第二章 質子放射治療應用概況
第二節 質子放射治療法演進
質子科學相關應用開始於美國，最初是為了物理學研究與實驗。1930 年代，
Lawrence 與 Livingston 在 University of California at Berkeley 發明迴旋加速器，此 裝置可以產生高速的質子束17。Wilson(1946)的開創性研究發現攜帶高能量的質子 束可以應用於醫學放射治療18；1946 年於 Harvard University 設計一座 150MeV 的 迴旋加速器。質子應用於病患治療可以回溯到 1950 年代，Larsson et al.(1958)提出 質子應用於放射治療的可能性。1961 年於 Harvard University Cyclotron Laboratory 開始以質子束治療顱內病變(intracranial lesions)。1970 年代，由美國國家癌症研究 中心撥款贊助研究，Suit et al.(1975)的研究提出質子放射治療法應該更廣泛的使用 於癌症患者治療。Miller(1995)整理質子放射治療相關應用之起始歷程，Smith(2006) 統計使用質子放射治療法治療痊癒的患者人數。
Loma Linda University Medical Center(LLUMC)Slater et al.(1991)與 Harvard University 合作，創立質子放射治療工作小組(Proton Therapy Cooperative Group;
17Lawrence, E.O. and Livingston, M.S. (1931), “The production of high speed protons without the use of high voltages,” Physical Review, 38, pp.834.
18Wilson, R.R. (1946), “Radiological use of fast protons,” Radiology, 47(5), pp.487-491.
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PTCOG)，該組織營運持續迄今。Slater et al.(1991)創新設計質子放射治療五項系 統包含：(1)射束大小(beam size)、均勻性(homogeneity)與強度控制(beam control for intensity)；(2)能量調變(variable beam energy)；(3)束流傳輸系統(beam transport system)；(4)旋轉機座系統(gantry system)以及(5)治療診間和建置模組(room and site configuration)。束流傳輸系統的磁鐵由 Illinois Fermilab(Fermilab National Accelerator Laboratory)負責設計(Cole et al. 1989)。1991 年完成建置全球第一個醫 用同步加速器的質子放射治療醫學中心，1992 年開始營運。
重帶電粒子（heavy charged particle）是指質量數（即中子數與質子數的和）
等於或大於質子（氫的原子核）質量數的帶電粒子，例如 p（質子）、α粒子、π 介子，與碳離子等。質子的質量數為 1，碳離子的質量數為 12，電子的質量則為 質子的 1/1,800。也就是說，當電子的質量為 1 時，質子是它的 1,800 倍，碳離子 則為電子的 21,600 倍19。
重帶電粒子（質子或碳離子）穿越某些物質時可以忽略它在物質中與核的相 互作用，造成的劑量隨深度分布，其形狀呈現所謂的布拉格曲線。如圖 2 所示，
質子束所攜帶的能量會在其穿透障礙後的最後幾公分全部釋放，造成「高能量劑 量」(high energy dose)，稱為「布拉格尖峰」(Bragg peak)(Pedroni et al. 1995)。
在形成峰之前的平坦段稱為「坪」(plateau)，峰後是陡直減弱的一個「尾部」(tail)。
將其擴展後可以形成與腫瘤大小形狀相符合的「延展布拉格峰」(spread-out Bragg peak; SOBP)(Paganetti & Goitein 2000; 莊家銘等 2013)。以電腦診斷影像設備掃 描腫瘤組織之形狀和輪廓，計算入射方向、能量和頻率並給予起始劑量，可以將 質子束大部分能量集中投射至腫瘤的位置，減低對正常組織傷害，減少治療過程 中對人體產生的影響20。
成佳憲(2008)說明質子放射治療有別於傳統直線加速器產生的光子放射治療 之處，在於物理特性上可聚焦於身體特定深度，才釋放大部分劑量，行徑路徑上 則遠較光子放射治療殘留極低的劑量。質子放射治療法可以降低醫學治療過程中
19大西正夫(2014)，朱鐵吉譯，財團法人核能資訊中心，日本放射線醫療日趨進步，
http://www.nicenter.org.tw/modules/tadbook2/view.php?book_sn=&bdsn=1274 (存取日期 2014/12/12)。
20Levin, W.P., Kooy, H.M., Loeffler, J.S. and DeLaney, T.F. (2005), “Proton beam therapy,” British Journal of Cancer, 93(8), pp.849-854.
