質(zhì)子重離子放療：一文帶你全面了解這一抗癌利器的奧秘

前言

質(zhì)子重離子技術(shù)是放療的尖端技術(shù)，之前國內(nèi)開展質(zhì)子重離子放療的機構(gòu)少，需要排隊一兩個月才能治療上。現(xiàn)在發(fā)展的很快，中國大陸有14家，中國臺灣有5家已經(jīng)運營的機構(gòu)。

本想簡單寫寫質(zhì)子重離子放療的國內(nèi)國外發(fā)展情況，沒想到寫著寫著想寫的東西比較多，斷斷續(xù)續(xù)的利用空閑時間寫到現(xiàn)在，4月底開始收集資料寫，本來預計五一節(jié)前寫好，一拖就拖到現(xiàn)在。

想比較全面的介紹當前質(zhì)子重離子放療的概況，所以臨床和物理各個方面都介紹了一部分。無論是普通大眾當作科普來看，還是放療專業(yè)人士想了解行業(yè)發(fā)展，或多或少都能從本文有些收獲。    

正文

在癌癥治療的 “武器庫” 中，質(zhì)子重離子放療堪稱耀眼的 “明星武器”， 它憑借精準高效的獨特優(yōu)勢，為許多癌癥患者帶來新希望。很多人或許聽過它的名字，卻不太了解它究竟如何發(fā)揮作用。今天，就讓我們一同深入探索質(zhì)子重離子放療的奧秘，揭開這一抗癌利器背后的科學原理與獨特魅力，看看它是如何在對抗癌癥的戰(zhàn)場上，實現(xiàn)對腫瘤的 “精準打擊”，最大限度減少對健康組織的傷害。惡性腫瘤的死亡率在所有疾病中排名第二，僅次于心臟病。2024年全國癌癥報告顯示，死亡前五位的惡性腫瘤為肺癌、肝癌、胃癌、結(jié)直腸癌、食管癌。

腫瘤治療的常見手段包括手術(shù)，放療，化療，靶向治療，免疫治療、內(nèi)分泌治療、中醫(yī)中藥等。根據(jù)世界衛(wèi)生組織報道，2014年腫瘤治愈率是55%左右，其中手術(shù)治療達27%左右，放療治療可達22%左右，化療治愈率為6%左右。也有另外的數(shù)據(jù)報道，在腫瘤治療率方面，手術(shù)貢獻49%，放療貢獻40%，化療貢獻約11%�？梢姺暖熢谀[瘤的治療中占據(jù)重要的地位，有70%左右的患者在抗腫瘤的治療過程中需要放療輔助治療或用放療做根治性治療手段。現(xiàn)實中并沒有那么多患者選擇放療，國內(nèi)大概30%左右，歐美大概有50-60%的患者選擇放療，這與許多患者對于放療不了解或有誤解有關(guān)。其實放療是一種很重要的抗癌利器，是無創(chuàng)性的治療手段。是一把無形的手術(shù)刀！是希望之光！前期對放療的作用做了簡要概述，可點擊查看，放療如何成為抗腫瘤利器？精準定位，有效殺傷腫瘤細胞。目前臨床上放療常規(guī)的治療方式包括常規(guī)光子放療和粒子放療，所謂常規(guī)光子放療，就是用光子射線照射腫瘤，光子主要是指用X射線或γ射線照射腫瘤。粒子放療是用粒子束照射腫瘤，主要包括質(zhì)子、重離子、中子、α粒子和β粒子等。本文主要介紹粒子放療中的質(zhì)子重離子放療。X射線一般由直線加速器產(chǎn)生，γ射線一般由放射源產(chǎn)生如鈷60。質(zhì)子和重離子射線一般由同步加速器或回旋加速器或同步回旋加速器產(chǎn)生。在了解放療技術(shù)的過程中，我們經(jīng)常會聽到各種刀，如X刀，托姆刀（Tomo），速鋒刀，陀螺刀，射波刀（CyberKnife），伽馬刀（Gamma Knife），中子刀，質(zhì)子刀，重離子刀等。這些刀對應的射線如下：

由此可見，大部分的各種刀都是X射線產(chǎn)生的，本質(zhì)上是同一種技術(shù)。同時我們經(jīng)常在光子放療用到的技術(shù)，如調(diào)強放療（IMRT），容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（VMAT），立體定向放療（SBRT），圖像引導放療（IGRT）等技術(shù)，在質(zhì)子重離子放療中同樣可以使用。

