质子治疗系统-回旋加速器简要对比分析《一》

本文主要介绍分析现存的各厂商的质子治疗系统-回旋加速器的特点，并介绍相关技术历史背景，为准备建设质子中心的客户和对质子回旋加速器感兴趣的读者提供参考。数据均来自公开书籍、文献、会议报告、互联网等，全文代表个人看法，欢迎讨论指正。本文字数5600字，预计阅读时间10分钟。

质子治疗作为一种前景良好、切实有效的放疗新技术，在国内目前处于蓬勃发展的状态。目前国内在建和拟建的项目近70个，市场前景非常好，除了老牌质子系统供应商如IBA Varian外，还不断涌现新的质子（包括重离子）设备供应商，到目前为止，可供选择的质子治疗系统供应商或者技术代表方 主要有：

国外：IBA、Varian、Provision、Protom、Mevion、日立、三菱、住友、东芝、Advanced-Oncotherapy（AVO）等

国内：中科院近代物理所、中科院上海应物所、中国原子能科学研究院、中科院合肥物质科学研究院等。

质子系统的最核心部件是质子加速器，目前设备供应商的加速器大部分是基于同步加速器和回旋加速器两种系统，但如此众多的供应商，其加速器设备结构、配置、技术参数差异很大，对于医院等客户来说，每个质子治疗装置运行寿命在20年左右，一旦选定技术路线开始基建，后续基本没有更换系统的可能，客户如何根据自身资金、人员队伍、占地、预期病患量、长期规划等因素来选择最适合自己的质子治疗系统就尤为重要。

从客户角度出发，比如处于市内，土地寸土寸金的小型知名医院，就可以多参考IBA、Varian的回旋型-紧凑型单室系统的机器；如果是想着重发展科研的科研型医院或高校，就应多关注小型且兼容性、拓展性都强的设备供应商如Protom、AVO；而对于在郊区发展，土地比较多的新医院，选择较为国产大型多室加速器系统的性价比就较高，还可以分阶段逐步增加治疗室，不但能缓解资金压力还能享受未来的技术升级红利，比如超导Gantry和质子CT。

医用质子回旋加速器作为回旋加速器中特殊的一类，其参数指标是经过放疗医生与加速器物理专家多年沟通得到的，目前世界范围达成的设计共识有如下几点：

1.最少的技术难度与加工挑战

2.低功耗-低运行成本

3.光斑质量高——束斑对称性，射程均一及稳定性

4.合理的大小——加速器尽可能紧凑

5.可靠性和稳定运行

6.适度保守，降低病人风险

最近还有趋势是能提供大流强，能够Flash，大分割治疗。

1. 瓦里安Varian/Accel AC250 ^[1]

AC250加速器 图片源自互联网

加速器名称		Varian/Accel AC250
cyclotron type	加速器类型	紧凑，等时性
accelerated particle	加速粒子	质子
final energy，MeV	最终能量MeV	250
beam intensity	流强	800nA
Extracted beam emittances,π mm mrad	引出发射度	≤5
injection type	注入类型	Internal PIG source
	阴极类型	冷阴极
central magnetic field,T	中心区、最大、引出磁场	2.4-4
sector shim type,spiral angle	扇型，螺旋角	双曲线，70°
RF system	高频腔	Four 45°dees
operation RF harmonic	谐波数	2
RF frequency,MHz	射频频率MHz	72.8
Peak dee voltage,kV	注入引出电压，kV	80-130
final radius,mm	引出半径mm	815
extraction type	引出类型	静电偏转板/被动磁场通道
cyclotron diameter,mm	加速器直径mm	3100
cyclotron height,mm	加速器高度mm	1600
cyclotron weight	加速器重量	90t
Beam time structure	束流时间结构	CW

瓦里安ProBeam系统中的超导等时性回旋加速器名为AC250，从最初密歇根州立大学MSU（核物理领域先驱）设计，后由Accel公司在PSI的Henry Blosser技术指导下完成改进设计并制造，原型机被出售给PSI研究所建立质子装置。这里有必要介绍一下Accel，其本是西门子的子公司，在加速器物理领域承担了欧洲核子中心CERN的大量磁铁、高频腔、超导部件的制造，积累了深厚的技术资本。Accel在2002年承担慕尼黑质子治疗装置的建设，但建设期间技术困难诸多，最后诸多原因濒临破产，被瓦里安收购，如今瓦里安被西门子收购，Accel重新回到西门子的怀抱。

