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研究德国GSI的重离子放射治疗对脑瘤的影响

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
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  德国GSI的放射治疗
  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脑瘤的放射治疗,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。

脑瘤放疗

  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。
TAGS: 放疗 脑瘤

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