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腫瘤治療用介質壁質子加速器

文章來源:流體物理研究所   時間:2011-11-28 15:56:00 訪問數:

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項目簡介

質子治療腫瘤,相對γ射線或者X射線的最大的優越性在于,它們射入人體后,存在明確的射程,且在射程末端的劑量遠高于前端的劑量,即存在一個劑量峰值——Bragg峰。峰值劑量約為峰值前的劑量的35倍,峰值后劑量迅速降為零。這樣,可以使輻射劑量主要沉淀在腫瘤區域,提高治療效果,降低對非腫瘤區正常組織的傷害。因此,即使采用單視野,也可以得到很高的治療增益比(腫瘤靶區的劑量與周圍正常組織劑量的比值)。

目前世界上共建立有多個質子治療中心,目前共有數萬患者接受了質子輻射治療。統計數據證明,同X射線和γ射線治療相比,采用質子治療,病人治療后存活時間長,生存質量高。質子治療效果已經得到充分肯定。

用于腫瘤治療的質子束的束流強度一般在數十微安以上,當質子能量達到70MeV左右可以用于眼科放射性治療,而200MeV左右的質子可以穿透20cm以上人體組織,便可用于人體各處的放射性治療。對于亞洲人,200MeV能量的質子基本上能夠對身體任何部位進行治療了。

以傳統的加速方式(感應加速或射頻加速)研制輸出上述參數的質子加速器,存在兩個方面問題。一是投資規模大。目前一臺質子治療設備(包括治療機架等部分)售價數億人民幣。同時由于設備龐大,建立治療中心占地面積大,建筑成本高;二是目前的質子治療系統效率較低,因此治療成本較高,為一般腫瘤患者所不能承受。造成這個局面的因素主要是質子加速器本身和治療機架結構龐大,實現精確定位和轉動較困難,治療效率較低。基于上述因素,目前的質子治療系統不能為醫療機構和患者所認可,使質子治療方案不能產生應有的效果,難以產生好的經濟效益和社會效益。

介質壁質子直線加速器是基于高絕緣強度絕緣介質壁、固態化脈沖形成線等技術的新型加速技術,可以大幅度提高加速器加速梯度,有效實現質子加速器小型化、固態化,降低運行維護和治療成本

采用介質壁質子加速器進行放射治療,主要優點表現如下:首先,加速器體積大大縮小。采用固態元器件所建立的介質壁加速器的加速梯度可以超過100MV/m。因此輸出200MeV質子束的加速器的長度在2左右。考慮束線等因素,加速器的長度可以控制在5左右。這相對于輸出相同能量的傳統加速器而言(~70),長度大大縮短;其次,改變了目前質子治療系統的運行方式,使整個治療系統成本大為降低。目前質子治療系統由于加速器系統龐大,不能實現移動調節,因此采用結構相對簡單的治療機架實現定位調節。由于需要實現高精度(亞mm)定位調節,加之機架結構也相對龐大,因此質子治療定位機架的成本在質子治療系統中的成本所占比例較大,超過加速器主體所需費用。采用介質壁質子加速器進行放射治療,由于加速器主體較小,可以采用通過調節加速器主體來實現定位調節的方案,因此治療機架系統結構和成本都大為降低。

開展項目研究,進行介質壁加速器關鍵技術攻關,研發可以用于腫瘤治療的、具有自主知識產權的介質壁型質子加速器,用于腫瘤治療。

研究方向

    研發介質壁質子加速器整機及關鍵核心部件,進行高電壓快速導通開關、高梯度絕緣堆和脈沖形成線及緊湊質子束源研究,開展系統整機設計。

技術獨創性

    高梯度絕緣堆和固態脈沖形成線研制及工藝,長壽命、高電壓快速導通開關及工藝,系統整機設計。

社會應用

    發展低成本質子加速器和質子治療中心勢在必行。介質壁質子加速器和基于介質壁質子加速器的質子治療中心是降低質子治療成本、提高治療效率的必然途徑。一旦研發成功,將會很快占據國內外質子治療市場大部分份額,有著廣闊的市場前景。

相關技術應用前景廣闊。本項目研究所發展的關鍵技術,不僅可以用于研制高加速梯度的介質壁加速器,還可以用于涉及軍用技術、裝置的電真空、電物理、脈沖功率技術等方面,用于提高相關高電壓、高功率系統的加速、絕緣梯度,減小裝置體積,實現裝置小型化、固態化。同時,項目最終所研制的高梯度加速器,可以直接用于非民用目的,作為緊湊型X光源,用于閃光照相和武器庫存檢驗等方面。


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