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質子治療

在醫療領域，質子治療或質子放療是一種粒子治療​（日語），它使用質子束來照射病變組織，最常見的是治療癌症。與其他類型的體外放射療法（如放射療法或光子療法）相比，質子療法的主要優勢在於質子的劑量沉積在一個狹窄的深度範圍內，從而實現對附近健康組織的進入、退出或散射輻射劑量最小化。 在評估是用光子還是質子治療腫瘤時，如果必須向目標組織提供較高的輻射劑量，同時明顯減少對附近危險器官的輻射，醫生可能會建議質子治療。 美國放射腫瘤學會質子束治療指南指出，如果為了盡可能不傷及周圍正常組織，同時"以光子為基礎的放射治療不能充分施展[1]"，並且判定患者能因此獲益，那麼向病人建議質子治療是合理的。與光子放射治療一樣，質子治療通常與手術和/或化療一起使用，以最有效地治療癌症。

在明尼蘇達州羅徹斯特梅奧診所的質子治療設備

描述

 
在質子治療的典型治療方案中，布拉格擴散峰曲線（SOBP，藍色虛線）顯示了輻射的分布情況。SOBP是不同能量的質子各自的布拉格峰（藍色細線）相互疊加的結果。請注意，絕大部分的質子輻射被送到腫瘤上，而不是送到腫瘤前面的皮膚和淺層組織或腫瘤後面的深層組織上。紅線顯示的是X射線束（光子或傳統放射治療）的深度-劑量圖，以供比較。粉紅色的區域代表了為了達到相同的放射強度，傳統的X射線治療在腫瘤的前方和後方所需要達到的額外放射劑量，這些過量的輻射增加了相應區域尤其是皮膚區域的放療相關繼發性腫瘤風險。[2]

質子治療是一種使用電離輻射的體外放射治療。在質子治療中，醫務人員使用粒子加速器，用一束質子瞄準腫瘤。這些帶電粒子會損害細胞的DNA，從而阻止腫瘤細胞的正常複製，藉此消除腫瘤。癌細胞對DNA損傷特別敏感，因為它們的分裂速度快，而且修復DNA損傷的能力先天不足。一些在DNA修複方面有特殊缺陷的癌症甚至可能對質子輻射更敏感。

質子治療為醫生提供了提供高度塑形光束的能力，即提供符合腫瘤形狀和深度的輻射，而不影響周圍大部分正常組織。例如，當質子治療與最先進的光子治療類型——強度調控放射治療（IMRT）和體積弧形放射治療（VMAT）相比較時，質子治療可以向腫瘤提供類似或更高的輻射劑量，而身體總輻射劑量降低50%至60%。

質子有能力集中能量傳輸，以符合腫瘤的形狀，只向周圍組織提供低劑量的輻射。因此，病人的副作用較少。所有給定能量的質子都有一定的穿透範圍；很少有質子穿透到這個距離之外。此外，只有在粒子的最後幾毫米範圍內，輸送到組織的劑量才是最大的；這個最大值被稱為布拉格擴散峰（SOBP），或擴展射束、高劑量擴散平原區。（見圖）[3] 。

為了治療更大深度的腫瘤，質子加速器必須產生具有更高能量的光束，通常以MeV（兆電子伏特）為單位。用於質子治療的加速器通常產生能量在70至250MeV之間的質子。在治療過程中調整質子能量可以使質子束在腫瘤內造成的細胞損傷最大化。比腫瘤更靠近身體表面的組織接受的輻射減少，因此損害也減少。身體深處的組織收到的質子非常少，所受輻射劑量甚至可以忽略不計。[4]

不同能量的質子所能達到的深度不同。需要注意的是，儘管腫瘤背部（或比其深）的組織幾乎沒有受到質子治療的輻射，但腫瘤前面（比其淺）的組織受到相當強烈的輻射，強度甚至能達到目標治療劑量的60%，具體參見SOBP曲線。

