医用质子加速器

（一）质子加速器的临床意义

由前文中的质子束特性曲线——“布拉格峰”可知，质子束具有优良的剂量分布特性，通过调节质子束的辐射能量，还可以很方便地控制质子的射程，即质子束的辐射深度。由于技术上能够方便而准确地调节其纵向和横向的剂量分布，因此，质子束比其他射线束更适合于一些特殊病种的适形治疗和调强治疗。近年来，由于X线计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等技术逐渐普及，可变调制、束流扫描等先进质子束流配送技术迅速发展，质子治疗的优越性进一步被人们所认识，质子治疗技术受到了放射治疗界和神经外科等相关病种学科的普遍关注。

质子束的剂量分布特性决定了质子放射治疗手术主要适用于神经外科和眼部病灶的放射治疗，如治疗颅内良性小肿瘤、功能性神经疾病和动静脉畸形以及眼睛的黑色素瘤等疾病。由于这些器官是人体的重要部位，要求严格控制射线的剂量分布，因此，质子加速器的临床意义就在于，可以在摧毁病灶的同时，最大限度地保护周围正常组织和重要器官不受损伤。这对许多神经外科疾病和眼部病灶的治疗来说，质子治疗技术具有其他治疗方法和治疗设备不可比拟的优越性。

（二）质子加速器的结构原理简介

目前比较典型的质子治疗装备平面布局示例，见图1-3-8。主要包括：质子治疗加速器、质子束流输运系统、质子束流配送系统（辐射系统）等三大部分。

1．质子治疗加速器　质子治疗加速器的最大束流能量一般不低于250MeV，且要求能量在70～250MeV可调。由于质子的质量比电子质量大千倍以上，又要求输出能量比电子加速器的输出能量高出几十倍，还要专门配备束流配送等系统，因此，质子治疗加速器的体积很庞大。

按照不同的加速原理，质子治疗加速器分为回旋加速器、同步加速器和直线加速器三种类型。回旋加速器是圆形螺旋式加速路径，直径达10～15m，束流强度不能直接调节，但可以使用吸收体降低能量，其结果是在满足调节射程的同时，会降低束流品质；同步加速器是环形加速路径，直径高达20～30m，束流强度可以调节，但调节速度较慢；直线加速器是直线加速路径，加速距离长达20～30m，束流强度可以调节，但束流的扫描处理比较困难。可见，三类质子治疗加速器各有优劣。三类质子治疗加速器的部分性能，见表1-3-1，以便进行比较。

图1-3-8　质子治疗装备平面布局示例

表1-3-1　三类质子治疗加速器性能比较简表

综合各种因素考虑，虽然回旋加速器重达几百吨，但占用空间较小，而且操作控制比较方便，因此，目前医院质子治疗系统选用的加速器多以回旋加速器为主，采用其他两种加速器的较少。

2．质子束流输运系统　由于质子治疗加速器体积庞大，必须将加速器主机与治疗机架分开才能适应临床需要，因此，必须配备相对独立的束流输运系统。为了充分利用加速器资源，质子治疗系统一般设计多个质子治疗室，可使多个病人同时治疗。因此，束流输运系统除了包括束流引出、能量选择和束流偏转控制等部分之外，还要包括束流分配功能，以便将质子束分别送到不同的治疗室进行质子治疗。

3．质子束流配送系统　在质子治疗中，通常是将辐射系统称之为束流配送系统。当束流输运系统将质子束分配输运到各个质子治疗室之后，就由束流配送系统对质子束进行操作与控制，其主要功能包括：射程调节、射程调制、束流扩展和束流准直等四项主要内容。射程调节是根据不同的病灶深度调节质子能量以确定准确射程；束流调制是指在照射过程中改变质子能量以便扩展Bragg峰的宽度，使其与病灶厚度相当，进行适形与调强治疗；束流扩展是为了扩大束流的照射范围；束流准直则是为了限制辐射区域。通过以上四种不同功能的操作与控制，就可以满足不同的临床治疗需求，从而完成所需要的质子治疗技术。

其实，质子治疗装备远不止这几个部分，还要包括机械系统、电子控制系统、真空系统、冷却系统、辐射防护系统、计算机控制系统和软件操作系统等许多配套设备和辅助装置，才能够保证整套质子治疗装备的正常运行。