一文读懂放疗设备系列之质子刀（质子放疗）

残酷的温柔

前言
放疗在肿瘤治疗中扮演着非常重要的角色，根据WHO的统计约45%的肿瘤是可以治愈的，治愈的肿瘤中约40%是由放疗治愈的。约70%的肿瘤患者在不同阶段需要接受放疗，但是我国整体接受放疗的患者比例很低。据统计，2015年我国新发肿瘤429万例，存活的肿瘤患者保守估计在1500万，但是2015年我国接受放疗的患者总计为91.9万人次，可见我国肿瘤患者接受放疗的比例之低。

我国接受放疗的患者比例低是多方面原因造成的，其中一个原因是大众缺乏对放疗的了解。而形形色色的各种放的“刀”也让患者更为疑惑。为加强患者对放疗的认识，帮助患者选择正规的放疗，我们将分别对放疗的一些设备进行介绍。今天给大家介绍的就是粒子放疗领域的放疗设备质子刀以及质子放疗。
此前我们介绍过专门用于治疗脑部病变（含脑肿瘤）的放疗设备伽马刀，以及TOMO刀/托姆刀放疗，欲了解更多信息可点击一文读懂放疗设备系列之伽马刀；以及一文读懂放疗设备系列之TOMO刀/托姆刀。
关键词：放疗，肿瘤，癌症，质子放疗，质子刀
质子放疗概述
从美国伯克利辐射实验室于1954 年首次对患者使用了质子治疗到现在，接受质子刀放疗的患者数目全球超过了10万人。这一数目远远少于常规光子放疗，这是由于能够为患者提供质子放疗的中心较少这一历史原因以及费用较为昂贵造成的。即使有这些限制，大量的临床证据还是支持质子放疗的临床使用，并鼓励进行持续的研究。
此外，随着质子放疗系统的成本下降和临床获益的增加，越来越多的患者将使用质子放疗。随着这种变化，预期支持常规应用质子放疗的临床数据将会出现。迄今为止，支持质子放疗的大多数临床证据来自前期非随机试验。然而，越来越多的随机试验已经准备开始或已经在招募患者。
质子放疗简介
射线以波或粒子的形式穿过空间或物质并释放能量（医学上用于杀灭肿瘤）。比电子重的辐射统称为粒子，如质子和碳离子（也称重离子，后续会发文介绍）。目前，以质子放疗为代表的粒子放疗已经成功的应用于治疗癌症，是最先进的放疗方式，也被称为“质子刀”。

临床治疗中，这些质子被加速到大约70%的光速，来轰击位于身体内部的肿瘤。由于粒子治疗不象手术那样要切开人体，因而不会引起疼痛。
质子放疗对比光子的优势

质子因为布拉格峰（Bragg Peak）效应，在放疗物理剂量分布优于光子。目前的X射线和伽马线放射治疗（适形放疗、调强放疗、伽马刀、射波刀和Tomo刀等）用的是光子射线（X射线和伽马射线），当射线达到肿瘤病灶时，射线经过的所有肿瘤前后的正常细胞都会受到相当严重的损伤，并且射线的力度也大大减弱，无法发挥其应有的效力。这是现行放疗的主要缺点。


质子放疗用的是用粒子射线，特征是当放射线达到一定深度时可以释放出最大能量（布拉格峰）。只要将射线的最大能量调整到癌肿病灶上就可以集中照射病灶处而不会过多的损伤正常细胞。

具体来讲，光子放疗射线进出人体的剂量分布如下：肿瘤前后都有射线能力沉积。

质子放疗射线进出人体的剂量分布：肿瘤后方没有剂量沉积。要说质子放疗对光子放疗的劣势的话，就是因为设备昂贵，因此治疗费用较光子贵很多。与此同时，要真正取得质子对比光子的治疗优势的话，质子对放疗医生、物理师等的专业程度要求更高。
质子放疗的适应征

