质子重离子射线治疗肿瘤，是当今国际公认的最尖端放射治疗技术。迄今为止，全球仅有12.29万人接受过质子重离子治疗，且主要集中在美国、日本、德国等少数发达国家。
据上海市质子重离子医院院长郭小毛教授介绍，放射治疗运用放射线“攻击”肿瘤，使肿瘤细胞失去活性，以此来杀灭肿瘤。传统的光子放疗，可有效破坏肿瘤细胞，但照射后沿途不断释放大量能量，肿瘤前后的正常组织都不必要地接受了相当剂量照射，此外，肿瘤细胞损伤的修复率也较高。
质子和重离子这两种粒子相比光子而言，质量较大，在物质内散射少、射线更为锐利，由此进一步减少了肿瘤周围正常组织的照射剂量。重离子射线，还可通过切断肿瘤细胞双键DNA，使肿瘤细胞难以修复。因此，重离子对部分光子、质子射线治疗不敏感的肿瘤，有较好疗效。
核心技术一：同步加速器，最环保干净的粒子设备
作为医院最为核心的部分，同步加速器直径达21米，束流能量可以自由调节，其中，质子束流能量幅度在50Mev至221Mev，重离子束流能量幅度在85Mev至430Mev。加速器将上述粒子加速至光速的70%（约21万公里/秒）后，束流进入治疗室，能够治疗人体内30厘米深度的肿瘤。
引入同步加速器，是当时上海市委、市政府基于战略考量后的重要决策。2007年10月，筹备小组前往美国考察，考察点主要是全球质子治疗经验最为丰富的加利福尼亚州洛玛琳达大学医疗中心以及位于美国东部的麻省总医院。多位专家提出建议，如果引进技术，建议引进同步加速器，而不是当时广泛应用的回旋加速器。
相比回旋加速器，同步加速器有两大优势：首先，质子、重离子能量可随时调节；其次，同步加速器发射的射线对机房几乎没有污染，90%以上的射线皆可用于治疗，停机后15分钟即可进难以实现能量的随时调节，停机后24小时方可进入机房。来自中科院高能物理研究所等专家一致认为，上海引进的同步加速器，可谓最环保、最干净的质子重离子设备。
上海市质子重离子医院内共有4间质子重离子治疗室，其中1间45度束流治疗室、3间水平束流治疗室，由同步加速器发射而出的粒子束流，可通过治疗室，满足不同种类、不同位置、不同深度的肿瘤定位和照射需求。
核心技术二：呼吸门控技术，“hold住”运动中的肿瘤
更精准、更锐利，质子重离子在治疗肿瘤时的显著优势，也会遭遇技术难点。肺癌、肝癌、胰腺癌，这些肿瘤运动会随着呼吸运动而稍有移位。运动中的肿瘤如何知晓它进入照射“窗口”？在照射“窗口”的很短时间内，扫描能否完成剂量的全部覆盖？针对这样棘手的技术难点。过去粒子治疗权威专家曾运用呼吸门控技术来解决。
所谓呼吸门控技术，即用先进的呼吸运动压力感受器，将信号传递给计算机，计算机输出信号到同步加速器，控制同步加速器开启、关闭射线。呼吸门控技术，有效减少了射线对正常器官的放射体积，疗效更精准。过去4年内，仅有德国海德堡大学一家应用过呼吸门控技术，治疗一位肝癌患者。
学习掌握呼吸门控技术，专家团队先从肿瘤是如何进入照射“窗口”入手。经过反复在患者和医生自身身体上的摸索实践，专家们发现：训练平稳呼吸，保持同一频率和幅度，可让肿瘤进入照射“窗口”，此外，腹壁呼吸探测器要放置在合适的部位，应该在患者腹壁皮肤标记探测器放置的位置，再根据压力大小，调节腹带松紧。
那么，照射“窗口”怎么设置？专家团队经过反复摸索，建立了工作流程：进行模拟机定位的四维CT扫描、测量肿瘤运动的幅度，并在“窗口”确定以下3个原则：选择在呼气末、“窗口”内肿瘤运动小于5毫米，能提供最长的射线给予时间。符合这三条原则，便可设置照射“窗口”。
团队还用胶片来模拟实验。把胶片“比拟”成肿瘤，放在模型里上下运动，使质子重离子照射，再冲洗胶片，测量剂量分布的均匀性。最终，团队得出设计调节参数，同时确定门控“窗口”选择在呼气末；如肿瘤运动小于5毫米，剂量分布误差可以接受，不会影响肿瘤治疗。研究掌握了呼吸门控技术，随后的临床试验中，有3例肺癌患者成功应用此技术实施了质子重离子治疗，皆达到治疗预期效果。
核心技术三：笔形扫描技术模拟分层肿瘤
如何让质子重离子的治疗更加精准、到位？笔形扫描技术是核心之一。质子重离子所产生的“布拉格峰”能量变化，一般单个宽度仅为几个毫米，而可临床治疗的肿瘤直径，许多都大于几毫米，只有把多个“布拉格峰”叠加起来，方可覆盖肿瘤。医院引进的设备中，可选择的单个布拉格峰宽度为3毫米、4毫米两种，利用笔形扫描技术，可改变能量，使多个布拉格峰叠加，实现更精准到位的治疗。
具体说来，笔形扫描即通过电子计算机，先将肿瘤模拟分层，再控制射线、改变射线的能量，继而逐点、逐层扫描。2015年6月14日，首个临床试验病例为前列腺癌患者，笔形扫描技术的娴熟应用，将肿瘤模拟分割成3毫米一层，层与层之间有重叠，如此，改变了射线的能量，最终该病例收获较好疗效。
核心技术四：患者定位和影像验证系统，灵活机械臂击中靶区
这项技术借助计算机的高速处理能力、影像扫描设备，依托机械臂的灵活，可根据患者的平躺位置，经由影像设备成像、计算机处理后，自动调整机械臂至计划位置，最终保证束流准确无误地击中肿瘤靶区。
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