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放疗设备漫谈 简述

癌症治疗三板斧:开刀手术、药物化疗、设备放疗;这篇文字,咱们就只说说使用设备进行放疗,让我们谈谈放疗是如何杀死癌症的、放疗设备行业都经历了些什么?以及聊聊各种放疗设备。

放射治疗的生物效应

放谈到放疗,我们首先说说,放疗里面的放射,到底是指什么?它到底是如何杀死肿瘤的?我找了个解释放疗生物效应的短片,英文生肉,不过因为是动画,所以应该都能看懂吧。

How Radiotherapy Works

上面动画解读了高能量X光、伽马射线、质子、重离子等粒子进入人体后,利用正常组织和癌症肿瘤对于射线能量的吸收不同、耐受性不同,从而达到杀伤癌症肿瘤的效果。由于正常组织受到射线照射后,也会有与癌症细胞相同的生物效应,其耐受性也只是比肿瘤细胞高那么一点点,所以放疗反复强调的精准,其实不仅仅是空间位置上的准确,也是指剂量、计算、质控等等准确。

放射治疗的历史

西方在很早就发现射线对于治疗的应用了,看文献,1897年,X射线就开始了癌症的治疗。但早期的X射线能量很低,不能够穿透人体深度,只能进行体表照射。所以,1903年,物理学家们使用放射性镭,通过手术打开人体,将放射性镭放入肿瘤中进行持续照射,这就是最早的介入放疗。1934年,利用正常组织和肿瘤的耐受性不同,开展分次放疗的理论成型,成为近代放疗的基础理论。1951年,人们利用钴60进行身体照射,这种机器长得很像现代加速器,俗称“钴炮”。1954年,英国人搞出了S波段行波电子直线加速器,X射线进入兆伏级能量。1959年多页准直器出现。1968年,美国人搞出了S波段驻波电子直线加速器。之后各种电脑控制技术和影像技术陆续出现,加速器从此进入现代医疗。

现代放疗设备

由于现代技术发展,放疗被不同的从业者和医院划分为各种分类,有从能量级别划分,有的从粒子类型划分,有的用临床照射方式划分,有的用技术类型划分,我比较倾向于使用粒子类型划分,来整体描述一下放疗设备,或者说,粒子加速器/射线产生设备。毕竟,人类发明了各种治疗方式与形式,但上帝创造了物理。

使用天然放射物质的放疗设备和手段

先说钴60放射设备。钴源是核反应堆的副产品之一,被用于工业探伤、以及医疗放疗。这类设备被大家熟知的是钴炮、伽玛刀。但其实它们都是将钴源放入一个屏蔽中,通过打开、关闭准直器,达到出射线、关射线的目的。伽玛刀是专有产品名词,特指医科达公司系列产品。

钴60治疗机/钴炮,这种设备目前已经很稀少了,这是早期放疗设备,可能在一些贫困地区还有存在,我还听说存在过手动开关的钴炮,配合低温铅模,给支付不了放疗费用的病人姑息治疗用。这种老设备完全没有精度可言,治疗也不以治愈为目标,就是单纯的减轻痛苦。这种设备已经基本淘汰,我们不再过多介绍。

钴60治疗机/钴炮

医科达伽玛刀,一种采用固定式多源的钴源照射设备,脑部肿瘤专用,使用固定式设计,围绕大脑360度放置多个钴源,实现201束照射,通过开关准直器实现非常精准的空间点SRS治疗。这是一台神经外科医生思路制造的机器,使用最笨拙的方式,换取超高等中心精度,确保剂量边缘锐利,分散剂量保护病灶周边的重要神经。下面是介绍视频:

Leksell Gamma Knife® Perfexion™

国产伽玛刀,国产伽玛刀出现于90年代,一度有很多家企业制造该类产品,各家采用不同的方式进行基于钴源的放射治疗,有使用多源固定式的,也有使用多源旋转式,有使用滚筒式结构的,也有使用支臂结构,但均为可移动式,不仅治疗形式区别于进口伽玛刀,也节省了钴源的使用量。目前在国内还有不少医院使用。

然后是介入放射。介入放射治疗主要是手术类型,其设备应该归类为辅助设备,由于它是把放射性物质通过手术放置于人体中,与本文内容不太相关,就不多说了。不过,这种治疗方式对于适应症和具体位置都有要求,所以并不是主流常见的治疗方式。

