胡逸民：质子碳离子治疗的几个问题
2016年12月27日，第二届全国重离子治疗高端论坛在甘肃省兰州市近代物理研究所召开，会上，胡逸民教授针对“何为轻离子”、“为什么要用轻离子”、“质子与碳离子的异同点”、“质子与碳离子的异同点”、“为何使用碳离子”、“为什么要使用旋转机架”、“为什么要使用笔形束扫描”和“接近SBRT放疗时代的到来”七个问题进行了探讨。
专家简介
▲胡逸民教授
中国医学科学院协和医科大学肿瘤研究所肿瘤医院研究员、博士生导师、首席专家，中国生物医学工程学会付理事长兼秘书长、中国医学物理学分会主任委员、国际医学生物学工程与计算学报付主编、中国生物医学工程学报常务编委、国际科学理事会中国委员会委员、国际医学物理组织（iomp）中国理事、美国医学物理学家协会（AAPM）会员、美国科学进步协会（AAAS）会员。我国医学放射物理学术带头人。
何为轻离子
Z=1~Z=6原子核离子称之为轻离子（Light Ions）。在物理学中，习惯对离子质量数大于质子的所有带点原子核称为重离子（Heavy ion）。
当用于肿瘤放射治疗时，重离子束（heavy ions）系指元素周期表上第18号元素以前（Z=1~Z=18）的所有原子核离子，核物理学家称之为强子治疗（hardon therapy）,而医学物理学家和放射肿瘤学家称之为重粒子治疗（heavy ions）,或带电粒子束治疗（charged particle therapy）。
综合平衡各种因素，最适合用于肿瘤放射治疗的为Z=1~Z=6的6个原子核离子，即质子-碳离子，因其原子核质量较轻，称之为轻离子治疗（light ion therapy）。
为何要用轻离子
有三个重要的因素决定射线的物理学和生物学特性，进而影响放射治疗的治疗增益比（therapeutic gain factor，TGR）：
特定的射线，如X（γ）射线、高能电子束、轻离子等，进入组织后其射线值（线性能量传递，LET，linear energy transfer）随组织深度的变化。
特定的射线进入组织后，因与组织原子的相互作用产生的次级离子（主要是次级电子）将射线能量传递给组织，即吸收剂量随深度的变化。
细胞周期和乏氧细胞的放射敏感性对射线值的依赖性。
上述3个问题严重的制约着未来放射治疗技术的发展。
1-6号元素原子核最合适用于肿瘤放射治疗
质子与碳离子的异同点
与质子相比，碳离子的Bragg峰曲线更为尖锐，剂量集中度更高。原子核质量越高，Bragg峰越窄。碳离子的物理剂量分布优于质子。
重离子的剂量分布在Bragg峰后方有一个“拖尾效应”区域。这个区域集中了一些核子反应后形成的非常轻的粒子，生物学效应虽然很低，但确实存在。
通过使用同步加速器和扫描式多野照射，可以讲这一影响降低到忽略不计的水平。
质子、轻离子的RBE计算（A）、RBE（B、C）和束流半影（D）
为什么要使用碳离子
单个笔形束如果大小>5mm，那么质子治疗的半影很大，宽度可以接近Go60治疗的半影宽度。这位笔形束扫描的实施带来了很大的挑战。因此有人提出仍然使用补偿器。但是使用补偿器无法实施调强放疗。因此为了克服这个问题出现了许多新技术。其中之一是使用多叶准直器，减少半影。而碳离子几乎不存在半影。
质子的RBE几乎不变，碳离子的RBE随能量变化而变化，生物有效性更高。碳离子RBE值取决于束流剂量、能量大小、离子类型、细胞类型和氧化情况。碳离子放疗对于放射不敏感肿瘤更有效。
DNA双链损伤效应碳离子远远大于质子。文献报道碳离子的DNA双链断裂达到80%以上。
为什么要使用旋转机架
放射治疗历史上等中心照射（SAD）技术是固定源皮距照射（SSD）技术的一种进步。
随着Bragg峰的展宽，坪区剂量不断增高，甚至高于峰区剂量。
必须使用等中心转角照射，才能保持质子、碳离子束的物理优势。
为什么要使用笔形束扫描
点扫描照射方式将肿瘤部位靶区分割为数十个到数千个点（SOBP），对每个点逐一照射。点扫描照射技术可以再靶区体积内形成任意剂量分布，是精确粒子治疗的关键技术。有了笔形束治疗技术就可以实施调强治疗。
近接SBRT放疗时代的到来
分次剂量高：>2.5-8Gy （大分割治疗）
>8Gy
分割次数低（1-5次）
提升生物剂量（BED）（BED＞100Gy）
提升肿瘤控制率
扩展治疗范围
早期/复发/放射抗拒肿瘤
SBRT治疗的挑战
安全性-避免周围组织的高剂量照射
精确性-靶区位置偏离会显著降低肿瘤空置率和增加并发症概率
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