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《质子和重离子治疗及其装置（修订版）》介绍质子和重离子治疗的原理和方法、治疗装置的系统和设备，以及国际上质子和重离子治疗中心的概况；物理概念清晰，内容图文并茂、系统全面；高度概括了世界上质子和重离子治疗及其装置研制的**研究成果、当前水平以及发展趋势，信息量丰富。

目录

**版序

修订版序

**版前言

**部分 基础和概况

第1章 绪言 3

第2章 质子和重离子放射治疗的历史回顾 6

2.1 放射治疗技术发展史 6

2.2 质子治疗技术发展史 7

2.3 重离子治疗发展史 12

2.4 中国质子和重离子治疗的发展经历 13

第3章 质子和重离子治疗的物理性能和基础 17

3.1 质子治疗的物理性能和基础 17

3.2 重离子治疗的物理性能 30

第4章 质子和重离子治疗的生物性能 36

4.1 离子治疗的生物效应 36

4.2 相对生物有效性的一些特点 37

4.3 扩展布拉格峰分布质子流的相对生物有效性 39

4.4 辐照使癌细胞死亡的原因 40

4.5 重离子治疗的生物效应 41

4.6 扩展布拉格峰分布碳离子流的相对生物有效性 42

4.7 氧增比 43

4.8 治疗计划中对RBE的处理方法 44

第5章 质子和重离子治疗的原理 46

5.1 质子治疗的基本原理 46

5.2 重离子治疗的原理 50

第6章 质子和重离子治疗的临床治疗参数 53

6.1 临床治疗参数 53

6.2 美国能源部在1993年发表的质子医用装置的临床治疗参数 55

第7章 质子和重离子治疗在放射治疗中的定位 56

7.1 评估治疗效果的判断标准 56

7.2 评估和比较不同粒子治疗优缺点的判断标准 56

7.3 质子和重离子、X射线、电子在放射治疗中的比较 57

7.4 质子和碳离子在放射治疗中的比较 58

7.5 质子和重离子治疗发展的原因和局限性 60

第8章 国际上对质子和重离子治疗的不同看法 62

8.1 欧、美、日、中放疗界对质子和重离子治疗的看法 63

8.2 美国官方对粒子和常规放疗的意见 63

8.3 国际肿瘤医学界对质子和重离子治疗的意见 66

8.4 对质子和重离子治疗持怀疑反对态度的意见 67

第9章 质子和重离子治疗肿瘤的适应类型 69

9.1 引言 69

9.2 质子和重离子治疗的肿瘤适应类型的分类 70

9.3 治疗肿瘤的适应性指示 71

9.4 1968~1998年质子治疗总结 72

9.5 2001~2009年质子治疗的肿瘤类型 74

9.621 世纪碳离子治疗的肿瘤类型 82

9.7 质子和重离子治疗的肿瘤适应患者市场 87

第10章 国际上质子和重离子治疗的发展概况 88

10.1 美国质子治疗的发展概况 88

10.2 日本质子和重离子治疗的发展概况 90

10.3 欧洲建造重离子治疗中心的有关情况 91

10.4 质子和重离子治疗装置的应用前景 93

第11章 全球的质子和重离子治疗中心概况 95

11.1 已停止运行的装置 95

11.2 运行中的装置 96

11.3 在建的专用质子和重离子治疗中心 97

11.4 新建的中心平均年治疗患者数 98

第12章 全球的质子和重离子治疗装置 99

12.1 质子和重离子治疗装置分代方法 99

12.2 国际上运行治疗的质子和重离子治疗中心(场所)的分类 100

12.3 世界上正在建造的质子和重离子治疗中心(场所)的分类 101

12.4 国际上能提供交钥匙整体治疗系统的供应商和类型 101

**部分 参考文献 103

第二部分 治疗装置和系统

第13章 质子和重离子治疗系统的结构 107

13.1 质子治疗系统的结构 107

13.2 重离子治疗系统的结构 109

第14章 质子和重离子的束流产生装置——加速器 110

14.1 对质子和重离子加速器的要求 110

14.2 质子和重离子治疗加速器的技术参数 110

14.3 质子和重离子治疗加速器的类型 112

14.4 世界上各治疗中心用的同步加速器性能特性 113

14.5 直线加速器 114

14.6 同步加速器 117

14.7 回旋加速器 132

第15章 质子能量选择系统 138

15.1 引言 138

15.2 系统的总体结构 140

15.3 能量选择和发射度控制段 141

15.4 束流能量和能散度控制段 142

15.5 运用效率 143

第16章 质子和重离子治疗用的旋转机架 144

16.1 质子治疗用的旋转机架 144

16.2 碳离子治疗用的旋转机架 148

