德国gsi的重离子放射治疗.doc

德国德国 GSI 的重离子放射治疗的重离子放射治疗德国 GSI 的重离子放射治疗作者：张叔鸣 范我综述摘要 本文叙述了德国重离子研究中心(GSI)将重离子物理和生物效应引入肿瘤的放射治疗，建立了精确的 Raster 束流扫描和安全系统以及 PET、体内束流定位系统在脊索瘤、软组织肉瘤、腺样囊性癌的治疗中取得了良好效果关键词 离子 放射疗法 粒子加速器 德国肿瘤德国重离子研究中心(GSI)受日本千叶县医用重离子加速器“HlMAC”成功运行的鼓舞，经德国国家科技部和卫生部批准，于 1993 年春天与德国国家癌症研究中心(DKFZ)、Heidelberg 大学临床放射协会、Magdeburg 大学 l 临床医学协会、DresdenRossendorf 研究中心等多家单位组成协作组计划用 3 年时间、投资约 1300 万马克在 GSI 的生物物理实验室建立实验性重离子放射治疗装置该装置包括加速器束流引入，Raster 柬流扫描及安全系统， PET 体内束流定位检验系统，治疗计划系统以及治疗室屏蔽和辅助医疗设备等该装置于1996 年底建成并于当年 12 月 13 日开始治疗首批两例病人，至今已累积治疗32 例病人(统计至 1999 年 3 月)。

现介绍如下：一、重离子的剂量学与放射生物学的特点重带电粒子如碳离子的深度剂量分布与光子不同：随着穿透深度增加，能量的积聚，在射程末端，剂量猛增至最大值，然后迅速下降，在剂量曲线上形成 Bragg 峰，它的最大深度位置随粒子束流的原始能量而变化另外，粒子在纵向和横向两个方向上的散射线随原子序数平方降低，因此，重离子(如碳)的物理剂量分布可以非常精确地控制重离子的相对生物效应也是随着它们的径迹而改变入口处碳离子能量高，电离密度低，产生的生物效应接近于电离量少的光子辐射，大部分初始的辐射损伤几乎都能被修复，而在碳离子射程的末端，约最后 2cm 的地方电离密度大幅度增加，引起很难修复的生物损伤因此那些对于光子辐射有高修复能力的肿瘤细胞对于重离子却变得十分敏感由此可见，重离子治疗从物理效应和生物效应来看，其有效范围仅限制在射程末端只要将肿瘤靶区按实际深度切割成等能量片，用不同能量重离子进行扫描照射就有可能将它们全部杀死在GSI，用于治疗的碳离子从同步加速器 SIS 引出，通过一个接口与 Raster 束流扫描系统相连接加速器能提供 80～430MeV/u 范围内 255 个不同能量，相当于穿透深度 2～30cm。

能量之间切换有脉冲电路控制，并在 2s 内完成通常一个靶体积需要 20～60 个能量集合即可二、Raster 束流扫描和安全系统目前一般放射治疗靶体积的形成基本上靠准直器、挡块和吸收片，很难做到照射靶体积和计划靶体积的一致性柬流成形的较好方式是用磁场偏转带电粒子GSI 发展了一种全新的束流照射技术，这就是能控制不同能量束流强度的 Raster 扫描系统在该技术中根据治疗计划把靶体积分割成等于粒子射程的小片，即等能量片，片与片间隔为 2mm每一小片划分成等面积的很多像素，聚焦束流通过两组快速偏转磁场，从一个像素扫描至另一个像素，像笔一样依次涂覆每一个像素，先扫描远端层面，然后改变能量逐渐扫描近端层面每一像素需照射的粒子数事先由治疗计划安排好，远端层面照射对前面层面的剂量沉积以及附加的相对生物效应改变事先均进行了修正对于一个约 300cm3 的脑部肿瘤大约需要 60 个能量片，约 4 万个像素点，共需照射时间为 12min现在正在做 10m/s 的高速扫描实验，有可能将照射时问缩短为了防备可能出现的失误，安全系统至关重要在一个非常复杂的重离子加速器中要正确引出束流必须控制很多组件对于安全系统来讲一旦束流位置和强度发生严重偏差时就能停止照射。

安全系统主要由安装在治疗室的一对电离室和多丝正比计数器组成它能每隔 100μs 将束流状态显示在控制面板上，并自动与预先安装在外部可读储存模块中由治疗计划系统提供的计算值进行比较当单个像素的强度偏差达到 5%时，安全系统将给出警告信号，超过 5%时就在 300rts 内中断照射当束流位置空间偏差大于束流半宽度 30%时也在 300μs内中断照射从很多次水模体的照射实验以及近两年的实验性病人治疗情况看，这些严格的安全条件都能够顺利地被执行，只发生过很少几次柬流中断关闭，这主要归因于同步加速器具有非常好的稳定性用计算机控制的 Raster 扫描系统所产生的非常灵活的束流外形轮廓能方便适应各种形状靶体积的照射，它是目前世界上唯一能真正做到照射靶体积与计划靶体积相一致的扫描系统 三、 PET 体内束流定位检验系统目前放射治疗中照射靶体积与计划靶体积的一致性还没有较为精确的核实方法，全方位核实更是难以实现，在 GSI，用碳离子进行放射治疗的核实方法上有了突破性进展碳离子的射程末端，因核反应部分稳定碳核转变为 11C 和10C，这两种 β+发射体同位素半衰期分别为 20min 和 19s正电子被靶内电子湮灭同时以 180。