如上图表中参数，AC250是紧凑型加速器，这里国外对超导回旋加速器就称为紧凑型。其拥有高达800nA的流强，引出发射度小于5π mmrad，束流品质比较好，大流强还能实现Flash疗法。4个dee的结构，粒子一圈加速8次，使束流能散尽可能小，满足医用对束流能量-射程稳定的高要求。加速器尺寸直径*高度*质量为3100mm*1600mm*90t，可以说体积和重量上非常优秀了，尽可能的减少对辐射屏蔽的要求，而且引出效率能达到80%，对于维护人员非常友好，中心区磁场低至2.4T，中心区磁场越低会减少超导回旋加速器轴向孔中的杂散磁场，减少penning放电的几率，减少粒子注入轨道圈数，为轴向注入系统带来一系列的好处，回旋加速器中心区较为复杂，总而言之AC250很好的解决了这个问题，使得系统十分稳定。

AC250从设计出来出束至今已经16年，各项指标在回旋加速器领域依然处于领先地位，足以见到当年瓦里安收购Accel公司的高瞻远睹。

如果一定要给AC250挑出些短板，250MeV的能量有些过大，220MeV能量其实就足够适应人体所有深度的肿瘤，但瓦里安接手Accel后通过多年积累的病例认识到这一点，即将推出改进的紧凑型226MeV回旋加速器，还能进一步缩小gantry体积，压缩设备成本。

2. 亿比亚IBA-C230 ^[2]

C230 inside view 图片源自Yves Jongen PAC 2013 Pasadena会议报告

加速器名称		IBA-C230/C235 Proteus Plus
cyclotron type	加速器类型	非超导紧凑，等时性
accelerated particle	加速粒子	质子
final energy，MeV	最终能量MeV	230
beam intensity	流强	300-500nA
Extracted beam emittances,π mm mrad	引出发射度	Large
injection type	注入类型	Internal PIG source
central magnetic field,T	中心区、最大、引出磁场	1.7 central and max 2.9
sector shim type,spiral angle	扇型，螺旋角	不详
RF system	高频腔	two spiral cavities
operation RF harmonic	谐波数	不详
RF frequency,MHz	射频频率MHz	106.1
Peak dee voltage,kV	dee高压，注入引出电压，kV	不详
final radius,mm	引出半径mm	450
extraction type	引出类型	静电偏转板
cyclotron diameter,mm	加速器直径mm	4340
cyclotron height,mm	加速器高度mm	2100
cyclotron weight	加速器重量	250t
Beam time structure	束流时间结构	CW

IBA亿比亚公司Proteus Plus系统使用的为常温等时性回旋加速器，是IBA与JINR俄罗斯联和核子研究所（Joint Institute for nuclear research）以及Sigmaphi公司（磁铁供应商）共同研发而成。

C235加速器最初设计是235MeV能量引出，后来改进到230MeV名字变为了C230，所以现在存在C230/C235两个名字。C230是于1997年最先开始商业运行的医用质子回旋加速器，由于市场上很难找到和培养出懂得如何维护其的技术人员，设计时考虑一定要便于维护，稳定可靠，因此选择非超导的技术路线，但在体积设计上尽可能的缩小。C230也是等时性加速器，流强够大300nA-500nA，但束流发射度较大；中心区1.7T的低磁场，使用双dee结构，为静电偏转板连续束引出留出足够空间，能散可能略大，但加速器后面的能量选择系统ESS可以弥补；引出效率不算太高，为50-70%；C230虽然是常温加速器但是体积依然非常小，直径*高度为4340mm*2100mm，总重250t。

有些客户可能会认为与超导回旋加速器相比，常温加速器的功耗巨大，运营成本差异很大，其实不然，C230的耗电功率300kW左右，而超导回旋加速器耗电虽然低130kW左右但还要40kW的液氦压缩机，二者差距并不是完全无法接受的。

虽然C230今天看起来有些陈旧的感觉，但是其作为最先开始量产并商业运行的质子回旋加速器，迅速扩大了质子治疗市场，占据大量份额。IBA中国目前在运行的淄博、涿州、广州项目都是该型号加速器，可以说C230创造了IBA稳定可靠的行业口碑，世界上接受质子治疗的患者近一半都是被C230治疗的。

3.亿比亚IBA-S2C2 ^[3]