凡是可以接受传统放疗（适形放疗、调强放疗和伽玛刀放疗等）的肿瘤，通常都适用于质子刀治疗。因质子刀放疗具有“定向肿瘤爆破”的物理优势，对某些情况的肿瘤尤为适用。
经济条件好的肿瘤患者，应该尽可能寻求质子刀的放疗，以寻求较高的疗效，和/或者更低的副作用。需要衡量质子刀治疗费用的患者，如果符合下述重点适应征情形，建议尽可能争取质子放疗，以获得更好的肿瘤控制及更少的放疗副作用，并且从长期来看更加节省治疗费用。

• 处于生长发育期儿童的恶性肿瘤，传统放疗有导致发育畸形和致癌的长期毒性，质子放疗在有效根治肿瘤的同时，能最大程度的保护正常组织、避免发生第二原发肿瘤。
  
• 质子放疗可有效保全脏器功能和外观的肿瘤，如眼睛肿瘤可避免眼睛剜出术、乳腺癌可良好保护乳腺外观等。
  
• 因心肺功能和肝功能储备差和年老等原因无法耐受手术或不愿意手术的病人，如早期肺癌、肝癌和前列腺癌等，质子放疗可取得和外科手术相似的疗效。
  
• 手术或化疗后可长期生存，但因毗邻心脏等关键脏器，常规放疗会导致心肌梗死等长期致命并发症的肿瘤，如左侧乳腺癌和纵隔淋巴瘤等。
  
• 常规放疗后肿瘤残留或复发，再程放疗会导致截瘫、骨和神经坏死、消化道穿孔和大出血等致死并发症的肿瘤,如复发的鼻咽癌和直肠癌等。
  
• 对常规光子放疗不敏感，并且解剖位置复杂，手术创伤大的部位的肿瘤：如头颈部的腺样囊性癌和黑色素瘤、颅底和骶骨的脊索瘤、胰腺癌等
  

质子治疗的临床案例
1、质子治疗乳腺癌：

左图为质子放疗，右图为光子放疗

可以看到，质子放疗时，放射剂量主要在乳腺靶区。而光子放疗时，放射剂量除了在乳腺靶区外，心脏和肺都受到了不必要的照射，产生长期的毒副作用。
2、质子治疗儿童肿瘤（全脑全脊髓照射）：

左图为质子放疗，右图为光子放疗

可以看到，光子放疗时，患者胸腹部正常脏器，接受了不必要的射线照射。因为儿童的生长发育问题，不必要的照射引起的影响较大，质子对比有更多有的优势。这也是日本将儿童的质子治疗纳入国民医保的主要原因。
3、质子治疗周围型肺腺癌：男性，65岁，周围型肺腺癌，T2N0M0，质子刀放疗后6.5月，肿瘤消失。

4、质子治疗肝癌：男性，76岁。肝癌，直径8.5cm，质子刀放疗后2年，肿瘤消失。

质子设备简介
质子放疗设备主要由三部分组成：粒子加速器，机架以及治疗室机头。
粒子加速器的功能主要负责把质子加速到光速的70%，为射入人体中的肿瘤做好能量准备。加速后质子的能量最大可以达到300MeV左右,可治疗深达30cm的肿瘤。粒子加速器有两种：同步加速器或回旋加速器。
下图为同步加速器照片，周长达百余米。

下图为质子回旋加速器的照片，周长10余米到数十米不等。

机架的目的是让质子射线束从不同的方向射入人体，打到肿瘤上。机架分固定机架和旋转机架两种。目前旋转机架已经成为常规的质子设备的标准配置，但并非所有的质子中心都配备旋转机架的。
旋转机架高达10余米，重量可达数百吨。因而设备造价非常昂贵，对旋转精度等技术要求较高，旋转后偏差不能超过1-2mm。一些早期的质子放疗设备没有旋转机架，新建的少数中心也有因为各种原因没有配备旋转机架的。没有旋转机架的话只能采用固定束照射，一般仅有90度，0和45度等一到两个方向出束。固定束照射限制了质子刀放疗优势的发挥。
旋转机架的优点是可以选择不同的、最适合肿瘤照射的方向，也能更好的避开不需要照射的器官。给肿瘤最优的杀伤，最大限度的保护正常组织。下图为旋转机架的照片。

