放疗发展七十年,瓦里安责无旁贷! | Varian

放疗发展七十年,瓦里安责无旁贷!

1895年的某个夜晚,一位物理学家像往常一样,照例啃了几口面包,径直回到实验室工作。他的妻子打包了一些食物,打算给丈夫送到实验室去。等她到了实验室,这位物理学家却让她帮忙举起荧光屏,以测出某种未知射线的射程。妻子突然大叫一声:“快看屏幕!”,而此时物理学家惊奇地看到,荧光屏上正显示出妻子手指骨骼的影像。

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这位物理学家就是伦琴,这幅照片被永久载入史册,这种未知的射线就是鼎鼎大名的X射线。X射线可以穿透人体,显示出患者的骨骼结构。伦琴当时也许并没有想到,百年之后的二十一世纪,人类正遭受癌症的严重威胁。而抗击肿瘤的三大支柱之一,就是以X射线为主的放射治疗。

1 放射治疗的黎明

人类对于放射治疗的最初探寻,经历了长期的摸索阶段。早在1898年,居里夫妇就发现了镭,一开始他们并不了解这种元素对于组织的杀伤作用,居里夫人曾将镭的样品放在手上和口袋中,并因此最终导致罹患白血病而献出了生命。

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居里夫妇

人类最开始将镭用于肿瘤治疗时,仅能用于浅表部位,也就是所谓的“贴敷”治疗。然而镭的缺点显而易见,作为一种近距离放疗方式,它的适用范围受到极大的限制。提高治疗剂量难度大、使用效果差,因此在那个时候,能被镭疗治好是要靠“上天眷顾的”。同时,由于镭能放射出α和γ两种射线,并生成放射性气体氡,对于医护人员的身体有伤害。因此20世纪后半叶之后,镭疗就逐渐退出了历史舞台。

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1940年代,伦敦某医院的护士正将镭源推入肿瘤治疗装置

在镭疗之后,放疗领域还使用过钴-60机。它的能量较低(1.25MV),可以做到对浅表组织的保护,而对于深部肿瘤却能给予较高剂量的照射。其典型适应症之一就是霍奇金淋巴瘤,通过大的外照射野进行治疗,以期患者得以康复。但与镭一样,废弃的钴-60放射源很难进行处理,导致辐射风险增加,防护问题一直是悬在医学工作者头上的一把利剑。

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一位患者正在接受钴-60机治疗

2 医用直线加速器

随着技术的进展,人们认识到通过医用直线加速器产生X射线,似乎是放疗领域中最为行之有效的方法,然而要将所需的X射线能量“制造”出来,并对其加以控制用于肿瘤治疗,需要众多组件的协调配合。正如那句老话“罗马不是一天建成的”,放疗领域的技术变革更需要时间和经验的积累。

医用直线加速器的核心组件是加速管,其可以将电子加速到极高的速度,并打靶产生所需的X射线。然而加速管在加速电子过程中,所需的微波电磁场必须有可靠的微波功率源,这在很长一段时间里成为制约医用直线加速器行业发展的瓶颈。

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直线加速器需要精密的束流控制系统

社会的变革往往依赖于伟人的出现。1937年,美国物理学家Russell H. Varian和他的弟弟Sigurd F. Varian发明了速调管,其可以周期性地调制电子速度,来实现准确的振荡和放大。这一发明最初的目的是用于航空雷达,但随着研究的深入,瓦里安兄弟地将其应用扩展到了医疗领域,为医用直线加速器提供了完美的微波功率源,成为放疗发展史的一个里程碑。

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Varian兄弟站在他们发明的速调管旁边

1948年,瓦里安兄弟和斯坦福的两位科学家成立了瓦里安联合公司(Varian Associates),正式进入医疗行业。1953年,瓦里安联合公司在美国加州的帕洛阿尔托(Palo Alto)设立总部,即今天的硅谷所在地。

彼时的硅谷还是一片亟待开发的荒地,瓦里安成为了第一批进入硅谷的科技先行者。时至今日,硅谷已经成为全球技术创新中心,然而在Google、Apple等林立的行业巨头之中,瓦里安仍旧被评选为十大高科技公司之一,并且是唯一来自医疗领域的企业。

