德国GSI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在线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，在线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、在线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在线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。
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
