一、質(zhì)子治療原理

   據(jù)統(tǒng)計，目前腫瘤總體5年控制率在45%；55%治療失敗的病人中，18%是由于局部腫瘤失控造成的。放射治療作為一種局部治療手段，可以通過提高腫瘤劑量來提高局部腫瘤控制率，進(jìn)而提高腫瘤總體5年生存率。然而由于腫瘤周圍正常組織的限制，腫瘤劑量無法有效提高，因為腫瘤周圍正常組織（如腦、腦干、腮腺、顳頜關(guān)節(jié)、脊髓、氣管、腎臟、膀胱和直腸等）的超量照射會引起早期和/或晚期副反應(yīng)，產(chǎn)生一定的近期和/或遠(yuǎn)期并發(fā)癥和后遺癥。這不但嚴(yán)重影響患者生存質(zhì)量，也使患者不得不付出昂貴醫(yī)療費(fèi)用治療這些并發(fā)癥。有時為了使腫瘤周圍正常器官和組織的受照射量不超過其所允許耐受劑量，不得不降低腫瘤照射劑量，致使腫瘤局部控制率降低。

當(dāng)前世界各國多數(shù)腫瘤治療中心所使用外放療裝置多是兆伏特級高能X-線和電子線。這些種類射線在進(jìn)入人體組織后，腫瘤旁正常組織受量均高于腫瘤所受劑量，即便采用三維適形或調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)仍無法避免腫瘤周圍正常組織較高的放射劑量。質(zhì)子放射治療是高級放射治療技術(shù)，一定能量的質(zhì)子束進(jìn)入人體組織時，在一定深度會產(chǎn)生一個急劇上升的劑量高峰，Bragg峰；在形成Bragg峰之前，是一個低平坦段；在Bragg峰后面，其能量則驟降為零。Bragg峰的深度是能量依賴的，因此通過調(diào)節(jié)質(zhì)子射束能量，并且按不同腫瘤大小恰當(dāng)?shù)財U(kuò)展峰的寬度，可使高量區(qū)集中在不同深度和大小的腫瘤部位(圖1)。與傳統(tǒng)X-線和電子線放射治療技術(shù)相比，質(zhì)子博拉格峰后正常組織的吸收劑量大大降低了，因此可以安全的提高腫瘤內(nèi)的照射劑量，特別是當(dāng)腫瘤相鄰或靠近重要的危及器官時（圖2）。腫瘤受到高劑量照射，應(yīng)該會受到更有效的殺滅，因此腫瘤的控制率提高了；腫瘤周圍正常組織和危及器官受照劑量降低了，就意味著放射治療的并發(fā)癥降低了，這對于長期存活的腫瘤病人，特別是兒童腫瘤病人顯得尤其重要。由于腫瘤周圍正常組織劑量降低，可以更好的配合使用化療。質(zhì)子治療可以降低活動骨髓、耳蝸、心臟、腎臟等等危及器官的吸收劑量，所以可以聯(lián)合使用強(qiáng)效化療方案，可以降低聯(lián)合使用順鉑造成的聽力受損或腎功衰竭的危險，可以降低聯(lián)合或續(xù)貫使用阿霉素化療方案造成的嚴(yán)重心肌病變的危險。質(zhì)子治療與手術(shù)配合，同樣可以降低正常組織因手術(shù)造成的并發(fā)癥。

 圖1、不同能量質(zhì)子射線的百分深度劑量曲線

圖2、不同能量，不同品質(zhì)射線的百分深度劑量曲線

 二、國內(nèi)外質(zhì)子治療的歷史和現(xiàn)狀

1946年Wilson首先提出質(zhì)子醫(yī)學(xué)應(yīng)用設(shè)想后。直到1954年Tobias等人在美國加州大學(xué)Lawrence Berkeley實驗室(LBL)進(jìn)行世界上第1例質(zhì)子治療。此后瑞典Uppsala大學(xué)（1957年）、美國哈佛回旋加速器實驗室(HCL、1961年)、前蘇聯(lián)（Dubna、莫斯科、Gachina研究所，1968—1975年）相繼開展了質(zhì)子治療的臨床研究。美國麻省總醫(yī)院（MGH）和哈佛回旋加速器實驗室（HCL）（1975年）聯(lián)手用質(zhì)子治療眼球脈絡(luò)膜黑色素瘤、顱底軟骨瘤、脊索瘤、前列腺癌。日本國立放射醫(yī)學(xué)研究所在1979年開始也進(jìn)行了腫瘤質(zhì)子治療。20世紀(jì)80年代后期開始，日本筑波大學(xué)質(zhì)子醫(yī)學(xué)研究中心(PMRC)，在肝癌、食道癌、肺癌等內(nèi)臟器官腫瘤上做了大量臨床研究工作。此后，又有瑞士、瑞典、英格蘭科學(xué)家們加入這一研究行列。以上所述質(zhì)子治療都是利用高能物理實驗室裝置，體積龐大、費(fèi)用昂貴，而且臨床應(yīng)用的時間和范圍很局限。1991年美國Loma Linda大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(LLUMC)首先啟用了專為醫(yī)院設(shè)計的質(zhì)子裝置。此裝置體積大為縮小，費(fèi)用也明顯減低，且適用于不同部位腫瘤照射，正式宣告質(zhì)子治療進(jìn)入臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使這一技術(shù)發(fā)展向前邁進(jìn)了一大步。根據(jù)國際性粒子治療協(xié)作組（PTCOG） 2006年04月底公布的材料，目前已有美國、日本、瑞典、中國等13個國家，26個中心正在開展質(zhì)子治療工作，已治療患者41，000余例；但醫(yī)院內(nèi)使用設(shè)備只有美國、日本和中國的4個中心。目前正在籌建質(zhì)子裝置的尚有美國、德國、瑞典、韓國、意大利、南非、法國、澳大利亞的13個質(zhì)子治療中心。