何為質(zhì)子重離子？

質(zhì)子：即氫原子失去電子后帶有正電荷的粒子。質(zhì)子（proton）用H或P表示。重離子：比氫大的粒子，如元素周期表中的碳、氖、硅等原子量較大的原子核或離子。臨床上主要運用的是碳離子（carbon ion），用C表示。

質(zhì)子重離子放療：是運用質(zhì)子或重離子射線治療腫瘤的一種手段，是目前國際公認的腫瘤尖端放射治療技術(shù)。

質(zhì)子和重離子的特點和優(yōu)勢

質(zhì)子和重離子有獨特的放射物理學和生物學特性。質(zhì)子重離子射線在同步或回旋加速器內(nèi)被加速到光速的70%（約21萬公里/秒）時引出，射線進入人體。

01 物理學優(yōu)勢--計量分布

物理學特點是對腫瘤有定向爆破作用，即照射劑量經(jīng)過腫瘤前方的正常組織時不釋放高能量，等到了腫瘤區(qū)域才釋放能量，到了腫瘤后方的正常組織同樣釋放很少的能量，這樣就能保證最大的劑量給到腫瘤區(qū)域。

通過把這些腫瘤區(qū)域的能量連起來就形成一個布拉格峰（bragg peak），調(diào)整的布拉格峰或擴展的布拉格峰（Spread of Bragg Peak，SOBP）是質(zhì)子重離子殺傷腫瘤的重要特點。這種定向爆破作用對腫瘤細胞產(chǎn)生強大的殺滅效應，但對周圍正常組織的損傷較小，從而達到殺滅腫瘤又不產(chǎn)生明顯放療毒副作用的效果。

質(zhì)子束在淺表和中等深度部位除具備布拉格峰優(yōu)勢外，還具有更銳利的半影（束流橫向邊緣劑量衰減速度快），其優(yōu)勢在于：

精準投照高劑量：便于向毗鄰關(guān)鍵臟器的靶區(qū)投照更高劑量。

保護關(guān)鍵臟器：可避開受劑量限制的關(guān)鍵臟器。

提升治療效果：通過精準控量，有效增加靶區(qū)劑量。

重離子（碳離子束）在貫穿物質(zhì)時與靶原子核外電子碰撞損失能量，在射程末端形成陡峭的高劑量布拉格峰，峰位深度可通過改變?nèi)肷潆x子初始能量調(diào)節(jié)。布拉格峰更陡峭，且峰后存在少量 “尾跡劑量”（碳離子為例）。散射比質(zhì)子和光子小，橫向散射小，能量沉積精確，可實現(xiàn)毫米量級的精確治療，能利用柵網(wǎng)掃描技術(shù)引導束流對腫瘤實行精確斷層掃描的 “適形治療”。碳離子能量一般為 100-400MeV/u，對應在人體中的穿透深度為 2.5-27cm，能滿足不同深度腫瘤治療。

intensity-modulated radiotherapy (IMRT，光子調(diào)強放療), Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT，光子容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療), Cyberknife（射波刀）, Double Scattered Proton (DSP，雙散射質(zhì)子放療) and Intensity-Modulated Carbon-Ion (IMIT，碳離子調(diào)強放療)

質(zhì)子重離子布拉格峰與高能 X 射線的劑量沉積特性差異顯著：

布拉格峰：峰前劑量約為最大劑量的30%，峰后劑量驟降至0，對峰后組織幾乎無照射劑量。

高能 X 射線：劑量隨深度增加先升至最大值，隨后呈指數(shù)級衰減。

相對于光子放療，質(zhì)子重離子放療在頭頸部腫瘤的初治和再程放療方面，具有劑量分布和生物效應的優(yōu)勢，對正常組織的保護更好。

02 生物效應優(yōu)勢--殺傷腫瘤的能力

質(zhì)子相對生物學效應（RBE）為1.1左右（與傳統(tǒng)光子放療接近），主要通過破壞 DNA 單鏈，對氧依賴性較強（對乏氧細胞效果稍差），適用于多數(shù)實體瘤，尤其是兒童腫瘤、鄰近關(guān)鍵器官的腫瘤。

