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近年来,癌症的发病率越来越高[1-3],极大地威胁着人们的生命安全,影响患者的生活质量。早期的癌症治疗主要是通过手术切除肿瘤完成的,但手术切除的创伤较大,对于那些肿瘤周围的正常组织比较重要,稍微发生变化就会对人体造成严重影响的肿瘤(如颅内肿瘤)而言,手术切除的可操作性较小。化学药物的选择性较差,在治疗过程中常会抑制患者的骨髓造血系统,导致患者出现呕吐、头昏、脱发等并发症,极大地限制了化疗的应用。光子放疗是治疗恶性肿瘤的一种常见方式。光子穿射人体组织后的剂量随入射深度的增加呈指数形式衰减,所以在利用光子放射治疗肿瘤时,肿瘤靶区组织及其周围的正常组织都会受到严重的损伤。不管采用立体定向还是三维适形等方式,肿瘤细胞周围的正常组织细胞都会受到较高的辐射剂量,进而导致人体出现严重的并发症和后遗症[4]。有时,为了使周围正常组织受到的照射剂量不超过其剂量阈值,不得不限定治疗的安全剂量,结果不仅导致肿瘤细胞不能被根除,同时还为肿瘤细胞再次复发扩散创造了机会。
肿瘤治疗的根本原则和理想目标是在尽量不损伤健康组织的前提下实现最大的肿瘤局部控制率。现在肿瘤治疗进入了精确定位、精确计划和精确治疗的三精时代。质子重离子肿瘤治疗技术的出现正好为调强放疗的进一步发展提供了更加广阔的空间。根据现有临床应用结果,质子重离子放疗取得了良好的效果。作为一种新的肿瘤放疗手段,从事放射治疗的医务人员和相关科研人员可能对这种治疗手段的基本原理和临床表现还缺乏足够的了解。本文将对这两方面进行详细的解读和介绍,希望更多的人了解,最终使这种治疗手段能够造福更多的患者。
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质子是原子核的重要组成部分,是带一个单位正电荷的基本粒子,在日常环境中表现稳定。重离子主要是原子质量较大的粒子,其中碳离子在肿瘤治疗中最为常见。质子和重离子的治疗原理[5-8]相同,两者同属于粒子线,带电粒子的一个重要特点就是在介质中具有一定的射程。质子重离子射入人体后会与人体组织细胞中的核外电子发生碰撞而损失能量,具体的电离损失率满足Bethe-Block公式,如公式(1)所示:
$ {\left( { - \frac{{dE}}{{dx}}} \right)_{ion}} = \frac{{4\pi {e^4}{z^2}}}{{{m_0}{v_2}}}NB $ 其中,$B = Z\left[ {{\rm{In}}\frac{{2{m_0}{v^2}}}{I} - {\rm{In}}\left( {1 - {\beta ^2}} \right) - {\beta ^2}} \right] $,β=v/c;z是粒子的核电荷数;v是粒子速度;N是单位体积内靶物质原子数;m0是电子质量;e是电子的电荷量;Z是靶物质的原子序数;c是光速;I是各电子的平均激发能;β是粒子速度与光速的比值。
在非相对论情况下,公式中的β等于0,由于v出现在对数项内,所以B随v的变化较为缓慢,可认为B与v无关,即电离损失率与粒子速度的平方成反比。当入射粒子的能量高并处于相对论区域内时,B中的相对修正项开始起作用,使粒子电离损失率缓慢增加,速度也逐渐降低,当速度降低到一定程度时,电离损失率开始逐渐降低,所以质子重离子进入人体后,随着速度的变化会形成一个波峰--布拉格峰。粒子在穿射组织时大部分能量是在入射末端损失的,这也导致粒子在到达肿瘤组织时损失的能量最大,最后当粒子静止时,能量损失率急剧降为0。
在治疗过程中,布拉格峰的出现使高能粒子线在病灶组织中释放大量的能量,切断肿瘤细胞的DNA双链,使DNA无法完成修复,最终导致细胞凋亡从而杀死肿瘤细胞[5-8]。不同的肿瘤组织距离人体表面的距离和肿瘤组织的大小、形状不同,所以在日常的肿瘤治疗过程中,可以利用这一特性,通过拓展布拉格峰、改变入射粒子的能量和方向的方法,将布拉格峰精确地投射到病灶组织上,以达到精确治疗恶性肿瘤的目的[9-10]。
尽管质子治疗肿瘤在1946年就被提出,但是首例真正用于肿瘤治疗却在1954年才成功实现[11]。目前在质子治疗肿瘤方面做得最为出色的是美国的Loma Linda质子治疗中心,该中心每年治疗的肿瘤患者大约有1000例[10]。自从研究者于1992年成功研制世界首台专用医用加速器以来,质子在肿瘤治疗方面的应用实现了跨越式发展,治疗技术也逐渐趋于成熟。质子治疗肿瘤的成功使得研究者开始进一步改进方法,提高放疗效果。目前,为实现这个目标主要分成两个研究方向:其一是通过改进扫描系统,使质子分布剂量尽可能与肿瘤组织在三维方向上适形;另一个是借助重离子独特的性质进一步提高其对肿瘤组织的放射生物效应和三维剂量分布。尽管质子重离子的剂量分布特点基本相同,但由于重离子具有较高的传能线密度,进而导致较高的相对生物学效应(relative biological effectiveness,RBE)和较低的氧增强比[12-15],所以重离子对乏氧的和对射线不太敏感的肿瘤细胞的治疗效果更好。
目前,世界上成功运行的质子放疗系统主要在以美国和日本为代表的发达国家。淄博万杰质子中心是我国第一家质子治疗中心,从该中心2004-2009年的治疗结果来看,总共治疗的2000多例肿瘤患者均取得了良好的治疗效果。上海市质子重离子医院和兰州重离子治疗装置的成功应用,标志着中国成为世界上第4个使用重离子治疗肿瘤的国家,也进一步证实了重离子良好的临床应用效果。
质子重离子治疗肿瘤的进展
Development of proton heavy ion in tumor therapy
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摘要: 对于恶性肿瘤而言,传统的治疗手段主要包括手术、化疗、常规放疗等。尽管这些治疗手段在肿瘤治疗方面发挥了重要作用,但也存在很大的不足,有的治疗效果不佳,有的存在严重的并发症。为了解决上述治疗手段在肿瘤治疗方面存在的问题,国内外研究者成功研发出新的治疗手段——质子重离子放疗。笔者对此种治疗手段的基本原理和临床应用效果进行详细的介绍,以便为肿瘤科医师和患者在治疗过程中提供更多的信息和决策支持。Abstract: For malignant tumor, the traditional treatments mainly include surgery, chemotherapy, conventional radiotherapy, etc. Although these treatments play an important role in tumor therapy, however, there are still significant deficiencies:some clinical treatment ineffective, and some serious complications. In order to solve these problems which caused by the above treatment in tumor therapy, domestic and foreign researchers have successfully developed a new treatment—proton heavy ion radiotherapy. The author makes a detailed introduction to the basic principles and clinical application of this treatment method, and provide more information and support for cancer patients and oncologist.
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Key words:
- Protons /
- Heavy ions /
- Radiotherapy /
- Neoplasms
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