质子重离子放疗：一文带你全面了解这一抗癌利器的奥秘

前言

质子重离子技术是放疗的尖端技术，之前国内开展质子重离子放疗的机构少，需要排队一两个月才能治疗上。现在发展的很快，中国大陆有14家，中国台湾有5家已经运营的机构。

本想简单写写质子重离子放疗的国内国外发展情况，没想到写着写着想写的东西比较多，断断续续的利用空闲时间写到现在，4月底开始收集资料写，本来预计五一节前写好，一拖就拖到现在。

想比较全面的介绍当前质子重离子放疗的概况，所以临床和物理各个方面都介绍了一部分。无论是普通大众当作科普来看，还是放疗专业人士想了解行业发展，或多或少都能从本文有些收获。    

正文

在癌症治疗的 “武器库” 中，质子重离子放疗堪称耀眼的 “明星武器”， 它凭借精准高效的独特优势，为许多癌症患者带来新希望。很多人或许听过它的名字，却不太了解它究竟如何发挥作用。今天，就让我们一同深入探索质子重离子放疗的奥秘，揭开这一抗癌利器背后的科学原理与独特魅力，看看它是如何在对抗癌症的战场上，实现对肿瘤的 “精准打击”，最大限度减少对健康组织的伤害。恶性肿瘤的死亡率在所有疾病中排名第二，仅次于心脏病。2024年全国癌症报告显示，死亡前五位的恶性肿瘤为肺癌、肝癌、胃癌、结直肠癌、食管癌。

肿瘤治疗的常见手段包括手术，放疗，化疗，靶向治疗，免疫治疗、内分泌治疗、中医中药等。根据世界卫生组织报道，2014年肿瘤治愈率是55%左右，其中手术治疗达27%左右，放疗治疗可达22%左右，化疗治愈率为6%左右。也有另外的数据报道，在肿瘤治疗率方面，手术贡献49%，放疗贡献40%，化疗贡献约11%。可见放疗在肿瘤的治疗中占据重要的地位，有70%左右的患者在抗肿瘤的治疗过程中需要放疗辅助治疗或用放疗做根治性治疗手段。现实中并没有那么多患者选择放疗，国内大概30%左右，欧美大概有50-60%的患者选择放疗，这与许多患者对于放疗不了解或有误解有关。其实放疗是一种很重要的抗癌利器，是无创性的治疗手段。是一把无形的手术刀！是希望之光！前期对放疗的作用做了简要概述，可点击查看，放疗如何成为抗肿瘤利器？精准定位，有效杀伤肿瘤细胞。目前临床上放疗常规的治疗方式包括常规光子放疗和粒子放疗，所谓常规光子放疗，就是用光子射线照射肿瘤，光子主要是指用X射线或γ射线照射肿瘤。粒子放疗是用粒子束照射肿瘤，主要包括质子、重离子、中子、α粒子和β粒子等。本文主要介绍粒子放疗中的质子重离子放疗。X射线一般由直线加速器产生，γ射线一般由放射源产生如钴60。质子和重离子射线一般由同步加速器或回旋加速器或同步回旋加速器产生。在了解放疗技术的过程中，我们经常会听到各种刀，如X刀，托姆刀（Tomo），速锋刀，陀螺刀，射波刀（CyberKnife），伽马刀（Gamma Knife），中子刀，质子刀，重离子刀等。这些刀对应的射线如下：

由此可见，大部分的各种刀都是X射线产生的，本质上是同一种技术。同时我们经常在光子放疗用到的技术，如调强放疗（IMRT），容积旋转调强放疗（VMAT），立体定向放疗（SBRT），图像引导放疗（IGRT）等技术，在质子重离子放疗中同样可以使用。

何为质子重离子？

质子：即氢原子失去电子后带有正电荷的粒子。质子（proton）用H或P表示。重离子：比氢大的粒子，如元素周期表中的碳、氖、硅等原子量较大的原子核或离子。临床上主要运用的是碳离子（carbon ion），用C表示。

质子重离子放疗：是运用质子或重离子射线治疗肿瘤的一种手段，是目前国际公认的肿瘤尖端放射治疗技术。

质子和重离子的特点和优势

质子和重离子有独特的放射物理学和生物学特性。质子重离子射线在同步或回旋加速器内被加速到光速的70%（约21万公里/秒）时引出，射线进入人体。

01 物理学优势--计量分布

物理学特点是对肿瘤有定向爆破作用，即照射剂量经过肿瘤前方的正常组织时不释放高能量，等到了肿瘤区域才释放能量，到了肿瘤后方的正常组织同样释放很少的能量，这样就能保证最大的剂量给到肿瘤区域。

