质子重离子肿瘤治疗技术基础（创新教材）_周光明_9787117335850

主要内容如下：章质子重离子肿瘤治疗的物理学基础，包括质子重离子的物理学特性、物理学优势。第二章质子重离子肿瘤治疗的生物学基础，包括质子重离子肿瘤治疗的生物学优势、生物学机制。第三章质子重离子肿瘤治疗的医学物理基础，包括质子重离子治疗计划系统。第四章质子重离子加速器技术，包括医用质子加速器、医用碳离子加速器。第五章质子重离子肿瘤治疗的临床实践，包括质子肿瘤治疗的临床医学、碳离子肿瘤治疗的临床医学。第六章质子重离子肿瘤治疗技术展望，包括质子FLASH技术、GRID治疗及其他。

恶性肿瘤（癌症）是当前对人类生命健康危害极大的疾病，并一直是困扰世界各国的难题。据我国国家癌症中心统计，2020 年全国癌症年发病数457 万例，死亡数300 万例；平均每分钟就有7 人被诊断为癌症，5 人死于癌症；癌症死亡占我国死亡总人数的20%，居各种死亡原因的第二位，并且仍在以每年1.3% 的速度增加。为战胜这种病魔，临床治疗从外科手术、化学治疗和放射治疗三大常规方法发展到免疫治疗和基因治疗等各种新方法。其中，放射治疗在临床上越来越受重视。据统计，癌症患者当中约有60%~70% 需要接受放射治疗，而经不同方法治疗的癌症患者能存活五年以上者，放射治疗占45% 以上。近年来，癌症放射治疗的技术有很大进步，治愈率和有效控制率明显提高，放射治疗使某些早期局部性肿瘤获得根治，有些癌症部位的器官及其功能得到了保留，中晚期肿瘤也可抑制扩散，减轻痛苦，改善了患者的生活质量并延长了患者的寿命。
放射治疗作为一种物理治疗手段，已有 100 多年历史。开始阶段使用光子射线，如X射线、射线等；尽管通过技术进步而创建了三维适形放疗（3-dimensional conformal radiationtherapy，3DCRT）和调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）等新的放射治疗方法，然而，对光子辐射抵抗的肿瘤治愈率并未得到明显的改善。二十世纪五十年代，人们利用加速器产生的质子和重离子（包括氦离子、碳离子、氖离子等）进行了放疗试验，逐渐使放射治疗迈入了一个崭新的发展时代。目前肿瘤放疗界普遍认为，质子重离子治疗相对于其他放射治疗有着不少独特优点，它们将成为二十一世纪比较科学、比较理想的放疗方法。
质子和重离子与物质相互作用的特殊机制使它们在肿瘤治疗方面具有一系列优势：既能有效杀灭肿瘤细胞，又能限度保护周围健康组织，副作用小；剂量相对集中，治疗精度高（毫米量级）；杀伤力强，照射时间短，疗效高；碳离子治疗还能做到实时监测，便于精准控制位置和剂量。所以世界上有些国家，倾注了大量人力和物力进行重离子治癌装置的建造和治癌基础及临床应用研究，使得质子重离子治癌成为放射治疗领域的前沿性研究热点。
我国从1995 年起依托中国科学院近代物理研究所的兰州重离子研究装置（HIRFL）开展碳离子治癌研究，经历了碳离子放射物理学和放射生物学实验研究、治疗技术的探索和储备、动物实验、临床前研究、前期临床试验研究以及推广应用等阶段。20062013 年间中国科学院近代物理研究所共计完成了213 例肿瘤患者的碳离子前期临床研究；2012 年开始国产首台医用重离子加速器的研制；2019 年9 月29 日中国科学院近代物理研究所研发的首台国产医用重离子加速器装置通过注册获第三类医疗器械许可证；2020 年3 月26 日安装了该设备的武威肿瘤医院重离子研究中心正式运营，目前已治疗五百多例患者并取得了很好的临床疗效，使我国成为继美国、日本和德国之后世界上第四个自主实现肿瘤重离子临床治疗的国家。综合他们的结果，重离子治疗已被证实是放射治疗领域有效的技术。
本教材是多年实施国家攀登计划（B）得到的科研成果之一，是原子核物理学中重离子束应用的具体体现。本书围绕着核技术应用于医学的生动实例，用简明的核科学理论，概要地阐明了这些应用的技术基础和科学原理，属于原子核物理学与生命科学交叉学科的范畴，是放射医学学科发展的主要方向之一。它也是科研成果转变为生产力，推动技术进步，为社会创造价值的一个典型例子，也是科研与生产相结合，面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，为生产实践服务的一个范例。
本书从重离子放射物理学及放射生物学基础入手，概述重离子的生物物理特性，分析碳离子治癌的原理和优势，介绍质子碳离子治疗加速器的结构与实现方案、质子碳离子束流配送方式及根据不同束流配送系统实现质子碳离子调强适形照射治疗的方法。为搭建质子碳离子加速器装置与临床治疗之间的桥梁，本书介绍了质子碳离子治疗计划系统，同时对配合质子碳离子治疗的患者定位系统进行了说明，本书还对质子碳离子临床治疗的安排设计、操作过程、治疗结果和一些问题进行了展示和讨论，后对质子碳离子治疗未来的发展从实现的可能性及技术等角度进行了展望。
本书的出版目的是：一方面希望为从事质子碳离子治疗研究的科研人员及进行质子碳离子治疗开发的应用人员提供基础性参考，另一方面为普及质子碳离子治疗知识和促进质子碳离子治疗新技术在我国的推广提供科普性参考。由于本书涉及交叉学科中门类广泛的多种学科，以及我们编著水平有限，错误和缺点在所难免，恳望广大读者批评指正。
周光明
2022 年4 月