的方向发射两个能量为 0.511MeV 的 7 光子，用两个具有符合线路的 y 照相机进行测量，它们的原点就是碳离子停留的地方将这些符合计数全部采集起来，用正电子发射体层技术，即 PET，进行 3D 重建并与治疗计划的 CT 图像叠加，就可检验照射靶体积与计划靶体积空间位置是否一致精确度可达到 PET 的空间分辨率 2～3mm该技术还可用于形状复杂的肿瘤各部分照射位置的校正在照射前先用一个小剂量来检验靶体积然后进行校正直至满意后再正式进行照射该技术提供的体内精确定位，使得碳离子照射成为放射外科又一个理想工具Rossendorf 研究中心承担了该项技术的开发并取得了成功它们改造碳离子治疗中的∥射线测量，使断层探测和控制系统整体进入治疗设备和控制单元用大量软件组支持 PET 数据获取、操作、检查用一个重建算法和蒙特卡罗代码能以反向投影方法快速重建构成三维影像空间它们还支持每周、每日自动检查探测和控制系统的灵敏度和稳定性等为节约投资，它们利用研究中心现有的计算机系统，在 GSI 采集数据以列表模式通过网络传送至 500 千米以外位于 Dresden 的研究中心，运算处理后重建图像再通过网络传回 GSI，全部过程大约 1 小时。

四、病人治疗情况统计至 1999 年 3 月，在每年提供的束流时间内共有 32 例病人得到了治疗，其中 12 例病人接受了 20 次碳离子束治疗，每次 3Gy，主要是脊索瘤和软组织肉瘤;20 例病人分别接受碳离子束辅助治疗 6 次，每次 3Gy，附加常规光子治疗25 次，每次 2Gy，主要是腺样囊性癌病人分布见表 1由于 Raster 扫描系统和 PET 体内定位检验系统的高度精确性，因此目前临床适应证集中于头颈部肿瘤，其中生长缓慢、抗光子辐射的肿瘤如脊索瘤、脑膜瘤、软组织肉瘤为首选对象，对不便进行手术的头颈部肿瘤及骨盆部肿瘤也能进行治疗目前不适应治疗的肿瘤为快速生长肿瘤、转移肿瘤等由于法律原因对 18 岁以下儿童不做重离子治疗治疗结果的初步观察表明疗效良好，肿瘤消退比预期的要快得多，病人的生存质量明显改善五、德国离子束治疗中心计划由于疗效显著，目前有几百例患者要求作为志愿者接受重离子治疗，但因束流时间有限，不能满足广大病人要求在 GSI，当前主要还是以开展适 j 立证的研究和完善治疗计划系统各项测试工作为主同时协作组向德国政府递交了在德国国家癌症研究中心建造专门用来治疗肿瘤病人的离子束治疗中心的计划。

该计划预计投资 1.1 亿马克，其中 0.77 亿马克用于加速器和束流传输及治疗室机架系统的建造，0.33 亿马克用于建筑物和相关设备及辅助医疗设备该中心占地 60m×70m，由一个紧凑型直线加速器作为注入器和一个同步回旋加速器组成注入能量为 7MeV/u，同步回旋加速器直径 18m，磁硬度 (magnetic rigidity)B.91.0 至 6.6Tm，粒子加速能量范围 50～430MeV/u，相当于穿透深度 2～30cm计划加速的粒子和强度为，质子：4×1010;氦：1×1010;碳：1×109;氧：5×l08(离子/脉冲)束流经传输系统分别进入三个治疗室一个治疗室提供水平束流，另两个装备旋转机架系统，束流能 360旋转，Raster扫描系统及 PET 束流定位检验系统全部集成在机架上机架直径 6m，重量约160 000 千克，类似于美国 Loma Linda 质子治疗中心的机架系统在德国每年有 40 万人得肿瘤，随着社会进一步老龄化，肿瘤发病趋势还将进一步增长男性前列腺癌尤为明显第一次诊断约有 58%的病人肿瘤没有转移，约有 42%的病人肿瘤已经转移在 58%的病人中，目前有 22%的病人可用外科手术治愈，12%的病人可用现有的放疗技术治愈，6%的病人可用手术加放疗治愈。

但还有约 18%的局部肿瘤患者用现有的方法治疗无效，每年有约 8 万人，其中 8 000 11 000 人是不宜进行手术的，如脑部肿瘤、软组织肉瘤、前列腺癌等，这部分人将从离子束治疗中受益因此估计该中心每年治疗 l 000 例病人是有可能的考虑投资贷款的偿还以及运行成本，预计每例病人的治疗费用约4 万马克，重离子协作组认为与外科手术、化疗等常规治疗手段费用接近，因此他们争取在 5 年左右时间内建成投入使用 期刊 国外医学临床放射学分年、卷(期) 2001 年第 24 卷第 3 期※※以上内容转载自：以上内容转载自： “中华重离子质子肿瘤治疗网”。