【doc】质子与重离子肿瘤治疗的进展

【doc】质子与重离子肿瘤治疗的进展 质子与重离子肿瘤治疗的进展 第22卷第1期 2005年3月 原子核物理评论 NuclearPhysicsReview VoL22,No.1 Mar.,2005 文章编号:1007—4627(2005)01—0039—05 质子与重离子肿瘤治疗的进展 李文建 (中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000) 摘要:简要介绍了质子与重离子肿瘤治疗的历史和现状.现在,全世界有质子治疗中心23家, 治疗肿瘤患者总数为39612人;重离子治疗设备有3台,治疗肿瘤患者4511人(包括He离子治 疗2054例病人). 关键词:质子;重离子;肿瘤治疗 中图分类号:Q691文献标识码:A 1引言 20世纪核技术的发展直接导致了放射医学和 核医学的诞生.现在放射治疗已成为治疗癌症的重 要手段.以x射线,射线和电子束为标志的常规 放射治疗仍是目前放疗领域的主流.但由于这些射 线进人人体的剂量随深度指数衰减的缺陷.在杀死 癌细胞的同时.周围健康组织也受到不同程度的伤 害.尽管对放射治疗设备进行了非常严密的设计 (转动射线束的方法),但癌瘤周围的正常组织和 器官仍受到照射剂量的影响.为了避免肿瘤周围的 正常组织(特别是对放射线敏感的重要组织和器 官)受到不必要的损伤,有时不得不把总剂量减 低,以致使肿瘤区得不到必要的照射剂量,因此大 大降低了肿瘤的治愈率.据统计.在所有的常规放 射治疗病人中,约有1/3病人局部肿瘤未控…;另 有,在美国每年有1O万个癌瘤病人由于局部 癌瘤未控而致治疗失败【1]. 质子和重离子与常规射线不同.它们都是重带 电粒子.具有一定能量的质子(或重离子)在物质 中具有确定的”射程”.而且它们在射程末端处的 能量损失最大.即出现所谓的Bragg峰.利用质子 (或重离子)能量损失集中于射程末端的特性.在 肿瘤治疗时,可以通过调节它们的能量使离子(质 子和重离子)停止在肿瘤的指定部位.达到对肿瘤 的最大杀伤.而在肿瘤前面离子穿过的正常组织, 受到的损伤较小,至于肿瘤后面的正常组织,因为 离子已经停在肿瘤部位.所以是不受影响的.此 外.离子的带电性决定了它们可以采用磁扫描技术 导引束流对肿瘤实行精确”适形治疗”.正是由于 质子(或重离子)的这些特点,先后在世界上诞生 了质子和重离子束治疗的先进技术. 2质子肿瘤治疗 1946年,wilS0n【2]提出质子束的医学应用的观 点.1954年.Tobias等[3]在美国加州大学Law. renceBerkeley实验室(LBL)进行了世界上第一例 质子射线治疗晚期乳腺癌病人.此后,1957年瑞 典Uppsala大学.1961年美国Harvard大学,以及 1967到1975年之间的俄罗斯3家(Dubna,Moscow 和St.Petersburg)相继开展了质子治疗病人的临床 研究.经过5O年的发展,除7家关闭外,到2004 年7月,全世界现有质子治疗中心23家(见1), 其中美国LomaHnda大学医学中心(LLUMC)治疗 病人总数位居世界首位,即9282人;其次有美国 Harvard大学治疗病人9116例;瑞士PsI(72MeV) 治疗病人4066例.建议和正在建设中的有19家 (见表2),其中包括中国3家,德国3家,美国3 家,意大利3家,瑞士,南非,奥地利,韩国,斯 收稿日期:2004.12.25 ?基金项目:国家自然科学基金重点项~l(10335050);科技部重大基础 研究前期研究专项基金资助项fl(2oo3ccBoo2oo) 作者简介:李文建(1959一),男(汉族),河北辛集人.研究员.博士生导师. 从事辐照生物学研究; E—mail:li@impcas,ac,en Berkeley Uppsala Halvard Dubna ITEP.Moscow LosAlamos St.Petersburg Berkeley Chiba TRIUMF Psl(SIN) PMRC(1),Tsukuba PSI(72MeV) Dubna Uppsala Clatterbridge LomaLinda Louvain—la—Neuve Nice Orsay IThembaLABS M啪(1) UCSF.CNL HIMAC.Chiba TRIUMF PSI(200MeV) G.S.IDarmstadt H.M.I.Berlin NCC,Kashiwa HIBMC,Hyogo PMRC(2),Tsukuba NPrc.MGH HIBMC,Hyogo INFN—LNS,Catania W_ERC Shiznoka MPRI(2) CA.USA Sweden MA.USA Russia Russia NM.USA Russia