1. 质子治疗的基本原理
质子是带正电的氢粒子，与电子的电荷相同，但其质量远大于电子，约为电子的1836倍。质子和许多其他粒子一样，进入人体后会因电离而逐渐失去能量。但质子与其他粒子进入人体后的能量损失过程和剂量分布曲线却有很大不同。下图显示了不同射线粒子在人体内的能量损失和剂量分布。横坐标是进入人体的深度，纵坐标是相对剂量值。曲线A对应于质子，曲线B对应于20MeV电子，曲线C对应于60钴伽马射线。这三种是放射治疗中最常用的粒子流。
从上图可以看出，用60钴照射时，剂量随着深度而减小，这给治疗带来了两个严重的问题。首先，对于较深的肿瘤，前面的正常细胞将比肿瘤处的细胞接受更大剂量的辐射。其次，肿瘤背面的正常细胞将不可避免地受到更大辐射的损害。这两个问题在用电子照射时也存在，但比60钴伽马射线和X射线的危害要小。
代表质子的曲线A具有以下特点：缓慢上升一段时间后，迅速达到峰值，然后迅速下降。该剂量峰称为布拉格峰。对于非常小的肿瘤，只要布拉格峰与之对齐，肿瘤就能接受最大剂量值。对于较大的肿瘤，可以调节质子能量以将布拉格峰展宽至相当于治疗前肿瘤厚度的水平。肿瘤前的正常细胞只受到相对较小的剂量值，同样的治疗方法所受到的损伤低于60钴和电子治疗的水平，而肿瘤后的正常细胞则基本不受伤害。
2、质子治疗装置的组成
(1)质子加速器
利用直流高压电场加速的加速器能量低，利用感应涡流电场加速的加速器只能加速电子。质子治疗需要更高能量的质子，只能通过高频谐振加速器获得。一般来说，要使质子束治疗深度为30cm至315cm的肿瘤，需要70°质子加速器。
质子加速器的基本类型如下：
1) 同步加速器
2）回旋加速器
3）同步回旋加速器
4）直线加速器。
这些加速器哪一个更好一直存在争议。回旋加速器最大的优点是操作方便，但由于不具备能量可调性，需要额外的能量选择系统，且其束流质量不如其他两类加速器。同步加速器的优点是输出能量可调，无需配置能量选择系统。但操作较复杂，占地面积大。直线加速器还可以实现输出能量可调，并且其光束质量特别优异。
(2)能源选择系统
质子治疗时，必须根据肿瘤本身的深度和厚度使用不同能量的质子。回旋加速器诱发的质子流的能量是固定的，因此加速器和治疗头之间必须有能量选择系统。该系统由能量减少器和离子光学中使用的各种磁铁和测量元件组成。当质子穿过石墨层时，石墨厚度越大，能量减少越大。因此留学之路，可以使用不同的厚度来获得不同的能量减少。当从加速器引出的固定能量质子进入能量选择系统时，通过调节减能器的不同厚度，可以在输出端获得从70 MeV到连续可调的不同能量的质子流。
(3)运梁系统及旋转架
束流传输系统的任务是将加速器产生的质子束传输到患者的治疗部位附近。四极磁体、偏转磁体、导向磁体、束流测量设备和真空设备沿束流传输管道放置。四极磁铁的作用是聚焦质子束。偏转磁铁的任务是改变光束的方向。引导磁铁的任务是纠正系统安装时引起的质子束的偏差。
患者通常需要很长时间才能在治疗室中定位自己。为了充分利用加速束，质子治疗装置通常配备多个治疗室，每个治疗室的照射时间相互错开。治疗室分为固定束治疗室和旋转束治疗室。旋转束治疗室配有旋转架，可以围绕躺着的患者旋转，使质子束从不同方向照射目标区域。
从加速器引出的质子束首先进入主束线，然后根据需要转移到不同的支束线进入治疗室。在主束线和支束线的交汇处安装偏转磁铁，以改变束流方向。这种偏转磁铁也称为切换磁铁。
(4)治疗头及定位对位系统
为了将来自加速器的束流扩展为更大且均匀的质子流以覆盖肿瘤的所有侧面区域，需要束流分配系统。为了使质子流形成可照射肿瘤整个纵向深度的扩展布拉格峰，需要束流能量调制器。所有这些专门的功能部件，总共有十多种，都安装在治疗头上。例如：
① 能量还原剂：用于显着降低质子能量。常用的减能器是石墨圆筒，外加不锈钢外壳保护。
②旋转调制器：用于质子束的距离调制。
③ 二元能量调制器：用于范围的微调。
④ 范围补偿器：确保扩展布拉格峰的后边缘恰好落在目标区域的后边界上。
⑤ 散射系统：目前应用最广泛的扩束系统，单散射系统仅适用于较小的照明场，双散射系统应用较多。
⑥准直器：用于限制照射野，通常配备射程监视器来监测质子射程。
⑦定位系统：用于将质子束精确辐射到肿瘤病灶。
(5)其他系统
①剂量验证系统：为了保证治疗过程中质子治疗的实际剂量参数符合规定的治疗要求，同时保证安全性和有效性，必须安装剂量验证系统，实时监测治疗剂量。