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1950年代 Varian联合公司在硅谷的场景

进入硅谷之后,瓦里安除了致力于医用直线加速器的研制和生产,还开始关注放疗技术的临床应用。直线加速器的发明人Bill Hansen及主要合作者Ed Ginzton,曾与瓦里安兄弟一起致力于早期速调管的开发,他们也是瓦里安联合公司创立的关键人物,是瓦里安联合公司的董事和技术顾问。

正是基于他们两人的工作,1957年,斯坦福大学放射学家Henry Kaplan完成了世界上首例基于直线加速器的肿瘤放射治疗。患者名叫Gordon Isaacs,是个2岁的男孩,因患有视网膜母细胞瘤及肿瘤扩散,导致右眼被摘除,同时左眼也有一个局部病灶。为了保存孩子仅剩的视力,Hentry Kaplan建议使用加速器进行治疗,幸运的是治疗结果非常成功,Gordon左眼的视力不久后恢复了正常。至今,这个当初罹患癌症的男孩仍然生活在美国加州,让人们感叹于医疗技术的伟大。

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Gordon Isaacs,世界第一例直线加速器治疗患者,斯坦福大学

在被世界第一例成功实现肿瘤放疗病例的鼓舞下,瓦里安很快推出了可以大范围临床使用的医用直线加速器。基于深厚的技术储备,所需的各个组件的设计和制造均实现了自主知识产权和制造。瓦里安得天独厚的技术优势在1968年开发的新设备Clinac-4 上体现的淋漓尽致,该设备在进入临床后取得了巨大的成功。

1972年,瓦里安推出世界上第一台高能医用直线加速器,将电子线治疗和X射线治疗结合起来,为现代的放疗技术打下了坚实的基础。时任斯坦福放射物理部主任的Peter Fessenden教授后来回忆道:“我们从这台设备的设计和开发中学习了太多的东西,正是基于这些信息,瓦里安开发了现代加速器众多组件的前身。”

3 放疗技术三次革命

近30年来,随着计算机技术的迅猛推广,放射治疗技术也不断迎来变革。在起起落落的浪潮涌动中,瓦里安始终引领整个行业的技术发展方向,其中最具代表性的当属IMRT、IGRT和VMAT三大技术的诞生和应用。

调强放射治疗(Intensity Modulated Radiotherapy, IMRT)的出现,让放射治疗的剂量雕刻更加精准化。在上世纪80年代发明多叶准直器(Multiple Leaf Collimator, MLC)的基础上,瓦里安于1998年推出了动态调强放射治疗方案—— SmartBeam, 。其可以将X线剂量在三维空间上精确雕刻出肿瘤的形状,从而能大大减少正常组织的受照剂量,改进患者疗效,成为当之无愧的IMRT典范。

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SmartBeam 可以实现从低分辨率到高分辨率多种调制效率的IMRT技术

图像引导放射治疗(Image-guided Radiotherapy, IGRT)的出现,让放射治疗的靶点定位更加精准化。瓦里安在这一领域不断开拓新的技术,PortalVision可以依靠电子射野影像板来验证患者的治疗位置;2005年推出的机载影像系统(On-board Imaging, OBI)系统,将球管和影像板安装在加速器两端的机器人手臂上,可自动伸展成像,大大提高了肿瘤放射治疗的精度。

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Varian OBI 机载影像系统

容积旋转调强放疗技术(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)的出现,让放射治疗的实施更加高效化。瓦里安于2007年推出了RapidArc®技术,综合动态多叶准直器调整、可变射线剂量率和可变机架转速,来实现高质量的剂量分布。该技术在提升剂量的适形度的同时,更重要的是缩短了临床治疗时间。使用RapidArc®技术,可以在360度旋转过程中将剂量精准投照到整个肿瘤区域,在一分钟内可以完成两个治疗弧,大大增加了临床患者的流通量。

