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质子治疗发展简史

2020/5/20 作者:质子中国

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其他癌症

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经过半个多世纪的发展,质子治疗已经成为先进的放疗技术。回顾历史,我们把质子治疗的发展分为四个阶段:


1946~1980年 研究开发阶段:这个阶段是质子治疗方法的提出,以及在实验室里的验证;

1980~2000年 应用与发展阶段:这个阶段主要任务是在已经取得的成熟质子治疗工作基础上,扩大应用规模与为社会上广大患者服务;

2000~2012年 推广与市场开发阶段:这个阶段商用质子系统趋于成熟,大型的肿瘤医院采购多室系统;

2012年以后 新技术变革阶段:这个阶段商用质子系统已经非常成熟,同时不断有新技术出现,质子放疗向精准治疗方向稳步前进。为降低投资和患者费用,小型质子系统从这个时期开始流行起来。


1. 1946~1980年 研究开发阶段


很有意思的是第一位提出质子治疗的并非医生,而是一位参与过曼哈顿计划的美国物理学家:罗伯特·赖斯本·威尔逊(Robert Rathbun Wilson, 1914~2000),他是第一位提出质子治疗的科学家——使用质子束治疗癌症[1]。

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图1 罗伯特·赖斯本·威尔逊


二战结束后,威尔逊被任命为哈佛大学副教授,但在1946年的大部分时间里,他在伯克利大学为哈佛大学设计了一个新的150 MeV回旋加速器,以取代在战争中移交给洛斯阿拉莫斯的回旋加速器。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]。

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图2 150 MeV回旋加速器


同年,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《快速质子的放射学应用》的文章。这项研究是第一个提出使用质子束治疗癌症的研究[3]。主要有两个要点:


质子布拉格峰(Bragg Peak)的天然物理优势,可以实现定向“爆破”,在射程终点后的剂量几乎等于零;

单一能量的质子流转相同的射程(深度)传递最大剂量值,不同深度的肿瘤可用不同能量质子来照射治疗,固定深度的肿瘤可用单一能量质子进行若干次的照射。


威尔逊文章中单个质子的Bragg Peak,虚线表示由于单个140 MeV质子引起的相对剂量。完整的曲线定性地显示了组织中140 MeV质子束的深度剂量曲线。

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图3 威尔逊文章中单个质子和质子束的深度剂量曲线


1.1 质子治疗初次探索

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1950~1960年,质子治疗还处于试验阶段,美国欧洲和苏联的大型研究机构纷纷展开研究,这个时期用的都是非专用质子加速器,例如:美国加利福尼亚大学劳伦斯-伯克利国家实验室、美国哈佛大学回旋加速器实验室、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、苏联社布纳联合核子研究所。


这个阶段引人注目的里程碑事件有:


1954年,美国伯克利国家实验室完成了第一例癌症患者的治疗;

1957年,瑞典乌普萨拉大学研究所第一次使用能量调制器。


1.2 质子治疗专用加速器

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癌症的离子治疗于1970年代中期在伯克利和哈佛大学开始。当这种处理产生预期的结果时,在包括日本在内的发达国家,对开发专用加速器的需求就增加了,而不是与核研究小组共享加速器。第一批专用的加速器是在美国Loma Linda大学实施的质子治疗系统,以及位于日本国立放射科学研究所(NIRS)的千叶重离子医学加速器(HIMAC)。


哈佛大学打算在1980年代开发一种用于质子治疗的专用加速器,但是这个里程碑首先是在南加州的Loma Linda大学实现的。1985年,Loma Linda大学医学院放射医学系主任James M. Slater委托费米实验室开发适合于医院的小型质子加速器。在已经退休担任董事的威尔逊的鼓励下,费米实验室开发了一种能够将质子束加速至250 MeV的同步加速器,安装在Loma Linda大学。


与以前使用固定束的系统相反,该系统包含一个旋转机架,该机架允许以任何方向照射人体的所有部位。自从该系统发展以来,旋转机架已成为质子治疗系统的标准功能。1990年底,Loma Linda大学的质子治疗系统开始用于治疗患者,25年内治疗了18,362名患者(全球离子治疗设备中接受治疗患者数量最多)。至今,该系统仍在运行,并继续每天更新治疗记录。

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图4 费米实验室为Loma Linda大学开发的质子治疗专用同步加速器


这个阶段引人注目的里程碑事件有:


1961年,哈佛大学回旋加速器实验室与马萨诸塞州总医院之间开始了合作以进行质子治疗。在接下来的41年中,该计划完善和扩展了这些技术。在2002年关闭之前,总共收治了9000多例患者;

1985年,Loma Linda大学使用专门的质子治疗加速器进行治疗,并第一次使用旋转机架进行多方向照射。


1980~2000年 应用与发展阶段


质子治疗技术应用与蓬勃发展阶段的十多年,这个阶段主要任务是在研究探索阶段已经取得的成熟质子治疗工作基础上,扩大应用规模与为社会上广大患者服务。这个阶段的主要特点如下:


大多数机构开始考虑建造专用质子治疗装置与质子治疗专用医院;

看中社会医疗效应,扩大质子治疗在癌症患者治疗的优越作用与社会上的影响;

经济效应还没有提上日程,至少在开始建造专用质子治疗装置时并不期望在建后若干年内能收回建造投资;

金融与商界对单独投资尚在犹豫,建造装置资金需依靠政府与社会慈善团体已经用部分债券形式来筹集部分建造资金,因此已初步具有一些市场经济商业化色彩。


20世纪80年代末和90年代初,全球启动了一些质子治疗项目,例如:1984年在瑞士PSI研究所,1989年在英国Clatterbridge研究所,1991年在法国Orsay研究所。