16.3 新型Riesenrad型离子旋转机架 150

16.4 新型FFAG永磁结构的超轻质子旋转机架 151

16.5 新型IBA的超导碳离子旋转机架方案 152

16.6 旋转机架的技术要求 153

16.7 旋转机架的类型 153

16.8 等中心旋转机架的分类 154

16.9 旋转机架的基本结构 155

16.10 旋转机架的电子光学 156

16.11 旋转机架的控制 158

第17章 束流输运系统 159

17.1 引言 159

17.2 总体安排 160

17.3 固定治疗头的支束线输运线 160

17.4 直线节周期性输运段 161

17.5 旋转治疗头的支束线输运线 161

第18章 质子和重离子治疗用的治疗头 162

18.1 引言 162

18.2 束流横向扩展法 162

18.3 散射法治疗头 164

18.4 铅笔束扫描治疗头 168

18.5 扫描治疗中器官的运动问题 177

18.6 瑞士PSI旋转扫描治疗头的扫描方法 181

18.7 世界各大治疗中心所采用的扫描方法 184

18.8 世界各大治疗中心所采用的治疗头实例 191

第19章 质子和重离子的精密定位和准直系统 198

19.1 患者精密定位的内容 198

19.2 患者肿瘤固定装置 200

19.3 患者精密定位椅 201

19.4 患者精密定位床 202

19.5 患者精密准直系统 203

19.6 数字化影像定位系统 211

19.7 机器人患者定位系统 214

19.8 影像引导下的放疗定位新技术 216

19.9 动态适应的放疗定位新技术 219

19.10 锥形束CT和四维CT 222

19.11 容积CT扫描 223

第20章 质子和重离子的治疗计划系统 225

20.1 引言 225

20.2 治疗计划系统的基本功能 229

20.3 治疗计划系统的基本图像操作 230

20.4 散射束流场的治疗计划设计工作 231

20.5 扫描调强治疗计划设计工作 235

20.6 美国瓦里安公司的Eclipse TM治疗计划系统 238

20.7 国际医科达公司的XIO治疗计划系统 242

第21章 质子和重离子治疗辐射安全系统 245

21.1 引言 245

21.2 安全要求和标准 246

21.3 危险分析 246

21.4 连锁分析和其质量论证 247

21.5 断开束流的方法 248

21.6 束流中断部件 248

21.7 控制系统和安全系统之间的关系 248

21.8 瑞士PSI的安全系统 250

21.9 比利时IBA的安全连锁系统 252

21.10 治疗参数的测量验证、数据库和档案管理系统 256

21.11 水、电、空调、冷却水等通用系统的运行稳定性 257

第22章 粒子束流测量和剂量学 258

22.1 引言 258

22.2 束流测量 259

22.3 粒子剂量学 264

22.4 **测量吸收剂量方法 267

22.5 剂量的质量验证 269

22.6 监示单位的计算 271

第23章 质子和重离子治疗控制系统 274

23.1 引言 274

23.2 控制系统的设计目的 274

23.3 控制系统的设计原则 275

23.4 控制系统的分系统和控制功能 276

23.5 治疗控制硬件系统的结构 279

23.6 治疗控制硬件系统的层次 281

23.7 治疗控制软件系统的设计准则 284

23.8 质子治疗控制软件系统的层次和对应功能 285

23.9 治疗控制软件系统的结构 286

第24章 质子和重离子治疗系统的调试和验收 288

24.1 引言 288

24.2 验收测试和调试的区别 289

24.3 治疗参数和束流参数间的关系 290

24.4 验证系统的任务和分类 292

24.5 调试和验收的基本原则 294

24.6 测试、总调、验收和质量检验的准备工作 296

24.7 测试总调和质量验证的表达方法 299

第25章 质子和重离子治疗系统QA、调试和验收的实例 302

25.1 引言 302

25.2 质子和重离子放疗的QA 303

25.3 美国M.D.Anderson质子治疗中心的调试和QA实例 307

25.4 美国Florida质子治疗中心的调试和QA实例 324

25.5 美国MGH质子治疗中心NPTC的患者专用装置和铅笔扫描调试实例 334

25.6 韩国癌症中心建成验收实例 344

第26章 肿瘤信息系统 349

26.1 引言 349

26.2 肿瘤信息系统的发展历史 349

26.3 整合型计算机化的OIS中的功能件 352

