医用重离子加速器解析

第三章医用重离子加速器

医用重离子加速器提供的重离子束主要应用于重离子束治癌，而提供的放射性核素以在核医学方面的应用为主。重离子束治癌在美，日，德等发达国家已进入到临床试验阶段，而放射性核素在核医学方面的应用大都处于试验研究阶段。由中国科学院近代物理研究所、甘肃省医学科学研究院、甘肃省肿瘤医院合作、兰州军区兰州总医院参与的甘肃省科技重大项目——“重离子束辐射治疗癌症的关系就是开发研究”，于2006年12月开始临床研究。到目前，已应用重离子束放射治疗浅表肿瘤受试者127名，效果显著，绝大部分病人无明显不良反应，治疗后病人的随访率达96%以上，使我国成为国际上第4个有能力进行重离子治癌临床研究的国家。

第一节重离子治癌原理

一、概述

重离子束与物质相互作用的特殊机理使得它在肿瘤治疗方面具有一系列明显的优点：重离子束治疗精度高达(毫米量级);剂量相对集中，照射治疗时间短，疗效高；对肿瘤周围健康组织损伤小；重离子束治疗能做到实时监测，便于控制辐照位置和剂量。

以上优点使得重离子束的治疗作用可以与手术刀媲美，达到普通电离辐照(此处普通电离辐照指x、r及电子束)治疗难以实现的疗效，因而重离子束被称为是21世纪最理想的放射治疗用射线。也正是由于重离子束在放射治疗中的上述优点，世界上许多国家都倾注了大量的人力和物力进行医用重离子束加速器的研制，或利用已有的重离子加速器进行治癌装置的建造和治癌基础及临床应用研究，这使得重离子治癌成为放射治疗领域的前沿性研究课题。

二、重离子治癌的科学依据和优势

放射治疗的主要原则就是给予肿瘤尽可能大的辐射剂量，将癌细胞杀死，同时又尽可能地保护肿瘤周围和辐射通道上的正常组织使其少受损伤。由于普通电离辐照对剂量深度分布均呈指数衰减或略微上升而后衰减的特征，使治疗受到很大限制；而重离子束以其独特的放射物理学和放射生物学性质，在放射治疗上独具优势。

（一）重离子束的物理特性

1.特殊的深度剂量分布

荷电重离子贯穿靶物质时主要是通过与靶原子核外电子的碰撞损失其能量，随离子能量的降低，这种碰撞的概率增大。因此，离子在接近其射程末端时损失其大部分初始动能，形成一个高剂量的能量损失峰，这就是Bragg峰，在其射程末端之后，即Bragg峰之后很少有剂量吸收；同时离子在其入射通道上损失的能量较小，因而形成一个相对低剂量的坪区。这就是重离子束特有的与X射线和r射线的深度剂量分布相比是倒转的深度剂量分布。重

带电粒子的电离能量损失以著名的贝蒂一布洛克公式表示为

I v m v m Z z e dx dW 2

020242ln 4ρπ=+相对论项 （3-1）

其中dx

dW 是单位路径上的能量损失，W 为动能，Z 为靶物质原子序数，ρ为靶物质的电子密度，I 为原子平均激发能,0

m 和 e 分别是电子的静止质量与电荷， v 为粒子的速度， z 为粒子的原子序数。这种形式的能量 损失是形成重离子束倒转深度剂量分布的根源。

这种倒转的深度剂量分布可以将其Bragg 峰区瞄准肿瘤，而使其前后及周围的健康组织受损很小。而且，离子束Bragg 峰位的深度可以通过改变人射离子束的能量来调节(如图3-1)，因而治疗时Bragg 峰位可精确地调整在肿瘤靶区上。

图3-1 治癌重离子束在水介质中能量与射程的关系曲线

为达到对实体瘤的治疗，可以实施不同能量粒离子束对靶区的照射，从而形成不同Bragg峰在靶区的叠加。尽管它会导致峰坪剂量比的减小，但叠加的深度剂量分布仍远好于常规辐射治疗。

