1. 質子治療的基本原理
質子是帶正電的氫粒子，與電子的電荷相同，但其質量遠大于電子，約為電子的1836倍。質子和許多其他粒子一樣，進入人體后會因電離而逐漸失去能量。但質子與其他粒子進入人體后的能量損失過程和劑量分布曲線卻有很大不同。下圖顯示了不同射線粒子在人體內的能量損失和劑量分布。橫坐標是進入人體的深度，縱坐標是相對劑量值。曲線A對應于質子，曲線B對應于20MeV電子，曲線C對應于60鈷伽馬射線。這三種是放射治療中最常用的粒子流。
從上圖可以看出，用60鈷照射時，劑量隨著深度而減小，這給治療帶來了兩個嚴重的問題。首先，對于較深的腫瘤，前面的正常細胞將比腫瘤處的細胞接受更大劑量的輻射。其次，腫瘤背面的正常細胞將不可避免地受到更大輻射的損害。這兩個問題在用電子照射時也存在，但比60鈷伽馬射線和X射線的危害要小。
代表質子的曲線A具有以下特點：緩慢上升一段時間后，迅速達到峰值，然后迅速下降。該劑量峰稱為布拉格峰。對于非常小的腫瘤，只要布拉格峰與之對齊，腫瘤就能接受最大劑量值。對于較大的腫瘤，可以調節質子能量以將布拉格峰展寬至相當于治療前腫瘤厚度的水平。腫瘤前的正常細胞只受到相對較小的劑量值，同樣的治療方法所受到的損傷低于60鈷和電子治療的水平，而腫瘤后的正常細胞則基本不受傷害。
2、質子治療裝置的組成
(1)質子加速器
利用直流高壓電場加速的加速器能量低，利用感應渦流電場加速的加速器只能加速電子。質子治療需要更高能量的質子，只能通過高頻諧振加速器獲得。一般來說，要使質子束治療深度為30cm至315cm的腫瘤，需要70°質子加速器。
質子加速器的基本類型如下：
1) 同步加速器
2）回旋加速器
3）同步回旋加速器
4）直線加速器。
這些加速器哪一個更好一直存在爭議。回旋加速器最大的優點是操作方便，但由于不具備能量可調性，需要額外的能量選擇系統，且其束流質量不如其他兩類加速器。同步加速器的優點是輸出能量可調，無需配置能量選擇系統。但操作較復雜，占地面積大。直線加速器還可以實現輸出能量可調，并且其光束質量特別優異。
(2)能源選擇系統
質子治療時，必須根據腫瘤本身的深度和厚度使用不同能量的質子。回旋加速器誘發的質子流的能量是固定的，因此加速器和治療頭之間必須有能量選擇系統。該系統由能量減少器和離子光學中使用的各種磁鐵和測量元件組成。當質子穿過石墨層時，石墨厚度越大，能量減少越大。因此留學之路，可以使用不同的厚度來獲得不同的能量減少。當從加速器引出的固定能量質子進入能量選擇系統時，通過調節減能器的不同厚度，可以在輸出端獲得從70 MeV到連續可調的不同能量的質子流。
(3)運梁系統及旋轉架
束流傳輸系統的任務是將加速器產生的質子束傳輸到患者的治療部位附近。四極磁體、偏轉磁體、導向磁體、束流測量設備和真空設備沿束流傳輸管道放置。四極磁鐵的作用是聚焦質子束。偏轉磁鐵的任務是改變光束的方向。引導磁鐵的任務是糾正系統安裝時引起的質子束的偏差。
患者通常需要很長時間才能在治療室中定位自己。為了充分利用加速束，質子治療裝置通常配備多個治療室，每個治療室的照射時間相互錯開。治療室分為固定束治療室和旋轉束治療室。旋轉束治療室配有旋轉架，可以圍繞躺著的患者旋轉，使質子束從不同方向照射目標區域。
從加速器引出的質子束首先進入主束線，然后根據需要轉移到不同的支束線進入治療室。在主束線和支束線的交匯處安裝偏轉磁鐵，以改變束流方向。這種偏轉磁鐵也稱為切換磁鐵。
(4)治療頭及定位對位系統
為了將來自加速器的束流擴展為更大且均勻的質子流以覆蓋腫瘤的所有側面區域，需要束流分配系統。為了使質子流形成可照射腫瘤整個縱向深度的擴展布拉格峰，需要束流能量調制器。所有這些專門的功能部件，總共有十多種，都安裝在治療頭上。例如：
① 能量還原劑：用于顯著降低質子能量。常用的減能器是石墨圓筒，外加不銹鋼外殼保護。
②旋轉調制器：用于質子束的距離調制。
③ 二元能量調制器：用于范圍的微調。
④ 范圍補償器：確保擴展布拉格峰的后邊緣恰好落在目標區域的后邊界上。
⑤ 散射系統：目前應用最廣泛的擴束系統，單散射系統僅適用于較小的照明場，雙散射系統應用較多。
⑥準直器：用于限制照射野，通常配備射程監視器來監測質子射程。
⑦定位系統：用于將質子束精確輻射到腫瘤病灶。
(5)其他系統
①劑量驗證系統：為了保證治療過程中質子治療的實際劑量參數符合規定的治療要求，同時保證安全性和有效性，必須安裝劑量驗證系統，實時監測治療劑量。