設備

目前大多數投入使用的質子治療系統使用等速回旋加速器產生質子。[5][6]回旋加速器被認為操作簡單、可靠，而且可以做得很緊湊，特別是使用超導磁鐵。[7] 也可以使用同步加速器，其優點是在不同的能量下更容易生產[7][8]。隨著尺寸和成本的限制得到解決，用於光子放射治療的直線加速器也開始商業化。[9]現代質子系統包括用於日常評估腫瘤輪廓的高質量成像，演示三維劑量分布的治療計劃軟體，以及各種系統配置，例如，多個治療室連接到一台粒子加速器。得益於技術進步和不斷增加的質子治療臨床實踐，越來越多的醫院開始提供提供質子治療。

FLASH放射治療技術是一種正在開發的光子和質子治療技術，利用超高的放射劑量(≥40 Gy/s)對腫瘤進行超瞬時的輻照，可在微秒(μs)級到數百毫秒(ms)內完成照射，同時進一步減少對周圍正常組織的傷害。

副作用和風險

質子療法是一種從外部照射粒子束的放射治療，與其它形式的輻射療法有類似的副作用。與X-射線療法治療相比，其輻照深度更可控，對腫瘤背部的正常組織影響相對較小。歷經40多年的使用，質子治療在技術層面已經完全成熟。但不論是質子還是X射線治療，其與腫瘤和正常組織如何相互作用，目前仍有待釐清。

治療中心

 
在法國奧賽的質子治療中心，同步回旋加速器的控制面板

在2017年四月，全世界有超過74個粒子治療設施，至少42個仍在建設中。[10]在2015年年底，超過154,203患者已經被治癒。[11]

一個普遍使用質子作為癌症治療的阻礙在於回旋加速器或同步加速器等裝備的尺寸和費用。 幾個工業化的團隊正在努力發展更小的加速器系統，為患者提供更優質的治療。[12] 有關的技術例如 超導 同步迴旋加速器 (也稱為FM回旋加速器)、超小型的同步加速器， 電介質壁促進劑, 和 線性粒子加速器等。

質子治療中心 (部分清單)
地點 國家 最高能量 (MeV) 首例治療的年份 機構
溫哥華   加拿大 74 1995 TRIUMF[13]
利物浦   英國 62 1989 Clatterbridge Cancer Centre NHS Foundation Trust, low-energy for ocular[14]
海德堡   德國 230 2009 Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) Heidelberg
埃森   德國 230 2013 Westdeutsches Protonentherapiezentrum Essen
柏林   德國 72 1998 Helmholtz-Zentrum Berlin in Cooperation with Charité
慕尼黑
   德國 250 2009 RPTC Rinecker Proton Therapy Center （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
德勒斯登   德國 230 2014 PTC Uniklinikum Dresden （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
淄博市   中國 230 2004 Wanjie Proton Therapy Center
筑波市   日本 250 2001 Proton Medical Research Center University of Tsukuba （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
千葉市   日本 350-400 1994 Research Center for Charged Particle Therapy (NIRS)
奧賽   法國 235 1991 Centre de protonthérapie de l'Institut Curie （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
尼斯   法國 63 1991 Centre Antoine Lacassagne （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
菲利根   瑞士 250 1984 Paul Scherrer Institute
克拉科夫   波蘭 60 2011 Instytut Fizyki Jądrowej PAN
克拉科夫   波蘭 230 2015 Centrum Cyklotronowe Bronowice （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
特倫托   義大利 230 2014 Centro per la protonterapia （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
帕維亞   義大利 250 2011 Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica
布拉格   捷克 230 2012 Proton Therapy Center, Prague （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
上海市   中國 230 2014 上海質子重離子醫院 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
首爾 🇰🇷大韓民國 230 2007 Proton Therapy Center, Korea National Cancer Center
桃園市   臺灣 230 2015 林口長庚紀念醫院質子暨放射治療中心 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
奧布寧斯克   俄羅斯 250 2016 A. Tsyb Medical Radiological Research Centre
代爾夫特   荷蘭 230 2017 HPTC - Holland Particle Therapy Centre （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
格羅寧根   荷蘭 230 2018 GPTC - UMC Groningen （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

