第八章 质子、重离子治疗对正常组织的保护
第一节 质子、重离子的物理和生物学特性
与常规射线不同，质子和重离子都是重带电粒子。一定能量的质子（或重离子）在物质中具有确定的“射程”，在进入体内后的入射路径中能量释放相对较弱，在到达射程末端时能量全部释放形成Bragg峰（图8-1-1A），而在出射路径中几乎无有效剂量。这种物理剂量分布的特点是将高剂量区调整嵌合在肿瘤上，不仅利于肿瘤治疗，还尽量避开了对周围正常组织的照射。通过调节质子的能量来精确控制Bragg峰深度以适合不同深度的肿瘤，根据肿瘤的大小来扩展峰的宽度，从而使高剂量区仅集中在肿瘤部位（图8-1-1B）。
目前有两种质子治疗模式，第一种是被动散射质子治疗（passive-scattering proton therapy，PSPT）模式。质子具有一定穿透射程的Bragg峰和局限的散射特性，因此能形成适形的、均匀的靶区剂量分布，以及减少对正常组织的损伤。通过3D治疗计划可得到适形剂量分布，治疗时使用补偿片形成束流末端射束形状，使用准直设备限制照射野范围。在被动散射质子束中由于散射箔和其他线束修正设备而产生的散射中子会额外增加治疗野以外正常组织的剂量。第二种治疗模式是扫描束质子治疗，利用不同能量的笔形束扫描产生一个个单一的“点”或体素构成肿瘤，得到适形的质子束剂量分布。狭窄的质子束可用磁场进行笔形束扫描，笔形束扫描（pencil beam scanning，PBS）通过磁场控制偏转束流的方法使狭窄的质子束从不同位置进入患者体内对靶区进行照射，被命名为“调强质子治疗（intensity-modulated proton therapy，IMPT）”，主要原因是IMPT的应用原理与光子调强放疗“IMRT”类似。笔形束技术不仅具备“调强”功能，还有特殊的多边性和灵活性。IMPT通过逆向治疗计划功能来优化笔形束的强度和能量，可得到肿瘤体积内数以百计体素的剂量。笔形束扫描IMPT技术的进一步发展带来了更好的适形性、降低了正常组织剂量和中子污染、减少急性和迟发性风险，从而为癌症幸存者提供更好的生活质量。剂量学比较显示，质子调强治疗在肿瘤靶区剂量分布以及危及器官（organ at risk，OAR）保护上较光子调强放疗更具优势。在生物学方面质子是低LET射线，其生物学效应和光子、电子没有很大差别。
重离子是指原子序数>2且失去了全部或部分电子的原子，形成带正电荷的原子核，如碳离子、氖离子、硅离子、氩离子等。肿瘤重离子治疗是指加速重离子使之处于高能状态并在束流上予以控制，从而对恶性肿瘤产生治疗作用。与质子比较，其剂量分布优势（Bragg峰）更为显著，如治疗精度高、剂量相对集中、对肿瘤周围正常组织损伤小等等。原子序数越大，重离子的Bragg峰宽度越狭窄、峰后沿下降越快、剂量分布则越好。在Bragg峰以外区段几乎没有任何剂量，而重离子则会因为二次裂变而产生小部分的剂量。重离子在入射时由于其与靶原子核之间的库伦作用而发生横向散射。相比于质子和电子，重离子的质量及惯性较大，因此在前进时其横向散射较小。据计算，初始直径为4mm的质子束与碳离子束的束流半高宽随着贯穿深度的增加而增加，贯穿深度达到20cm时，质子束的横向散射为初始的170%，而碳离子则仅为25%。对于深度为15cm左右的恶性肿瘤，质子束的剂量范围控制精度为5mm、重离子束的剂量范围控制精度可为1mm，而在常规射线照射中则无法控制。重离子可用扫描磁铁来引导，用射线扫描技术来实施调强技术，达到精确适形照射从而更好地保护OAR。
与质子比较，重离子还有更明显的放射生物学优势，特别是对光子和质子线抵抗的G0期、S期肿瘤细胞、乏氧肿瘤细胞和黑色素瘤等。碳离子具有更高传能线密度（linear energy transfer，LET）的特征，是目前最常用的重离子（图8-1-1C）。碳离子这一高LET特征可直接导致肿瘤细胞的DNA双链断裂，对各细胞周期均有效；而且几乎不受氧浓度的影响，可更有效地杀灭乏氧肿瘤细胞。碳离子的高生物学效应主要局限在Bragg峰区，避免周围OAR的损伤。与光子治疗相比，质子和重离子治疗通过减少非靶区组织的辐射剂量来降低患者的毒性反应，并且可以通过剂量递增或大分割来提高肿瘤控制率。在本章中将选择几种代表性的病种来阐述质子和重离子对正常组织的损伤与保护。