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對人體的傷害21。Grassberger et al.(2010)指出質子放射治療法是一種低階的直線能 量轉移放射形式(linear energy transfer; LET)，有效劑量是與其他射線劑量(例如：
碳離子束、中子束與γrays)做比較而得出「相對生物效應」(relative biological effect;
RBE)。其產生特定治療效果所需劑量比例，通常是以鈷-60 產生的光子劑量做為 比較標準(廖漢文 2010; 賴律翰等 2012; Murakami 2012)。
圖 2 碳離子束、中子束、γ射線和質子束放射治療法的劑量差異分佈圖 (資料來源：Murakami 2012, Research Center of Charged Particle Therapy,
National Institute of Radiological Sciences; NIRS, Japan)
貳、質子放射治療法優點
Preuss(2010)說明 1954 年美國 University of California, Berkeley Lawrence Berkeley National Laboratory(LBL)嘗試以質子束作為臨床癌症治療應用的可行性。
1961 年美國 The Harvard Cyclotron Laboratory(HCL)與 Massachusetts General Hospital(MGH) 開 始 共 同 進 行 臨 床 治 療 醫 學 試 驗 。 1990 年 美 國 Loma Linda University Medical Center(LLUMC)建置 Proton Therapy Treatment and Research Center，1992 年開始使用質子放射治療法為癌症病患進行治療與服務22。
質子放射治療法的特徵是具有強大的惡性腫瘤細胞殺傷能力。惡性腫瘤細胞 的基因(DNA)也是雙螺旋結構，傳統放射治療法只能切斷其中的單鏈，因此腫瘤 有復發的風險。質子放射治療可以切斷雙鏈，是更可靠的治療方法。在臨床醫學 應用上，成佳憲(2008)指出質子放射治療可以較光子放射治療給予更高的腫瘤劑 量但更少的正常肝臟劑量，有助於創造更高的腫瘤控制率及病患存活率。
21DeLaney, T.F. and Kooy, H.M. (2008), Proton and charged particle radiotherapy, Philadelphia: Lippincott, Williams and Wilkins.
22洪儷中、張東浩(2013)，淺談質子治療現況與展望，教研與創新季刊，第六期，頁 27-29。
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以 X-rays 進行治療之「矢狀檢視圖」(sagittal view)和「橫向檢視圖」(transverse view)，如圖 3 所示；以質子束執行治療的示範，如圖 4 所示。比較圖 3 和圖 4 可 以發現，以 X-rays 治療癌症時，無論如何控制治療劑量的多寡，仍然可能會大面 積的傷害到正常組織。然而質子束則可以比 X-rays 更精準定位來執行消滅惡性腫 瘤部位的癌細胞，並減低對人體正常組織造成不必要的傷害；特別是應用在孩童、
老人、眼部、以及腦部等相關的癌症治療23。
圖 3 以 X-rays 進行放射治療之矢狀視圖和橫向視圖 (資料來源：Proton Therapy Center, 2014)
圖 4 以質子束進行放射治療之矢狀視圖和橫向視圖 (資料來源：Proton Therapy Center, 2014)
依照 Proton Therapy Center(2014)說明，質子束 70%~80%的劑量將會被惡性 腫瘤所接收，因此腫瘤周圍之正常組織所受到的傷害和影響較小，如圖 5 所示24。 再以腦癌病患為例，質子束攜帶的劑量會準確放置在惡性腫瘤所在區域，在到達 病灶之前，對正常組織的傷害遠小於傳統放射治療法，並減低對人體正常組織造 成不必要的傷害，如圖 6 所示25。
放射治療設備的發展隨著科技進展，直線加速器設備已經取代早期使用的鈷
23Proton Cancer Treatment, “Advantage of Proton Therapy”, available at
http://www.proton-cancer-treatment.com/proton-therapy/advantages-of-proton-therapy (accessed 11 November 2014).
24Proton Cancer Treatment, “Advantage of Proton Therapy”, available at
http://www.proton-cancer-treatment.com/proton-therapy/advantages-of-proton-therapy (accessed 11 November 2014).
25Proton Cancer Treatment, “Treatment Step by Step”, available at
http://www.proton-cancer-treatment.com/proton-therapy/treatment-step-by-step (accessed 11 November 2014).