特别是瑞士PSI研究所,从72 MeV离子束用于眼黑色素瘤治疗开始,到1996年后使用200 MeV离子束,许多质子治疗的技术和治疗计划得到发展应用。


2001年,麻省总医院(MGH)将Harvard Cyclotron Labtoratory(HCL)的项目转到了它的主医院校区。当设备被购买的时候,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,这个建设项目的部分资金来自美国国家癌症研究所。而出售给麻省总医院的商业设备引起了不同公司提供质子治疗方案的兴趣,也引起了各大医院购买质子治疗设备的兴趣。从那时起,许多其他以医院陆续引进质子治疗系统。


这个阶段引人注目的里程碑事件有:


1991年,IBA推出第一台230 MeV等时回旋质子加速器,目前全球有超过25家医院使用IBA的商用质子治疗系统;

1993年,ACCEL成立推出一台250 MeV超导等时回旋加速器,并于2004年安装在里内克质子治疗中心。

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图5 IBA的多室系统


3. 2000~2012年 推广与市场开发阶段


经过几十年的积淀和发展,质子技术和设备逐渐从研究机构中剥离出来,成立商业公司,随着需求的增加,商用质子系统趋于成熟,有能力的肿瘤医院采购多室系统。同时更多商用质子系统供应商出现:IBA、Varian、Mevion、Protom、Hitachi等,医院可以有更多选择,新技术在逐渐激励的竞争环境下不断发展。


这个阶段的主要特点如下:


越来越多的财团、商界、机关、团体已表示愿意投资建造专用质子治疗治疗系统;

在国际上与国内低利息的政策下,投资制造专用质子治疗项目的投资回收不再比投资其他项目长;

质子治疗装置本身属高科技工程,而21世纪时高科技的世纪,与高科技项目有关的股票看好,于是金融与商界投资意愿强烈;

除去上述经济效应外,质子治疗项目还有极大的社会效应,容易得到社会各界的支持,能取得社会效益与经济效益的双丰收。


这个阶段引人注目的里程碑事件有:


2001年,安装在麻省总医院的IBA商用系统治疗了第一例患者;

2007年,Varian收购Accel,在德国成立Varian Medical Systems Particle Therapy GmbH ;

2008年,IBA和麻省总医院联合开发PBS技术,并成功治疗患者。

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图6 PBS技术


4. 2012以后 新技术变革阶段


这个阶段商用质子系统已经非常成熟,同时不断有新技术出现,质子治疗向精准治疗方向稳步前进。为降低投资和患者费用,小型质子治疗系统从这个时期开始流行起来。


这个阶段的主要特点如下:


很多大医院都已经安装了多室系统;欧美发达经济体市场趋于饱和;

质子治疗系统小型化紧凑型技术涌现;

患者治疗费用下降,质子治疗技术正在实现大众普及;

FLASH、大分割治疗等技术出现;

图像引导自适应质子治疗开始研究。


下图是IBA基于瞬发伽马的图像(剂量)引导质子治疗的示意图:

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这个阶段引人注目的里程碑事件有:


2012年,Mevion紧凑型质子系统获得FDA认证;

2014年,IBA紧凑型质子系统Proteus®ONE治疗了第一例患者;

2015年,居里实验室进行第一例动物FLASH治疗的实验;

2019年,ProTom基于同步加速器的小型质子系统获得FDA认证。

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图7 Mevion紧凑型质子系统


5. 国内发展情况


从技术发展的角度来讲,我们国家还处于各大研究所研究开发专用设备的阶段,例如上海应用物理研究所、兰州近代物理研究所、原子能科学研究院等,一些商业质子制造商也应运而生,比如合肥中科离子医学技术装备公司,但技术成熟度和稳定性整体上来说距离国际上老牌供应商还有一定的差距。从医院的角度来讲,这是一个最好的时代,政策逐渐放开,有众多的供应商和多种配置可以选择,可以在最短的时间缩短与国际大医院在质子放疗的差距,为国内患者提供技术先进的优质服务。例如广州泰和肿瘤医院引进瓦里安最先进的质子治疗系统,使用最前沿的笔形束扫描技术(PBS)、CBCT精确定位技术、360度旋转机架、人工智能治疗计划系统等。同时引进MDA的先进管理经验,将为国内外患者提供最优质的放疗服务。

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根据PTCOG(Particle Therapy Co-Operative Group)统计的数据,截至2018年底,全球接受离子治疗的癌症患者超过22万人,其中质子治疗为19万,每年平均增长约20%。我国仍处于质子治疗的初始阶段,增长速度将远高于20%。详情请见质子中国往期报道《2019最新全球患者数据出炉,超过22万患者接受离子治疗》。

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图8 全球质子重离子治疗量增长图


6. 总结


本文简单梳理了质子治疗在欧美等发达地区的发展历程,质子治疗可以说是物理学在放疗中最为成功的应用案例,从初始阶段的历程中也可以看到,这种方法最先由物理学家发现也不足为奇,因为只有物理学家深刻理解射线与物质的相互作用;而医疗中物理学的其他应用就更多,尤其是医学影像方面,比如最近比较热门的质子成像,后续将为大家介绍更多图像引导质子治疗(IGPT)方面的新技术,敬请期待。


参考文献

1. Tollestrup, A. V. (2000).Robert Rathbun Wilson (1914–2000). Nature, 404(6776), 350–350.doi:10.1038/35006208.

2. Williams, L. E. (2004). A Brief History of the Harvard University Cyclotrons. American Journal of Roentgenology, 183(6), 1558–1558. doi:10.2214/ajr.183.6.01831558. 

3. WILSON R. R. (1946). Radiological use of fast protons. Radiology, 47(5), 487–491. doi.org/10.1148/47.5.487.

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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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