质子设备工作原理

质子的布拉格峰特性允许质子将其峰值对准肿瘤病灶，肿瘤接受最大剂量，而肿瘤前后的正常组织器官等只受到相应1/3～1/2的剂量，克服了常规X射线及电子线临床治疗的缺陷，最大程度提高了射线利用率。但单一能量质子束仅毫米数量级的布拉格峰宽度较窄，且束流本身能散度及束流经过患者身体的能量离散度不足以将布拉格峰展宽至覆盖厘米级肿瘤厚度的范围。因此必须对束流进行纵向能量调制以扩展布拉格峰，并与被照射肿瘤厚度相适应才可进行临床应用。除束流纵向能量调制外，通常也需对其进行束流横向扩展。

（一）束流纵向能量调制(https://www.daowen.com)

束流纵向能量调制即临床上目标深度处均匀剂量的照射通过构造布拉格峰实现。布拉格峰由一系列各强度及能量的原始布拉格峰组成。对于被动散射系统，主要通过一个能量调制轮实现这一点。调制轮是由低Z材料制成的一系列高度及宽度各不相同的台阶所构成，当其以恒定速度旋转时，加速器引出的具有一定能量的质子束按顺序通过台阶，从而使光束能量降低，以产生一组计划所需能量和强度的布拉格峰进而构造出布拉格峰。笔形束布拉格峰的实现则无需能量调制轮，而主要依靠从能量选择系统引出的质子流，通过多层扫描实现布拉格峰的展宽与均匀化。

（二）束流横向扩展

束流的横向扩展形成了各种不同的质子束束流输送技术。目前临床上常用的是被动散射及笔形束扫描两种束流输送技术。被动散射作为一种常规的质子束治疗技术，利用加速器输出聚焦质子束，通过1～2个散射体散射，最终获得经扩展后临床可用的较大照射野。其中单散射技术仅利用束流线中的一个散射体进行射束横向扩展，该散射体通常由铅等高原子序数金属箔制成。单散射系统对射线利用率较低，形成的射野较小且剂量分布平坦度不高，但与比双散射系统相比，通常具有更尖锐的横向半影，更常用于眼睛或脑部肿瘤的小靶区治疗。双散射系统通过上、下两个散射体进行束流扩展，首先质子束通过第一级散射体形成高斯形场强分布，然后通过第二散射体使得横向剂量分布更为平坦，最终可形成直径达40 cm的均匀强度场剂量分布。笔形束扫描系统则采用两对正交偶极磁铁（扫描磁铁）横向引导质子，将具有一定强度即质子数的小尺寸笔形束引至预设位置，因此整个肿瘤的剂量由多个笔形束叠加而成。