CA.USA Japan Canada Switzerland Japan Switzerland Russia Sweden England CA.USA Belgium France France SouthAfrica INUSA CAUSA Japan Canada Switzerland Germany Germany Japan Japan Japan MAUSA Japan Italy Japan Japan INUSA He P P P P P ion P 一 p P P P P P p P P P P P Cion P P Cion P P P p P Cion P P P p I957 I957 l96l l967 l969 l974 1975 1975 l979 l979 1980 1983 1984 1999 989 989 990 — 1992 — 1976 — 20o2 一 l996 — 1982 一 l992 一 l994 一 l993 — 2000 一 l993 一 l999 I.0tal 2054 73 9ll6 l24 3748 230 l145 433 145 367 503 700 4O66 191 4l8 l287 9282 21 2555 28O5 446 34 632 l796 89 166 2O5 437 27O 359 492 8oo 3O 77 14 69 2l ll0o 451l 396l2 45223 June一04 April—o4 Apr—O2 June一04 NOV—O3 Jan一04 Dec—O3 july—o4 Apal一04 Dec—O3 Dec—O3 June一04 Feb一04 DeC—O3 Dee—O3 Mar一04 DeC—O3 June一04 June一04 July—o4 July—o4 Dec—O2 June一04 DeC—O3 o4 July— July—o4 plons protons allparticles 砌龇砌撇撇姗狮 IMP.LanzhOU PSI Rinecker,Munich NCC,Seoul FPTI,U.ofFlorida nelll~LABS.SomersetWest M.D.Anders0nCancerCenter ChangAnInformation,Beijing Heidelberg CNAO,Pavia Med.AUSTRON Trento,Italy CGMH,NorthernTaiwan Bratislava Er|angen TOPprojectISSRome 3projectsinMoscow Krakow ProtonDevelopmentN.A.Inc. China Switzerland Germany KOl”ea FL,USA SouthAfrica TX,USA China Germany IIa1v AUStria Italv Taiwan Slovakia Germany Italy Russia Pl01and ILUsA p,C.i.n2005C—ionfrom100MeV/uandP(120MeV)atHIRFL;clin?treat;bi 01? research;nogantry;scanningbeams. p p p p p p p P,ion P,Cion P,Ion p p P,ion p p p p p 2oo4 2005 2005 2oo6 2oo6 2oo6 2oo6 2007 2o07 20077 20087 Additionofa250MeVcyclotron,2ndgantry,new1fixed 4gantries,1fixedbeam.250MeV,scanningbeams? 230MeVcyclotron,2gantries,2honz,1exphonz. 230MeVcyclotron.3gantries,1fixed. 230MeV.1gantry,honz.+30.beams,1horz.+15.beams 250MeVsynchrotron;3gantries;1fix(2beams)+1exprooms 235MeVCyclotron,underconstruction. 1gantry;2fixedbeam;p/carbon;int.contr.Rasterscfla~l Synchrotron4OOMeV/u.3horiz,1verticalbeam Pgantry;1iongantry;1fixedPwith2lines;1exproom cyclotron;1gantry;1fixed 250MeVsynchrotron/230MeVcyclotron;3gantry,1fixed 72MeVcyclotron;P;ions;+BNCT,isotprod. 