重離子治療技術(shù)及其發(fā)展

羅發(fā)明

摘要：與傳統(tǒng)放射治療相比，重離子放療在物理和放射生物學(xué)上更具優(yōu)勢，現(xiàn)已被公認(rèn)為最有前景的腫瘤放療技術(shù)。本文介紹了重離子放射治療裝置的基本構(gòu)成與重離子治療相對于X射線放療的優(yōu)勢，并分析了未來重離子放療技術(shù)的發(fā)展趨勢，為相關(guān)人員提供一定的參考，更好地促進(jìn)重離子治療技術(shù)在未來的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：放射治療;醫(yī)用重離子加速器;重離子;放療設(shè)備

一、前言

癌癥作為一種威脅人類生命健康的疾病，具有復(fù)雜性、多樣化、易轉(zhuǎn)移等難以完全克服的特點(diǎn)，癌癥正日益成為致死的重要?dú)⑹?。目前治療癌癥的最有效三大方法為外科手術(shù)、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(yīng)和氧增強(qiáng)比皆優(yōu)于質(zhì)子，其輻射劑量可更多地沉積到人體深部的惡性腫瘤內(nèi)，對腫瘤細(xì)胞更具殺滅性[1]，且放療后癌癥的復(fù)發(fā)率相對于傳統(tǒng)放療方式更低。

二、正文

（一）重離子治療技術(shù)

1.1治療裝置的基本構(gòu)成

從重離子治療裝置的結(jié)構(gòu)組成上來看，重離子與質(zhì)子治療系統(tǒng)基本相同，主要包括加速器、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、治療頭和治療計劃系統(tǒng)[2]。

加速器是束流的生產(chǎn)裝置，目前世界上專用的質(zhì)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。回旋加速器通過間隙磁場對離子進(jìn)行加速，離子運(yùn)動軌跡類似一個螺旋線，其磁場可以提供穩(wěn)定束流強(qiáng)度。同步加速器是由多級磁鐵組成的狹窄真空環(huán)，離子在環(huán)內(nèi)反復(fù)循環(huán)獲得加速，其能量可變，但是操作相對復(fù)雜。

旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jìn)行照射。機(jī)架裝置包含一個能夠轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺內(nèi)配有很多磁鐵。而龐大的機(jī)架結(jié)構(gòu)又將導(dǎo)致受力不均產(chǎn)生變形，繼而影響等中心旋轉(zhuǎn)精度和角度轉(zhuǎn)動精度，因而目前重離子旋轉(zhuǎn)機(jī)架的設(shè)計仍是重離子治療設(shè)備的難點(diǎn)和核心問題之一。

治療頭實(shí)際上是一個束流性能轉(zhuǎn)換裝置，把束流照射野擴(kuò)展到整個計算靶容積（planned target volume， PTV），并使之在PTV區(qū)域產(chǎn)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(tǒng)（treatment planning system， TPS）輔助醫(yī)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(tǒng)。TPS系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(qū)、敏感區(qū)以及正常組織。然后放療醫(yī)師根據(jù)圖像數(shù)據(jù)選擇治療參數(shù)，通過劑量運(yùn)算確定劑量分布圖，并通過虛擬定位軟件不斷優(yōu)化確定最佳的治療計劃方案。

1.2重離子治療的優(yōu)勢

重離子放射治療具有倒轉(zhuǎn)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(nèi)，重離子在進(jìn)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(qū);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(yùn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，形成一個拓展布拉格峰，將其準(zhǔn)確落在腫瘤靶區(qū)，實(shí)現(xiàn)束流對腫瘤靶區(qū)的三維掃描適形和調(diào)強(qiáng)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(fù)雜多樣。特別是重離子輻射對DNA造成的“簇團(tuán)性”損傷時，DNA難以進(jìn)行修復(fù)，從而達(dá)到降低腫瘤細(xì)胞DNA修復(fù)率的目的。而一般的電子或質(zhì)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(xì)胞后期很容易修復(fù)，使得單鏈斷裂的DNA的修復(fù)率變高[5]。

（二）重離子治療的發(fā)展趨勢

2.1設(shè)備集成化、小型化

醫(yī)用重離子加速器的集成化、小型化是未來研究發(fā)展的方向之一，即將重離子束放療的功能集成于同一醫(yī)用加速器系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)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(yī)用重離子加速器技術(shù)不斷的進(jìn)步。雖然近年來超導(dǎo)等先進(jìn)技術(shù)的使用，使得醫(yī)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(shè)備相比，仍然存在著較大距離。實(shí)現(xiàn)醫(yī)用加速器系統(tǒng)的更加小型化，并且降低治療成本，將是未來設(shè)備研究的重點(diǎn)。

2.2系統(tǒng)智能化

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展對醫(yī)療設(shè)備的智能化提出越來越高的要求，智能化是未來醫(yī)用重離子加速器等放療設(shè)備發(fā)展的必然趨勢。醫(yī)用加速器的智能化將有效結(jié)合高精確放療技術(shù)、現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)以及智能材料[6]等，實(shí)現(xiàn)放療過程的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，減小因放療人員業(yè)務(wù)水平差異等因素對治療結(jié)果造成的影響。

2.3放療技術(shù)高精確化

未來醫(yī)用加速器放療技術(shù)發(fā)展的方向是基于先進(jìn)的重離子放療設(shè)備，綜合利用呼吸門控技術(shù)、實(shí)時成像及追蹤技術(shù)、精確擺位技術(shù)以及劑量引導(dǎo)、生物適形等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)腫瘤的高精確化放療。而相比于X射線的相應(yīng)放療技術(shù)，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(yī)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(jié)與展望

近年來我國重離子治療技術(shù)的也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是前段時間落戶武漢大學(xué)重離子醫(yī)學(xué)研究中心的重離子治療系統(tǒng)，這套裝置是中國科學(xué)院近代物理研究所自主研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，標(biāo)志著我國重離子治療系統(tǒng)在注冊上市和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路上邁出了關(guān)鍵的一步。同時，我國在推動國產(chǎn)治療裝置的產(chǎn)業(yè)化、在高端醫(yī)療市場占領(lǐng)一席之地的同時，也應(yīng)適當(dāng)引進(jìn)國際最先進(jìn)的重離子治療裝置，既能滿足國內(nèi)供不應(yīng)求的治療需求，又可快速提升國內(nèi)臨床應(yīng)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(shù)和加速器技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，一定會更好地造福于腫瘤患者。

參考文獻(xiàn)：

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