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RapidArc®技术实现高效率放射治疗

4 智能平台发展之路

2010年,经历了深入的研发和整合,瓦里安在全球强力发布了行业顶级的TrueBeam®系统。该系统一经推出,就受到放射治疗专业人士的高度认可。作为瓦里安医用直线加速器家族的旗舰机型,TrueBeam®系统融合了七十多年技术开发和制造经验的精华,集成软件生态圈和物联网技术,将上述先进技术整合在同一个平台上,进而将临床适应症拓展到全身各类肿瘤病变。

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瓦里安TrueBeam®旗舰加速器系统

2013年,瓦里安推出了靶向放射外科系统Edge®,开创了舒适而高效为特征的加速器放射外科新时代,原因在于,Edge®突破了放射外科的原有的限制,没有伽马刀钴-60源的安全管理风险,Edge®将剂量率推高至2400MU/min,在保证亚毫米治疗精度的同时,治疗时间大大缩短,解决了因放射源和常规加速管剂量率低造成治疗时间漫长的困扰。Edge®上集成光学表面追踪、电磁导航技术等新型运动管理解决方案,临床适应症全覆盖,是立体定向放射外科的巅峰之作。

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瓦里安Edge®靶向放射外科系统

2015年,瓦里安再次推出性价比极高的VitalBeam™加速器系统,客户群体的覆盖能力更加广泛。该系统在沿袭TrueBeam®系统贵族气质的基础上,对设备性能的定义更加宽广和灵活。从基本的IMRT、IGRT到VMAT、SBRT等技术,都可以很好的完成,保证灵活满足临床的不同需求。

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瓦里安VitalBeam™加速器系统

2017年,瓦里安再次改写历史。经过多年研发和投入的Halcyon™终于面世。该系统所承载的突破性智慧放疗平台,被证明可以全面提升运营效益,提高患者舒适度,普及高质量放疗。以往环形放射治疗设备有维护成本高、患者舒适度低、孔径狭小、集成性差等种种弊端,Halcyon™的出现让这些问题都成为历史。Halcyon™首次推出双层多叶准直器以及100%的图像引导支持,配合瓦里安的智慧计划和智慧服务,三位一体地提供整体解决方案,成为放射治疗真正步入智慧化阶段的里程碑。

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瓦里安Halcyon™智慧加速器系统

放疗技术发展七十年,弹指一挥间。时至今日,瓦里安已经将硬件革新与业内丰富的软件生态体系全线贯通。除了以X射线为核心的高精尖医用直线加速器产品,基于超导回旋加速器的ProBeam®质子系统也成为瓦里安抗击癌症的另一把利器,引领着以FLASH技术为代表的质子治疗前沿。云解决方案智云4.0以物联网(IoT)和云技术为核心,把以人工智能、大数据分析、人脸识别等为代表的前沿技术加以整合,提供全方位的肿瘤放疗解决方案。瓦里安,始终秉承硅谷的创新基因,坚持以“创造一个无惧癌症的世界”为己任,多年来忠诚服务于广大患者,并将持续引领肿瘤放射治疗未来的发展方向!

* Trilogy:国械注进20143325307
* TrueBeam:国械注进20183052621
* Halcyon:国械注准20183050514
* VitalBeam:国械注进20163322474
* 质子治疗系统NMPA注册进行中

参考资料:

1.The Early History of Radiotherapy. By Drago Novak (Bonn, F.R.G.)
2.An Overview on Radiotherapy: From Its History to Its Current Applications in Dermatology. Serena Gianfaldoni etc.
3.Varian Associates - An Early History. 1968
4.Medical linear accelerator celebrates 50 years of treating cancer. Stanford University. https://news.stanford.edu/news/2007/april18/med-accelerator-041807.html
5.放疗的历史、现状和未来http://www.cnkaw.com/zlfa/fszl/201704/14105423.html
6.Marie Curie: I was born in Warsaw. https://warsawcitytours.pl/maria-sklodowska-curie-i-was-born-in-warsaw/
7.Wikipedia: The history of radiation therapy. https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_radiation_therapy
8.Wikipedia: Cobalt therapy. https://en.wikipedia.org/wiki/Cobalt_therapy