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摘要：与传统放射治疗相比，重离子放疗在物理和放射生物学上更具优势，现已被公认为最有前景的肿瘤放疗技术。本文介绍了重离子放射治疗装置的基本构成与重离子治疗相对于X射线放疗的优势，并分析了未来重离子放疗技术的发展趋势，为相关人员提供一定的参考，更好地促进重离子治疗技术在未来的发展。
关键词：放射治疗;医用重离子加速器;重离子;放疗设备
一、前言
癌症作为一种威胁人类生命健康的疾病，具有复杂性、多样化、易转移等难以完全克服的特点，癌症正日益成为致死的重要杀手。目前治疗癌症的最有效三大方法为外科手术、放射治疗和化疗。其中重离子放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段之一。研究表明，重离子的线性能量传递、相对生物效应和氧增强比皆优于质子，其辐射剂量可更多地沉积到人体深部的恶性肿瘤内，对肿瘤细胞更具杀灭性[1]，且放疗后癌症的复发率相对于传统放疗方式更低。
二、正文
（一）重离子治疗技术
1.1治疗装置的基本构成
从重离子治疗装置的结构组成上来看，重离子与质子治疗系统基本相同，主要包括加速器、旋转机架、治疗头和治疗计划系统[2]。
加速器是束流的生产装置，目前世界上专用的质子和重离子治疗中心， 基本上采用三种类型：直线加速器、回旋加速器和同步加速器[3]。直线加速器通过电场控制使离子沿直线方向加速，加速器长度与能量增益成正比。回旋加速器通过间隙磁场对离子进行加速，离子运动轨迹类似一个螺旋线，其磁场可以提供稳定束流强度。同步加速器是由多级磁铁组成的狭窄真空环，离子在环内反复循环获得加速，其能量可变，但是操作相对复杂。
旋转机架是为减少单一固定的出束对肿瘤前方正常组织造成过度伤害，从而由多个方向进行照射。机架装置包含一个能够转动的旋转台，转台内配有很多磁铁。而庞大的机架结构又将导致受力不均产生变形，继而影响等中心旋转精度和角度转动精度，因而目前重离子旋转机架的设计仍是重离子治疗设备的难点和核心问题之一。
治疗头实际上是一个束流性能转换装置，把束流照射野扩展到整个计算靶容积（planned target volume， PTV），并使之在PTV区域产生的剂量刚好等于要求剂量，以完成适形治疗的目的[4]。
治疗计划系统（treatment planning system， TPS）辅助医生完成治疗计划和治疗过程，是粒子治疗中必不可少的软件系统。TPS系统主要由图像处理模块和剂量计算模块组成。图像处理模块组要实现对CT、MR、PET或者融合图像的读取、三维重建、自动或手动分割，勾画出肿瘤区、敏感区以及正常组织。然后放疗医师根据图像数据选择治疗参数，通过剂量运算确定剂量分布图，并通过虚拟定位软件不断优化确定最佳的治疗计划方案。
1.2重离子治疗的优势
重离子放射治疗具有倒转深度剂量分布的特性。在癌症治疗时所需要的重离子能量范围内，重离子在进入人体的大部分射程里，巨大的初始能量使离子穿过组织速度很快，因而损失的能量较小，形成一个相对低能量的坪区;射程末端是重离子在人体中的剂量损失集中地，随着能量损失，离子运动速度减慢，与靶电子碰撞的概率增大，最终在射程末端形成一个陡峭的高剂量峰，即布拉格峰。这样在治疗时，对入射离子的能量、方向进行调节，形成一个拓展布拉格峰，将其准确落在肿瘤靶区，实现束流对肿瘤靶区的三维扫描适形和调强放射治疗，最大程度降低对周围健康组织的伤害。
重离子辐射对于DNA造成的损伤往往都是永久性的，而且损伤方式复杂多样。特别是重离子辐射对DNA造成的“簇团性”损伤时，DNA难以进行修复，从而达到降低肿瘤细胞DNA修复率的目的。而一般的电子或质子只会使得DNA单链断裂，由于损害方式单一，并且DNA的单链断裂在细胞后期很容易修复，使得单链断裂的DNA的修复率变高[5]。
（二）重离子治疗的发展趋势
2.1设备集成化、小型化
医用重离子加速器的集成化、小型化是未来研究发展的方向之一，即将重离子束放疗的功能集成于同一医用加速器系统，以实现复合治疗、综合利用、降低成本的目的。小型化、低成本的需求推动着医用重离子加速器技术不断的进步。虽然近年来超导等先进技术的使用，使得医用重离子加速器更加紧凑，但是与人们期望的更加小型化的设备相比，仍然存在着较大距离。实现医用加速器系统的更加小型化，并且降低治疗成本，将是未来设备研究的重点。
2.2系统智能化
现代医学的发展对医疗设备的智能化提出越来越高的要求，智能化是未来医用重离子加速器等放疗设备发展的必然趋势。医用加速器的智能化将有效结合高精确放疗技术、现代通信与信息技术、计算机网络技术、先进制造技术以及智能材料[6]等，实现放疗过程的自动化、网络化、信息化和动态标准化，减小因放疗人员业务水平差异等因素对治疗结果造成的影响。
2.3放疗技术高精确化