重離子（碳離子)相對生物學效應（RBE）高，對細胞的致死效應是光子的 2-5倍，殺傷力大。直接對 DNA 雙鏈進行不可修復的破壞，對常規(guī)射線不敏感的乏氧癌細胞也有很強的殺傷作用，導致腫瘤細胞 DNA 雙鏈斷裂而不易修復，治療后不易復發(fā)。對常規(guī)放療不敏感的腫瘤（如骨肉瘤、黑色素瘤、胰腺癌）、復發(fā)難治性腫瘤效果好。

03 重離子生物模型 LEM VS MKM

重離子的相對生物效應（RBE）比較高，對腫瘤的殺傷威力大，那么在臨床應用的時候，需要采用相應的生物模型把物理劑量和RBE做一個轉(zhuǎn)換再用來做計劃方案。

目前國際上常用的兩種模型是日本NIRS開發(fā)的微劑量動力學模型（MKM）以及歐洲常用的局部效應模型（LEM），如以德國海德堡重離子中心為代表的主要使用LEM模型。上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院用的是德國西門子的機器，生物模型是用的LEM。因此日本MKM模型計算出來的重離子照射劑量，并不能照搬拿過來用在中國人身上，需要轉(zhuǎn)換的。通過這兩種模型計算出來的RBE加權(quán)劑量是不一樣的。比如4Gy的劑量通過MKM和LEM轉(zhuǎn)換算出來的劑量是不同的。

碳離子放射治療（CIRT）的治療計劃是基于相對生物效應（RBE）加權(quán)劑量計算。在日本收集了大量關(guān)于CIRT的臨床證據(jù)，其RBE是通過改良的微劑量動力學模型（MKM）估算得出；而所有歐洲中心均采用局部效應模型（LEM）的第一版(LEM I)。歐洲部分機構(gòu)采用了日本的放療方案，但會根據(jù)情況調(diào)整處方劑量以及危及器官（OAR）的劑量限制。

有研究已證明在某些劑量范圍內(nèi)，與LEM相比，微劑量動能模型（MKM）通常會估算出更低的相對生物效應（RBE）。Molinelli等人研究表明，在3.6 - 4.6 GyRBE（MKM）的劑量范圍內(nèi)，針對靶區(qū)體積規(guī)定的MKM中位劑量比LEM低5% - 15%。這導致需要對LEM中的標稱處方劑量進行調(diào)整，以應對RBE建模方面的差異。此外，多個研究小組還探究了這兩種RBE模型對不同腫瘤部位危及器官（OAR）劑量限制的影響。例如，奧地利MedAustron離子中心經(jīng)內(nèi)部驗證的LEM模型下腦干的劑量限制為D₀.₀₁cc = 46 GyRBE、D₀.₇cc = 38 GyRBE，這分別對應MKM下的36.8 GyRBE和29.3 GyRBE劑量。這體現(xiàn)出兩種模型在劑量估算上的差異對臨床實踐有重要影響。

MKM（微劑量動力學模型）在臨床應用中，雖考慮了每次分割劑量下SOBP（擴展布拉格峰）形狀的變化，卻未將每次分割劑量下的平均RBE（相對生物效應）變化納入考量，這與之前的臨床數(shù)據(jù)一致性不足。具體而言，當前臨床應用的模型以被動散射碳離子放療（CIRT）中SOBP中間位置的吸收劑量作為參考。然而，RBE并非恒定不變，它會隨每次分割劑量的不同而改變。若忽略這一因素，可能導致治療計劃不夠精準，影響治療效果。所以，在未來的臨床應用中，應進一步完善MKM模型，將每次分割劑量下的平均RBE變化也考慮進去，使治療更貼合實際情況，提高治療的準確性與安全性。

LEM I模型在入口區(qū)域（低LET）高估了RBE。這意味著該模型預測此區(qū)域質(zhì)子對生物效應的影響比實際情況大。而在SOBP（高LET）區(qū)域，它低估了RBE，即模型預測的生物效應低于實際值。這種偏差可能是由于LEM I模型在處理不同LET區(qū)域的物理和生物學特性時存在局限性，未能精準反映質(zhì)子與生物組織相互作用產(chǎn)生生物效應的復雜機制。

重離子針對各種局部效應模型（LEM）處方及其相應的微劑量動力學模型（MKM）重新計算結(jié)果，評估了沿束流方向穿過靶區(qū)的劑量線（左圖）；同時展示了LEM模型的相對生物學效應（RBE）表現(xiàn)（右上圖），以及重新計算的MKM模型的相對生物學效應表現(xiàn)（右下圖）。  

