质子治疗技术的发展及其挑战分析

质子治疗技术的发展及其挑战分析

毛勋

中广核医疗科技(绵阳)有限公司  广东 深圳   518038

摘要：质子治疗是最精准、最先进、最复杂的放射治疗技术，从最开始的被动散射束流扩展技术发展到铅笔束点扫描技术、呼吸门控技术、调强质子治疗技术等，除了这些临床应用已经成熟的技术外，初步临床应用的还有质子立体定向外科治疗（ProtonSBRT）、锥形束计算机断层扫描(CBCT)图像引导、质子治疗计划系统的创新改进和优化等。当今相关顶级研究机构和著名质子设备生产厂家重点关注的前沿研究领域主要是质子束流的快闪（Flash）治疗、质子弧形（Arc）治疗、质子治疗实时图像引导和实时验证，以及质子治疗装置的小型化研究等领域。

关键词：质子治疗；Flash治疗；弧形治疗

引言：布拉格峰值快速下降可以使肿瘤周边的正常细胞受到辐射的剂量明显减小，从而可以有效地降低放射后的辐射并发症。然而，对于是否能够将其完全转变为临床病人的益处，尚有一些争论。本文对质子治疗的历史、基本原理、技术发展进行了回顾，并对质子治疗的优点及其所面对的问题进行了展望。

1Flash效应的机制研究和质子

Flash辐射的最新进展放射治疗领域的研究者们已经在不断地寻找最大程度的杀灭癌细胞，同时又不伤害正常的组织的方法。目前科学家们已经找到了一种叫做Flash效应的辐射，研究证明用光或者电子辐射对癌症有很好的疗效。从六十年代初期就有了Flash效应的初步研究，到了2000以后，由于 Flash的好处日益被人们所关注，于是在一种线性加速装置上进行了一套小型的Flash试验，取得了令人惊叹的结果。根据临床前期资料，Flash可以在杀伤癌细胞的前提下，减少该种方法对正常的组织造成的毒性。尽管动物试验显示Flash辐照具有很好的疗效，但是目前的相关研究仍然没有完全弄明白 Flash辐照对健康的影响。一个可能的机理是这种方法阻止了诸如 TGF-β的分泌，而在快速辐射之后，这种因素不会被激活[1]。另外一种更有可能的机理是，在高剂量的瞬间辐照之后，会耗尽人体内所需的氧，一个健康的人体在低氧条件下会抵抗辐照，并且氧离子会释放出更多的电子，造成更多的电离性反应，这就极大地提高了肿瘤与正常组织之间的氧化-还原代谢及游离基化作用，使正常组织受到更好的保护，同时也能杀死肿瘤细胞。

2质子弧形治疗（Arc）技术的研究进展

弧光疗法的基本原则是：药物剂量与支架的动作相结合，使放射线连续地辐射病人，使之达到放射疗法方案所规定的辐射曲线和剂量。目前，我国的放疗技术已经过调强型放疗、弧形调强型放疗、容积弧形调强放疗（VMAT）等几个发展时期。采用弓形术可以缩短手术期，缩短手术期这就意味着可以改善病人的生存质量，改善病人在手术中的舒适程度，使得他们所要承受的痛苦时间也随之降低了，同时通过这种方式还能降低手术的危险性，提升手术的成功率；VMAT方案可达到预期效果，但规划周期较大。本实验结果表明：采用快速转动体积调整技术能显著减少角膜、晶体和视神经的照射，使晶体和视神经的照射剂量下降幅度分别为5~29%，晶体和视神经的最高下降幅度分别为16%~33% [16]。由于新的技术和工作流被引入到了医疗规划中，因此首次采用了一个三维印刷补偿装置 [2]。结果表明：采用圆弧疗法与传统的质子调节疗法相比，采用圆弧疗法可以降低整体辐射剂量，改善药物的剂量适应性，从而增加药物的剂量适应性，从而增加药物的剂量稳定性，促进药物的剂量增加和大分割疗法的使用，降低对周围的损害。对病人的疗效和疗效都会更好，可以在一定程度上提升病人的就诊满意度。