26.4 OIS的效果 353

26.5 国际Elekta公司的IMPAC’s MOSAIQ OIS 354

26.6 美国Varian公司的ARIA肿瘤信息系统 357

第27章 专用质子和重离子治疗中心的系统集成和整合 361

27.1 系统集成和整合 361

27.2 系统集成所需的技术和方法 362

27.3 专用质子和重离子治疗中心的系统集成 363

27.4 中心系统集成的基本方案 365

27.5 实施中的难点和关注点 368

第28章 质子和重离子治疗装置的运行和维护 371

28.1 引言 371

28.2 装置的治疗控制系统的运行模式 371

28.3 不同职员的控制权限 373

28.4 患者定位装置的机械运动和操作 373

28.5 质子和重离子的治疗辐照流程 374

28.6 如何进行运行和维护 379

28.7 治疗中心的人员编制 383

第二部分 参考文献 384

第三部分 专用质子和重离子治疗中心

第29章 美国和加拿大的质子治疗中心 391

29.1 美国Loma Linda大学专用质子治疗中心 391

29.2 美国M.D.Anderson质子治疗中心 395

29.3 美国Florida质子治疗中心 400

29.4 美国费城大学Roberts质子治疗中心 404

29.5 美国中西部质子放疗研究所 406

29.6 美国ProCure质子治疗中心 409

29.7 美国麻省总医院FrancisH.Burr质子治疗中心 412

29.8 美国北Illinois质子治疗和研究中心 414

29.9 美国Hampton大学质子治疗研究所 415

29.10 加拿大TRIUMF癌症治疗中心 417

第30章 日本专用质子和重离子治疗中心 420

30.1 日本重离子医用加速器中心 420

30.2 日本兵库重离子医学中心 424

30.3 日本群马重离子治疗中心 428

30.4 日本筑波大学质子医学研究中心 432

30.5 日本若狭弯WERC的质子治疗中心 433

30.6 日本南东北质子治疗中心 435

30.7 日本松元相泽医院质子治疗中心 436

第31章 德国和欧洲其他国家的质子和重离子治疗中心 437

31.1 德国慕尼黑的Rinecker质子治疗中心 437

31.2 德国海德堡重离子治疗中心 441

31.3 瑞士PSI质子治疗中心 451

31.4 德国GSI重粒子物理研究所 454

31.5 奥地利离子治疗和研究中心 456

31.6 捷克布拉格质子治疗中心 459

31.7 意大利轻离子治疗中心 460

第32章 中国质子和重离子治疗中心与韩国国家癌症中心 464

32.1 中国淄博万杰医院博拉格质子治疗中心 464

32.2 中国北京质子医疗中心 467

32.3 中国兰州重离子治癌中心 470

32.4 中国上海市质子重离子医院 471

32.5 中国台湾长庚医院质子暨放射治疗中心 473

32.6 中国台湾台大医院质子治疗中心 476

32.7 中国香港养和医院质子治疗中心 477

32.8 韩国国家癌症中心 479

刘世耀，科学家，中科院高能物理所研究，科技委副主任，北京电子对撞机国家实验学术委员会副主任。1959年调中科院原子能研究所加速器室。60年代参加国防科工委“730”核爆炸摸拟装置等三项科研项目。1985年以后，参加北京正负电子对撞机自控束测系统设计、研制，获国家科技进步特等奖。

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**部分 基础和概况

　　第1章 绪言

　　人类进入知识创新的21世纪，一系列新技术、新方法和新设备正在冲击着社会生活的方方面面，也冲击着医学各领域，尤其是利用新技术、新方法和新设备治疗对人类生命威胁*严重的恶性肿瘤，不仅是广大医务人员关心的，更是众多肿瘤患者所期望的.

　　百年来手术是公认的**肿瘤治疗法.此外，肿瘤医务界尝试用冷冻、高温、超声、微波、激光、X射线、γ射线①，直到各种放射粒子，如电子、质子、中子、负π粒子、重离子等来治疗癌症.至今治疗肿瘤的方法，基本上仍是手术、放疗与化疗三种.彼此既相互独立又互补兼容.当前世界各地，估计70%的肿瘤患者，不论手术与否，都要采用放疗.中国特有的中药治疗肿瘤，近年来有所进展，报道中也不乏特效病例，但离科学化、系统化、现代理论与实践的统一研究还有很大距离.神奇的基因癌症治疗近年来在理论上有所突破，有些学者也抱乐观态度，而要将其变为现实并推广使用还有相当长的时间，因此预测在今后几十年间，放射治疗还将是治疗肿瘤的*主要方法之一.