②治療計劃系統：本質上是質子治療專用的軟件。醫生使用該軟件根據患者的相關診斷信息制定患者的治療計劃并確定設備運行參數。
③治療控制系統：質子治療系統中獨立完成特定功能的各設備相互連接，利用專用應用軟件使所有設備根據治療要求協調工作。
④治療安全系統：用于保證患者和醫護人員不受到輻射傷害。
3.質子器件的發展歷史
1、1946年至1980年研究開發階段
非常有趣的是，第一個提出質子治療的人并不是醫生，而是參加曼哈頓計劃的美國物理學家：羅伯特·里斯本·威爾遜（ ，1914~2000）。他是第一個提出質子治療的人。科學家 - 使用質子束治療癌癥 [1]。
圖 1 羅伯特·里斯本·威爾遜
第二次世界大戰后，威爾遜被任命為哈佛大學副教授，但 1946 年的大部分時間都在伯克利為哈佛大學設計一臺新的 150 MeV 回旋加速器，以取代戰爭期間轉移到洛斯阿拉莫斯的回旋加速器。的回旋加速器。威爾遜發現 150 MeV 回旋加速器產生的高能質子可用于粒子治療 [2]。
圖2 150 MeV回旋加速器
同年回旋加速器的工作原理，根據他在伯克利提出的想法，他在醫學雜志《放射學》上發表了一篇題為“快質子的放射學應用”的文章。這項研究首次提出使用質子束治療癌癥[3]。主要有兩點：
質子布拉格峰的天然物理優勢可以實現定向“爆破”，射程結束后的劑量幾乎等于零；單一能量的質子流在相同范圍（深度）內傳遞最大劑量值，針對不同深度的腫瘤可采用不同的治療方法。能量質子用于輻照治療。具有固定深度的腫瘤可以用單一能量質子照射多次。
文章中單個質子的布拉格峰，虛線表示單個 140 MeV 質子的相對劑量。完整的曲線定性地顯示了組織中 140 MeV 質子束的深度劑量分布。
圖3 文章中單個質子和質子束的深度劑量曲線
1.1
質子治療的首次探索
1950年至1960年，質子治療還處于實驗階段，美國、歐洲和蘇聯的大型研究機構都在進行研究。這一時期使用的是非專用質子加速器，如加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室和哈佛大學的回旋加速器。加速器實驗室、瑞典烏普薩拉大學研究所、蘇聯莫斯科理論與實驗物理研究所、蘇聯舍布納聯合核研究所。
此階段的顯著里程碑包括：
1.2
質子治療專用加速器
癌癥離子療法始于 20 世紀 70 年代中期，伯克利大學和哈佛大學開始研究。當這一過程產生預期結果時，包括日本在內的發達國家越來越需要開發專用加速器，而不是與核研究小組共享加速器。第一批專用加速器是美國洛馬琳達大學實施的質子治療系統和日本國立放射線科學研究所（NIRS）的千葉重離子醫療加速器（HIMAC）。
哈佛大學打算在 20 世紀 80 年代開發一種用于質子治療的專用加速器，但這一里程碑是在南加州的洛馬琳達大學首先實現的。 1985年，洛馬琳達大學醫學院放射醫學系主任James M.委托費米實驗室開發適合醫院使用的小型質子加速器。在已退休的威爾遜主任的鼓勵下，費米實驗室開發了一種能夠將質子束加速到 250 MeV 的同步加速器，并將其安裝在洛馬琳達大學。
與以前使用固定光束的系統相比，該系統由一個旋轉龍門組成，可以從任何方向照射人體的所有部位。自該系統開發以來，旋轉機架已成為質子治療系統的標準功能。 1990年底，洛馬林達大學的質子治療系統開始用于治療患者，25年間共治療了18,362名患者（是世界上任何離子治療設備治療患者數量最多的）。直到今天，該系統仍在運行，治療記錄每天繼續更新。
圖4 費米實驗室為洛馬琳達大學開發的質子治療專用同步加速器
此階段的顯著里程碑包括：
2、1980-2000年應用發展階段
質子治療技術已進入應用和蓬勃發展階段十余年。本階段的主要任務是在研究探索階段取得的成熟質子治療工作的基礎上，擴大應用規模，服務于社會廣大患者。這一階段的主要特點如下：
大多數機構開始考慮建設專用質子治療設備和專用質子治療醫院；他們關注社會醫療效果，擴大質子治療在癌癥患者治療中的優越作用和社會影響；經濟影響尚未提上議程，至少在建設開始時是這樣。建設專用質子治療裝置時，并不期望建設投資能在建成后幾年內收回；金融界和企業界對于單獨投資仍猶豫不決，該裝置的建設資金必須依靠政府和社會慈善團體。部分債券已用于籌集部分建設資金。因此，它已初步具備了市場經濟的一些商業特征。
