質子重離子腫瘤治療技術是一種放射療法，最初源於物理實驗上發現質子進入物質的「布拉格峰」現象，因其能量沈積特性，可以對腫瘤進行「精準爆破」，好似傳奇功夫「隔山打牛」。中國是第四個擁有自主研發質子重離子治療系統的國家，正積極建設相關治療系統和醫院，相信未來患者能有更多選擇。
撰文 | 馬春旺 （河南師範大學物理學院）
質子重離子腫瘤治療技術作為核物理基本規律轉化為核技術並服務社會的典範，正被眾多核科學大裝置、科研機構、醫療機構和社會資本所重視。隨著質子重離子醫院在國內的快速建設，更多的腫瘤患者有可能透過質子重離子治療技術解除疾病帶來的痛苦，提高生活質素和重歸正常生活。質子和重離子治療中使用高能核射線束對腫瘤細胞具有「精準爆破」特點，但由於涉及核射線又會引起社會公眾的強烈關註甚至恐慌心理。對質子重離子腫瘤治療技術的物理特征和發展過程的了解，有助於公眾理解它們的特點和優勢，同時也有利於破除患者治療過程中的心理恐慌。本文透過對質子重離子腫瘤治療技術的簡要回顧，將介紹質子重離子治療的物理基礎、質子重離子腫瘤治療的形成過程、目前國內外進展情況，並進一步了解核物理、核技術與核裝置對社會發展和科技進步的重要作用。
01 布拉格峰現象
在20 世紀前後，人們已經發現了不同種類的射線。1896 年貝克勒爾發現鈾鹽的放射性，而同年居禮夫婦發現了放射性元素鐳；1897 年J·J·湯姆生發現陰極射線。這些發現掀起了對放射性研究的熱潮。盡管人們還不知道這些射線的組成成分是什麽，1899 年E·盧瑟福按照射線貫穿本領的不同，將射線分為α射線和β射線。1900 年法國化學家P·U·維拉德發現了比α射線和β射線穿透能力更強的γ射線，1902 年盧瑟福根據放射性物質的貫穿能力和在磁場中的偏轉性質，將不同的射線分為α射線、β射線和γ射線三種不同類別。1898 年，湯姆生發現β射線、陰極射線和電子的關系，從而發現電子。而直到1908 年盧瑟福才認識到α射線與氦原子核的關系，並於1909 年確認α射線即氦離子 (He2+)，同時確認其他的正射線是不同原子的原子核。如今，核物理中把比α的質素重的原子核稱為重離子 (質素數A>4) ，而比α輕的離子稱為輕離子。
在當時，射線在物質中的貫穿能力是科學家非常關註的話題。1903 年，英國物理學家W·H·布拉格爵士和助手克里曼在研究射線對物質的貫穿性時發現，與β射線不同，α射線在射入氣體後，由於α粒子具有較高的速度，起初的能量損失非常小，絕大部份能量並不會直接損失。隨著在物質中的能量逐漸損失，α粒子的運動速度變慢，在某個特定深度的微小範圍內，α粒子的能量快速損失並且速度減小為零，從而形成一個能損高峰，這一個能量損失高峰稱為「布拉格峰」。物質中的布拉格峰形狀被用於表征帶電粒子在入射物體後的有限區域內的能量沈積現象，在對射線研究的早期，一方面被用於區分鐳 (Ra)、氡 (Rn) 的衰變子體RaA 和RaC 等不同射線源所發出的具有不同能量的α射線，另一方面反過來也被套用於物質對射線的「阻止本領」的研究。但是由於早期的α射線都來自天然放射性核素的衰變產物，它們的能量一般只有幾到十幾個兆電子伏特(MeV)的能量，對物質的穿透能力不強，因此除了在核物理研究中用於區分α射線的種類，在實際套用上人們對布拉格峰的這種小範圍能量沈積特性沒有給予太大的關註。
可以想象，「布拉格峰」現象表明，帶電粒子在初始進入物質時，能損非常小，而只在進入物質的一定深度才把能量快速沈積在微小的範圍以內，酷似我們古人「隔山打牛」的「高深功夫」。對於藏在人體內的腫瘤來說，恰好需要這樣一種「隔山打牛」的精密治療技術。1930 年和1932 年H·貝特分別提出了描述非相對論和相對論能區的帶電離子能量損失率公式。相對論能量下，質子及重離子在物質內的單位路徑上的能量損失率的貝特公式為
常數。根據公式可知，能量損失率與入射離子電荷的平方成正比，與入射離子速度的平方近似成反比。這會導致兩個結論，即對於同種入射粒子，入射速度越大，能量損失率越小；而對於同樣速度的入射離子，電荷數越大，能量損失率越大。