②治疗计划系统：本质上是质子治疗专用的软件。医生使用该软件根据患者的相关诊断信息制定患者的治疗计划并确定设备运行参数。
③治疗控制系统：质子治疗系统中独立完成特定功能的各设备相互连接，利用专用应用软件使所有设备根据治疗要求协调工作。
④治疗安全系统：用于保证患者和医护人员不受到辐射伤害。
3.质子器件的发展历史
1、1946年至1980年研究开发阶段
非常有趣的是，第一个提出质子治疗的人并不是医生，而是参加曼哈顿计划的美国物理学家：罗伯特·里斯本·威尔逊（ ，1914~2000）。他是第一个提出质子治疗的人。科学家 - 使用质子束治疗癌症 [1]。
图 1 罗伯特·里斯本·威尔逊
第二次世界大战后，威尔逊被任命为哈佛大学副教授，但 1946 年的大部分时间都在伯克利为哈佛大学设计一台新的 150 MeV 回旋加速器，以取代战争期间转移到洛斯阿拉莫斯的回旋加速器。的回旋加速器。威尔逊发现 150 MeV 回旋加速器产生的高能质子可用于粒子治疗 [2]。
图2 150 MeV回旋加速器
同年回旋加速器的工作原理，根据他在伯克利提出的想法，他在医学杂志《放射学》上发表了一篇题为“快质子的放射学应用”的文章。这项研究首次提出使用质子束治疗癌症[3]。主要有两点：
质子布拉格峰的天然物理优势可以实现定向“爆破”，射程结束后的剂量几乎等于零；单一能量的质子流在相同范围（深度）内传递最大剂量值，针对不同深度的肿瘤可采用不同的治疗方法。能量质子用于辐照治疗。具有固定深度的肿瘤可以用单一能量质子照射多次。
文章中单个质子的布拉格峰，虚线表示单个 140 MeV 质子的相对剂量。完整的曲线定性地显示了组织中 140 MeV 质子束的深度剂量分布。
图3 文章中单个质子和质子束的深度剂量曲线
1.1
质子治疗的首次探索
1950年至1960年，质子治疗还处于实验阶段，美国、欧洲和苏联的大型研究机构都在进行研究。这一时期使用的是非专用质子加速器，如加州大学劳伦斯伯克利国家实验室和哈佛大学的回旋加速器。加速器实验室、瑞典乌普萨拉大学研究所、苏联莫斯科理论与实验物理研究所、苏联舍布纳联合核研究所。
此阶段的显着里程碑包括：
1.2
质子治疗专用加速器
癌症离子疗法始于 20 世纪 70 年代中期，伯克利大学和哈佛大学开始研究。当这一过程产生预期结果时，包括日本在内的发达国家越来越需要开发专用加速器，而不是与核研究小组共享加速器。第一批专用加速器是美国洛马琳达大学实施的质子治疗系统和日本国立放射线科学研究所（NIRS）的千叶重离子医疗加速器（HIMAC）。
哈佛大学打算在 20 世纪 80 年代开发一种用于质子治疗的专用加速器，但这一里程碑是在南加州的洛马琳达大学首先实现的。 1985年，洛马琳达大学医学院放射医学系主任James M.委托费米实验室开发适合医院使用的小型质子加速器。在已退休的威尔逊主任的鼓励下，费米实验室开发了一种能够将质子束加速到 250 MeV 的同步加速器，并将其安装在洛马琳达大学。
与以前使用固定光束的系统相比，该系统由一个旋转龙门组成，可以从任何方向照射人体的所有部位。自该系统开发以来，旋转机架已成为质子治疗系统的标准功能。 1990年底，洛马林达大学的质子治疗系统开始用于治疗患者，25年间共治疗了18,362名患者（是世界上任何离子治疗设备治疗患者数量最多的）。直到今天，该系统仍在运行，治疗记录每天继续更新。
图4 费米实验室为洛马琳达大学开发的质子治疗专用同步加速器
此阶段的显着里程碑包括：
2、1980-2000年应用发展阶段
质子治疗技术已进入应用和蓬勃发展阶段十余年。本阶段的主要任务是在研究探索阶段取得的成熟质子治疗工作的基础上，扩大应用规模，服务于社会广大患者。这一阶段的主要特点如下：
大多数机构开始考虑建设专用质子治疗设备和专用质子治疗医院；他们关注社会医疗效果，扩大质子治疗在癌症患者治疗中的优越作用和社会影响；经济影响尚未提上议程，至少在建设开始时是这样。建设专用质子治疗装置时，并不期望建设投资能在建成后几年内收回；金融界和企业界对于单独投资仍犹豫不决，该装置的建设资金必须依靠政府和社会慈善团体。部分债券已用于筹集部分建设资金。因此，它已初步具备了市场经济的一些商业特征。
