王摇摇 太和县人民医院放疗科 （安徽 阜阳 236600）

浅谈医用质子加速器原理

王摇摇 太和县人民医院放疗科 （安徽 阜阳 236600）

放射治疗设备是放疗的物质基础，目前光子束和电子束在肿瘤放射治疗中已得到广泛应用。而质子束的剂量分布形式具有典型的布喇格峰型剂量分布，Bragg峰的深度可通过调节质子射束能量进行调节，所以可以提高肿瘤内的照射剂量，降低周围正常组织和危及器官受照剂量，同时质子治疗设备具有使用年限长的特点，所以医用质子加速器以其独特的优势和稳定性使其具有广阔的发展前景。

放射治疗 质子加速器 原理

质子在放射治疗中的优势已得到放疗界的广泛认同，甚至可以说质子治疗是放射治疗方法的一次革命性飞跃[1]。所以从某种意义上说，质子可以挽救常规放疗不能治愈的癌症患者。放射治疗设备的更新换代带动了照射技术的改进与升级，同时也反映出医疗水平的高低，而质子加速器也具有自身的原理，现就质子加速器的原理谈谈自己的一管之见[2]。

1.质子加速器

产生质子射线的加速器（回旋、同步或直线加速器）。质子带一个单位正电荷，也就是氢的原子核。带电粒子在均匀磁场中运动会受洛伦兹力而作圆周运动，质子主要与组织中的原子核外电子相互作用，因质子质量是电子质量的1836倍，其惯性比较大，要保持高速的质子作小半径圆周运动就需要非常强的磁场。作为质子治疗的医用质子加速器必须满足以下基本条件：质子经过人工加速后为达到治疗条件其最大能量要高于250MeV，并且在70～250MeV范围内能量连续可调，在10cm×10cm×10cm靶体积内能够输出每分钟几个Gy的剂量率，相当于质子束流强度约为1010/s。因此设备复杂，体积大，价格昂贵，运行费用高是质子治疗设备发展的首要问题。超导的应用、加速到一个固定能量、使用计算机自动管理等措施使质子治疗系统逐步进入医疗市场，在有条件的医院使用它为患者服务成为可能。另外，对于质子加速器的运行和维修都需要专门的培训，临床医生也需要对质子特性作更深的了解，还需要配备一定的物理人员。

2.质子束的均整与准直

质子束的束流截面一般为3～4mm，在水中停止后也只有1～2cm，同时在质子到达射程末端停止时形成的布喇格峰值得深度范围也很窄。假设某一能量的质子在组织中的射程为30cm，则其束流截面积和射程之积约为30cm×1cm2=30cm3。若布喇格峰宽为1cm，则射程末端处布喇格峰的体积大约只有1cm3。因此，必须要在线束方向的侧方向上用调能器将质子束同时展宽到临床可用的范围。

3.质子回旋加速器的基本原理

经典的回旋加速器只能把质子加速到几十MeV，无法用于治疗。原理如图。

所示，随着质子能量的增加，其轨道半径也不断加大。这样，质子在受到高频电场谐振加速的同时又在磁场的束缚下做由内向外的螺旋运动。为避免束流发散，而用加速电场和磁场的分量产生聚焦作用。

4.医用同步加速器基本原理

把适当能量的质子注入到真空室后，质子收到加速的同时，把磁场也逐步加强使质子收到加大的洛伦兹力，这样就可以保持质子轨道曲率半径为一常数。因此质子在一环形区域内作回旋运动，从而大大减轻磁铁的重量。在环形轨道上可以放置一个或几个高频加速腔。因为磁场变化有一定的范围，因此注入的质子能量不能太低，需用一台质子直线加速器作为质子注入器。

加速中，质子能量开始明显增加，高速后相对论效应不能再被忽略。为使某一质子群在经过加速窄缝时正好处于高频电场的加速相位上，使之每经过一次窄缝都能得到同样能量的增加，这就要求质子的回旋周期是高频电场变化周期的偶数倍。

5.质子直线加速器原理

质子加速器是由三根高柱组成，高柱由绝缘材料制成，高柱间装有加速器管，加速器管装中有金属圈，加速器管的上端装有生产质子的离子源。真空泵可使加速器保持真空。一系列金属圈的负压可以靠加速器管中的金属圈同高压发生器以相连的方式能由底部向顶端逐渐升高，在带负电的金属圈的吸引下，带正电的质子顺管向下发射，由于下面金属圈所带的负电压越来越高，质子的速度也越来越大。在加速器管的地端的地板下面，有一间装有接收器的小室，质子能够在这里同物质碰撞，在此过程中，轰击能够引起原子核的蜕变。

6.回旋周期与高频电场周期实现同步的方法有两种：

（1）调整高频电场的频率与磁场按一定规律周期性变化实现匹配来达到同步。美国Loma Linda大学质子同步加速器沿着径向增强磁场加大洛伦兹力，同时改变磁铁的形状来达到磁场沿方位角调变，用以保证质子束的良好聚焦。

（2）改变磁场的空间分布法。比利时IBA公司的质子治疗加速器就是这种类型的代表，采用高场非超导技术设计开发紧凑型的医用质子加速器，可以提供70MeV～230MeV的质子束，可用于治疗体内任何部位的肿瘤。治疗装置得到放疗界的好评，技术成熟，简单可靠。加速器的参数不随时间变化，只有极少数的（5～7个）参数需要调节，即主线圈电流、高频电压、离子源电流和电压、静电偏转电压（也可能有两个调和线圈装置）。这些调节是为了补偿加速器某些参数的缓慢漂移，可以由计算机自动完成。

质子由于具有光子束和电子束无法比拟的优势受到放疗界的高度重视与积极探索，它以以物理方式改变靶区与正常组织间的剂量比，从而更有效的杀灭肿瘤细胞，保护正常组织和危及器官，提高了治疗增益比。目前，国内外已经有多家放疗机构开展了质子治疗，随着各项技术的发展与完善，质子治疗必将成为治疗肿瘤的一种常规手段，其发展前景将更为广阔。

[1] 顾本广.医用加速器[M].北京:科学出版社,2003:518.

[2] 郁庆长,罗正明.质子治疗技术基础[M].原子能出版社,1999:100-103.

1006-6586(2017)20-0049-02

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2017-08-02