質(zhì)子治療在中國的發(fā)展概況：我國腫瘤學(xué)界非常重視質(zhì)子治療技術(shù)發(fā)展，20世紀(jì)90年代初期開始，我國陸續(xù)派醫(yī)師、物理研究人員到美國、歐洲、日本等國學(xué)習(xí)質(zhì)子治療的臨床、基礎(chǔ)和物理等技術(shù)或攻讀博士學(xué)位及從事博士后研究。1995年國家科委啟動了國家攀登計劃“核醫(yī)學(xué)與放療中先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)研究”，明確了中國發(fā)展先進(jìn)放療技術(shù)基礎(chǔ)研究的戰(zhàn)略，論證了在中國發(fā)展質(zhì)子治療技術(shù)的必要性和可行性。

為進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)在中國的發(fā)展，1999年中國科學(xué)院高能物理研究所質(zhì)子治療技術(shù)研究組邀請了部分專家撰寫了《質(zhì)子治療技術(shù)基礎(chǔ)》一書，著重介紹了質(zhì)子治療技術(shù)的有關(guān)基本原理、治療裝置、劑量計算方法和相關(guān)技術(shù)。2004年北京質(zhì)子醫(yī)療中心（籌備處）組織了腫瘤醫(yī)學(xué)、高能物理、醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境保護(hù)、輻射防護(hù)等領(lǐng)域的專家編寫了《腫瘤質(zhì)子治療學(xué)》一書，旨在使國內(nèi)放射腫瘤學(xué)界學(xué)者們，全面了解質(zhì)子治療發(fā)展歷史、有關(guān)物理學(xué)和生物學(xué)基礎(chǔ)、治療裝置及臨床治療結(jié)果。國內(nèi)有數(shù)個單位正在積極地考慮籌備質(zhì)子裝置建立。1989年蘭州近代物理所建立了蘭州重離子研究裝置，1995年開始了重離子治療腫瘤的研究工作。中國從1996年開始有幾個腫瘤治療中心，包括山東淄博萬杰醫(yī)院、上海復(fù)旦腫瘤醫(yī)院和北京中日友好醫(yī)院，開始了質(zhì)子治療設(shè)備引進(jìn)工作；到2004年末，山東淄博萬杰醫(yī)院引進(jìn)的比利時IBA（ion beam application）公司的質(zhì)子治療設(shè)備開始投入使用。全套設(shè)備由質(zhì)子加速器、束流輸運(yùn)系統(tǒng)、束流配送系統(tǒng)、劑量監(jiān)測系統(tǒng)、患者定位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。占地面積5000多平方米�？梢蕴峁�70MeV-230MeV的質(zhì)子束，可以用于治療體內(nèi)任何部位的腫瘤（圖3，4）。至今已治療820多例腫瘤患者。

圖3：萬杰質(zhì)子治療中心平面布局圖。 

圖4：淄博萬杰裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)架（左）和固定束治療室（右）

三、質(zhì)子治療的臨床應(yīng)用

1、臨床適應(yīng)癥

原則上說質(zhì)子治療屬于高級放射治療技術(shù)，所以適于用放射線治療的病人都可以使用質(zhì)子治療。但是由于治療費(fèi)用較高，而且設(shè)備數(shù)量的限制，所以臨床應(yīng)用是非常有限的。由于質(zhì)子有限的可調(diào)控的射程深度，在射程末端急速的劑量跌落和可以使用毫米以下的掃描束等特性，可以使病人從高度的靶區(qū)適形中獲益。這在腫瘤與危及器官靠得很近的時候更有優(yōu)勢：如治療顱底脊索瘤、軟骨肉瘤和腦膜瘤，垂體瘤，聽神經(jīng)鞘瘤，鼻旁竇癌，頭頸部腺癌，前列腺癌，脈絡(luò)膜黑色素瘤靠近視神經(jīng)或黃斑。圖3示鼻咽癌、視神經(jīng)、視交叉、腦干和脊髓、腮腺包繞。兒童腫瘤病人可能是質(zhì)子治療獲益最大的人群，因為放射治療帶來的晚期反應(yīng)問題隨著病人存活時間的延長引起了人們的關(guān)注。這些晚期反應(yīng)主要表現(xiàn)為發(fā)育異常：身高低，甲狀腺低功，晚期肺功能低下，心肌病，顱脊髓照射后的認(rèn)知和行為障礙等，以及放射治療誘發(fā)的第二原發(fā)腫瘤的等問題。因為許多晚期的放射治療副反應(yīng)都和照射劑量有直接關(guān)系，所以降低這些晚期副反應(yīng)的最佳措施就是免除腫瘤周圍正常組織的照射

