘤 必須保護正常組織 給足劑量困難 腦損傷減小，局部治愈率提高

10、頭頸部癌 必須保護功能 存在放射損傷 損傷降到10%以下食道癌 發(fā)現(xiàn)晚 給足劑量困難 損傷顯著減小，治愈率提高骨軟組織肉瘤 對射線不敏感 放射損傷嚴(yán)重 損傷減小，不需截肢子宮頸癌 放療適應(yīng)癥 治愈率較高，損傷也大 治愈率更高，損傷減小垂體瘤 不轉(zhuǎn)移 60%病例療效好 最有效療法前列腺癌 多為局限性癌 40%病例治療不需手術(shù) 完全不需要手術(shù)治療膀胱癌 保持功能最重要 手術(shù)治療損傷功能 可局部控制，保持功能直腸癌 保持功能最重要 損傷膀胱功能 提高治愈率，保持功能肺癌 患者增多趨勢 對晚期僅做對癥放療 有望提高早期肺癌治愈率并保持功能肝癌 患者增多趨勢 有手術(shù)得救病例 保持功能比手術(shù)更好三、 重離

11、子治癌現(xiàn)狀治療、這里也有必要對重離子治癌的現(xiàn)狀進行評述，以其對重離子治癌有更深刻的認識。 回顧重離子治癌的歷史我們可以發(fā)現(xiàn)，重離子治癌一般都先在大的物理研究中心現(xiàn)有的重離子加速器上實現(xiàn)，然后待技術(shù)成熟后向建于醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)用加速器發(fā)展。美國伯克利實驗室于1957年在世界上首先利用其高能同步回旋重離子加速器BEVALAC提供的高能重離子束，開始進行重離子治癌臨床試驗研究，在上世紀(jì)九十年代初就收治各種難治癌癥患者2500多名，其中用He離子束治療的癌癥患者就有2000多人，用C和Ne離子束治療的有440多人。盡管BEVALAC的束流配送系統(tǒng)不是很完善，但是對于選定的腫瘤，腫瘤局部控制率較X、r和電子束

12、等治療提高了23倍，取得了很高的腫瘤治愈功率，較利用X、r和電子束等的常規(guī)放射治療有明顯優(yōu)越性（見表3-3）。由于BEVALAC于1992年關(guān)閉，使得重離子治癌臨床試驗暫停，但對先前接受重離子治療的腫瘤患者晚期效應(yīng)的跟蹤和臨床治療評價等研究仍在繼續(xù)。表3-3 美國伯克利實驗室的離子束治療效果日本在政府“對癌十年計劃”的支持下，從1983年開始了重離子治癌的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，于1993年在國立放射線醫(yī)學(xué)綜合研究所(NIRS)建成了目前世界上首臺醫(yī)用重離子加速器(HIMAC),專門用于重離子治癌及放射醫(yī)學(xué)研究。HIMAC治療裝置主要包括同步加速器、束流配送和輻照系統(tǒng)、患者定位系統(tǒng)和治療方案系統(tǒng)，其離

13、子束種類是，束流強度為1010pps, 最大能量 可達800Me V/u劑量率控制在5Gy/min左右。1994年6月第一批患者在HIMAC接受了碳離子束治療，到2001年6月已治療腫瘤患者917列，其中包括頭頸部腫瘤、腦瘤、肺癌、肝癌、前列腺癌、宮頸癌、食道癌和軟組織肉瘤等。對于頭頸部腫瘤，取得了大于80%的局部腫瘤控制率的結(jié)果；對于總體治療，在沒有明顯并發(fā)癥的前提下，都取得了良好的療效，腫瘤生長抑制率很高。表34列出了到1998年3月，HIMAC治療過的患者在治療后12個月時的局部控制率。正是受HIMAC治療結(jié)果的鼓舞，日本又于1996年在兵庫（Hyogo）開始興建另一臺醫(yī)用重離子加速器(

14、PATRO), 該同步加速器可提供230MeV的質(zhì)子束，230MeV/u的氦離子束和320MeV/u的碳離子束，治療裝置已于2000年建成，治療中心設(shè)有50個床位。2001年開始接受患者治療，到2001年11月已治療癌癥患者30例。 表3-4 HIMAC治療后12個月時的腫瘤局部控制率在歐洲，1996年德國重離子研究中心(GSI) 在他們的以物理研究為目的的重離子加速器上建成治癌裝置。GSI借鑒了美國伯克利實驗室離子束及日本NIRS離子束的治療特點和治療經(jīng)驗，開發(fā)和應(yīng)用了先進的光柵磁掃描系統(tǒng)和正電子發(fā)射斷層術(shù)兩大技術(shù)手段，達到了重離子束適形放射治療和束流實時在線監(jiān)控。1997年12月GSI開始