從圖1 顯示的不同射線進入人體內相對劑量隨入射深度的變化示意圖上，我們可以理解質子、碳離子進入人體內後的能量沈積特征。可以看到，射線進入人體後，質子的能量損失在很長的一段路徑上都非常少，但在質子的徑跡末端，由於質子在運動中損失了部份能量和速度，質子的能損快速增加，最終絕大部份能量被沈積在一個非常微小的「布拉格峰」內。如果把布拉格峰定位於腫瘤區，就可以實作對腫瘤的輻射治療。與質子束相比，碳離子具有更加尖銳的布拉格峰，定位精度更高。在治療中，如果進一步精確調節質子束的能量、強度和入射方向等影響因素，即可實作對腫瘤的精準治療。
1930 年E·勞倫斯發明加速器技術。此後，隨著加速器技術的發展，人們不但在實驗室能夠將質子、α粒子和其他核離子加速到幾十MeV甚至幾百MeV的能量，還可以產生大量不同種類的高能粒子束流。貝特公式啟發人們思考，能否調控帶電離子的入射速度 (即入射能量) ，從而調整入射離子在人體內形成布拉格峰的深度和位置進行腫瘤治療。此時，無論是物理基礎，還是加速器技術，都為質子和重離子的腫瘤治療套用奠定了一定的基礎。
02 質子重離子腫瘤治療裝置進展
在α射線的布拉格峰被發現後的43 年，它終於從核物理領域走向了腫瘤治療的可行性套用研究。1946 年，曾經為E·勞倫斯學生的美國物理學家R·R·韋遜從曼哈頓計劃解除任務後，尋求在醫學上為人類造福。他首次提出使用高能質子束治療腫瘤疾病，同時韋遜還註意到碳離子束相較質子束可能更具有優勢。1947 年，勞倫斯在加州大學勞倫斯柏克萊國家實驗室 (LBNL) 建造了他的184 英寸的同步回旋加速器，從而可以加速質子、氘核和氦核到幾百個MeV/u。1948 年，勞倫斯利用340 MeV 質子和910 MeV 氦離子束首次進行了質子和氦離子的生物與醫學套用研究。隨後不久 (20 世紀50 年代初) ，E·勞倫斯的學生C·托拜厄斯受到勞倫斯的鼓勵，開始在LBNL 開展氘和α離子束的腫瘤臨床實驗研究。在韋遜提出質子束腫瘤治療想法的8 年之後，1954 年，托拜厄斯等人在LBNL 開展了世界上首例腫瘤的質子治療嘗試。1977 年，J·R·卡斯特羅、托拜厄斯和同事在LBNL開展了首次碳離子腫瘤治療實驗。同期，瑞典和蘇聯都進行了質子和重離子療法的臨床研究，例如美國洛瑪琳達大學醫院和麻省總醫院等對質子治療技術開展了套用性探索。除了質子束流和碳離子束流以外，氘、氮、氧、氖等多種重離子束都曾經被用於實驗研究。
20 世紀70 年代，隨著電腦斷層掃描 (CT) 技術的出現，可以快速引導質子和重離子治療過程中的精準治療，電腦技術的發展更是提供了形成質子和重離子快速治療預案的計算能力。
1985 年，美國洛瑪琳達大學建造了首個質子治療專用質子加速器 (質子能量為250 MeV) ，並於1990年成立世界首家質子治療及研究中心。1993 年，在日本千葉，專用於腫瘤治療的重離子裝置HIMAC建成。與此同時，德國、意大利、法國、日本等國家開始積極籌建質子治療中心，並陸續進入臨床治療階段。2016 年，隨著點掃描照射系統、三維掃描技術系統、呼吸門控制、線上PET 監控等關鍵技術被攻克，第三代醫用重離子技術走向成熟，也表明質子重離子從實驗性研究向臨床套用發生了重大轉變。
03 中國的質子重離子治療進展
中國對質子和重離子治療的啟動較晚。2005年，透過引進技術，由社會投資的山東淄博萬傑質子治療中心建成並開始執行，但後期由於資金和技術問題處於停頓。在此前後，國內中國科學院近代物理研究所、中國科學院高能物理研究所、中國科學院上海套用物理研究所、復旦大學、清華大學等多家單位啟動了設計和建造專用的質子和重離子治療裝置的研究計劃。
中國首個質子重離子醫院是位於上海市浦東新區張江科學城的上海市質子重離子醫院 (SPHIC) 。該醫院於20 世紀90 年代開始籌備，2003年專案正式啟動，經過10 多年建設，於2014 年順利開展臨床患者實驗，2015 年5 月8 日，上海市質子重離子醫院正式開業，共有四間治療室。醫院於2017年9 月透過美國醫療機構評審聯合委員會國際部認證，成為全球第一家JCI 認證的質子重離子中心。其治療裝置引進自德國西門子公司。但隨著西門子裁減其醫療部門，上海質子重離子醫院的器材成為西門子公司在全世界僅有的一台裝置。2021 年年度治療患者量首次突破千例，達到1021 例，居全球同類質子重離子放療機構之首。到2022 年5 月6 日，上海質子重離子醫院治療累計患者出院4655 人。治療腫瘤種類覆蓋中國患者的主要類別如鼻咽癌、顱內顱底腫瘤、早期肺癌、肝癌、前列腺癌等5 個重點病種，並研發了旋轉治療床、旋轉治療椅、筆形掃描等先進治療技術和治療設施。