通过把这些肿瘤区域的能量连起来就形成一个布拉格峰（bragg peak），调整的布拉格峰或扩展的布拉格峰（Spread of Bragg Peak，SOBP）是质子重离子杀伤肿瘤的重要特点。这种定向爆破作用对肿瘤细胞产生强大的杀灭效应，但对周围正常组织的损伤较小，从而达到杀灭肿瘤又不产生明显放疗毒副作用的效果。

质子束在浅表和中等深度部位除具备布拉格峰优势外，还具有更锐利的半影（束流横向边缘剂量衰减速度快），其优势在于：

精准投照高剂量：便于向毗邻关键脏器的靶区投照更高剂量。

保护关键脏器：可避开受剂量限制的关键脏器。

提升治疗效果：通过精准控量，有效增加靶区剂量。

重离子（碳离子束）在贯穿物质时与靶原子核外电子碰撞损失能量，在射程末端形成陡峭的高剂量布拉格峰，峰位深度可通过改变入射离子初始能量调节。布拉格峰更陡峭，且峰后存在少量 “尾迹剂量”（碳离子为例）。散射比质子和光子小，横向散射小，能量沉积精确，可实现毫米量级的精确治疗，能利用栅网扫描技术引导束流对肿瘤实行精确断层扫描的 “适形治疗”。碳离子能量一般为 100-400MeV/u，对应在人体中的穿透深度为 2.5-27cm，能满足不同深度肿瘤治疗。

intensity-modulated radiotherapy (IMRT，光子调强放疗), Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT，光子容积旋转调强放疗), Cyberknife（射波刀）, Double Scattered Proton (DSP，双散射质子放疗) and Intensity-Modulated Carbon-Ion (IMIT，碳离子调强放疗)

质子重离子布拉格峰与高能 X 射线的剂量沉积特性差异显著：

布拉格峰：峰前剂量约为最大剂量的30%，峰后剂量骤降至0，对峰后组织几乎无照射剂量。

高能 X 射线：剂量随深度增加先升至最大值，随后呈指数级衰减。

相对于光子放疗，质子重离子放疗在头颈部肿瘤的初治和再程放疗方面，具有剂量分布和生物效应的优势，对正常组织的保护更好。

02 生物效应优势--杀伤肿瘤的能力

质子相对生物学效应（RBE）为1.1左右（与传统光子放疗接近），主要通过破坏 DNA 单链，对氧依赖性较强（对乏氧细胞效果稍差），适用于多数实体瘤，尤其是儿童肿瘤、邻近关键器官的肿瘤。

重离子（碳离子)相对生物学效应（RBE）高，对细胞的致死效应是光子的 2-5倍，杀伤力大。直接对 DNA 双链进行不可修复的破坏，对常规射线不敏感的乏氧癌细胞也有很强的杀伤作用，导致肿瘤细胞 DNA 双链断裂而不易修复，治疗后不易复发。对常规放疗不敏感的肿瘤（如骨肉瘤、黑色素瘤、胰腺癌）、复发难治性肿瘤效果好。

03 重离子生物模型 LEM VS MKM

重离子的相对生物效应（RBE）比较高，对肿瘤的杀伤威力大，那么在临床应用的时候，需要采用相应的生物模型把物理剂量和RBE做一个转换再用来做计划方案。

目前国际上常用的两种模型是日本NIRS开发的微剂量动力学模型（MKM）以及欧洲常用的局部效应模型（LEM），如以德国海德堡重离子中心为代表的主要使用LEM模型。上海市质子重离子医院用的是德国西门子的机器，生物模型是用的LEM。因此日本MKM模型计算出来的重离子照射剂量，并不能照搬拿过来用在中国人身上，需要转换的。通过这两种模型计算出来的RBE加权剂量是不一样的。比如4Gy的剂量通过MKM和LEM转换算出来的剂量是不同的。

碳离子放射治疗（CIRT）的治疗计划是基于相对生物效应（RBE）加权剂量计算。在日本收集了大量关于CIRT的临床证据，其RBE是通过改良的微剂量动力学模型（MKM）估算得出；而所有欧洲中心均采用局部效应模型（LEM）的第一版(LEM I)。欧洲部分机构采用了日本的放疗方案，但会根据情况调整处方剂量以及危及器官（OAR）的剂量限制。