20世紀80年代末和90年代初，世界各地啟動了一些質子治療項目，如1984年瑞士PSI研究所、1989年英國研究所、1991年法國奧賽研究所等。
特別是在瑞士PSI研究所，從使用72 MeV離子束治療眼部黑色素瘤開始，到1996年后使用200 MeV離子束，許多質子治療技術和治療方案得到了開發和應用。
2001 年，麻省總醫院 (MGH) 將 (HCL) 項目轉移到其主院區。當購買設備時，質子治療仍然被認為主要是實驗性的，是研究工作的一部分。事實上，該建設項目的部分資金是由國家癌癥研究所資助的。出售給麻省總醫院的商用設備引起了不同公司提供質子治療解決方案的興趣，也引起了各大醫院購買質子治療設備的興趣。此后，許多其他醫院也引進了質子治療系統。
此階段的顯著里程碑包括：
圖5 IBA的多室系統
3、2000-2012年推廣及市場開拓階段
經過幾十年的積累和發展，質子技術和設備已逐漸脫離研究機構，建立為商業公司。隨著需求的增加，商業質子系統已經成熟，有能力的腫瘤醫院已經購買了多房間系統。與此同時，更多的商業質子系統供應商涌現：IBA、、、、、等，醫院可以有更多的選擇，新技術在逐漸刺激的競爭環境中不斷發展。
這一階段的主要特點如下：
越來越多的財團、商界、機構、團體表示愿意投資建設質子治療專用治療系統；在國際、國內低息政策下，質子治療專用項目制造投資的投資回收期不再長于其他項目的投資。 ;質子治療儀本身就是一個高科技項目，而21世紀是一個高科技世紀，與高科技項目相關的股票前景看好，因此金融界和企業界都有很強的投資意愿；除了上述經濟效應外，質子治療項目還具有巨大的社會效應，很容易得到社會各界的支持，可以實現社會效益和經濟效益的雙豐收。
此階段的顯著里程碑包括：
圖6 PBS技術
4、2012年后新的技術改造階段
現階段，商用質子系統已經非常成熟。與此同時，新技術不斷涌現，質子治療正在穩步走向精準治療。為了減少投資和患者費用，小型質子治療系統從這個時期開始流行。
這一階段的主要特點如下：
許多大型醫院都安裝了多病房系統；歐美發達經濟體市場趨于飽和；質子治療系統的小型化和緊湊型技術正在興起；患者治療費用不斷下降，質子治療技術逐漸受到大眾歡迎； FLASH 和大分割治療等技術正在興起；圖像引導自適應質子治療的研究開始。
下圖是IBA基于瞬發伽馬的圖像（劑量）引導質子治療示意圖：
此階段的顯著里程碑包括：
圖7 緊湊型質子系統
5、國內發展
從技術發展來看，我國還處于主要研究機構專用設備研發階段，如上海應用物理研究所、蘭州近代物理研究所、原子能研究所等。 ，一些商業化的質子廠商也隨之涌現。如合肥中科離子醫療技術設備有限公司，但整體技術成熟度和穩定性仍遠遠落后于國際老牌供應商。從醫院的角度來看，這是最好的時代。政策逐步放開。有許多供應商和多種配置可供選擇。能夠在最短時間內縮短與國際大醫院質子放療的差距，為國內患者提供技術先進、優質的服務。
據PTCOG（Co-Group）統計，截至2018年底，全球有超過22萬名癌癥患者接受離子治療，其中質子治療19萬名，年均增長率約為20%。我國質子治療尚處于起步階段，增速將遠高于20%。詳情請見質子中國此前報告《2019年全球最新患者數據發布，超過22萬患者接受離子治療》。
圖8 全球質子重離子治療量增長圖
4.適應癥說明
理想的放療的必要條件是殺死腫瘤內的所有癌細胞，不傷害患者的正常細胞，并且沒有復發的后遺癥。從綜合醫學和經濟的角度來看，質子和重離子雖然是先進的治療粒子，但還不是理想的粒子。質子和重離子治療也有其特定的醫療范圍。如果遵循“只要對腫瘤進行照射的劑量足夠大回旋加速器的工作原理，足以殺死癌細胞，而腫瘤周圍的正常細胞則盡量少受照射，以盡量減少副作用”的原則，只要放療嚴格按照質量標準執行，令人滿意。對于這種情況，還有30%的局部腫瘤常規治療無法找到可以控制的劑量值。這需要用質子和重離子處理。
1、質子、重離子適用于治療靠近敏感器官、無法手術或X射線、電子治療難以實現局部控制的腫瘤。
2.常規放療可以治愈，但副作用難以消除且復發率高的腫瘤，如前列腺。
3、對于大量兒童患者來說，由于正常組織正處于發育階段，一旦受到放療損傷，就會出現畸形、殘疾、發育停滯等嚴重后果。
4.許多形狀不規則的腫瘤即使使用調強X射線也需要耗時且費力的治療。
5.對于X射線、電子束甚至質子難以治療的耐藥性和缺氧腫瘤，只能使用重離子。
參考
王金龍，質子治療發展簡史，《質子中國》