重離子治療技術及其發展

羅發明

摘要：與傳統放射治療相比，重離子放療在物理和放射生物學上更具優勢，現已被公認為最有前景的腫瘤放療技術。本文介紹了重離子放射治療裝置的基本構成與重離子治療相對于X射線放療的優勢，并分析了未來重離子放療技術的發展趨勢，為相關人員提供一定的參考，更好地促進重離子治療技術在未來的發展。

關鍵詞：放射治療;醫用重離子加速器;重離子;放療設備

一、前言

癌癥作為一種威脅人類生命健康的疾病，具有復雜性、多樣化、易轉移等難以完全克服的特點，癌癥正日益成為致死的重要殺手。目前治療癌癥的最有效三大方法為外科手術、放射治療和化療。其中重離子放射治療是治療惡性腫瘤的重要手段之一。研究表明，重離子的線性能量傳遞、相對生物效應和氧增強比皆優于質子，其輻射劑量可更多地沉積到人體深部的惡性腫瘤內，對腫瘤細胞更具殺滅性[1]，且放療后癌癥的復發率相對于傳統放療方式更低。

二、正文

（一）重離子治療技術

1.1治療裝置的基本構成

從重離子治療裝置的結構組成上來看，重離子與質子治療系統基本相同，主要包括加速器、旋轉機架、治療頭和治療計劃系統[2]。

加速器是束流的生產裝置，目前世界上專用的質子和重離子治療中心， 基本上采用三種類型：直線加速器、回旋加速器和同步加速器[3]。直線加速器通過電場控制使離子沿直線方向加速，加速器長度與能量增益成正比?；匦铀倨魍ㄟ^間隙磁場對離子進行加速，離子運動軌跡類似一個螺旋線，其磁場可以提供穩定束流強度。同步加速器是由多級磁鐵組成的狹窄真空環，離子在環內反復循環獲得加速，其能量可變，但是操作相對復雜。

旋轉機架是為減少單一固定的出束對腫瘤前方正常組織造成過度傷害，從而由多個方向進行照射。機架裝置包含一個能夠轉動的旋轉臺，轉臺內配有很多磁鐵。而龐大的機架結構又將導致受力不均產生變形，繼而影響等中心旋轉精度和角度轉動精度，因而目前重離子旋轉機架的設計仍是重離子治療設備的難點和核心問題之一。

治療頭實際上是一個束流性能轉換裝置，把束流照射野擴展到整個計算靶容積（planned target volume， PTV），并使之在PTV區域產生的劑量剛好等于要求劑量，以完成適形治療的目的[4]。

治療計劃系統（treatment planning system， TPS）輔助醫生完成治療計劃和治療過程，是粒子治療中必不可少的軟件系統。TPS系統主要由圖像處理模塊和劑量計算模塊組成。圖像處理模塊組要實現對CT、MR、PET或者融合圖像的讀取、三維重建、自動或手動分割，勾畫出腫瘤區、敏感區以及正常組織。然后放療醫師根據圖像數據選擇治療參數，通過劑量運算確定劑量分布圖，并通過虛擬定位軟件不斷優化確定最佳的治療計劃方案。

1.2重離子治療的優勢

重離子放射治療具有倒轉深度劑量分布的特性。在癌癥治療時所需要的重離子能量范圍內，重離子在進入人體的大部分射程里，巨大的初始能量使離子穿過組織速度很快，因而損失的能量較小，形成一個相對低能量的坪區;射程末端是重離子在人體中的劑量損失集中地，隨著能量損失，離子運動速度減慢，與靶電子碰撞的概率增大，最終在射程末端形成一個陡峭的高劑量峰，即布拉格峰。這樣在治療時，對入射離子的能量、方向進行調節，形成一個拓展布拉格峰，將其準確落在腫瘤靶區，實現束流對腫瘤靶區的三維掃描適形和調強放射治療，最大程度降低對周圍健康組織的傷害。