有研究已证明在某些剂量范围内，与LEM相比，微剂量动能模型（MKM）通常会估算出更低的相对生物效应（RBE）。Molinelli等人研究表明，在3.6 - 4.6 GyRBE（MKM）的剂量范围内，针对靶区体积规定的MKM中位剂量比LEM低5% - 15%。这导致需要对LEM中的标称处方剂量进行调整，以应对RBE建模方面的差异。此外，多个研究小组还探究了这两种RBE模型对不同肿瘤部位危及器官（OAR）剂量限制的影响。例如，奥地利MedAustron离子中心经内部验证的LEM模型下脑干的剂量限制为D₀.₀₁cc = 46 GyRBE、D₀.₇cc = 38 GyRBE，这分别对应MKM下的36.8 GyRBE和29.3 GyRBE剂量。这体现出两种模型在剂量估算上的差异对临床实践有重要影响。

MKM（微剂量动力学模型）在临床应用中，虽考虑了每次分割剂量下SOBP（扩展布拉格峰）形状的变化，却未将每次分割剂量下的平均RBE（相对生物效应）变化纳入考量，这与之前的临床数据一致性不足。具体而言，当前临床应用的模型以被动散射碳离子放疗（CIRT）中SOBP中间位置的吸收剂量作为参考。然而，RBE并非恒定不变，它会随每次分割剂量的不同而改变。若忽略这一因素，可能导致治疗计划不够精准，影响治疗效果。所以，在未来的临床应用中，应进一步完善MKM模型，将每次分割剂量下的平均RBE变化也考虑进去，使治疗更贴合实际情况，提高治疗的准确性与安全性。

LEM I模型在入口区域（低LET）高估了RBE。这意味着该模型预测此区域质子对生物效应的影响比实际情况大。而在SOBP（高LET）区域，它低估了RBE，即模型预测的生物效应低于实际值。这种偏差可能是由于LEM I模型在处理不同LET区域的物理和生物学特性时存在局限性，未能精准反映质子与生物组织相互作用产生生物效应的复杂机制。

重离子针对各种局部效应模型（LEM）处方及其相应的微剂量动力学模型（MKM）重新计算结果，评估了沿束流方向穿过靶区的剂量线（左图）；同时展示了LEM模型的相对生物学效应（RBE）表现（右上图），以及重新计算的MKM模型的相对生物学效应表现（右下图）。  

因此，开展重离子放疗的机构首先要确定用哪个模型或者确定哪种模型适合自己机构的设备。不同模型的剂量不能直接拿来用，对危及器官的限量也不是等同的。在自己机构的治疗计划系统（TPS）选择哪个模型计算需要严格把关。

有些重离子中心在以上两个模型的基础做一定的微调，再形成自己中心的生物模型，这是一个有挑战的事情，需要严谨对待，适当处理。

重离子（碳离子）优势和缺点

优势：精准度高，能将能量集中释放在肿瘤部位，肿瘤前方和后方的正常组织接受剂量小，对健康组织损伤小。

-适形照射剂量分布好，可精确监控照射位置及剂量。

-对放疗抵抗的肿瘤，如胶质瘤、腺样囊性癌、复发鼻咽癌、肉瘤和软组织肿瘤、脊索瘤和黑色素瘤等有较好疗效。

-治疗疗程短，对相同病例，比质子治疗时间短 2-3倍

缺点：

设备复杂且昂贵，建设和运行成本高，导致治疗费用昂贵，一般是其他放疗的几倍甚至几十倍。

-重离子治疗装置数量有限，全球装机量少，患者可及性低。

-技术难度高，对操作人员和技术团队要求高，需要专业的技术人员进行操作和维护。

-适应证相对较窄，虽然适用于大部分实体肿瘤，但对于一些全身性肿瘤或转移性肿瘤可能不太适合。

-存在一定风险，如治疗过程中可能出现的设备故障、剂量偏差等问题，可能会对患者造成不良影响。且如果重离子照射在正常组织和器官上，将产生严重的放射损伤，需要严格掌握适应症。所谓收益和风险并存。

质子重离子的不足

质子重离子放疗虽然是目前放疗领域的尖端技术，但是不表没有缺陷。其中谈到比较多的就是射程的不确定性。即质子重离子对于照射经过的路径变化比较敏感。如原来的路径是个空腔，后面空腔里分泌出液体，这时候射线路径就会有变化，剂量分布也会有变化。所以质子重离子放疗常规每周至少做一次复位扫描CT并重新计算剂量分布，看下病灶周围变化情况。当然这种射程的不确定性是可以通过技术手段解决的。国际著名的物理师卢晓明教授在质子重离子学术会议上专门讲了一节课关于质子射程步不确定性及处理方法。卢教授指出质子的射程定义是基于布拉格峰的特性，即在最高点的80%处的水的等效深度。在治疗计划中，质子射程的不确定性主要源于阻止本领函数的误差。这些误差可能导致实际照射效果与预期不符，从而影响治疗效果。质子治疗中的射程变化受到多种因素的影响，包括组织运动和治疗次数。为了保证治疗的有效性，必须对射程路径进行精确测量和校正，以减少误差带来的影响。为了减少这些影响，临床上采用了鲁棒性优化等方法，确保治疗计划的有效性和安全性。此外，定期进行CT扫描以监测肿瘤变化也至关重要。通过合理的照射策略和影像引导，可以有效降低射程误差对治疗效果的负面影响，从而提高患者的治疗安全性和效果。