治疗室是病人接受质子刀放疗的地方。符合治疗要求的质子射线从机头处射出，达到人体内肿瘤中。

治疗室还有病人的治疗床，病人固定装置，图像引导和呼吸控制设备等。因为质子能量比较高的原因，质子治疗对病人的摆位和固定精度的要求，通常要高于光子放疗。
质子放疗的散射和扫描技术
质子刀的放疗射线杀灭肿瘤有两种模式：散射和扫描，两种各有优缺点，医生会根据治疗经验和肿瘤的情况进行选择。
下图为散射法的示意图。散射的优势是技术实现容易，可用于移动脏器（肝癌肺癌）的等的照射。散射的缺点是肿瘤剂量分布较扫描技术差，不能形成调强的剂量分布；同时中子污染大。

下图为扫描法的示意图。扫描的优点是肿瘤剂量分布好，能形成调强的剂量分布，更好的保护正常组织，尤其适用于靶区结构复杂的部位（如头颈部）肿瘤的放疗。中子污染少。而扫描缺点是对运动脏器（肺癌肝癌）肿瘤的照射，技术要求较高，需要结合其他技术来完成，目前技术不是很成熟。

扫描和散射法的对比视频：
貌似没法插入视频，感兴趣到微信原文看视频吧：一文读懂放疗设备系列之质子刀（质子放疗）。

就医时如何选择质子放疗中心？
质子放疗中心虽然远远少于光子放疗中心，但是国内外正掀起一股投资质子中心的热潮，诸多质子中心纷纷开业。咨询我们的患者也经常很困惑，到底质子治疗以及某个质子治疗中心靠不靠谱。每个患者的情况都不一样，包括病情、经济条件、对治疗结果的期望以及生活质量的要求等都是不一样的，很难给出统一的答案。不同国家和不同质子中心根据自己的设备、放疗团队临床经验、以及能提供给患者综合治疗支持等的不同，收治的患者适应征也不大相同。
现在根据我们的经验，给出如下建议供大家参考。
1、该中心治疗的历史、采用的技术和设备如何。不同的肿瘤质子放疗需要采用不同的技术，如头颈部肿瘤，最好采用质子中心配备选择机架，采用扫描技术的。一般来讲，新建的质子中心，技术成熟和人员团队的配合需要一定的时间。
2、不同质子中心治疗每年治疗的病人数目和中心治疗的疾病种类如何。
3、放疗医生和放射物理师（剂量师）放疗经验如何。设备是一方面，人也是关键的因素。
4、这个质子中心是单一的质子放疗中心，还是综合性肿瘤医院的一部分？在多学科综合治疗的大背景下，综合性肿瘤医院能对病人提供更优化的治疗组合，凸显出越来越多的优势。
5、质子放疗的花费如何，列举各国质子一个疗程的治疗费用供大家参考。

• 日本公立医院314万日元（不到20万人民币）；私立中心450-500万日元（30万人民币左右）。
  
• 国内36万人民币左右（一疗程治疗费用27.8万+其他各种费用）
  
• 美国100万人民币左右（一次照射5千美金左右+其他各种费用）
  

6、如寻求海外质子放疗，一定注意该中心对海外患者质子放疗后随访的安排和重视程度。
参考资料：
1.Mohan R, et al. Proton therapy -Present and future. Adv Drug Deliv Rev. 2017 15;109:26-44.
2.Plastaras JP, et al.Specialcases for proton beam radiotherapy:re-irradiation,lymphoma, and breastcancer. Semin Oncol. 2014 ;41(6):807-19.
3.Sakurai H, et al.Proton beam therapy inJapan: current and future status. Jpn J Clin Oncol. 2016 Oct;46(10):885-892.
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