15、用高能碳離子束治療了兩例顱底瘤患者，治療后三個月的臨床跟蹤研究表明顱低瘤基本消失。到2001年底,GSI共收治顱內(nèi)腫瘤患者117人，在沒有明顯毒副作用的前提下，總體療效非常顯著，因而重離子治癌在德國甚至歐洲產(chǎn)生了很大的影響。GSI從1998年下半年起開始了一項為期5年的臨床研究，計劃治療幾百位顱底和腦部腫瘤患者，最終將重離子治癌新療法介紹到德國的各大醫(yī)院，使得每年幾千列的腫瘤患者能從這種先進的治療手段中獲益。正是在這種形勢下，GSI聯(lián)合德國癌癥研究中心(DKFZ)向德國政府提出申請，計劃在德國海德堡建造一臺專用于治癌的醫(yī)用重離子加速器，該項目得到德國政府的批準(zhǔn)，政府投資1，417億馬克，先期待

16、重離子治療機架(Gantry)的設(shè)計與研制已由GSI NN 完成，加速器已于2002年5月開始動工興建，預(yù)計該治療裝置可于2006年開始接受患者。歐洲癌癥研究與治療聯(lián)盟（EORTC）于1985年終法國尼斯舉行會議，向歐共體申請?zhí)岢鲆卺t(yī)院建造一臺歐洲輕離子醫(yī)用加速器（EULIMA）。1986年又在西歐核子中心（CERN）開來第二次會議，法國、瑞士、前南斯拉夫和比利時等九國參加。1993年，意大利出來強子治療網(wǎng)計劃，包括中子、質(zhì)子和重離子的醫(yī)學(xué)研究和臨床治療。該計劃也是跨國性的，有意大利、法國和瑞士等國參加。目前已經(jīng)開展了一些技術(shù)基礎(chǔ)研究，主要內(nèi)容是醫(yī)用加速器的設(shè)計，劑量學(xué)的精確測量，包括方法、

17、技術(shù)和裝置，例如平行板電離室和多絲正比室等。此外，還有劑量與鞭體積的適形技術(shù)，例如點掃描和線掃描，以及計算機控制顯示讀出系統(tǒng)。在我國，蘭州重離子研究裝置(HIRFL) 于1988年建成出束，具備了開展重離子治癌技術(shù)基礎(chǔ)研究的條件，因而我國于1995年將“重離子治癌技術(shù)的研究”列入了攀登計劃(B)“核醫(yī)學(xué)與放射治療中先進技術(shù)的基礎(chǔ)研究”項目中。通過近5年代研究工作，我們進行了大量的放射物理，放射生物學(xué)實驗以及一些治癌技術(shù)的研究，為重離子束臨床治癌積累了一些必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，做了一定的技術(shù)準(zhǔn)備。2000年以來在HIRFL治癌裝置開展中能重離子束淺層(2.53.3cm) 腫瘤的臨床治療實驗；2006年

18、，國家重大科學(xué)工程蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（HIRFL-CSR）建成出束后，可順利地將其提供的高能重離子束用來治療人體內(nèi)任意深度的腫瘤。 第二節(jié) 醫(yī)用重離子加速器方案為保證精確的劑量配送和患者安全，重離子治療裝置必須滿足一系列臨床規(guī)范和技術(shù)規(guī)范，這些規(guī)范決定了醫(yī)用重離子加速器及束流配送系統(tǒng)的設(shè)計。因此。本節(jié)首先討論重離子治療裝置的臨床規(guī)范和技術(shù)規(guī)范，進行講述醫(yī)用重離子加速器的設(shè)計方案。一， 醫(yī)用重離子加速器的臨床規(guī)范和技術(shù)規(guī)范 當(dāng)討論治療裝置的規(guī)范時 ，區(qū)分治療裝置臨床規(guī)范和加速器技術(shù)規(guī)范是容易的事情。臨床規(guī)范即為重離子治療裝置應(yīng)滿足癌癥患者臨床治療的要求，而技術(shù)規(guī)范是重離子加速器為滿足臨床