图3-2显示出了Bragg峰的叠加，施加于碳离子束通道正常组织的剂量仍低于靶区的剂量。

图3-2 为达到对实体瘤靶区的治疗不同能量及强度碳离子束Bragg曲线的叠加图3-3显示了当展宽Bragg峰范围相同时，碳离子束与质子束深度有效剂量分布的比较。从图3-3可以看到，在束流通道上的正常组织经受相同剂量的条件下，碳束在肿瘤靶区的有效剂量是质子的 1.5

倍。

图3-4显示了各种射线与重离子束深度剂量分布的比较。从图中可以看出不管是X,r射线，还是电子束，它们均呈指数衰减型剂量分布，无法控制将其大部分剂量调整到肿瘤上，而且损失总是表层浅层最大，直至较深处健康组织仍能受到较大伤害。

2.小的射程歧离与横向散射

由于离子束能量沉积的统计特性，会产生射程歧离。射程歧离导致其Bragg峰的加宽。这种歧离效应相对重离子束的绝对射程而言非常小。列如对于射程为10cm的质子和碳离子束，它们的射程歧离分别为各自射程的1.0%和0.3%。

重离子束治疗中另外一个特点就是重离子束贯穿靶物质期间多重散射导致的离子横向散射小。图3~4就是初始直径为4mm的质子与碳离子束随贯穿深度增加，束流半高宽（FWHM的变化情况。可以看到，碳离子束贯穿深度达到20cm时(对应于初始能量约为350MeV/u),横向散射

为初始的25%，对于常发肿瘤深度而言（9～13cm）,仅为5%～10%，相应的质子束则分别为170%和50%～90%。

从上面可以看出，对于深度为15cm左右的肿瘤，重离子束剂量范围的精度可以控制在1mm水平上，质子束是5mm。

3. 束流配送的灵活性

重离子束可以通过摆动磁铁和散射体配合多叶准直器进行束流配送，达到被动的适形治疗；也可以用扫描磁铁引导束流对肿瘤靶区各断层轮廓精确地扫描照射治疗，达到主动适形治疗。对于受患者因呼吸而运动的内脏器官及组织肿瘤，还可以根据瘤的实时位置，改变扫描磁铁电流，从而引导束流主动跟上肿瘤的运动，达到对运动肿瘤的主动适形治疗；还可以根据治疗的要求，选择如患者（肿瘤）旋转等方式进行束流配送达到适形治疗的目的。而X射线、r射线无法通过扫描做到适形治疗，最多只能用多叶准直器限制照射野同肿瘤断层轮廓适形，但不易做到精确，而且深度剂量也难以控制。（二）重离子与其他辐射的比较

通过上面对重离子治疗癌原理及重离子束优势的叙述，我们可以将用X、r射线、

质子束和重离子束(碳离子束)对肿瘤进行治

疗的效果进行比较，见表3-1。日本的放射

治疗学家在参考了本国及欧美诸国的重离

子治疗资料后，认为重离子对一些难治癌症

可望会有良好的治疗，见表3-2。因此，大

力发展医用重离子加速器，开展重离子治疗

的临床应用研究，对提高我国人民的健康水

平具有重要意义。

表3-1 重离子与其他辐射治疗的比较

X、r射线质子束重离子束

相对生物效应小小大

正常组织所受剂量大较小最小

治愈率低高高

费用低高高

表3-2重离子束对一些难治癌症的预期疗效癌症类别临床特点低LET治疗法缺点重离子预期疗效

胰腺癌发现晚给足剂量困难周围脏器损伤小，可局部治愈

脑瘤必须保护正常组织给足剂量困难脑损伤减小，局部治愈率提高

头颈部癌必须保护功能存在放射损伤损伤降到10%以下

食道癌发现晚给足剂量困难损伤显著减小，治愈率提高

骨软组织肉瘤对射线不敏感放射损伤严重损伤减小，不需截肢

子宫颈癌放疗适应症治愈率较高，损伤也大治愈率更高，损伤减小

垂体瘤不转移60%病例疗效好最有效疗法

前列腺癌多为局限性癌40%病例治疗不需手术完全不需要手术治疗

膀胱癌保持功能最重要手术治疗损伤功能可局部控制，保持功能

直肠癌保持功能最重要损伤膀胱功能提高治愈率，保持功能

肺癌患者增多趋势对晚期仅做对症放疗有望提高早期肺癌治愈率并保持功能

肝癌患者增多趋势有手术得救病例保持功能比手术更好