20世纪80年代末和90年代初，世界各地启动了一些质子治疗项目，如1984年瑞士PSI研究所、1989年英国研究所、1991年法国奥赛研究所等。
特别是在瑞士PSI研究所，从使用72 MeV离子束治疗眼部黑色素瘤开始，到1996年后使用200 MeV离子束，许多质子治疗技术和治疗方案得到了开发和应用。
2001 年，麻省总医院 (MGH) 将 (HCL) 项目转移到其主院区。当购买设备时，质子治疗仍然被认为主要是实验性的，是研究工作的一部分。事实上，该建设项目的部分资金是由国家癌症研究所资助的。出售给麻省总医院的商用设备引起了不同公司提供质子治疗解决方案的兴趣，也引起了各大医院购买质子治疗设备的兴趣。此后，许多其他医院也引进了质子治疗系统。
此阶段的显着里程碑包括：
图5 IBA的多室系统
3、2000-2012年推广及市场开拓阶段
经过几十年的积累和发展，质子技术和设备已逐渐脱离研究机构，建立为商业公司。随着需求的增加，商业质子系统已经成熟，有能力的肿瘤医院已经购买了多房间系统。与此同时，更多的商业质子系统供应商涌现：IBA、、、、、等，医院可以有更多的选择，新技术在逐渐刺激的竞争环境中不断发展。
这一阶段的主要特点如下：
越来越多的财团、商界、机构、团体表示愿意投资建设质子治疗专用治疗系统；在国际、国内低息政策下，质子治疗专用项目制造投资的投资回收期不再长于其他项目的投资。 ;质子治疗仪本身就是一个高科技项目，而21世纪是一个高科技世纪，与高科技项目相关的股票前景看好，因此金融界和企业界都有很强的投资意愿；除了上述经济效应外，质子治疗项目还具有巨大的社会效应，很容易得到社会各界的支持，可以实现社会效益和经济效益的双丰收。
此阶段的显着里程碑包括：
图6 PBS技术
4、2012年后新的技术改造阶段
现阶段，商用质子系统已经非常成熟。与此同时，新技术不断涌现，质子治疗正在稳步走向精准治疗。为了减少投资和患者费用，小型质子治疗系统从这个时期开始流行。
这一阶段的主要特点如下：
许多大型医院都安装了多病房系统；欧美发达经济体市场趋于饱和；质子治疗系统的小型化和紧凑型技术正在兴起；患者治疗费用不断下降，质子治疗技术逐渐受到大众欢迎； FLASH 和大分割治疗等技术正在兴起；图像引导自适应质子治疗的研究开始。
下图是IBA基于瞬发伽马的图像（剂量）引导质子治疗示意图：
此阶段的显着里程碑包括：
图7 紧凑型质子系统
5、国内发展
从技术发展来看，我国还处于主要研究机构专用设备研发阶段，如上海应用物理研究所、兰州近代物理研究所、原子能研究所等。 ，一些商业化的质子厂商也随之涌现。如合肥中科离子医疗技术设备有限公司，但整体技术成熟度和稳定性仍远远落后于国际老牌供应商。从医院的角度来看，这是最好的时代。政策逐步放开。有许多供应商和多种配置可供选择。能够在最短时间内缩短与国际大医院质子放疗的差距，为国内患者提供技术先进、优质的服务。
据PTCOG（Co-Group）统计，截至2018年底，全球有超过22万名癌症患者接受离子治疗，其中质子治疗19万名，年均增长率约为20%。我国质子治疗尚处于起步阶段，增速将远高于20%。详情请见质子中国此前报告《2019年全球最新患者数据发布，超过22万患者接受离子治疗》。
图8 全球质子重离子治疗量增长图
4.适应症说明
理想的放疗的必要条件是杀死肿瘤内的所有癌细胞，不伤害患者的正常细胞，并且没有复发的后遗症。从综合医学和经济的角度来看，质子和重离子虽然是先进的治疗粒子，但还不是理想的粒子。质子和重离子治疗也有其特定的医疗范围。如果遵循“只要对肿瘤进行照射的剂量足够大回旋加速器的工作原理，足以杀死癌细胞，而肿瘤周围的正常细胞则尽量少受照射，以尽量减少副作用”的原则，只要放疗严格按照质量标准执行，令人满意。对于这种情况，还有30%的局部肿瘤常规治疗无法找到可以控制的剂量值。这需要用质子和重离子处理。
1、质子、重离子适用于治疗靠近敏感器官、无法手术或X射线、电子治疗难以实现局部控制的肿瘤。
2.常规放疗可以治愈，但副作用难以消除且复发率高的肿瘤，如前列腺。
3、对于大量儿童患者来说，由于正常组织正处于发育阶段，一旦受到放疗损伤，就会出现畸形、残疾、发育停滞等严重后果。
4.许多形状不规则的肿瘤即使使用调强X射线也需要耗时且费力的治疗。
5.对于X射线、电子束甚至质子难以治疗的耐药性和缺氧肿瘤，只能使用重离子。
参考
王金龙，质子治疗发展简史，《质子中国》