未来医用加速器放疗技术发展的方向是基于先进的重离子放疗设备，综合利用呼吸门控技术、实时成像及追踪技术、精确摆位技术以及剂量引导、生物适形等先进技术，实现肿瘤的高精确化放疗。而相比于X射线的相应放疗技术，重离子在入射人体后组织能量集中于布拉格峰附近，更适合于肿瘤的高精度放疗。此外，医用重离子加速器用于放疗的离子束主要是碳离子，而重离子种类众多，寻求更高治疗增益的其它粒子也将是未来研究的方向。
三、总结与展望
近年来我国重离子治疗技术的也有了突飞猛进的发展，特别是前段时间落户武汉大学重离子医学研究中心的重离子治疗系统，这套装置是中国科学院近代物理研究所自主研发，拥有自主知识产权，标志着我国重离子治疗系统在注册上市和产业化发展道路上迈出了关键的一步。同时，我国在推动国产治疗装置的产业化、在高端医疗市场占领一席之地的同时，也应适当引进国际最先进的重离子治疗装置，既能满足国内供不应求的治疗需求，又可快速提升国内临床应用和研究的科技水平，缩短与世界恶性肿瘤防治方面的差距。我们相信，随着重离子放疗技术和加速器技术的发展及其广泛应用，一定会更好地造福于肿瘤患者。
参考文献：
[1]Antonovic L， Brahme A， Furusawa Y， et al. Radiobiological description of the LET dependence of the cell survival of oxic and anoxic cells irradiated by carbon ions[J]. J Radiat Res，2013，54（1）：18-26.
[2]劉世耀.质子和重离子治疗及其装置[M].北京：科学出版社，2012.
[3]Amaldi U， Bonomi R， Braccini S， et al. Accelerators for hadrontherapy： from Lawrence cyclotrons to linacs[J]. Nucl Instrument Meth Phys Res Sect A： Accelerat， Spectromet， Detect Associat Equipment， 2010， 620（2）： 563-577.
[4]田茂辉，宋明涛，杨建成，等.深层治癌重离子束的配送[J].核技术，2009，31（10）：740-744.
[5]王晓林，高天欣，韩潇，陈晓君，唐晓英.重离子放射治疗技术及临床应用[J].北京生物医学工程，2019，38（03）：312-318.
[6]张新民.智能材料研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2013（Z2）：57-63.
关键词：放射治疗;医用重离子加速器;重离子;放疗设备
一、前言
癌症作为一种威胁人类生命健康的疾病，具有复杂性、多样化、易转移等难以完全克服的特点，癌症正日益成为致死的重要杀手。目前治疗癌症的最有效三大方法为外科手术、放射治疗和化疗。其中重离子放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段之一。研究表明，重离子的线性能量传递、相对生物效应和氧增强比皆优于质子，其辐射剂量可更多地沉积到人体深部的恶性肿瘤内，对肿瘤细胞更具杀灭性[1]，且放疗后癌症的复发率相对于传统放疗方式更低。
二、正文
（一）重离子治疗技术
1.1治疗装置的基本构成
从重离子治疗装置的结构组成上来看，重离子与质子治疗系统基本相同，主要包括加速器、旋转机架、治疗头和治疗计划系统[2]。
加速器是束流的生产装置，目前世界上专用的质子和重离子治疗中心， 基本上采用三种类型：直线加速器、回旋加速器和同步加速器[3]。直线加速器通过电场控制使离子沿直线方向加速，加速器长度与能量增益成正比。回旋加速器通过间隙磁场对离子进行加速，离子运动轨迹类似一个螺旋线，其磁场可以提供稳定束流强度。同步加速器是由多级磁铁组成的狭窄真空环，离子在环内反复循环获得加速，其能量可变，但是操作相对复杂。
旋转机架是为减少单一固定的出束对肿瘤前方正常组织造成过度伤害，从而由多个方向进行照射。机架装置包含一个能够转动的旋转台，转台内配有很多磁铁。而庞大的机架结构又将导致受力不均产生变形，继而影响等中心旋转精度和角度转动精度，因而目前重离子旋转机架的设计仍是重离子治疗设备的难点和核心问题之一。
治疗头实际上是一个束流性能转换装置，把束流照射野扩展到整个计算靶容积（planned target volume， PTV），并使之在PTV区域产生的剂量刚好等于要求剂量，以完成适形治疗的目的[4]。
治疗计划系统（treatment planning system， TPS）辅助医生完成治疗计划和治疗过程，是粒子治疗中必不可少的软件系统。TPS系统主要由图像处理模块和剂量计算模块组成。图像处理模块组要实现对CT、MR、PET或者融合图像的读取、三维重建、自动或手动分割，勾画出肿瘤区、敏感区以及正常组织。然后放疗医师根据图像数据选择治疗参数，通过剂量运算确定剂量分布图，并通过虚拟定位软件不断优化确定最佳的治疗计划方案。