19、規(guī)范而制定的技術(shù)要求。 （一） 離子種類 運用重離子進行放射治療就是希望重離子加速器可以提供從物理學(xué)及生物學(xué)特性上都較佳的束流，經(jīng)大量的重離子放射物理及放射生物學(xué)基礎(chǔ)研究工作目前認為碳離子束是最佳的治癌重離子束，因而醫(yī)用重離子加速器都應(yīng)能提供碳離子束，以滿足重離子治療的需要，同時也要考慮重離子治療與常規(guī)低能線密度放射治療及質(zhì)子治療的兼容性，這是對醫(yī)用重離子加速器首要的臨床及技術(shù)規(guī)范。這是碳離子就可作為參考束流進行醫(yī)用重離子加速器的設(shè)計以及加速器最大輸出能量的確定，如果需要比碳離子更高LET的治療時，加速器也應(yīng)提供與碳離子每個核子能量相同的氧離子，所有的這些來自都應(yīng)能在共同的加速器系統(tǒng)中得以加速

20、，離子源更換離子種類要方便。（二） 離子能量及射程 相同能量的重離子束在不同組織的射程不一，對于不同部位的腫瘤，治療時需要重離子的能量也不一樣。一般而言，對于絕大多數(shù)腫瘤而言，需要重離子在水中的射程處在20300mm之間，射程小于20mm的離子束，需通過被動方式的射程調(diào)節(jié)裝置降能來實現(xiàn)。對碳離子束而言，加速器引出的束流能量約為85430MeV/u, 而相同能量范圍內(nèi)的氧離子，射程要減小0.75倍。這一能量間隔相應(yīng)的束流磁剛度從1.036.6T·m變化。根據(jù)相關(guān)文獻，射程調(diào)節(jié)的分辨為1mm, 即離子束射程可以1mm間隔調(diào)節(jié)，若離子束射程在20300mm之間變化 ，則相應(yīng)的能量階梯為(3

21、00-20)+ 1=281個。然而上面的這個簡單計算并未考慮單個Bragg峰的寬度依賴于束流射程這一因素，由于射程歧離隨束流射程的增大而增加，因而相應(yīng)束流Bragg峰的半高寬也增大。考慮了這一因素，射程調(diào)節(jié)的分辨率也應(yīng)根據(jù)束流的射程而改變，最新資料推薦，當(dāng)離子射程小于22cm（碳離子相應(yīng)能量為 350MeV/u時射程分辨應(yīng)為1mm而當(dāng)射程大于22cm時，射程分辨率應(yīng)為1.5mm。 必須指出的是，上面討論的射程分辨率臨床規(guī)范并不與展寬離子束Bragg峰時所需疊加單個Bragg峰的步長一致。當(dāng)腫瘤體積較大時，若展寬Bragg峰是由步長為1mm放射分辨率的離子束疊加而成，那么就需要很多能量的離子束來

22、完成對腫瘤的治療因而治療的時間就會顯著增加。在這種情況下，只有在展寬Bragg峰內(nèi)劑量分布的不均勻性小于5%，則離子束的射程可以24mm的步長改變。(三) 加速器類型的選擇 兩種類型的重離子加速器可以克服提供上述能量范圍的重離子束，它們分別是回旋加速器和同步加速器。經(jīng)典回旋加速器由于未克服相對論效應(yīng)當(dāng)影響，其能量不能滿足要求，可用于重離子治療的有等時性回旋加速器，同步回旋加速器及超導(dǎo)回旋加速器。在相同束流磁剛度的情況下，回旋加速器的主磁鐵需要較小的空間，這時由于回旋加速器主磁鐵固有的性質(zhì)決定的，而且可采用超導(dǎo)技術(shù)提高磁鐵的磁通密度。然而回旋加速器磁鐵的重量甚至高于同步加速器磁鐵的幾倍，這幾乎抵

