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技术进步能否降低质子治疗成本(二):缩小加速器体积

2020/1/8 作者:质子中国

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在上一期的文章中《技术进步能否降低质子治疗成本(一):缩小旋转机架体积》。在接下来小编将为大家介绍加速器领域的技术进展是如何影响质子治疗成本的。


目前或短期内,回旋加速器、同步加速器和同步回旋加速器仍将是质子治疗最常用的加速器类型,制造商也力图通过减小加速器体积来降低质子治疗成本。此外,可能用于质子治疗的加速器种类也在拓宽,如质子直线加速器——第一台临床用质子直线加速器正在装机中,还有近年来出现的固定磁场交变梯度加速器(FFAG)以及激光加速器等。


同步加速器

质子治疗用同步加速器需要一个预注器(preaccelerator),将质子从质子源注入由4-8个偏转磁铁组成的环型结构中,四极磁铁和六极磁铁置于偏转磁铁中间。射频(RF)腔也在环型结构内,通过震荡电场进一步加速质子。射频频率与质子的绕转频率同步变化,磁铁强度也随着质子的加速而同步增强。这种环型结构的直径通常达到6-8米,预注器本身也有6-10米长,通常包括一个射频四极场(RFQ)加速器和一个直线加速器。每次注入环型结构的质子数量是有限的,增加入射能量可以增加质子的注入数量。对于单野照射的情况,通常需要1-3次质子注入和加速的过程。


缩小注入系统体积

目前同步加速器的直径已经可以缩短至5米,将注入器置于同步加速器内或顶部可以减小设备的占地体积,改进磁铁、改变束流光学特性和优化注入器接口可以缩短环型结构的直径。近期一台原型机利用RFQ直接将质子注入到同步加速器内,这样缩短了注入链的长度并降低了能耗。Radiance 330系统也是应用了这种紧凑型设计,同步加速器的直径为5.5米,目前安装在McLaren和MGH质子治疗中心。同步加速器磁铁特殊的场强调节可以额外改进能耗和治疗时间,这种方式在碳离子治疗系统中作用更显著,海德堡重离子治疗中心(HIT)应用这种技术使循环时间缩短了30%。另一种方法是通过缩短每次注入的“停滞时间”(dead time)来增加磁铁的加速速度,Best Medical和Brookhaven国家实验室正在研究这一方法。


超导磁铁同步加速器

尽管高能物理学领域在超导磁铁同步加速器方面已经取得较大进展,但超导磁铁医用同步加速器的应用才刚刚开始。日本放射学研究所(NIRS)的研究人员正在研发一种新的碳离子同步加速器“SuperMinimac”,加速器应用了强超导磁铁,直径仅为7米,而非传统的25米。然而对于质子治疗的同步加速器而言,体积减小到如此程度需要相当长的时间。


其他技术进展

欧洲和日本也从其他角度对同步加速器技术进行了探索。NIRS(千叶县)近期提出了一种在0.1秒内改变提取束流的能量的可能性。尽管这会大幅缩短治疗时间,但这种假设在质子同步加速器中尚未实现。HIT还针对束流强度的稳定性进行了研发,因为这是对持续扫描至关重要的参数。


近年来,还有研究者提出将同步加速器安装在旋转机架上,这对使用同步加速器的单室治疗系统更有意义。但目前这种假设仍处于早期研发阶段。


总之,虽然取得了一些重要进展,但是短期内仍然不能显著减小质子治疗同步加速器的体积。通过改进磁铁、RF系统、束流注入和提取过程,提高注入速度以及更快更精确的束流参数控制必然可以降低成本,但这仍然是个漫长的过程,需要一步一步实现。有幸的是,成本会在技术持续进展的过程中逐渐降低。


回旋加速器

质子治疗的回旋加速器是单磁铁加速器,直径通常为5米,重量为200吨。在磁铁两极D形电极间存在一个震荡电场。质子在磁铁两极间加速,由于磁场和RF场的能量增强作用,加速的质子在螺旋形轨道内旋转数百圈后进入磁铁外层轨道,在这里被提取形成束流。回旋加速器输出固定能量的质子束,能量在230-250MeV,应用降能器和能量选择系统可获得能量较低的束流。这样的系统可以达到快速能量调节,但需要周围有足够的辐射防护结构。


超导回旋加速器

减小回旋加速器的体积,需要较强的磁场,这就需要用到超导磁铁。第一台治疗用超导质子回旋加速器的直径是3.5米,重量为100吨。在一些的质子治疗中心,超导质子回旋加速器已经处于应用或安装阶段。


无铁轭回旋加速器

在超导回旋加速器领域,研究人员开始利用无铁轭的磁铁研发回旋加速器。通常回旋加速器的磁铁包括铁轭和线圈。铁轭的作用是在回旋加速器中塑形磁场并且保护回旋加速器的工作环境免受磁场干扰。如下图所示,无铁轭回旋加速器的磁场塑形依靠围绕加速腔的超导线圈实现。屏蔽作用则由围绕回旋加速器的超导线圈实现。由于铁轭占到了回旋加速器至少90%的质量,这样的设计会大幅减轻加速器的重量。这种设计的另一个优势是可在1分钟左右的时间内直接改变从加速器出射的质子能量。若小型等时性(isochronous)回旋加速器可以完成无铁轭设计,并在照野所需最大能量时提供连续束流强度,再加上适当的旋转机架(如PSI的旋转机架),那么在速度、剂量精确性和设备体积上都将有很大改进。如上文所述,这样的旋转机架不需要降能器和能量选择系统,因此,由于设备体积减小和辐射防护需求降低,建设成本将会显著降低。然而,这种设计还处于早期研发阶段,价格和可及性暂时无法确定。

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无铁轭回旋加速器


同步回旋加速器

商业化推动了超导回旋加速器的进一步发展。通过将磁场增大2-4倍,回旋加速器的直径仅为1-2米,重量为30-50吨,也大幅降低了回旋加速器的价格。目前有公司将回旋加速器直接置于旋转机架上,这样设备的体积和占地面积更小。


但需注意的是,拥有这样强磁场的回旋加速器拥有的是脉冲式质子束流强度模式(500Hz-1kHz),即同步回旋加速器。这种脉冲式束流在点扫描技术中存在一些轻微的限制,但不影响被动散射技术。与提供持续束流的等时性(isochronous)回旋加速器相比,这种脉冲式束流无法实现持续线性扫描。另外,剂量率的限制以及每个脉冲的剂量精确性可能导致治疗时间的延长。为了应对这些限制,一些公司提供的单室治疗的紧凑型旋转机架上依然配置现有的等时性同步加速器来保持持续的束流强度。


目前,回旋加速器研发的主要进展,如设备体积减小、超导回旋加速器和单室设计,已经逐渐进入临床应用。这些技术进展降低了初期投资成本,但并不会显著降低单次治疗的成本,由上述不足带来的影响尚不得而知。未来5-10年间回旋加速器的技术还将持续升级,尽管在技术成果和时间成本上这些进展的潜在优势尚不明确,但必将降低设备、运营和建筑设计成本。


参考文献:SchippersJM, Lomax A, Garonna A, Parodi K. Technological Improvements Reduce the Cost ofProton Radiation Therapy?. Semin Radiat Oncol. 2018;28(2):150-159.


质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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关键词

质子治疗费用 质子放疗成本 降低质子成本

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