质子治疗设备小型化与非主辐射 / 开普饭

近几年，为降低投资成本和治疗费用，质子治疗设备小型化已经是行业发展趋势，更多关于质子治疗设备小型化发展的信息请见质子中国往期报道《技术进步能否降低质子治疗成本(一)：缩小旋转机架体积》、《技术进步能否降低质子治疗成本(二)：缩小加速器体积》、《技术进步能否降低质子治疗费用(三)：新型加速器的探索》、《技术进步能否降低质子治疗成本(四)：提高治疗效率和改进设施结构》。龙头企业IBA和Varian分别推出了自己的小型化产品，市场反响不错。2012年获批的小型单室系统Mevion S250^®及后来的S250i^®则成为行业爆款。Hitachi和ProTom也推出了基于同步加速器的单室系统。本文将讨论质子治疗设备小型化过程中应当考虑的因素，并重点讨论国内并不太关注的非主辐射所带来的影响。

小型化质子设备概览

IBA的Proteus^®ONE，超导回旋加速器，占地约400 m²；详情请见质子中国往期报道《IBA Proteus®ONE质子治疗设备在日本获得许可》、《IBA 新一代Proteus®ONE加速器获得欧洲CE认证》、《IBA将为中核资源安装紧凑型单室质子治疗系统，预计2021年治疗患者》。

Varian的ProBeam^®360°，超导回旋加速器，占地约400 m²；详情请见质子中国往期报道《Varian Medical Systems的ProBeam质子治疗系统获得欧洲CE认证》、《FlashForward联盟在ASTRO成立，专注于超高剂量率质子治疗研究》。

Mevion的S250(i)^®，超导同步回旋加速器，占地约200 m²；详情请见质子中国往期报道《MEVION S250i质子治疗系统获得CE认证，第一台设备将位于荷兰质子中心》、《Mevion公司HYPERSCAN笔形束扫描设备获FDA 510(K)许可》。

Hitachi的单室系统，同步加速器，主环5.1 m，总占地约200 m²；详情请见质子中国往期报道《日立质子治疗设备简介》。

主屏蔽体

IBA和Varian的小型质子系统仍需要比较厚的屏蔽体，尤其是加速器和治疗室之间需要有2~4 m厚的混凝土。这是由于回旋加速器为固定出束能量，需要能量选择系统来降低能量以治疗浅层肿瘤。选能系统传输效率极低，但很少有公开文献讨论过选能器效率问题。IBA的选能系统的主要部件降能器结构如下[1]：

其主要结构1用石墨制成，要得到能量越低的质子需要束流穿过越厚的石墨，本文用FLUKA模拟了一个简化的能选系统，降能器是一个楔形的石墨块，后面是一个狭缝，Bpm1和Bpm2分别放置在降能器前后，Bpm3放在狭缝后，Bpm用来探测质子数。

模拟的能选系统效率如下表，75 MeV的传输效率仅为3.81%，即加速器出来的质子有90%以上都将损失在能选系统上，从而产生大量中子。为屏蔽这些高能中子，选能器周围需要很厚的混凝土，按国内严苛的标准，有的则需要5~6 m的厚度。因而国内采用IBA或Varian的单室系统就这方面来说并不划算。

虽然Mevion用的同步回旋加速器，从原理上来说，加速器引出来的仍是固定能量束流，但这套系统并没有复杂的能选系统。加速器和治疗室在一个空间中，之间并没有屏蔽体隔开。那么Mevion的工程师是如何解决这个问题的，下一节将讨论。

对于同步加速器而言，引出质子的能量可以根据治疗计划调节，无需选能系统，因此可以做的更加轻量化。下图是Hitachi的加速器工作序列，每个循环中还可以追踪运动肿瘤进行引出，效率相当高。MD安德森癌症中心(MDA)一直采用日立的机器并进一步合作开发新技术，不得不佩服MDA的独到眼光。

Mevion和Hitachi单室系统加速器和治疗仓同处一室，跟现在普及的直加机器格局类似，这种设计是否安全？这就需要从非主辐射的角度考虑，下一节将回答这个问题。

非主辐射

关于非主辐射，国际标准IEC60601-2-64中有详细规定[2]。质子系统除了把处方剂量需要的质子输送到肿瘤部位，这个过程中还会有漏射线和各种二次射线，比如治疗头产生的中子和伽马射线，这些统称为非主辐射剂量。IEC60601-2-64中规定，在病人平面上，在离辐照场15 cm的束轴外侧，离辐照场不到50 cm的地方，所有非主辐射类型的最大吸收剂量不应超过将在等中心提供的处方剂量的0.5%。在离照射场50 cm远、离照射场200 cm远的病人平面上，所有非主辐射类型的最大吸收剂量不应超过将在等中心提供的处方剂量的0.1%。这个比例叫做非主辐射比。

非主辐射剂量和处方剂量的比值还可以定义为H/D(mSv/Gy))值，H/D越低，说明系统设计对病人越安全友好，是比较“干净”的质子系统。非主辐射比和H/D值是等价的。接上一节Mevion的问题，实际上它的选能器在扫描治疗头后面，称作Fast Energy Modulaiton，由于这个部件就在病人的前方，其材料选择至关重要，既要充当降能器的作用，同时中子产额必须低，还不能太厚，不然H/D会超过标准。

实测数据表明Mevion S250^®的1 m范围的非主辐射比能够满足IEC标准要求[3]，最高的约0.5 mSv/Gy，换算成非主辐射比为0.05%，小于IEC要求的0.1%。这个结果跟大多数人的直观想象相反，但这是实验结果，无可辩驳。

文献[4]也详细讨论了同步加速器的情况，15 cm处的非主辐射比才0.27%，是IEC标准的一半左右。因此同步的机器和患者之前不需要屏蔽体，可以做的很“干净”，更轻量化。

下表对比了不同研究结果的H/D，主要是同步加速器和同步回旋加速器的。都能满足IEC的要求。

进一步计算表明，即便在加速器和病人之间没有屏蔽体，跟其他几种带屏蔽体的情况相比，患者周围的非主辐射比变化并不大。

总结

质子治疗设备小型化是未来行业发展趋势，屏蔽系统的轻量化至关重要。回旋加速器的顽疾在于降能器系统会产生大量中子，因此屏蔽体较厚。而同步加速器可以实现按需要的能量引出，效率高，几乎无污染，是比较“干净”的系统，因为可以没有中间屏蔽体，可以更加轻量化。Mevion的小加速器和患者同处一室，其精巧的设计能够保证满足IEC关于非主辐射的苛刻要求。然而国内质子系统的设计鲜有关于非主辐射的讨论，希望此篇文章能引起大家的注意，尤其是设计者们，要为系统最终用户患者的安全多做考量。(质子中国编辑报道)

参考文献
[1] US Patent No.US6433336B1.

[2] IEC 60601-2-64. Medical electrical equipment– Part264: Particular requirements for the basic safety and essential performance of light ion beam medical electrical equipment.

[3] Michael T. Prusator, Salahuddin Ahmad, Yong Chen.Shielding verification and neutron dose evaluation of the Mevion S250 protontherapy unit. J Appl Clin Med Phys. 19, 305–310. DOI: 10.1002/acm2.12256.

[4] Wang, J., Cruz, L.A., Wu, Q. et al. Radiation shielding design of a compact single-room proton therapy based on synchrotron. NUCL SCI TECH 31, 1 (2020). Doi：10.1007/s41365-019-0712-1.

质子治疗设备小型化与非主辐射

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