重離子輻射對于DNA造成的損傷往往都是永久性的，而且損傷方式復雜多樣。特別是重離子輻射對DNA造成的“簇團性”損傷時，DNA難以進行修復，從而達到降低腫瘤細胞DNA修復率的目的。而一般的電子或質子只會使得DNA單鏈斷裂，由于損害方式單一，并且DNA的單鏈斷裂在細胞后期很容易修復，使得單鏈斷裂的DNA的修復率變高[5]。

（二）重離子治療的發展趨勢

2.1設備集成化、小型化

醫用重離子加速器的集成化、小型化是未來研究發展的方向之一，即將重離子束放療的功能集成于同一醫用加速器系統，以實現復合治療、綜合利用、降低成本的目的。小型化、低成本的需求推動著醫用重離子加速器技術不斷的進步。雖然近年來超導等先進技術的使用，使得醫用重離子加速器更加緊湊，但是與人們期望的更加小型化的設備相比，仍然存在著較大距離。實現醫用加速器系統的更加小型化，并且降低治療成本，將是未來設備研究的重點。

2.2系統智能化

現代醫學的發展對醫療設備的智能化提出越來越高的要求，智能化是未來醫用重離子加速器等放療設備發展的必然趨勢。醫用加速器的智能化將有效結合高精確放療技術、現代通信與信息技術、計算機網絡技術、先進制造技術以及智能材料[6]等，實現放療過程的自動化、網絡化、信息化和動態標準化，減小因放療人員業務水平差異等因素對治療結果造成的影響。

2.3放療技術高精確化

未來醫用加速器放療技術發展的方向是基于先進的重離子放療設備，綜合利用呼吸門控技術、實時成像及追蹤技術、精確擺位技術以及劑量引導、生物適形等先進技術，實現腫瘤的高精確化放療。而相比于X射線的相應放療技術，重離子在入射人體后組織能量集中于布拉格峰附近，更適合于腫瘤的高精度放療。此外，醫用重離子加速器用于放療的離子束主要是碳離子，而重離子種類眾多，尋求更高治療增益的其它粒子也將是未來研究的方向。

三、總結與展望

近年來我國重離子治療技術的也有了突飛猛進的發展，特別是前段時間落戶武漢大學重離子醫學研究中心的重離子治療系統，這套裝置是中國科學院近代物理研究所自主研發，擁有自主知識產權，標志著我國重離子治療系統在注冊上市和產業化發展道路上邁出了關鍵的一步。同時，我國在推動國產治療裝置的產業化、在高端醫療市場占領一席之地的同時，也應適當引進國際最先進的重離子治療裝置，既能滿足國內供不應求的治療需求，又可快速提升國內臨床應用和研究的科技水平，縮短與世界惡性腫瘤防治方面的差距。我們相信，隨著重離子放療技術和加速器技術的發展及其廣泛應用，一定會更好地造福于腫瘤患者。

參考文獻：

[1]Antonovic L， Brahme A， Furusawa Y， et al. Radiobiological description of the LET dependence of the cell survival of oxic and anoxic cells irradiated by carbon ions[J]. J Radiat Res，2013，54（1）：18-26.

[2]劉世耀.質子和重離子治療及其裝置[M].北京：科學出版社，2012.

[3]Amaldi U， Bonomi R， Braccini S， et al. Accelerators for hadrontherapy： from Lawrence cyclotrons to linacs[J]. Nucl Instrument Meth Phys Res Sect A： Accelerat， Spectromet， Detect Associat Equipment， 2010， 620（2）： 563-577.

[4]田茂輝，宋明濤，楊建成，等.深層治癌重離子束的配送[J].核技術，2009，31（10）：740-744.

[5]王曉林，高天欣，韓瀟，陳曉君，唐曉英.重離子放射治療技術及臨床應用[J].北京生物醫學工程，2019，38（03）：312-318.

[6]張新民.智能材料研究進展[J].玻璃鋼/復合材料，2013（Z2）：57-63.