章质子碳离子治疗肿瘤的物理学基础/1
节原子与离子/1
第二节离子在物质中的慢化/3
第三节离子与靶物质原子的碰撞过程/4
一、离子与靶原子中核外电子的非弹性碰撞/4
二、离子与靶原子核的非弹性碰撞/5
三、离子与靶原子核的弹性碰撞/5
四、离子与靶原子中核外电子的弹性碰撞/5
第四节离子的电子阻止本领/6
第五节离子的电荷交换效应/9
第六节离子的核阻止本领/12
第七节离子在物质中的比电离/13
第八节离子在物质中的射程/13
第九节离子在物质中的散射/14
第十节离子在物质中的歧离现象/15
一、能量歧离/15
二、射程歧离/16
三、角度歧离/16
第十一节质子碳离子在肿瘤治疗中常用物理量/17
一、相关物理量/17
二、传能线密度/18
三、相对生物效率/19
第十二节重离子在肿瘤治疗中的优势/21
一、独特的深度剂量分布/21
二、小的横向散射与射程歧离/23
三、可在线监控离子的位置与强度/23
四、可获得剂量均匀的大照射野/24
五、灵活的束流配送方式可实现调强适形治疗/24
第十三节治疗肿瘤的离子参数优化选择/27
一、离子种类/27
二、离子能量/29
三、离子剂量/30
第二章质子碳离子肿瘤治疗的生物学基础/31
节直接作用和间接作用/31
第二节细胞死亡类型与剂量存活曲线/33
一、质子碳离子照射引起细胞死亡的原因/33
二、质子碳离子照射引起细胞死亡的类型/33
三、细胞剂量存活曲线与辐射生物学效应模型/34.00%
四、影响细胞剂量存活曲线的因素/36
第三节相对生物效率与传能线密度的关系/36
第四节氧效应与氧增强比/39
一、氧效应/39
二、氧增强比/39
三、氧效应的需氧浓度/39
四、照射时间对氧效应的影响/40
五、氧效应的机制/40
六、质子和碳离子辐射的氧效应/42
七、乏氧肿瘤细胞/43
八、乏氧细胞再氧合/44
第五节分割放疗的生物学基础/45
一、放射治疗及其分类/45
二、分割放疗的生物学基础/46
三、重离子分割放疗的生物学基础/49
第六节质子碳离子辐射对生物大分子的损伤/49
一、质子碳离子对DNA分子的辐射效应/49
二、质子碳离子对RNA、蛋白质和脂肪分子的辐射效应/54
第七节质子、碳离子束辐照对细胞的影响/55
一、质子碳离子对细胞影响概述/55
二、质子碳离子对细胞的命运决定/55
三、质子碳离子对细胞器的影响/57
第八节质子碳离子束辐照对组织的损伤/5900%
一、质子碳离子对造血系统的作用/60
二、质子碳离子对肺组织的作用/60
三、质子碳离子对皮肤的作用/6000%
四、质子碳离子对肠的作用/61
五、质子碳离子对血管的作用/61
第九节非靶效应/62
一、基因组不稳定性/63
二、旁效应/64
三、远端效应/65
第三章质子碳离子治疗肿瘤的医学物理基础/68
节质子与碳离子肿瘤的医学物理优势/68
第二节质子和碳离子肿瘤治疗技术的治疗计划系统/7100%
一、质子碳离子肿瘤治疗计划的剂量算法/71
二、离子放疗的不确定性及自适应计划/72
三、离子放疗治疗计划的鲁棒优化和鲁棒性评估/73
四、小结/74
第四章质子碳离子加速器技术/75
节带电粒子在电磁场中的运动/75
一、带电粒子在电磁场中的受力/75
二、带电粒子在电磁场中运动/75
第二节粒子加速器/76
一、高压加速器/76
二、直线加速器/77
三、回旋加速器/78
第三节束流传输/81
第四节医用质子重离子加速器/82
一、回旋加速器/82
二、同步加速器/84
三、直线加速器/84
第五节小型化质子重离子加速器/85
第五章质子重离子肿瘤治疗技术的临床实践/86
节质子重离子肿瘤治疗技术临床应用的概况/86
第二节质子重离子肿瘤治疗技术优势的临床体现/87
一、质子重离子物理学优势的临床体现/87
二、质子重离子生物学优势的临床体现/87
第三节常见恶性肿瘤质子碳离子治疗的临床结果/88

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