因此，開展重離子放療的機構(gòu)首先要確定用哪個模型或者確定哪種模型適合自己機構(gòu)的設(shè)備。不同模型的劑量不能直接拿來用，對危及器官的限量也不是等同的。在自己機構(gòu)的治療計劃系統(tǒng)（TPS）選擇哪個模型計算需要嚴格把關(guān)。

有些重離子中心在以上兩個模型的基礎(chǔ)做一定的微調(diào)，再形成自己中心的生物模型，這是一個有挑戰(zhàn)的事情，需要嚴謹對待，適當處理。

重離子（碳離子）優(yōu)勢和缺點

優(yōu)勢：精準度高，能將能量集中釋放在腫瘤部位，腫瘤前方和后方的正常組織接受劑量小，對健康組織損傷小。

-適形照射劑量分布好，可精確監(jiān)控照射位置及劑量。

-對放療抵抗的腫瘤，如膠質(zhì)瘤、腺樣囊性癌、復發(fā)鼻咽癌、肉瘤和軟組織腫瘤、脊索瘤和黑色素瘤等有較好療效。

-治療療程短，對相同病例，比質(zhì)子治療時間短 2-3倍

缺點：

設(shè)備復雜且昂貴，建設(shè)和運行成本高，導致治療費用昂貴，一般是其他放療的幾倍甚至幾十倍。

-重離子治療裝置數(shù)量有限，全球裝機量少，患者可及性低。

-技術(shù)難度高，對操作人員和技術(shù)團隊要求高，需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作和維護。

-適應證相對較窄，雖然適用于大部分實體腫瘤，但對于一些全身性腫瘤或轉(zhuǎn)移性腫瘤可能不太適合。

-存在一定風險，如治療過程中可能出現(xiàn)的設(shè)備故障、劑量偏差等問題，可能會對患者造成不良影響。且如果重離子照射在正常組織和器官上，將產(chǎn)生嚴重的放射損傷，需要嚴格掌握適應癥。所謂收益和風險并存。

質(zhì)子重離子的不足

質(zhì)子重離子放療雖然是目前放療領(lǐng)域的尖端技術(shù)，但是不表沒有缺陷。其中談到比較多的就是射程的不確定性。即質(zhì)子重離子對于照射經(jīng)過的路徑變化比較敏感。如原來的路徑是個空腔，后面空腔里分泌出液體，這時候射線路徑就會有變化，劑量分布也會有變化。所以質(zhì)子重離子放療常規(guī)每周至少做一次復位掃描CT并重新計算劑量分布，看下病灶周圍變化情況。當然這種射程的不確定性是可以通過技術(shù)手段解決的。國際著名的物理師盧曉明教授在質(zhì)子重離子學術(shù)會議上專門講了一節(jié)課關(guān)于質(zhì)子射程步不確定性及處理方法。盧教授指出質(zhì)子的射程定義是基于布拉格峰的特性，即在最高點的80%處的水的等效深度。在治療計劃中，質(zhì)子射程的不確定性主要源于阻止本領(lǐng)函數(shù)的誤差。這些誤差可能導致實際照射效果與預期不符，從而影響治療效果。質(zhì)子治療中的射程變化受到多種因素的影響，包括組織運動和治療次數(shù)。為了保證治療的有效性，必須對射程路徑進行精確測量和校正，以減少誤差帶來的影響。為了減少這些影響，臨床上采用了魯棒性優(yōu)化等方法，確保治療計劃的有效性和安全性。此外，定期進行CT掃描以監(jiān)測腫瘤變化也至關(guān)重要。通過合理的照射策略和影像引導，可以有效降低射程誤差對治療效果的負面影響，從而提高患者的治療安全性和效果。