擴展閱讀

參考文獻

  1. ^ PROTON BEAM THERAPY (PBT) (PDF). astro.org. American Medical Association. 2013 [1 February 2021]. （原始內容 (PDF)存檔於2022-06-11）. 
  2. ^ Adapted from Levin, W. P.; Kooy, H.; Loeffler, J. S.; DeLaney, T. F. (2005).
  3. ^ Camphausen, K. A.; Lawrence, R. C. (2008).
  4. ^ Metz, James. Differences Between Protons and X-rays. Abramson Cancer Center of the University of Pennsylvania. 2006-07-31 [2008-02-04]. （原始內容存檔於2008-12-17）. the beam then stops, resulting in virtually no radiation to the tissue beyond the target—or no "exit dose" 
  5. ^ Smith, Alfred R. Vision 20∕20: Proton therapy. Medical Physics. 26 January 2009, 36 (2): 556–568. Bibcode:2009MedPh..36..556S. PMID 19291995. S2CID 1490932. doi:10.1118/1.3058485  . 
  6. ^ Degiovanni, Alberto; Amaldi, Ugo. History of hadron therapy accelerators. Physica Medica. June 2015, 31 (4): 322–332. PMID 25812487. doi:10.1016/j.ejmp.2015.03.002. 
  7. ^ 7.0 7.1 Peach, K; Wilson, P; Jones, B. Accelerator science in medical physics. The British Journal of Radiology. December 2011, 84 (special_issue_1): S4–S10. PMC 3473892  . PMID 22374548. doi:10.1259/bjr/16022594. 
  8. ^ Liu, Hui; Chang, Joe Y. Proton therapy in clinical practice. Chinese Journal of Cancer. 5 May 2011, 30 (5): 315–326. PMC 4013396  . PMID 21527064. doi:10.5732/cjc.010.10529. 
  9. ^ Owen, Hywel; Lomax, Antony; Jolly, Simon. Current and future accelerator technologies for charged particle therapy. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. February 2016, 809: 96–104 [2021-12-15]. Bibcode:2016NIMPA.809...96O. doi:10.1016/j.nima.2015.08.038. （原始內容存檔於2022-06-12）. 
  10. ^ 存档副本. [2017-06-23]. （原始內容存檔於2021-03-09）. 
  11. ^ 存档副本. [2017-06-23]. （原始內容存檔於2020-08-15）. 
  12. ^ J.N.A. Matthews: "Accelerators shrink to meet growing demand for proton therapy", Physics Today, March 2009, p. 22
  13. ^ TRIUMF Proton Therapy. [2017-06-23]. （原始內容存檔於2017-06-27）. 
  14. ^ Clatterbridge Cancer Centre NHS Foundation Trust. [2017-06-23]. （原始內容存檔於2014-09-02）. 

延伸閱讀

  • Greco C.; Wolden S. Current status of radiotherapy with proton and light ion beams. Cancer. Apr 2007, 109 (7): 1227–38. PMID 17326046. doi:10.1002/cncr.22542. 
  • <g class="gr_ gr_17 gr-alert gr_gramm gr_hide gr_inline_cards gr_run_anim Style multiReplace replaceWithoutSep replaceWithoutSep" id="17" data-gr-id="17">"使用質子放射療法"，A.M.Koehler,Proc.</g> 專題討論會上介子和質子放射療法、Nat。 加速器實驗室的， (1971年)。
  • <g class="gr_ gr_18 gr-alert gr_gramm gr_hide gr_inline_cards gr_run_anim Style multiReplace replaceWithoutSep replaceWithoutSep" id="18" data-gr-id="18">A.M.Koehler,W.M.Preston"質子輻射療法：比較的劑量分布為質子、光子和電子</g> 放射學 104(1):191-195 (1972).
  • "布拉格峰放射的質子進動靜脈畸形大腦"護士Kjelberg，提出了在第一個Int. 研討會使用質子束在放射治療，莫斯科(1977).
  • 奧斯汀-Seymor，M.J.Munzenrider、et al。 "分級的質子輻射治療的顱和Intracrainial腫瘤" 。 J.臨床腫瘤學 13(4):327-330 (1990).
  • "質子放射療法"，哈特福德的，Zietman、et al。 在 Radiotheraputic管理的前列腺癌、A.D米克和G.E.*漢克斯。 英國倫敦，阿諾德的出版商：61-72具(1999年)。

外部連結


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