1.2重离子治疗的优势
重离子放射治疗具有倒转深度剂量分布的特性。在癌症治疗时所需要的重离子能量范围内，重离子在进入人体的大部分射程里，巨大的初始能量使离子穿过组织速度很快，因而损失的能量较小，形成一个相对低能量的坪区;射程末端是重离子在人体中的剂量损失集中地，随着能量损失，离子运动速度减慢，与靶电子碰撞的概率增大，最终在射程末端形成一个陡峭的高剂量峰，即布拉格峰。这样在治疗时，对入射离子的能量、方向进行调节，形成一个拓展布拉格峰，将其准确落在肿瘤靶区，实现束流对肿瘤靶区的三维扫描适形和调强放射治疗，最大程度降低对周围健康组织的伤害。
重离子辐射对于DNA造成的损伤往往都是永久性的，而且损伤方式复杂多样。特别是重离子辐射对DNA造成的“簇团性”损伤时，DNA难以进行修复，从而达到降低肿瘤细胞DNA修复率的目的。而一般的电子或质子只会使得DNA单链断裂，由于损害方式单一，并且DNA的单链断裂在细胞后期很容易修复，使得单链断裂的DNA的修复率变高[5]。
（二）重离子治疗的发展趋势
2.1设备集成化、小型化
医用重离子加速器的集成化、小型化是未来研究发展的方向之一，即将重离子束放疗的功能集成于同一医用加速器系统，以实现复合治疗、综合利用、降低成本的目的。小型化、低成本的需求推动着医用重离子加速器技术不断的进步。虽然近年来超导等先进技术的使用，使得医用重离子加速器更加紧凑，但是与人们期望的更加小型化的设备相比，仍然存在着较大距离。实现医用加速器系统的更加小型化，并且降低治疗成本，将是未来设备研究的重点。
2.2系统智能化
现代医学的发展对医疗设备的智能化提出越来越高的要求，智能化是未来医用重离子加速器等放疗设备发展的必然趋势。医用加速器的智能化将有效结合高精确放疗技术、现代通信与信息技术、计算机网络技术、先进制造技术以及智能材料[6]等，实现放疗过程的自动化、网络化、信息化和动态标准化，减小因放疗人员业务水平差异等因素对治疗结果造成的影响。
2.3放疗技术高精确化
未来医用加速器放疗技术发展的方向是基于先进的重离子放疗设备，综合利用呼吸门控技术、实时成像及追踪技术、精确摆位技术以及剂量引导、生物适形等先进技术，实现肿瘤的高精确化放疗。而相比于X射线的相应放疗技术，重离子在入射人体后组织能量集中于布拉格峰附近，更适合于肿瘤的高精度放疗。此外，医用重离子加速器用于放疗的离子束主要是碳离子，而重离子种类众多，寻求更高治疗增益的其它粒子也将是未来研究的方向。
三、总结与展望
近年来我国重离子治疗技术的也有了突飞猛进的发展，特别是前段时间落户武汉大学重离子医学研究中心的重离子治疗系统，这套装置是中国科学院近代物理研究所自主研发，拥有自主知识产权，标志着我国重离子治疗系统在注册上市和产业化发展道路上迈出了关键的一步。同时，我国在推动国产治疗装置的产业化、在高端医疗市场占领一席之地的同时，也应适当引进国际最先进的重离子治疗装置，既能满足国内供不应求的治疗需求，又可快速提升国内临床应用和研究的科技水平，缩短与世界恶性肿瘤防治方面的差距。我们相信，随着重离子放疗技术和加速器技术的发展及其广泛应用，一定会更好地造福于肿瘤患者。
参考文献：
[1]Antonovic L， Brahme A， Furusawa Y， et al. Radiobiological description of the LET dependence of the cell survival of oxic and anoxic cells irradiated by carbon ions[J]. J Radiat Res，2013，54（1）：18-26.
[2]劉世耀.质子和重离子治疗及其装置[M].北京：科学出版社，2012.
[3]Amaldi U， Bonomi R， Braccini S， et al. Accelerators for hadrontherapy： from Lawrence cyclotrons to linacs[J]. Nucl Instrument Meth Phys Res Sect A： Accelerat， Spectromet， Detect Associat Equipment， 2010， 620（2）： 563-577.
[4]田茂辉，宋明涛，杨建成，等.深层治癌重离子束的配送[J].核技术，2009，31（10）：740-744.
[5]王晓林，高天欣，韩潇，陈晓君，唐晓英.重离子放射治疗技术及临床应用[J].北京生物医学工程，2019，38（03）：312-318.
[6]张新民.智能材料研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2013（Z2）：57-63.