哪些腫瘤適合質(zhì)子重離子放療？

質(zhì)子重離子放療，因其具有能級高和穿透性強的特點，使用其適應癥范圍較之普通光子放療有了極大拓寬。常規(guī)光子放療適合的腫瘤，質(zhì)子重離子基本上也適合。中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤：腦膜瘤、膠質(zhì)瘤、髓母細胞瘤、生殖細胞瘤、惡性淋巴瘤、腦轉(zhuǎn)移瘤、垂體瘤、脊索瘤、軟組織肉瘤、聽神經(jīng)瘤及星形細胞瘤等頭頸部腫瘤：鼻咽癌、鼻腔鼻竇癌、口腔癌（舌癌、牙齦癌、頰粘膜癌、硬腭癌等）、口咽癌（扁桃體癌、舌根癌、軟腭癌、咽后壁癌等）、甲狀腺癌、涎腺惡性腫瘤（腮腺癌、頜下腺癌、舌下腺癌等）、外耳道及中耳惡性腫瘤、眼部惡性腫瘤、喉癌（聲門上癌、聲門癌、聲門下癌）、下咽癌、腺樣囊性癌、鼻腔NK/T淋巴瘤、腦動靜脈畸形、海綿狀血管瘤等胸部腫瘤：肺癌（非小細胞肺癌、小細胞肺癌）、食管癌、乳腺癌、縱隔腫瘤（胸腺瘤、胸腺癌、生殖細胞瘤、淋巴瘤）、間皮瘤、胸壁及胸膜腫瘤等腹盆腔腫瘤：肝癌、前列腺癌、胰腺癌、膽管癌、胃癌、腎癌、膀胱癌、復發(fā)直腸癌、宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌、脊索瘤（腹膜后及骶尾部）、肉瘤及其他不能切除的盆腔腫瘤等兒童腫瘤：髓母細胞瘤、膠質(zhì)瘤、室管膜瘤、垂體瘤、生殖細胞瘤、眼科腫瘤、脊髓腫瘤、神經(jīng)母細胞瘤、霍奇金淋巴瘤、肉瘤、第二原發(fā)性腫瘤（Secondary Primary Malignancies, SPM）和繼發(fā)性惡性腫瘤(Secondary Malignant Neoplasms，SMN)其他腫瘤及良性病變：骨和軟組織肉瘤、皮膚惡性腫瘤、瘢痕疙瘩等

哪些腫瘤不適合質(zhì)子重離子放療？

1.有些血液腫瘤不適合，像白血病之類的。2.多發(fā)轉(zhuǎn)移的患者不適合；這種姑息治療為主，常規(guī)光子放療也不推薦。3.對于寡轉(zhuǎn)移的患者，是可以用質(zhì)子重離子放療的，但是有些質(zhì)子重離子中心每天治療的患者有限，束流時間有限，所以會收治更多有機會根治性放療的患者，不收或少收轉(zhuǎn)移的患者。這符合醫(yī)療資源優(yōu)化策略，轉(zhuǎn)移的患者，需要放療的話，常規(guī)光子放療即可，不需要花那么多錢去用高端的質(zhì)子重離子技術(shù)。4.半年內(nèi)接受過放療的患者，常規(guī)不再收治放療，這時正常組織尚未修復，再程放療風險比較大。5.懷孕期間或泌乳期間。有精神病史，無法配合治療的。6.HIV 陽性，包括曾接受抗逆轉(zhuǎn)錄病毒治療； 慢性乙型肝炎，病毒復制期；丙型肝炎活動期； 梅毒活動期。7.患者體質(zhì)弱，健康狀況差，KPS<70，或ECOG>28.有嚴重合并癥的患者，可能影響放療進行的情況，包括：

a) 有不穩(wěn)定心絞痛、充血性心力衰竭、心肌梗塞、腦出血的

b) 急性細菌或全身真菌感染

c) 慢性阻塞性肺病加重期或其他呼吸系統(tǒng)疾病需要住院治療

d) 肝功能不全、腎功能不全

e) 免疫抑制的患者

f) 伴結(jié)締組織病，如活動性硬皮病或狼瘡等放射治療禁忌證

關(guān)愛天使-兒童腫瘤質(zhì)子治療救助報名流程如下：

1·咨詢電話：

救助辦公室：0533-4916222

救助辦公室主任：蔣主任13805334429

2·報名方式：本次報名方式僅限線上小程序，您可以關(guān)注“關(guān)愛天使質(zhì)子治療”小程序了解項目詳情，進行項目報名或統(tǒng)一報名口（微信掃碼）：

3·救助流程：

3.1、專家組對患者進行線下會診，符合減免救助標準的人員經(jīng)專家組會診同意后辦理入院手續(xù)。

3.2、患者住院期間，醫(yī)院按照相關(guān)規(guī)定提供合理、規(guī)范的診療服務。

3.3、減免費用為質(zhì)子治療費。

3.4、每月為符合救助標準的1-3名兒童腫瘤患者提供免費質(zhì)子治療（篩選條件以提交報名成功時間為準）。