4treatmentro0rn8.80mewithgantries 70MeVlinac;expandto200MeV? Including320MeV;compact,probablynogantry 60MeVprotonbeam 300MeVprotons:therapy&lithography 洛伐克,波兰,俄罗斯各1家.目前在世界范围 内.正在加快质子治疗中心建设和发展,接受质子 治疗的患者也越来越多(图1).以瑞士PSI质子治 疗病人近17年的经历为例(图2),获得了质子治 疗病人的较好成绩.图2表明PSI的质子治疗病人 肿瘤复发率为9/1518,39/1122和32rec/323pat, 对应8年,13年和17年的病人存活分别在98%, 94%和87%以E. 图1离子治疗患者的趋势 重离子包含He离子治疗2054例病人 Loca1tumorCOlltl’01 图2瑞士PSI(72MeV)质子治疗病人的经历 rec代表复发,pat代表病人. 3重离子肿瘤治疗 重离子与质子比较.不造和治癌基 础及临床应用研究,使得重离子束治癌成为放射治 疗领域的前沿性研究热点. 重离子束治癌的先驱性研究起源于美国的 LBL.LBL于1975年利用其高能同步重离子加速 器BEVALAC开始进行重离子束放射治疗临床试 验.截止1992年6月已收治各种难治癌症患者 2487人.其中用He离子束治疗的有2054人,用 C和..Ne等重离子束治疗的患者约有433人(见表 1).尽管当时的束流配送系统及治疗计划系统并 不完善.但对于选定的肿瘤,肿瘤局部控制率较 X,和电子束等治疗提高了2__3倍,取得了很高 的肿瘤治愈率,较常规放疗的疗效等有明显优越 性.LBL对先前接受重离子束治疗的肿瘤患者晚期 效应的跟踪和临床治疗评价等研究仍在继续.由于 近些年来受诸如13本和德国的重离子束临床治疗疗 效的激励,美国又重新对重离子束治癌研究唤起了 极大的兴趣. 13本政府于1984年发起了一项称为”对癌症 控制10年战略”的宏大计划,作为该计划的一个 很重要部分.并于1993年在国立放射医学综合研 究所(NIRS)建成了一台重离子医用加速器 (HIMAC),专门用于重离子束治癌及放射医学研 究.HIMAC治疗装置主要包括束流配送和辐照系 统,病人定位系统和治疗系统.其离子束种类 是He—_加Ar,束流强度为10,10mions/s.最大 能量可达800MeV/u,剂量率控制在5Gy/min左 右.束流配送系统采用摆动磁铁横向扩展束流并配 合多叶准直器的方式来实现适形治疗.1994年6 月2113,第一批病人在HIMAC接受了碳离子束治 疗,到2004年2月已治疗肿瘤患者1796例(见表 1),其中包括头颈部肿瘤,脑瘤,肺癌,肝癌, 前列腺癌,宫颈癌,食道癌和软组织肉瘤等.对于 头颈部肿瘤,取得了3年局部肿瘤控制率大于 61%的临床结果;对于颅底瘤,3年局部控制率大 于92%;对于肺及肝癌,3年局部控制率大于 72%;对于前列腺癌,3年局部控制率为100%. 就总体治疗而言,在没有明显并发症的前提下.都 取得了良好的疗效,3年局部控制率大于67%.由 于在NIRS利用碳离子束治癌临床试验取得了极大 成功.13本政府已于2003年11月接受并承认重离 子束治癌是一种高度先进的医疗系统,正式启动第 二个”对癌症控制10年战略”,计划在全13本兴 建50个重离子束治疗中心,使13本国民受益于重 离子束治癌.目前用于今后这些治疗中心的紧凑型 加速器及治疗设备已经开始在NIRS进行设计.与 NIRS开展碳离子束治癌临床试验取得巨大成功的 同时.13本已于1996年在兵库(Hyogo)开始兴建 另一个专门用于治癌的带电粒子治癌装置 (PATRO).提供230MeV的质子,230MeV/u的 氦离子和320MeV/u的碳离子,装置已于2000年 建成.中心设有5O个床位.2002年该装置利用碳 离子束治疗患者30例(见表1). 在欧洲.重离子束治癌装置HITAG已于1996 年在德国重离子研究中心(GSI)建成.GSI借鉴了 美国LBL的..Ne离子束及13本NIRS的C离子束 的治疗特点和治疗经验,开发和应用了先进的栅网 扫描束流配送系统和正电子发射断层术(PET)治疗 质量保证两大技术手段.达到了重离子束调强放射 治疗和束流实时在线监控.1997年12月13日, GSI开始用高能碳离子束治疗了两例颅底瘤患者 (见表1).治疗后三个月的跟踪研究表明颅底瘤基 本消失.到2004年3月.GSI共收治头颈部肿瘤 患者205例(见表1),总体疗效非常显着.在2002 年,由于GSI对两种脑癌各治疗的5O个病例两年 局部控制率达到了100%.因此得到德国政府有关 部门颁发的对这两种癌症重离子临床治疗的许可 证.