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质子重离子技术的“前世今生”

 老沈阅览 2015-05-09
质子重离子技术的“前世今生”

               顾泳   2015年05月09日


  质子重离子设备


   
  质子,氢原子剥去电子后,带有正电荷的粒子;重离子,碳、氖、硅等原子量较大的原子核或离子。质子重离子,物理学领域的研究发现,历经大半个世纪,蜕变成为射线治疗肿瘤的一种手段,它也是迄今为止国际最尖端的放射治疗技术。
  上海市质子重离子医院临床技术委员会主任蒋国梁教授解释,质子重离子,一定程度上也是放疗技术的一种。目前,放射治疗是抗击恶性肿瘤的三大利器之一,70%的肿瘤患者在治疗过程中需要接受放射治疗,通过控制局部肿瘤生长、减轻因肿瘤生长带来的不适(例如咳嗽、局部疼痛等),来延长患者生存时间或提高生活质量。相比传统放疗,质子重离子具有独特的物理及生物特性,这使得质子重离子技术独具优势。

  跨越大半世纪
  质子应用于人体治疗

  1904年,科学家布拉格(Bragg)与克里曼(Kleeman)在实验中观测到:带电粒子束会形成一个剂量高峰。形象说来,质子射线等带电粒子束,在射入物质时,根据其能量大小会在某个深度形成一个剂量高峰。科学界将这一伟大发现称之为“Bragg峰”(中文译为“布拉格峰”)。
  科学家们很快发现,这种带电粒子束与传统射线相比,优势相当明显。1946年,科学家威尔森(R.R.Wilson)大胆提出,将这种具有物理优势的射线应用于医学领域。威尔森认为,带电粒子束,或可在治疗肿瘤领域有突出表现。他的依据很在理:传统高能 X 射线穿越人体时,沿途会不断释放大量能量,肿瘤前后的正常组织都不必要地接受了相当剂量的照射。带电粒子束有独一无二的“布拉格峰”,射线进入人体后,高速运动的高能粒子,在射程前段仅会释放较少能量,直至射程末段,巨大能量会彻底释放。由此看来,带电粒子束的射线将更为锐利,它也会进一步减少肿瘤周边正常组织的照射剂量。
  理念提出不到十年,1954年,位于美国加利福尼亚州的劳伦斯伯克利(LBL)实验室,开始启动粒子束治疗;不久,瑞典的乌普萨拉大学启动质子射线治疗;1961年,哈佛大学麻省总医院引入回旋加速器,自此开始利用质子射线治疗患者……
  至此,质子射线治疗患者仍仅局限于实验室内。
  直至1990年,美国洛马琳达大学医疗中心建成的质子治疗系统,实现巨大突破:这套系统没有遵循在加速器研究所内应用的惯例,而是世界上首台与医院并行建设、用于商业医疗的系统。据称,洛马琳达大学的这套治疗系统,由最早启动粒子束人体治疗研究的劳伦斯伯克利(LBL)实验室支持建成。
  直至现在,全球共有107555例病例实施过质子治疗,美国洛马琳达大学医疗中心,成为质子治疗开展最多的机构。专家评价,质子技术发展至今,已相当成熟。

  重离子疗程更短、更精准
  未来发展前景无限

  1974年,位于东京千叶的日本放射线医学综合研究所,启动质子治疗研究;1980年,“放医研究所”将研究方向转为重离子。素有日本“重离子之父”称号的平尾泰男教授认为,单从物理和生物特性来看,重离子更优于质子。质子射线可切断肿瘤细胞DNA单键功能,间接杀死肿瘤细胞,因此对抗阻型、缺氧型肿瘤难以进行有效治疗;重离子却不同,重离子射线可切断肿瘤细胞 DNA 双键功能,可直接杀死肿瘤细胞。
  其实,在人类所认知的所有重离子中,也只有一小部分适用于肿瘤治疗。多年以来,日本、德国作为研究重离子治疗的主要国家,一致认为,碳离子是最佳治疗用的重离子。从1994年6月到2009年2月,日本放医研究所用碳离子治疗了4504名患者;1997年至2007年,德国国家重离子研究所用碳离子治疗了384名患者。不过重离子的研究前景仍有待探索。
  碳离子有哪些独特优势?专家解释,碳离子具有质子所不具备的核分裂现象。即,能将C12变成 C11或 C10。C11或C10碳放射性同位素在衰变时,都能发出正电子,利用PET就能直接探测碳离子的行程轨迹和治疗终点位置,这使得实时诊测、精确治疗都成为了可能。此外,碳离子的治疗次数较少。2003年日本“放医研究所”的报告显示,肝癌患者只需1至2次碳离子治疗,肺癌患者为2至4次,这比质子治疗次数明显减少。
  相比成熟稳妥的质子技术,重离子技术还有许多未知可以探索。正如所有技术都不是完美无瑕的,有国际领域专家表示,因碳离子重量过大,被治疗的肿瘤及其边缘区,从宏观上来看剂量是均匀的,但从微观来看,可能存在癌细胞未能照射到的“冷点”。2001年,瑞典Karolinska肿瘤研究所科学家们提出,选择氦、锂、铍等较轻的重离子,或可克服碳离子的这种缺陷。不过因临床试验难以操作,目前重离子技术仍有许多潜力可以挖掘。
  日本、德国分别于1994年、1998年开始进行重离子的临床研发,并分别于2005年、2009年开始正式进入临床治疗。目前,两国总计治疗病例达15296例。蒋国梁教授表示,质子技术更成熟、重离子技术更具有潜力,综合两者,上海引入质子重离子技术,希望能在尖端肿瘤放疗领域实现突破。

  治疗肿瘤最先进技术
  我国持续不断探索

  我国对质子重离子技术的探索,起步于上世纪90年代。1988年底,兰州重离子加速器建成,并出了粒子束。1991年8月,国家批准成立兰州重离子加速器国家实验室,并向国内外开放。作为我国探索重离子实验的先驱,兰州重离子加速器由中国科学院近代物理研究所负责设计、建造。据报道,目前兰州重离子加速器每年运行约5000小时,完成20项左右的实验。不过,重离子加速器实验室针对人体治疗的相关研究相对有限。
  2002年,作为民营资本投资的山东淄博万杰肿瘤医院,在世界银行国际金融公司的支持下,投资引进国内首家质子治疗中心。这套质子治疗系统于2004年12月投入临床使用。
  2009年上海市质子重离子医院项目正式开工建设;2012年1月顺利完成基建工程;经过近两年半的系统设备安装调试,2014年6月14日,上海市质子重离子医院正式进入临床试验阶段,并成功运用重离子放射治疗技术,为71岁的前列腺癌患者顺利进行首次针对肿瘤病灶的“立体定向爆破”治疗。
  历经十余年艰辛努力,上海市质子重离子医院,最终成为全国首家、全球少数拥有质子重离子两种治疗技术的医疗机构。她的建成,将为更多肿瘤患者带来福音。

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