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肿瘤治疗用介质壁质子加速器

文章来源:流体物理研究所   时间:2011-11-28 15:56:00 访问数:

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项目简介

质子治疗肿瘤,相对γ射线或者X射线的最大的优越性在于,它们射入人体后,存在明确的射程,且在射程末端的剂量远高于前端的剂量,即存在一个剂量峰值——Bragg峰。峰值剂量约为峰值前的剂量的35倍,峰值后剂量迅速降为零。这样,可以使辐射剂量主要沉淀在肿瘤区域,提高治疗效果,降低对非肿瘤区正常组织的伤害。因此,即使采用单视野,也可以得到很高的治疗增益比(肿瘤靶区的剂量与周围正常组织剂量的比值)。

目前世界上共建立有多个质子治疗中心,目前共有数万患者接受了质子辐射治疗。统计数据证明,同X射线和γ射线治疗相比,采用质子治疗,病人治疗后存活时间长,生存质量高。质子治疗效果已经得到充分肯定。

用于肿瘤治疗的质子束的束流强度一般在数十微安以上,当质子能量达到70MeV左右可以用于眼科放射性治疗,而200MeV左右的质子可以穿透20cm以上人体组织,便可用于人体各处的放射性治疗。对于亚洲人,200MeV能量的质子基本上能够对身体任何部位进行治疗了。

以传统的加速方式(感应加速或射频加速)研制输出上述参数的质子加速器,存在两个方面问题。一是投资规模大。目前一台质子治疗设备(包括治疗机架等部分)售价数亿人民币。同时由于设备庞大,建立治疗中心占地面积大,建筑成本高;二是目前的质子治疗系统效率较低,因此治疗成本较高,为一般肿瘤患者所不能承受。造成这个局面的因素主要是质子加速器本身和治疗机架结构庞大,实现精确定位和转动较困难,治疗效率较低。基于上述因素,目前的质子治疗系统不能为医疗机构和患者所认可,使质子治疗方案不能产生应有的效果,难以产生好的经济效益和社会效益。

介质壁质子直线加速器是基于高绝缘强度绝缘介质壁、固态化脉冲形成线等技术的新型加速技术,可以大幅度提高加速器加速梯度,有效实现质子加速器小型化、固态化,降低运行维护和治疗成本

采用介质壁质子加速器进行放射治疗,主要优点表现如下:首先,加速器体积大大缩小。采用固态元器件所建立的介质壁加速器的加速梯度可以超过100MV/m。因此输出200MeV质子束的加速器的长度在2左右。考虑束线等因素,加速器的长度可以控制在5左右。这相对于输出相同能量的传统加速器而言(~70),长度大大缩短;其次,改变了目前质子治疗系统的运行方式,使整个治疗系统成本大为降低。目前质子治疗系统由于加速器系统庞大,不能实现移动调节,因此采用结构相对简单的治疗机架实现定位调节。由于需要实现高精度(亚mm)定位调节,加之机架结构也相对庞大,因此质子治疗定位机架的成本在质子治疗系统中的成本所占比例较大,超过加速器主体所需费用。采用介质壁质子加速器进行放射治疗,由于加速器主体较小,可以采用通过调节加速器主体来实现定位调节的方案,因此治疗机架系统结构和成本都大为降低。

开展项目研究,进行介质壁加速器关键技术攻关,研发可以用于肿瘤治疗的、具有自主甘肃快三产权的介质壁型质子加速器,用于肿瘤治疗。

研究方向

    研发介质壁质子加速器整机及关键核心部件,进行高电压快速导通开关、高梯度绝缘堆和脉冲形成线及紧凑质子束源研究,开展系统整机设计。

技术独创性

    高梯度绝缘堆和固态脉冲形成线研制及工艺,长寿命、高电压快速导通开关及工艺,系统整机设计。

社会应用

    发展低成本质子加速器和质子治疗中心势在必行。介质壁质子加速器和基于介质壁质子加速器的质子治疗中心是降低质子治疗成本、提高治疗效率的必然途径。一旦研发成功,将会很快占据国内外质子治疗市场大部分份额,有着广阔的市场前景。

相关技术应用前景广阔。本项目研究所发展的关键技术,不仅可以用于研制高加速梯度的介质壁加速器,还可以用于涉及军用技术、装置的电真空、电物理、脉冲功率技术等方面,用于提高相关高电压、高功率系统的加速、绝缘梯度,减小装置体积,实现装置小型化、固态化。同时,项目最终所研制的高梯度加速器,可以直接用于非民用目的,作为紧凑型X光源,用于闪光照相和武器库存检验等方面。


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