23、消了由于空間尺寸減小而節(jié)約的費用?；匦铀倨魈峁┻B續(xù)輸出的離子束，因而控制系統(tǒng)相對簡單，但離子束能量的離散度大，能量歧離與平均能量的比值一般大于10 束流的這一初始能量歧離會對束流Bragg峰的最終寬度及Bragg峰后沿劑量下降梯度造成很大影響。另一方面，回旋加速器本身僅能提供固定能量的離子束，與同步加速器相比靈活性較小，只能通過被動方式的射程調(diào)節(jié)裝置來改變束流能量，盡管操作起來方便，但當(dāng)束流線中吸收體較厚時，束流通過吸收體產(chǎn)生的核碎片及次級粒子顯著增加并導(dǎo)致束流品種惡化。另外，高能超導(dǎo)回旋加速器是一種較新的加速器設(shè)計思想，需要較大的加速器研究與開發(fā)工作。同步加速器需要一個叫昂貴的離子注入系統(tǒng)

24、和一個更復(fù)雜的控制系統(tǒng)?！白⑷?加速引出”周期性的運行模式造成引出束流具有典型的微觀時間結(jié)構(gòu)。束流只是在機器周期的引出相被引出，而注入相對和加速相并沒有束流被引出。對于慢引出模式運行的同步加速器，束流脈沖可持續(xù)幾秒時間。另一方面，同步加速器的加速過程可以在一個希望的水平下被中止，因此可引出不同能量的離子束。原理上講，每一個束流脈沖的能量都可以被單獨調(diào)節(jié)，稱此為脈沖對脈沖式的主動能量改變。很明顯，束流能量可主動改變的特性非常適合三維適形束流配送，而且同步加速器提供束流的能量離散度較小，通常能量歧離與平均能量的比值小于10，大大小于回旋加速器束流的此值，束流脈沖間的能量變化小于10，因而加速器克服

25、了束流初始能量歧離大的弊端。與回旋加速器相比，同步加速器可在較短的時間內(nèi)更換離子種類，易于保養(yǎng)與維修。通過上面對回旋和同步加速器優(yōu)點的比較，可以清楚地看到同步加速器以其固有的能量靈活性，便捷的離子種類更換，高的治療三維適行程度以及相對容易的保養(yǎng)與維修等優(yōu)點，成為醫(yī)用重離子加速器的首選。目前已經(jīng)運行的日本千葉重離子醫(yī)用加速器及兵庫醫(yī)用重離子加速器都采用了同步加速方案，而且德國海德堡計劃新建的醫(yī)用重離子加速器也采用了同步加速器方案，因此，本章對醫(yī)用重離子加速器方案的討論也著重在同步加速器方面。(四) 劑量與束流強度規(guī)范在放射治療中靶物質(zhì)的吸收劑量定義為單位質(zhì)量的能量沉積，它是一個宏觀量，也稱物理劑

26、量。假如離子束在其貫穿靶物質(zhì)期間的能量損失變化不大時，靶物質(zhì)的吸收劑量D可表示為DGy=1.6LETkeV/mFcmcm/g (3-2)其中LET是離子束的傳能線密度，F(xiàn) 是離子束的通量，即單位面積上的離子貫穿數(shù)，為靶物質(zhì)密度。在放射治療中，必須改變初始離子束的能量，使其以均勻的劑量照射整個腫瘤靶區(qū)，以期產(chǎn)生均勻的生物效應(yīng)，如癌細胞的致死。通常每次治療施于靶區(qū)的劑量約為12Gy,考慮了重離子的相對生物學(xué)效應(yīng)后，每次治療的有效劑量約為33.5Gy有效劑量與物理吸收劑量的關(guān)系如下 D=DRBE (3-3) 其中D為有效劑量D是物理吸收劑量，RBE為重離子的相對生物學(xué)效應(yīng)。由于重離子治療是一種新的方

27、法，因而重離子治療方案大都需要借鑒目前大量的常規(guī)輻射治療的成功經(jīng)驗，這就需要將重離子輻照產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)同目前大量研究的X或r射線的數(shù)據(jù)做對比，以X或r射線的數(shù)據(jù)來估計重離子產(chǎn)生的效應(yīng)，這就是相對生物學(xué)效應(yīng)的實質(zhì)。也是為什么在重離子治療中引入有效劑量的原因。離子束Bragg峰后沿劑量寬度有100%下降到30%水平的距離要求小于30%，同時射程末端的橫向劑量半影(由80%到20%劑量水平的距離)小于4mm，靶區(qū)劑量的非均勻性好于 5%。這些臨床規(guī)范就需要治療裝置的束流配送系統(tǒng)中盡可能避免使用射程調(diào)節(jié)與射程調(diào)制器，以同步加速器主動變能配合束流掃描進行束流配送為佳。為達到在幾分鐘的一次治療時間內(nèi)對靶