使用人工射线产生的放疗设备/粒子加速器

我们知道构成世界的三种物质为质子、中子、电子,下面复习一下高中物理:

物质的组成

由于人工射线的产生,首先需要加速上述粒子,使其成为射线,或者让其撞击金属靶,产生射线。由于电子质量最小,所以,加速电子是比较简单的,目前绝大部分工业化的加速器应用都是基于电子加速器的,加速电子有很多种办法,主要是四种方式设备:

1,电压加速,利用电子带负电,在电场中同极排斥,正负相吸的特性制造的加速器,这种加速器叫地纳米加速器,目前主要是用于工业电子辐照,它可以将电子加速直接打靶产生X射线,也可以直接发射电子,可以理解为,一个巨大的电视显像管。由于这种加速器一般都有几层楼高,没有听说过医疗用途。

2,微波加速,利用微波传输中对电子的推动力进行加速的加速器,这种加速器可以按照微波波段细分为S波段、C波段、X波段,其中每个波段又分为行波形式与驻波形式,还有各种比较新型的形式,但都属于电磁波加速范围。目前主要的医用加速器都使用S波段微波直线电子加速器,个别厂家使用X波段微波直线电子加速器。

3,磁场加速,利用磁场对带电粒子的束缚,进行回旋加速,目前医用质子加速器普遍使用这个形式,由于磁场可以多次回旋,给了粒子较长时间的加速过程,所以可以驱动比电子质量大得多的质子、重离子等的加速。

4,激光加速,激光也可以对粒子进行加速,这是目前热门的研究项目,有兴趣可以了解一下2018年的诺贝尔奖,光镊的原理。

放疗设备的竞争与演化

上述这么多的放射源设备、人造加速器,都可以产生射线,也就是说,都可能用于放疗。这么多年下来,业内有各种各样的讨论与争议,最终我们看到,电子直线加速器占据了绝对主导的市场地位,有多主流呢?全世界95%的放射治疗,使用的是电子直线加速器。我们来简述一下各种放疗设备的特点以及由于其特点造成的市场分布结果。

放射源设备-伽玛刀的优点及瓶颈

目前钴源放疗设备的主要形式为进口伽玛刀和国产伽玛刀,由于钴源是反应堆生产出来的,虽然其形状可控,但是其物理性质不可改变,所以,该类设备在放疗应用中,既有优势,也有局限性。

先说优点:主要核心优势有两个:1,钴源伽玛射线为天然放射线,较为纯净,其中少掺杂其他能级射线;2,钴源经过准直器遮挡后,照射半影小,多个照射束交叉后,剂量分布陡峭。这两个优点都有利于小靶点精准放疗,将钴源用于脑部放疗、分拆多个钴源、从尽可能多的角度照射也是充分发挥了其优势的使用方式。

再说局限:1,钴源其半衰期为5年,意味着不管设备是否使用,到期必须更换钴源;2,钴源伽玛射线能量无法提高,穿透能力有限,如果放大钴源体积,会导致半影过大,照射的话会损伤正常组织,这导致钴源无法形成可用的大照射野,钴炮被淘汰的主要原因就是这个;3,全球对于放射性物质的生产、运输、存储、报废都有严格的规定,管理成本很高;4,用户和操作者都对放射性物质有恐惧心理,尤其是日常维护、维修,一起泄露事件就会导致长期的负面情绪,这也是为什么进口伽玛刀采用固定式设计,是为了尽可能提高可靠性,降低设备维护、维修概率。

上述原因导致伽玛刀使用上成本较高,除了设备购置安装成本,钴源购买更换、运输、安装、报废都需要办理手续及支付费用。其主要用于脑部的特性,也使得适应症较少,治疗效率提不上去。我国医保定价上,伽玛刀并不比加速器定价高多少,在同样收入的情况下,加速器利用率及治疗效率上更高。并且,近年加速器技术飞速发展,其治疗精度大幅提高,其成本也大幅下降,伽玛刀的高精度相比之下就不那么有吸引力了。当加速器也可以进行SRS治疗,并且现代加工技术可以将准直器制造的更加精确,使用加速器进行头部治疗,已经成为一个主流方向。下面是美国安科瑞公司的CyberKnife头部SRS治疗演示视频:

基于X波段的直线加速器CyberKnife

直线微波加速器技术的成熟

经过国际两个放疗寡头多年的竞争,直线加速器技术越加成熟,具体表现如下:1,加速器技术自身发展已经非常成熟,人工高能X射线可以稳定并且可精确控制;2,加速器成本由于产量提高,已经成为流水线工业产品,其成本极大降低;3,医疗影像硬件、软件技术极大发展,电脑处理能力越来越强,基于影像的引导技术极大成熟;4,工业控制及自动化技术极大成熟,复杂多页光栅,复杂信号通讯技术可以支持复杂的射野控制;5,软件技术发展迅速,算法日趋成熟,机电一体化成为可能,治疗效率前所未有,用户体验上发展迅速。

目前高端的直线加速器设备,不仅可以精确使用多种能量射线照射,还能够在各种定位引导下治疗,可以计算病灶位置、病人位置、机器状态、射线发射状态、射野形态,让放疗越来越简单,越来越可靠,越来越精确,也越来越高效。一台高端的具备全功能的VMAT机器,治疗一次仅需2分钟,并且具备很高的可靠性,可以整月连续工作,这样的生产力效率工具是其他放疗设备所不能比拟的。目前治疗效率的提高,已经不在机器本身,而更多是在病人摆位、定位环节了。

质子重离子加速器

质子重离子治疗在原理上具备了X射线、伽玛射线都不具备的巨大优势,即布拉格峰效应。这使得其可以做空间点扫描,以隔山打牛的形式进行放射治疗。质子剂量率与深度的关系如下图蓝色曲线,绿色是X光,黑色是伽玛射线。

Bragg Peak

虽然质子重离子治疗有着天然的物理优势,但是,由于质子、重离子相比电子重太多,质子质量是电子质量的1837倍!驱动质子重离子进行治疗,其消耗的能源、磁铁体积、整个设备的占地面积、技术难度都完全不同,举个例子,质子设备的安装动辄以年计算,调试一不留神就是几个月时间。其治疗费用相比直加放疗也是成倍增加,一般人无法承受。这些原因都导致了质子治疗无法普及。

极大发展的放疗形式对射线放射治疗的根本意义探讨

写了这么多,一直到出现剂量与深度的对比图,本文的核心思想才体现出来。人类科技发展到现在,我们不停的追求新技术、新方法,试图尽可能地更好的治疗癌症,在放疗这个分类学科里,我们尝试了放射性镭、放射性钴、人工X射线、人工质子射线、人工重离子射线,下一个是什么?尝试了这么多,哪种手段才是真正适用于癌症治疗的呢?哪种手段才是真正的最优方案呢?为了得到这个答案,我们先看看,我们面对的核心问题是什么,放疗需要治疗的,都是什么样的病症?

GLOBOCAN2018  

上图是2018年,全球癌症按部位分类、按性别分类、按地域分类的统计图。这些,就是放疗手段需要面对的核心问题。哪种方法可以用可接受的成本、可接受的疗效、处理绝大部分的病症,哪种方式便会成为放疗设备行业的主流。上文其实已经给出答案,高能X射线是目前市场给出的最佳选择。

从上面布拉格峰 Bragg Peak 图形上可以看出,电子线(红色虚线)遇到人体后衰减迅速,只能用于体表治疗,在癌症分布图上我们看到体表癌症的发病率其实并不高,所以它注定不是主流。伽玛射线(黑色虚线)的穿透率要强,但是在10cm的深度就几乎要衰减一半,并且其剂量会逐年衰减,加上本文上述的一些原因,它最适合的是头部治疗,在癌症分布图上,我们看到该部分病症比例也比较小,所以,伽玛射线也注定不是主流。质子、重离子的布拉格峰,无论从穿透深度、剂量分布看,都是优秀的选择,但是其高昂的成本,使其成为了几乎最不经济的治疗方式,难以普及给普通民众。最后是高能X射线放疗,其能够成为市场主流,主要靠如下三个点:

1X射线物理性质适合放射治疗:6MV的X射线即可以做绝大多数放射治疗,可穿透绝大部分人的体型。其衰减率也不像伽玛射线和电子线那样大,依然在治疗深度保持了所需要的剂量。并且重要的是,X射线由光速电子打靶产生,其射线形成射束,类似探照灯的效果,下图为打靶产生的不同能量的X射线,其聚束性的不同,这张图又被称为花生图。