2、射野形成系統(tǒng)和治療計劃比較

將放射線劑量傳送到病人的方式有兩種：主動和被動劑量傳送技術(shù)。

被動劑量傳送技術(shù)：多數(shù)設(shè)備的射束是通過散射箔或搖擺磁鐵形成的。照射野再通過加工制作的準(zhǔn)直器或多葉光柵將射束按照腫瘤的形狀進(jìn)行塑形；使用博拉格峰展寬器將很窄的博拉格峰展寬來覆蓋腫瘤；在射束中加入組織補(bǔ)償器，使粒子束射程與腫瘤的后緣匹配。因為擴(kuò)展了的博拉格峰的深度是按照腫瘤的最大厚度調(diào)節(jié)的，所以腫瘤前緣的劑量與腫瘤的適形度較差（圖5）。      

圖5：被動劑量傳送技術(shù)。照射野通過固定準(zhǔn)直器和組織補(bǔ)償器調(diào)整到腫瘤位置，但是劑量分布不能調(diào)整到腫瘤前緣。

主動劑量傳送技術(shù)：目前，最先進(jìn)的粒子劑量傳送技術(shù)是強(qiáng)度控制-光柵掃描技術(shù)，并且在掃描中主動調(diào)節(jié)射束能量。德國GSI（Gesellschaft für Schwerionenforschung）的重離子治療設(shè)備上配備這項技術(shù)。在這套設(shè)備上，筆形射束通過一對二極磁鐵控制，在每一個光柵點(diǎn)上照射劑量由射束監(jiān)控器來控制；通過主動改變同步加速器產(chǎn)生粒子射束能量，射束在病人體內(nèi)的射程得到了調(diào)節(jié)。因此，腫瘤可以按相同的厚度沿腫瘤橫截面一層一層照射。照射一層后，調(diào)節(jié)粒子束的能量照射下一層（圖6）。每層內(nèi)每一點(diǎn)粒子的數(shù)量在制定治療計劃期間進(jìn)行了優(yōu)化，因此我們可以獲得我們需要的劑量分布。與被動劑量傳送技術(shù)相比，該技術(shù)不需要博拉格峰展寬器，準(zhǔn)直器和組織補(bǔ)償器等設(shè)備。通過這種技術(shù)，腫瘤前緣劑量分布適形度也很高。

另一種與強(qiáng)度控制光柵掃描技術(shù)相似的技術(shù)是PSI（Paul-Scherrer Institute）的點(diǎn)掃描技術(shù)。在PSI，質(zhì)子射束只沿一個方向掃描，而床沿著另一個方向掃描。與GSI的系統(tǒng)相比，射束射程是由射程轉(zhuǎn)換器來被動控制的。射程轉(zhuǎn)換器由幾片吸收材料組成，吸收片可以自動的進(jìn)入到射束中來調(diào)節(jié)射束的射程

圖6：光柵掃描技術(shù)的原理示意圖。離子束沿腫瘤橫截面掃描。粒子的射程通過選擇合適的粒子能量來調(diào)節(jié)。與被動劑量傳送技術(shù)相比，該技術(shù)生成的劑量分布可以與腫瘤前緣適形。

在瑞典Uppsala研制了另外一套掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)也有兩個掃描磁鐵，但是與GSI不同的是垂直掃描磁鐵可以繞著水平掃描磁鐵的中心做圓形徑跡掃描。這種設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是減少了垂直掃描磁鐵的極間隙，這對將掃描磁鐵裝入旋轉(zhuǎn)機(jī)架較重要

四、質(zhì)子治療計劃原則和優(yōu)勢

由于質(zhì)子射束優(yōu)越的物理特性，使用單個射束就可以很好的治療腫瘤（圖7）。

圖7：單束質(zhì)子射線（a）與X-線（b）的劑量分布比較

單照射野照射常常適用于小腫瘤，位置淺并且腫瘤后沒有危及器官相鄰。多野照射技術(shù)比較常用，因為單野照射不能總是有效的避開危及器官，特別是使用固定束技術(shù)時；而且使用多野技術(shù)可以減少由于擺位誤差造成腫瘤后方危及器官超劑量照射的可能性；多野照射也可以降低腫瘤周圍正常組織和皮膚劑量（圖8）。

圖8：使用2個X-線（左）和質(zhì)子射束（右）照射前列腺癌。可以看出質(zhì)子治療的高劑量區(qū)均集中到了腫瘤上，而周圍的正常組織受到了比X-線治療低得多的劑量。