一文讀懂質子重離子“定向爆破”腫瘤技術

日期：2015/5/23

定向爆破”有一定根據，但稍顯夸張。

惡性腫瘤治療有三種傳統療法，手術，化療和放療。放療就是用一定能量的放射線去殺滅腫瘤細胞。常見的治療用放射線包括X射線，γ射線，電子線；不太常見的放射線包括質子，中子或重離子（例如碳離子）等等。

射線沒長眼睛，它既有可能殺傷腫瘤細胞，也有可能殺傷正常細胞。不過相比正常細胞，某些類型的腫瘤細胞對射線損傷更敏感，所以從理論上講，對患有這樣的患者實施放療就有機會控制腫瘤進展，或者根除腫瘤。因此，醫生會要求放療技術人員設法將射線能量匯聚在需要照射的腫瘤部分，盡量避開需要受保護的正常組織。

不同種類、不同能譜的射線進入人體之后，能量的沉積規律是不同的。我們以最常見的X射線和新聞中的質子射線為例進行對比。

假設這張圖是一位患者身體的橫截面。最左邊是他的皮膚，淺層組織，腫瘤，然后是深層組織，直至身體的另一側組織和皮膚（圖片未畫出）。有一束X射線（棕紅色實線）從左邊進入皮膚，像爬了一個小坡，然后逐漸跌落。這條實線的高和低分別表示X射線進入人體后的能量沉積（也就是輻射劑量）的多和少。以坡頂的能量沉積為100%的話，那么越深入人體，它的能量沉積越少。這個很容易理解，因為X射線就是一大堆高能光子（通常是MeV級），它們進入人體之后跟人體中的電子發生相互作用，走得越遠消耗的光子數量越多，所以沉積的能量越少。

單看一個X射線射束的話，它的能量沉積很不合理。為了給深部腫瘤以足夠的照射劑量，似乎還得先向淺層組織施加更高的劑量。在實際的放療中，技術人員通常會在患者的不同方向設置多個X射線射束，盡可能將能量“匯聚”到腫瘤區域，保護正常組織。

再看質子射線（寫有#1的細實線）。質子就是氫原子的原子核，是帶正電的，這跟中性的光子有本質不同。質子進入人體后遵循完全不同的能量沉積規律，簡言之就是像股市一樣一路爬坡，爬到頂峰時突然斷崖式下跌，跌完為止。這是因為單個質子不像光子那樣，在一次碰撞中把能量全部傳遞出去，而是碰撞一次，傳遞一點兒，然后速度降低一點兒。當一定初速度的質子束達到人體的某個深度時，速度已經降低很多，實在跑不動了，于是破罐子破摔，一下子把剩余的能量全部傳遞出去，就形成了一個陡峭的山峰，叫做布喇格峰（Bragg Peak）。

（圖自美國醫學物理學會資料，左為15MV X射線，右為質子束的劑量分布）

從能量沉積的角度來看，單能量質子束的“性價比”要比X射線（MeV級高能光子）要高。但為了覆蓋腫區域，技術人員會考慮同一方向上用不同能量（不同初速度）的多個質子束聯合照射，調制出圖中粗虛線所示的高原懸崖區域。與X射線相比，這種布喇格峰延展了的質子射束的性價比還是高一些。這就是新聞中夸張地宣稱質子（以及重離子）放射治療能“定向爆破”腫瘤的物理基礎。

在實際治療中，技術人員往往會從多個角度對同一腫瘤病灶照射。在類似的多角度照射方案中，與X射線相比，質子束治療不但更好地保護淺層組織，還能完全避免照射深層組織。這在實際治療中有非常重要的意義。

質子束治療還有一個特殊之處，它會讓受照人體區域中的一部分本來沒有放射性的原子帶上放射性（主要是正電子射線，半衰期很短）。在正常治療中，帶有放射性的人體區域不會對患者本人造成大劑量的照射，但卻可以幫助技術人員驗證治療計劃的實施效果。用PET/CT掃描受照人體區域，得到放射性原子的強度分布，就可以重建患者在質子治療中的實際受照情況，為下一步治療提供依據。這在X射線治療中是無法直接做到的。

（圖自美國國立衛生研究院的一篇研究論文。a 是治療計劃模擬的劑量分布；b 是用蒙特卡洛方法重新計算的治療計劃劑量分布；c 是用蒙特卡洛方法計算患者治療后的放射性強度分布；d 是患者治療后2分鐘進行的PET/CT掃描得到的實際放射性強度分布）

精確制導導彈并不能完全替代普通炮彈，質子治療也是如此。一個重要的原因是貴。據《放射治療和腫瘤學》的一篇論文，質子治療設施和X射線治療設施的平均造價分別是9500萬美元和2300萬美元；每年的成本投入是2500萬美元和960萬美元；單次治療的收費是740美元和230美元（一個療程通常是20-30次治療）。《絕命毒師》里的老白得了晚期肺癌，接受的正是普通的X射線治療。他在劇中因為缺少治療費用并且對生活絕望而走向了犯罪道路，如果他接受的是質子射線治療，不知道編劇又會搞出什么狗血情節來。

另外一個原因是質子治療雖然在物理特性上優于X射線，但對某些惡性腫瘤某些分期的實際治療效果上并沒有想象的那么突出。例如，據《放射治療和腫瘤學》的一篇薈萃分析論文，在I期不可手術的非小細胞肺癌患者（老白是III期或IV期）中，兩種不同的X射線治療方案的5年生存率分別是20%和42%，而質子和碳離子治療方案的5年生存率分別是40%和42%（作者稱病例人數太少，不足以下結論）。

究竟哪些惡性腫瘤哪些分期適合質子或重離子治療，恐怕學術界還在研究之中。著名腫瘤治療機構MD Anderson的資料稱，實體的、有確定邊界的、尚未擴散的腫瘤會從質子治療中獲益。自2006年起，他們用質子射線治療了數千例肺癌、鼻咽癌、腦癌、前列腺癌和其他類型的癌癥患者。

信息來源：醫殤