使得重离子束对颅底脊索瘤和粒状肉瘤的治疗 在德国治疗成为例程治疗.到2004年.GSI重离 子束对颅底瘤治疗显示的临床结果为:4年局部控 制率大于67%和4年总的存活率大于76%,且没 有发现明显的治疗晚期毒副作用.治疗成绩令人鼓 舞.现在GSI联合德国癌症研究中心(DKFZ)得到 德国政府的批准并投资1.417亿马克.在德国海得 堡建造一台专用于治癌的离子束加速器.2002年5 月正式动工,于2006年建成投入使用(见表2). 除德国外,意大利于1996年联合瑞士的西欧核子 中心(CERN),奥地利(Med—AUSTRON)和捷克等 国家启动了一项用于治癌的最优化同步加速器的研 究(PIMMS),2000年该项研究结束并发布了设计 的医用轻离子加速器的技术报告.2002年底意大 第1期李文建:质子与重离子肿瘤治疗的进展 利政府批准在米兰南部的Pave建立国家强子治疗 中心.离子束治癌是其中一个很重要组成部分.该 中心主要致力于碳离子束治疗的研究.计划建造4 个治疗室.3个水平治疗室和一个垂直治疗室,预 计2007年开始接受患者治疗(见表2).除此之外, 借助PIMMS研究.奥地利的Med—AUSTRON重离 子束治癌项目也已完成前期设计,处于筹备资金立 项阶段.法国里昂的ClaudeBernard大学也在 PIMMS的基础上完成了在法国实现重离子束治癌 的方案(ETOILE).各项准备工作已就绪,正在等 待最后的政府批准立项.瑞典首都斯德哥尔摩着名 的卡洛林斯卡(Karolinska)医院也利用PIMMS研究 方案,提出了他们自己的重离子束治癌计划.包括 德国海德堡重离子束治癌在内的上述5个欧洲重离 子束治癌中心成立了欧洲放射治疗学会(ESTRO), 该学会与欧洲癌症研究机构(EORTC).CERN和 GSI形成欧洲轻离子治疗网.这个网络的存在极大 参考文献: [1]蔡伟民.重离子束治疗癌症的优越性,第145次”重离子束 治癌”香山科学会议.北京.2000.18. [2]WilsonRR.Radiology,1946.47:487. [3]TobiasCA,RobertJE.LawrenceJH,et口f.PeacefulUsesAt Energy,1956,10:95. [4]李文建,周光明,王菊芳等.原子核物理评论.2003.20 (1):42. 地促进了欧洲重离子束治癌研究迅猛前进. 在我国.中国科学院近代物理研究所基于兰州 重离子研究装置(HIRFL)提供的中能重离子束,在 国家”重离子治癌技术的研究”攀登计划项目,科 技部重大基础研究专项”重离子治癌的前期研究”, 国家基金委重点课题”加速器射线束治疗癌症中的 若干重要物理问题的研究”等项目的支持下,持续 了l0多年的工作.为重离子束临床治癌积累了重 要的基础数据[4--7].目前,该所正在研制”基于 HIRFL—SSC的重离子浅层治癌辐照装置”.通过 l年的浅层肿瘤治疗.积累临床治疗经验.实 现重离子束治癌的第一步目标.2005年兰州重离 子加速器冷却储存环(HIRFL—CSR)建成后,在具 备提供高能离子束流的条件下,增建治癌终端.实 现”重离子束全体位治癌”的第二步目标.真正 使我国重离子束治癌跻身国际先进行列. [5]李文建,郭红云,李德杏等.原子核物理评论,2003,20 (4):281. [6]周光明,李文建,高清祥等.原子核物理评论,2003.20 (1):52. [7]李文建,周光明,王菊芳等,高能物理与核物理,2002.26 (7):742. Progressofq[~tlnlorTherapywithProtonsandHeavyIons LIWen-jian (InstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China) Abstract:Thecurrcntstatus.fturn.rtherapywithprot.nsandheav)ri.nsfrominthew.rldisbriefl ypresented. Thereare23centcrsand39612paticntswithprotontherapy, 3facilitiesand4511paticntswithheav)ri.ntherapy including2054patientsbyHeion. Keywords:proton;heavyion;tumortherapy F.岫da 廿.nitem:KeyProjectofNati.na1NaturalScienceFoundationofChina(10335050);Dedicaect0fNati.nalKeyB皓icR e— searchofScienceandTechnologyMinistryofChina(2003CCB00200)