3质子治疗面临的挑战

质子疗法不仅具有物理上的优越性，而且其对身体的照射量也比传统的光照射要少得多，这种方式已经有了一段时间的实际应用，积累下了一些实际经验，但是通过种种实例我们也发现运用这种方式也会出现一些不可避免的问题，因此如何有效地解决这些问题以及这些问题带来的影响对医学的发展方面至关重要。

3.1相对生物效应（RelativeBiologicalEffectiveness,RBE）的不确定性

目前，在质子治疗计划系统中所用的RBE值为常数1.1。但很多学者提出RBE是一个变量，在SOBP的平坦区域约为1.1，但在远端跌落区域显著升高，在布拉格峰后沿紧靠峰的位置RBE高达1.4。较高的RBE值将对束流的有效生物作用射程予以扩展[3]。因此，如果RBE采用恒定值1.1计算危及器官的受量，可能会降低肿瘤远端的正常组织生物效应，从而低估了危及器官的毒副反应。

3.2剂量计算算法不确定性

质子治疗计划系统所用算法主要有解析算法和蒙特卡罗算法。目前临床广泛应用的是解析算法，其计算速度快，能够满足临床治疗的需求，但该算法对质子与物质的相互作用做了假设和近似，剂量计算的精度低[4]。蒙特卡罗算法提高了剂量计算的精度，被定为剂量计算的金标准，但因计算速度慢而限制了其临床应用和推广。

3.3射程的不确定性

由于 CT成像质量的变化、质子束的相对阻挡能力的转换、剂量计算的误差等因素，都会导致计算距离的误差，也就是距离的不确定性。在这种情况下，CT和相关阻挡能力的转化是影响范围的主要因素，在3.5%左右。为从根本上解决 CT向相对阻挡能力转化带来的错误，许多学者基于质子的线形阻碍能力的成象特点，开展了质子造影技术的探索，结果表明，该方法不但能提高图像的准确率，而且能减少病人的放射量。但是，双能 CT与质子学技术还处在初级阶段，还没有在实际中得到推广。

3.4质子治疗对器官移动更敏感，易产生剂量热点或冷点

3.4.1减少呼吸动度对器官体积、位置等的影响

利用呼吸门或追踪技术，对病人进行4 DCT扫描，测定呼吸振幅，选择最佳的呼吸振幅，绘制目标区域。在术前应用4 D锥形射线 CT验证靶区的中心和呼吸方式的可重现性，在手术过程中，光束只会在特定的呼吸量范围外释放，以确保精确的放射剂量。另外，有以 ITV为基础的人工呼吸技术，以及闭气疗法。

3.4.2减少扫描时间对器官移动的影响

通过增加扫描速率、加快能量转换，使靶区在1分钟之内进行多次扫描，从而减弱靶区的移动效果，确保接受处方剂量辐射。

结论：质子疗法在临床上取得了长足进步。近年来，在世界上开展了大量的质子化疗法，并获得了业内的普遍认同。但是，质子疗法对仪器和技术的精确要求远远超过光子疗法，并且需要更多的技术。随着人工智能、影像学等技术的不断发展，使得质子化的医疗费用大大降低，因此，精确的质子化疗法将会是癌症病人的第一选择。与化学疗法、靶向疗法、生物疗法或免疫疗法联合治疗相比，可以大大延长病人的生存时间，减少不良反应，有利于更多病人进行医治。

参考文献：

[1]袁晓刚,刘胜文,李术,沈莉,谢树青,钱朝南.质子治疗设备安装场地准备要点[J].中国医院建筑与装备,2022,23(06):89-92.

[2]崔相利,张建光,卢晓明,胡漫.质子治疗技术的发展及其挑战[J].中国医学物理学杂志,2022,39(04):404-408.

[3]宋新宇,宋英鹏,李京,李志斌,王光宇,戴谷宇,刘亚昕,李光俊,柏森.质子治疗临床应用研究简介[J].中国医疗设备,2022,37(03):155-158.

[4]方春锋,侯俊,徐寿平,杨涛,曲宝林,曹林,朱龙林,解东,续达悦.质子治疗系统原理及其应用[J].中国医学装备,2021,18(04):187-192.

[5]赵木,常晟,尚自强.质子治疗相关设备技术特点分析[J].医疗卫生装备,2019,40(03):81-84.