中國的重離子治療技術研發肇始於中國科學院近代物理研究所重離子國家實驗室 (HIRFL) 。1995年國家設立重離子治療攀登計劃。2006 年，HIRFL成立了研究質子和重離子腫瘤治療研發團隊，並利用所擁有的重離子加速器開展重離子治療腫瘤的前期臨床試驗，使中國成為世界上第4 個進行重離子臨床試驗的國家。經過十數年努力，研發團隊研制並在甘肅省武威市建設了中國首台重離子腫瘤治療專用裝置。圖2 顯示了近代物理研究所研發的醫用重離子質素加速器模型。2020 年3 月26 日，武威重離子腫瘤中心投入臨床營運，標誌著中國首台自主知識產權的碳離子治療系統正式投入臨床治療。中國也因此成為世界上第四個擁有自主研發質子重離子治療系統的國家。武威重離子醫院投入執行一年內，對超過300 多例腫瘤患者開展了治療，治療數量達到與全球幾家重離子中心同等水平。
圖2 中國自主知識產權的醫用重離子(碳)治療加速器模型
中國多個單位對質子腫瘤治療器材進行了研發。2021 年11 月30 日，由中國科學院上海套用物理研究所 (及上海高等科學研究院) 和上海艾普強粒子器材有限公司聯合研制的首台質子治療示範裝置在上海瑞金腫瘤 (質子) 中心啟動臨床試驗，標誌著首台國產質子治療示範裝置正式開始試驗。該裝置於2012 年立項開工建設，2017 年4 月完成加速器安裝，2020 年初完成國內首套旋轉機架帶束測試，2021 年6 月被批準用於臨床試驗。中國科學院合肥物質研究院的研發團隊，歷時5 年研發緊湊型超導回旋質子治療系統，於2021 年3 月實作了200 MeV 質子束的穩定引出。他們研發的質子加速器直徑僅2.2 米，成功實作了器材的小型化，降低質子加速器的造價、建築和維護費用，預計也將可能降低患者的醫療負擔。
除了目前已經在執行的質子重離子醫院 (5 家，含台灣省2 家) 以外，中國的質子和重離子醫院正在蓬勃發展，按照2020 年7 月31 日釋出的【關於調整2018—2020 年大型醫用器材配置規劃的通知】，全國總體規劃的質子和重離子質素系統達16 台，分布在華北 (3 台) 、東北 (2 台) 、華東 (3 台) 、中南 (4 台) 、西南 (3 台) 和西北 (1 台) 。至2020 年10 月，國內已釋出的在建專案25個，擬建專案40個。
不少人對質子和重離子治療的輻射性存有疑問。在圖1 中，可以看到現有用於不同腫瘤治療的不同放射線，由於質子和重離子在進入人體後前一段的能量損失特別少，對人體的影響較小。對於適應癥來說，與光子 (X 或γ) 放射治療相比，在提高對腫瘤局部控制的同時，質子和重離子治療對健康組織的損傷非常小，因此副作用也相對比較弱。除此以外，和傳統的腫瘤外科治療方法相比，質子和重離子治療方式不需要開刀，減少了對患者的身體損傷，同時也對特殊體質 (比如無法麻醉等) 的病人提供了可靠的治療途徑。在治療期間，患者僅需要在治療床上靜靜地躺幾分鐘，就完成了一次治療，沒有痛苦或不適應的感覺。為了避免輻射帶來的副作用，治療過程需要按照物理師們預先精心計算和模擬後所做出的治療方案進行多次治療。
04 結語
重離子的「布拉格峰」現象，從核物理學家對放射粒子的一種基本物理認識，到經過幾十年的發展成為造福人類生命健康的尖端醫療技術，中間充滿了一大批科學家由興趣到努力推進的堅定信念和持之以恒開展科學研究的科學精神。中國科學家在認識到質子和重離子治療的重要意義之後，數十年開展基礎研究和科技攻關，終於形成了具有自主知識產權的治療系統，使國家不再從技術上受制於人。從認識現象到理解規律，再到技術創造，最終形成完備的技術系統，充分體現了科學在認識和利用自然規律方面的巨大作用。
本文經授權轉載自微信公眾號「現代物理知識雜誌」，原標題【隔山打牛——質子重離子腫瘤治療技術】，選自【現代物理知識】2023年3期，編輯：YWA。
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