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-60 放射治療設備。直線加速器可以提供高能量 X-rays，治療病患體內較深層的腫 瘤同時也能夠降低對病患體表的傷害(廖漢文 2010;莊家銘等 2013)。由於臨床放 射治療的需要，高階醫療系統生產製造廠商根據不同型態之癌症醫療需求設計出 不同種類的放射治療設備，配合相關電腦輔助系統，提供患者最好的治療效果。
圖 5 質子放射治療法和傳統放射治療法之劑量分布差異示意圖 (資料來源：Proton Therapy Center, 2014)
圖 6 質子放射治療法和傳統放射治療法對人體正常組織傷害差異示意圖 (資料來源：Proton Therapy Center, 2014)
臺灣林口長庚紀念醫院質子暨放射治療中心列表針對不同型態放射治療技術 說明優點和缺點。臺灣放射腫瘤醫學會則提供臨床累積的經驗與收費參考機制。
本研究將不同型態放射治療方法和技術整理，如表 1 所示26,27。
質子放射治療法可以以一般門診預約方式進行治療，患者在治療前需要約 30~50 分鐘準備，一次治療的時間持續約 2~5 分鐘。整個療程根據腫瘤類型和大小 不同平均為 4~8 周。質子放射治療法與傳統放射治療法相比，具有下列優點：
(1)對罹癌病患人體的腫瘤周圍之健康組織造成最小損害，減低治療腫瘤時對 重要器官傷害的可能性，尤其以兒科(Noel et al. 2003; 穆向魁 2007;
Geenen et al. 2007; Timmermann et al. 2007)、眼科(Seddon et al. 1985;
Wilson et al. 1999; Gragoudas et al. 2000; Char et al. 2003)、腦部腫瘤
26林口長庚紀念醫院質子暨放射治療中心，不同放射治療技術比較表，
https://www1.cgmh.org.tw/intr/intr2/c33e0/guangzizhiliao.html#.VGTe1PmUeeQ (存取日期 2014/11/11)。
27台灣放射腫瘤醫學會，各類癌症放射治療比較表，http://www.tastro.org.tw/html/index.asp (存取日期 2014/11/12)。
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(Baumert et al. 2001; Merchant et al. 2008)與攝護腺(Benk et al. 1993;
Shipley et al. 1995; Nguyen et al. 2008)相關治療為主要應用。
(2)放射治療過程中，減輕患者承擔治療的痛苦；完成後，使患者能夠更快痊 癒，放射治療療程結束後的不適應反應也比傳統放射治療法更低(宋世鵬 1995)。
(3)放射治療過程中以最大程度保護健康組織，準確消除病灶，降低惡性腫瘤 二次增生的風險(Hall 2006; Schneider et al. 2006; Fontenot et al. 2009;
Newhauser et al. 2009; Taddei et al. 2009)。
(4)以最大的可能消除或破壞惡性腫瘤細胞，放射治療療程結束後患者存活與 重獲健康之機率較傳統放射治療法高(Seddon et al. 1985; Geenen et al.
2007)。
(5)放射治療療程結束後患者不需要花費龐大的金錢費用於後續人力照顧和 手術後護理相關之社會成本(MarketsandMarkets 2014)。
質子放射治療相關研究主要以治療方法和診斷效果(e.g., 許文林 1988; 宋世 鵬 1995; Shipley et al. 1995; 王世禎等 2000; 李家敏與劉素文 2007; 成佳憲 2008; Dowdell et al. 2008; 黃國明等 2008; Fontenot et al. 2009）與劑量觀測(e.g., Benk et al. 1993; 李宗其等 1996; Zietman et al. 2005; 蔡宗孝 2009; 賴律翰等 2012a 2012b）為主。Daedal Research(2014)的研究報告整理質子放射治療以攝護 腺癌(prostate cancer)、腦癌(brain cancer)、眼睛癌(eye cancer)、頭部與頸部癌(head and neck cancer) 、 肺癌 (lung cancer) 、 骨癌 (bone caner) 、 淋 巴瘤 癌 (hodgkin lymphoma)、胰臟癌(pancreatic cancer)、兒童癌(pediatric cancer)、乳癌(breast cancer) 與腫瘤(sarcoma)為主要應用28。
其次為設備特性(e.g., 吳國海 1994; 陳光耀等 1996; King et al. 2000; 吳嘉明 等 2009a 2009b; 陳咨縈等 2009; 徐玉君 2013）以及技術應用相關介紹(e.g., Slater et al. 1991; 許文林等 1997; 唐勁天與黃宏濤 2004; 李文建 2005; 蔡文正等 2005;
賴宜君等 2010; 江祥輝等 2011; 葉世安等 2011; 洪儷中與張東浩 2013; 莊家銘 等 2013）。
28Daedal Research, “Global Proton Therapy Market: Trends & Opportunities (2013~2018)”, available at http://www.slideshare.net/daedal/global-proton-therapy-market-ppt (accessed 1 March 2015).
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蔡詩婷(2004)以鼻咽癌做為研究標的，針對三度空間順形治療、強度調控放 射治療、質子治療與合併光子質子治療四種治療技術之放射治療計畫(radiotherapy treatment plan)，以等劑量曲線(isodose curve)與劑量-體積關係圖(dose-volume histogram; DVH)做為比較工具，為選擇各期鼻咽癌之放射治療技術或放射治療計
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