IBA-S2C2 图片源自Yves Jongen PAC 2013 Pasadena会议报告

加速器名称		IBA-S2C2 Proteus One
cyclotron type	加速器类型	紧凑，同步型
accelerated particle	加速粒子	质子
final energy，MeV	最终能量MeV	230
beam intensity	流强	（20）400design
Extracted beam emittances,π mm mrad	引出发射度	-
injection type	注入类型	Internal PIG source
central magnetic field,T	中心区、最大、引出磁场	5.7T  7T  5.0T for extra
sector shim type,spiral angle	扇型，螺旋角	不详
RF system	高频腔	Single,180°
operation RF harmonic	谐波数	1
RF frequency,MHz	射频频率MHz	93-63
Peak dee voltage,kV	Dee高压	11
final radius,mm	引出半径mm	500
extraction type	引出类型	被动再生
cyclotron diameter,mm	加速器直径mm	2500
cyclotron height,mm	加速器高度mm	1600
cyclotron weight	加速器重量	50t
Cooling style	冷却方式	Dry cooling system
Beam time structure	束流时间结构	pulse
Beam pulse rate：	束流脉冲频率	1000Hz/7微秒

IBA公司Proteus One系统中使用的是S2C2超导同步型回旋加速器，主要是为了与瓦里安AC250加速器竞争，作为C230的升级款加速器，满足单室客户需求，进一步缩小体积并减小重量，其与等时性加速器的不同在于束流是升能后维持在加速器中，粒子到加速器边缘磁场下降区，运动曲率半径变大从而引出，这种方式称为被动再生引出。SC2C的特点是离子源关断束流可以做到15微秒关断，从离子源到病人的过渡时间只有45微秒。

S2C2由于是被动再生引出，束流时间结构不是连续束，而是脉冲束，1000Hz/7微秒，这样扫描方式就是笔形束点扫描Pencil beam spot scanning，对于扫描治疗头电离室的响应及剂量控制精度要求会大一些，该种引出方式导致流强只有20nA左右，剂量率就不会特别高，将来无法实现Flash技术，虽然设计指标400nA足够大，但是在该流强下剂量控制存在困难；S2C2总重下降到50t，比瓦里安AC250还要轻一半，高度降到1600mm，好像完全可以装在Gantry上旋转治疗，这有点像Mevion的技术路线， S2C2其实与Mevion的S250同宗同源，后文会详细介绍。

4.亿比亚IBA-C400 ^[4]

IBA-C400 图片源自N.Morozov JINR cyclotron 10^th 会议报告

加速器名称		IBA-C400 Carbon therapy
cyclotron type	加速器类型	紧凑，等时性
accelerated particle	加速粒子
final energy，MeV	最终能量MeV	400for Proton,265MeV/u
beam intensity	流强	8nA for carbon beam
injection type	注入类型	external ECR/multi-cusp
central magnetic field,T	中心区、最大磁场	2.45-4.5
sector shim type,spiral angle	扇型，螺旋角	双曲线，75°
RF system	高频腔	Double spiral cavities
operation RF harmonic	谐波数	4
RF frequency,MHz	射频频率MHz	75
Peak dee voltage,kV	dee高压，注入引出	central/extra:80/160
final radius,mm	引出半径mm	1850
extraction	引出类型	静电偏转板/剥离膜
cyclotron diameter,mm	加速器直径mm	6600
cyclotron height,mm	加速器高度mm	3400
cyclotron weight	加速器重量	700t
Beam time structure	束流时间结构	CW

碳离子系统早期主要是西门子、三菱、住友等公司利用同步加速器实现，而IBA在碳离子治疗也有布局，其C400加速器2013年就已经出束调试完毕，再次证明了IBA在回旋加速器的领先地位。

C400依然是IBA与JINR联和研发而来的超导等时性加速器，只要是荷质比1/2的轻离子都是可以注入的，由于质子荷质比是1/1，需要以氢分子状态加速后引出时再剥离一个电子形成质子束，如果是带一个电荷的氢分子，与散射体或者人体的作用截面（主要是多体库仑散射）是不一样的，会影响射程分布，碳离子则利用ECR离子源6电荷态注入，最终400MeV/u能量，8nA引出，流强不算大但是引出效率可以达到70%；相比C230 AC250等紧凑型回旋加速器，ECR离子源比PIG源寿命更长，电离效率高，氢分子注入效率甚至接近100%，注入束流的品质非常好，工作稳定，但成本高昂；C400总重700t，目前还不知道有没有客户购买。

5.迈胜Mevion-S250 ^[5]