28、區(qū)實施2Gy物理劑量的照射，就需要考慮加速器提供束流的強度。以Bragg峰區(qū)LET為100keV/m的碳離子束對靶區(qū)實施2Gy的照射為例，由式(32)可得到需要離子的通量為1.2離子/mm，再假定運用同步加速對10cm10cm 面積實施照射，則束流強度為1離子 /脈沖。對于其他離子，必須考慮LET的不同，又式(3- 1)可近似得到LET 這里z是離子的原子序數(shù)，這是加速器的最大束流強度與離子種類的關(guān)系如表35所列。更普遍的，為對1升體積的靶區(qū)在小于1min 之內(nèi)實施2Gy的照射，束流大于10 離子 脈沖就足夠了。然而，達到一定劑量水平所需要的離子通量依賴于靶區(qū)的大小和在體內(nèi)的深度，表36是不同

29、深度1升體積的靶區(qū)以6Gy/min的劑量率照射時對加速器所能提供不同離子束束流強大的要求。表3-6 束流強度規(guī)范對于采用束流掃描的主動適行治療方式，不僅最大束流強度是一個重要的量，而且束流強度的動態(tài)變化范圍也是至關(guān)重要的。由于在對靶區(qū)較深斷層治療時，也對較淺斷層進行了預(yù)照射，因此最大與最小流強度比應(yīng)為1000，且至少能以20個強度臺階調(diào)節(jié)束流強度。 （五） 其他規(guī)范重離子治療一個很重要的特性就是適形程度很高，這就需要在一個盡可能短的照射時間內(nèi)完成治療，以減小患者移動而帶來的定位上的誤差，而且短的治療時間也受到在治療期間處于固定位置患者的歡迎。更重要的是，輻照時間還影響到一個治療裝置可以治療患者

30、的總數(shù)，因此，也會影響對每一個患者的治療費用。采用逐斷層精確掃描的治療照射時間要大于靠擴展束流的被動照射治療時間，根據(jù)目前重離子治療的經(jīng)驗，每一輻照野的照射時間約為68min。由于照射時間還與腫瘤體積和形狀有關(guān)，所以上述規(guī)范只是一個典型的照射時間而不是一個固定的限制。同步加速器采用慢引出技術(shù)可以展寬束流脈沖寬度，為了高效地利用束流脈沖，常建議加速器的引出時間在110s之間，脈沖占空比接近50%，這就使得在上一個能量斷層治療結(jié)束后立刻開始一個新的加速周期，從而減小總的照射治療時間，同時也能在1020ms的時間內(nèi)切斷引出。這種性能非常有利于針對隨呼吸而運動的腫瘤的照射治療。束流在治療裝置等中心的定

31、位精度要好于0.5mm在引出脈沖束流期間，束流位置的穩(wěn)定性要好于束斑半高度FWHM的15% 。 束斑的臨床規(guī)范由 橫向半影來決定，在不考慮束流在患者體內(nèi)多重散射因素的影響時半影為 2mm, 對于橫載面內(nèi)束流強度呈高斯型分布的離子束，束斑點半高寬(FWHM)與半影的關(guān)系為 FWHM= (3-4) 若半影為2mm, 則束斑的半高寬約為4mm。對于一些類型及位置的腫瘤 ，可以充許較大的束斑半高寬以減小輻照治療時間，這時束斑可有410mm 以2mm間距變化，并且希望束流強度在橫載面內(nèi)呈高斯型分布，以利用束流在不同掃描點疊加形成均勻的劑量分布。對配有治療機架的治療室，不論采用散射體還是束流掃描方式的束流配送系統(tǒng)，最大輻射野都應(yīng)為20cm對于水平束流線，還可以考慮跟達的輻照野。束流配送系統(tǒng)中的散射體或掃描磁鐵可等效地看作重離子輻射源，這個輻射源到治療機架轉(zhuǎn)動軸的距離成為等效源 軸距，患者體表劑量和靶區(qū)劑量之比隨等效源 軸距的增加而減小，有文獻推薦治療室的等效源 軸距SAD應(yīng)大于3m ，對于水平束流線，這意味著散射體或掃描磁鐵到治療裝置中心的距離應(yīng)大于3