　　理想的放射治疗是杀死肿瘤中的全部癌细胞，而不伤害患者的正常细胞.现实中这是不可能实现的.因此，人们将放射治疗的*终准则定为“实现**的肿瘤控制概率和*小的正常组织损伤率”，并千方百计地接近理想目标.放射治疗的精确度和疗效主要由下列因素决定：治疗放射粒子的类型、射线和病灶靶区间的定位方法、射线和靶区相互作用的治疗原则、治疗计划、剂量计算、病灶诊断等.此外，还涉及一系列治疗难题，如诊断和治疗之间的实时性、照射靶区和肿瘤体积自身变化之间的实时同步性、旋转束流等中心点的精确定位误差、束流中心本身的稳定度等.因此，放射治疗是一项多学科、十分复杂的高科技工程.如果人们能克服并解决上述一系列难点，真正做到接近理想的适形治疗，一定能大大提高肿瘤患者的生存率，提高患者治疗后的生活质量.

　　在上述许多影响放射成效的因素中，放射用的粒子类型更为重要.回顾半个世纪放射治疗的历史，当前放疗中的立体精确定向、调强放疗等先进技术已获得相当高的水平.要进一步提高放疗的疗效，必须对有关方面的技术作进一步的研究改进.其中放射粒子的类型对放疗成效有重要意义.

　　在诸多放射治疗类型中，常用的X射线与电子的物理剂量分布和生物效应都在不同程度上使被照射肿瘤的前后正常细胞受到伤害，剂量的有效利用率也低;中子和负π粒子的生物效应虽好，但物理剂量分布不好，给正常组织带来太大的损害，都不是理想的治疗射线.质子在人体中的能量衰减开始时慢，后又快速上升，形成一个峰值后，又急速下降到零(通常称此为布拉格峰)，布拉格峰剂量分布的优良特点促使质子治疗有很大的发展.质子治疗时将峰值部分对准肿瘤病灶处，肿瘤处受到**的照射剂量，肿瘤前部的正常细胞通常只受到1/3～1/2的峰值剂量，肿瘤后部的正常细胞基本上未受伤害.从质子内含的物理特性就能断定质子治疗要比电子、X射线治疗要好.何况随着当今的质子治疗技术的发展与完善，可变光阑准直器与专用补偿器等的适形治疗和铅笔束扫描治疗法的使用，已能将质子控制得像“量体裁衣”一样精确地消灭癌细胞分布而不伤及正常细胞.近几十年来，质子治疗的临床成就已使全世界医学界一致公认质子治疗比目前所用的X射线、γ射线与电子治疗要优越得多.

　　重离子肿瘤治疗的物理原理和生物效应优于质子.2002年前因缺乏临床实验，故重离子治疗没有提上日程.2003年日本HIMAC(千叶县重离子医用加速器中心)和德国GSI(德国亥姆霍兹重离子研究中心，也称德国重离子物理研究所)正式公布碳离子治疗的成功事例后，其优良的生物效应，特别是治疗抗阻型和乏氧型肿瘤的优良疗效，引起国内外许多放疗专家和投资者的兴趣.其中，日本和欧洲的重离子治疗有取代质子治疗之势.但是重离子治疗本身也有内在的缺点：分裂效应、冷点和后效应.治疗事例太少和治疗费用昂贵使一些国家对重离子治疗有所保留，例如美国只有发展质子治疗的战略方针.总体来说，由于重离子建造价格过于昂贵，难以推广，估计在今后相当长时间内，质子和重离子治疗各自存在并相互补充，质子治疗不可能被重离子治疗取代，当前仍然是先进的肿瘤治疗方法.

　　本书共分四个部分.**部分是质子和重离子治疗的基础和概况，对质子和重离子治疗作一个全方位的介绍，使读者对质子和重离子治疗有一个全面的、基本的认识，为阅读全书做基础知识准备.这部分共有12章：绪言;质子和重离子放射治疗的历史回顾；质子和重离子治疗的物理性能和基础;质子和重离子治疗的生物性能;质子和重离子治疗的工作原理;质子和重离子治疗的临床治疗参数;质子和重离子治疗在放射治疗中的定位;国际上对质子和重离子治疗的不同看法;质子和重离子治疗肿瘤的适应类型;国际上质子和重离子治疗的发展概况;全球的质子和重离子治疗中心概况;全球的质子和重离子治疗装置.