Mevion-S250系统 图片来自互联网

加速器名称                               Mevion-S250
Designer	设计方	MIT+SRS
cyclotron type	加速器类型	紧凑，同步型
accelerated particle	加速粒子	质子
final energy，MeV	最终能量MeV	254.2
beam intensity	流强	40 100design
Extracted beam emittances,π mm mrad	引出发射度	-
injection type	注入类型	Internal PIG source
central magnetic field,T	中心区、最大、引出磁场	8.835-8.116
sector shim type,spiral angle	扇型，螺旋角	不详
RF system	高频腔	Single 180°
operation RF harmonic	谐波数	1
RF frequency,MHz	射频频率MHz	不详
Peak dee voltage,kV	dee高压，注入引出电压，kV	不详
extraction type	引出类型	被动再生
cyclotron diameter,mm	加速器直径mm	1800
cyclotron height,mm	加速器高度mm	1600>1000
cyclotron weight	加速器重量	25t>20t
Beam time structure	束流时间结构	pulse

国际知名小型质子系统供应商迈胜Mevion的回旋加速器S250，其概念追溯至2004年Still river system company （SRS），SRS的医学物理学家Ken Gall等人分享了在MGH医院的IBA-C230系统经验，想要设计一款单室紧凑，基于极高磁场9T的同步型回旋加速器，装在gantry上围绕病人旋转。该加速器初始设计者是麻省理工Tim Antaya，后续脱离MIT由SRS独立设计，加速器命名为S2C2.

Ken Gall与他设计的9特斯拉 S2C2 加速器 图片源自Yves Jongen PAC 2013 Pasadena会议报告

Mevion的S250和IBA的 S2C2作者认为都是源自Ken Gall的S2C2，设计参数基本一致，但IBA的S2C2改动更少，技术推进更快，机器于2013年测试基本完毕至今已经出售多台。

Mevion-S250的技术参数披露的比较少，但是从已有的和S2C2的数据可以知其一二。

1.S250是250MeV（之前是254.2MeV）引出，8.835T峰值磁场，8.116T边缘引出磁场，单个dee，采用一次谐波加速，能散较大。

2.由于选择了将加速器置于gantry上，加速器必须设计的很小，就需要非常大的平均磁场，而高磁场下的Hill-gap能提供的磁场交变梯度变化很小，由此强聚焦变成弱聚焦，就必须选择同步加速路线，和被动再生型引出。

3.被动再生引出是利用切割器和再生器形成的引出方法，首先，8.116T的高边缘磁场使粒子圈与圈之间重叠严重，即使使用共振进动法也无法有效增加圈距，因此利用切割器使粒子径向散焦，经过90°扇角后径向聚焦，由于粒子是加速的，综合效果依旧是聚焦，通过多圈重复后引出的束流为脉冲束，流强40nA比S2C2大一些，设计最大流强虽然有100nA但该情况下剂量学方面如等效过渡时间和漏剂量的控制比较困难；

4.再生引出方法的在加速器的引出效率约为10%，束流能散1%以内，这一点对于维护是比较大的挑战。加速器直径为1800mm，高度从1600改进到了1000mm，重量25t进一步减少到20t，线圈采用锡钕合金，一般的超导线圈是用锑铌合金。

AC250的高度是1600mm，Accel在设计紧凑单室系统时也曾考虑装在gantry上的技术路线，概念图如下^[10]，作者认为比现在的Mevion S250结构更具一些优势，但Accel认为受限加速器重量带来的位置误差，旋转过程对低温液氦流体的影响，权衡体积、空间收益不足以弥补带来的辐射本底弊端、运动控制困难，遂放弃了此路线。

即所谓萝卜青菜各有所爱，S250的特征是显而易见的，将紧凑与低成本发挥到了极致，但带来的其它影响也很大，就看客户是否愿意接受了。

参考文献

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[2]V., L., Smirnov, S., B., & Vorozhtsov. (2016). Modern compact accelerators of cyclotron type for medical applications. физикаэлемнтарныхчастициатомногоядра.

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[5]V., L., Smirnov, S., B., & Vorozhtsov. (2016). Modern compact accelerators of cyclotron type for medical applications. физикаэлемнтарныхчастициатомногоядра.

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[8] Smirnov, V. ,  Vorozhtsov, S. ,  Neville, Z. ,  Blosser, G. , &  J  Vincent. (2018). The R&D of a K230 SUPERCONDUCTING CYCLOTRON FOR PROTON THERAPY.

[9]H. Tsutsui et al., “Status of SUMITOMO’s superconducting isochronous cyclotron development for proton therapy”, in Proc. 13 th Int. Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (AccApp’17), Quebec City, Canada, Jul.-Aug. 2017, pp. 412-419

[10] Friesel, D. L. , &  Antaya, T. A. . (2012). Medical cyclotrons. Reviews of Accelerator Science and Technology, 02(1), -.

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