不同能量X射线的花生图

在上图聚束的基础上,由于加速器内部电子轰击的靶点非常小,靶束斑可控制在1mm。这样的射线性质使得高能X射线形成了带有聚束性质的点光源(类似),其半影适合各种射野遮挡操作,这形成了发展现代加速器技术的可能性,例如MLC,JAW等数字化系统应用有了硬件基础,这是天然放射源无法达到的。

半影的减小是精准放疗的前提

2X射线获取成本低,由于电子质量几乎可以忽略,加速电子到光速的能耗大大低于加速质子重离子。随着微波技术在民用(微波炉)、军用(雷达通讯)上的普及,微波器件成本越来越低,加速管技术也随着电真空行业的工业化越来越成熟,成本越来越低,其品质越来越可控,目前的加速管技术,可以实现动辄10-15年(5000-10000工作小时)的使用寿命,可以稳定输出各种能量,剂量的X射线。论起制造成本,小批量生产的X射线加速器设备,其成本就大幅低于质子重离子加速器,甚至比技术含量远低于加速器的无源放疗设备也不相上下。一旦生产形成批量,工业化生产的威力更是可以将高技术含量的加速器变为论材料重量核算的产品,并且,成熟的工艺及生产控制,对加速管的一致性,微波系统的稳定性,给予了极大保证。以目前人类的科技手段,X射线这种能级的射线可以说已经被征服了。

3以上两点为基础,X射线放疗的辅助手段已经丰富并且足够成熟。不论是影像引导、还是射野形状与变化的控制、各种发射旋转与摆动的形式,都已经有对应的产品出现。并且,随着近年电脑技术的极大发展,人类把加速器使用的如同自己的双手,在充分优化的治疗计划下,X射线加速器的治疗效果,甚至比肩质子重离子。各种质控矫正手段和计划优化,不仅在治疗精度上达到甚至超过了治疗要求。在对正常器官的剂量保护上,随着对于放疗生物效应的研究和经验积累,治疗计划的设计已经满足了一般人体的承受能力。

未来放疗设备发展猜想

其实,业内普遍认为,放疗技术的发展已经遇到瓶颈。大家都在努力寻找下一个可用于治疗的方法及手段。

首先,除了上述天然及人工射线类型,目前人类很难再找出可控的,对于肿瘤具备生物效应的射线类型。我们可能看到的一些磁场、红光、以及不可描述的宇宙射线等等,都是拙略的骗术。X射线对于人类这种碳基生物,其性价比可能已经是最高的了。

其次,X射线更高的能量尝试已经遇到问题,由于超过10MV能量的电子打靶,是有可能产生中子效应的,中子是唯一一种能使其他物质具有放射性电离辐射的物质,换句话说,它可以使人体或者治疗环境产生放射性污染,不仅不能治疗癌症,还将损伤健康。特高能的射线治疗有物理的瓶颈无法解决。

再次,超声、X射线成像、核磁成像、射频跟踪等等位置追踪已经发展的很先进,核磁已经接近实时软组织成像,这种边看边打的方式极大的提高了放疗的准确性,既然已经能够实时看到并定位肿瘤,影像引导技术也可以说到了天花板。

最后,对于射线的能量、剂量分布,还有射野的形状控制,已经发展得超过治疗需求。工业发展到今天,各种机架运动可以说都能轻而易举地实现,成熟的射线产生技术,各种各样的MLC射野遮挡技术,使得超高精度的射野控制成为可能,并且能够通过实时运算迅速改变剂量。集大成的VMAT技术可以在2分钟内精确的完成整个治疗,这样的效率还有继续提高的动力吗?

虽然业内还有各种尝试,比如将直线加速器技术,特别是影像引导、射野遮挡等技术移植到其他射线类型上,一度成为热点。但无论如何组合,由于X射线的物理性质及经济性,不论是将钴炮加上VMAT,还是给质子/伽玛刀加上影像引导,都无法挑战直线加速器的绝对主流地位。

个人认为,未来的放疗设备,将很大程度作为癌症治疗的生产力工具而存在,在技术趋同的大环境下,综合使用成本、用户体验等将作为主要差异化竞争的部分。在我们国家,一台安装简单,皮实耐用,操作容易,培训轻松,治疗迅速,客服优良的直线加速器,将是整个行业都翘首期盼的。

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