　　第二部分是质子和重离子治疗装置和系统，详细介绍质子和重离子治疗装置、系统部件装备和分系统，使读者对质子和重离子治疗装置与系统的结构和工作原理有一个基本了解.这部分共有16章：质子和重离子治疗系统的结构;质子和重离子的束流产生装置——加速器;质子能量选择系统;质子和重离子治疗用的旋转机架;束流输运系统;质子和重离子治疗用的治疗头;质子和重离子的精密定位和准直系统;质子和重离子的治疗计划系统;质子和重离子治疗辐射安全系统;粒子束流测量和剂量学;质子和重离子治疗控制系统;质子和重离子治疗系统的调试和验收;质子和重离子治疗系统的QA、调试和验收的实例;肿瘤信息系统;专用质子和重离子治疗中心的系统集成和整合和质子;重离子治疗装置的运行和维护.

　　第三部分是描述专用质子和重离子治疗中心，重点介绍国际上有代表性的、著名的专用质子和重离子治疗中心，*后再介绍当前正在研制的下一代用的小型质子治疗装置.该部分共有6章：美国和加拿大的质子治疗中心;日本专用质子和重离子治疗中心;德国和欧洲其他国家的质子和重离子治疗中心;中国质子和重离子治疗中心与韩国国家癌症中心;下一代紧凑型质子治疗装置;研制中的新型离子治疗方案.

　　第四部分是治疗中心的设计和建造，分别描述治疗中心的有关设计、筹建和建造的工作内容，如筹建治疗中心的有关要点、选择质子治疗装备的类型、外商谈判的项目内容和方法、建造中心建筑的基本要求、建筑的辐射屏蔽、环境保护安全和场所环境的监测，以及如何建造安装质子和重离子治疗装备的专用建筑和为该装备提供水、电、气等的通用设备.该部分共有6章：治疗中心的设计;建造的阶段、要点、设备选型和谈判;治疗中心的建筑;建筑的辐射屏蔽;环境保护安全;场所和环境的监测.

　　第2章 质子和重离子放射治疗的历史回顾

　　质子放射治疗是诸多放射治疗中的一种治疗方法，既是放射治疗历史发展的产物，也是质子治疗本身发展的产物.当前质子治疗采用的先进技术，如立体定位、射线影像学、调强放疗等都源自放射治疗的需求;而质子治疗自身的特殊性也促进其技术的发展.这两种因素相互促进，形成了当前质子治疗的先进性.

　　2.1 放射治疗技术发展史

　　半个世纪以来，放射治疗技术的发展主要是沿着下面两条路线来进行的.

　　一条是选用治疗的辐射类型，进行X射线、电子、中子、负π介子、质子、氦和碳离子的临床放疗试验，形成了当前的放疗评价：对X射线和电子的放疗方法给予充分肯定，至今仍在使用;在特殊治疗领域保留了中子治疗，否定了负π介子治疗；在20世纪90年代肯定了质子治疗的优点和成熟性;2003年后肯定了重离子治疗的优秀性[1].

　　另一条路线是沿着射线和肿瘤靶区相互间的定位方法和治疗原则来进行的.1951年L.Lekell提出的“立体定向放射手术”(SRS)概念，后来又发展为“立体定向放射治疗”(SRT)的方法.在用SRT时，肿瘤四周的正常组织不可避免地受到相当的照射量.为尽可能减少这种肿瘤四周正常组织受到的照射量，人们在SRT基础上，用可变准直光栅和患者补偿器等辅助装备，使照射的剂量体积形状尽可能与肿瘤的体积形状相同，二者相互“适形”，形成了目前质子治疗中常用的先进“适形放射治疗”的技术基础.随后，从20世纪90年代至今广泛应用的一种用三维放射治疗计划系统(3D-TPS)，设计非共面不规则野分次照射的三维适形放射治疗(3D-CRT)、调强治疗(IMRT)和影像引导下放疗定位(IGRT)、动态适应放疗(DART)等放疗新技术，以及锥形束CT(CBCT)、容积CT(volumeCT)扫描等诊断新技术.这样用3D-CRT、IMRT，特别是IGRT和DART的放疗方法可以对运动中的病灶给予优化的、随时间变化的四维剂量分布，减少因病灶运动带来的治疗误差，使正常组织和敏感部位受到的损害比适形治疗的损害还小，大大提高控制率，减少副作用，改善患者治疗后的生活质量，获得更佳的疗效，成为目前国内外***的放疗方法之一.计算机技术、数据和图像处理软件、影像诊断仪器等的高度发展形成了当前的先进质子和重离子治疗.

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本书介绍质子和重离子治疗的原理和方法、治疗装置的系统和设备， 以及国际上质子和重离子治疗中心的概况; 物理概念清晰， 内容图文并茂、 系统全面; 高度概括了世界上质子和重离子治疗及其装置研制的**研究成果、当前水平以及发展趋势， 信息量丰富.