哪些肿瘤适合质子重离子放疗？

质子重离子放疗，因其具有能级高和穿透性强的特点，使用其适应症范围较之普通光子放疗有了极大拓宽。常规光子放疗适合的肿瘤，质子重离子基本上也适合。中枢神经系统肿瘤：脑膜瘤、胶质瘤、髓母细胞瘤、生殖细胞瘤、恶性淋巴瘤、脑转移瘤、垂体瘤、脊索瘤、软组织肉瘤、听神经瘤及星形细胞瘤等头颈部肿瘤：鼻咽癌、鼻腔鼻窦癌、口腔癌（舌癌、牙龈癌、颊粘膜癌、硬腭癌等）、口咽癌（扁桃体癌、舌根癌、软腭癌、咽后壁癌等）、甲状腺癌、涎腺恶性肿瘤（腮腺癌、颌下腺癌、舌下腺癌等）、外耳道及中耳恶性肿瘤、眼部恶性肿瘤、喉癌（声门上癌、声门癌、声门下癌）、下咽癌、腺样囊性癌、鼻腔NK/T淋巴瘤、脑动静脉畸形、海绵状血管瘤等胸部肿瘤：肺癌（非小细胞肺癌、小细胞肺癌）、食管癌、乳腺癌、纵隔肿瘤（胸腺瘤、胸腺癌、生殖细胞瘤、淋巴瘤）、间皮瘤、胸壁及胸膜肿瘤等腹盆腔肿瘤：肝癌、前列腺癌、胰腺癌、胆管癌、胃癌、肾癌、膀胱癌、复发直肠癌、宫颈癌、子宫内膜癌、脊索瘤（腹膜后及骶尾部）、肉瘤及其他不能切除的盆腔肿瘤等儿童肿瘤：髓母细胞瘤、胶质瘤、室管膜瘤、垂体瘤、生殖细胞瘤、眼科肿瘤、脊髓肿瘤、神经母细胞瘤、霍奇金淋巴瘤、肉瘤、第二原发性肿瘤（Secondary Primary Malignancies, SPM）和继发性恶性肿瘤(Secondary Malignant Neoplasms，SMN)其他肿瘤及良性病变：骨和软组织肉瘤、皮肤恶性肿瘤、瘢痕疙瘩等

哪些肿瘤不适合质子重离子放疗？

1.有些血液肿瘤不适合，像白血病之类的。2.多发转移的患者不适合；这种姑息治疗为主，常规光子放疗也不推荐。3.对于寡转移的患者，是可以用质子重离子放疗的，但是有些质子重离子中心每天治疗的患者有限，束流时间有限，所以会收治更多有机会根治性放疗的患者，不收或少收转移的患者。这符合医疗资源优化策略，转移的患者，需要放疗的话，常规光子放疗即可，不需要花那么多钱去用高端的质子重离子技术。4.半年内接受过放疗的患者，常规不再收治放疗，这时正常组织尚未修复，再程放疗风险比较大。5.怀孕期间或泌乳期间。有精神病史，无法配合治疗的。6.HIV 阳性，包括曾接受抗逆转录病毒治疗； 慢性乙型肝炎，病毒复制期；丙型肝炎活动期； 梅毒活动期。7.患者体质弱，健康状况差，KPS<70，或ECOG>28.有严重合并症的患者，可能影响放疗进行的情况，包括：

a) 有不稳定心绞痛、充血性心力衰竭、心肌梗塞、脑出血的

b) 急性细菌或全身真菌感染

c) 慢性阻塞性肺病加重期或其他呼吸系统疾病需要住院治疗

d) 肝功能不全、肾功能不全

e) 免疫抑制的患者

f) 伴结缔组织病，如活动性硬皮病或狼疮等放射治疗禁忌证

关爱天使-儿童肿瘤质子治疗救助报名流程如下：

1·咨询电话：

救助办公室：0533-4916222

救助办公室主任：蒋主任13805334429

2·报名方式：本次报名方式仅限线上小程序，您可以关注“关爱天使质子治疗”小程序了解项目详情，进行项目报名或统一报名口（微信扫码）：

3·救助流程：

3.1、专家组对患者进行线下会诊，符合减免救助标准的人员经专家组会诊同意后办理入院手续。

3.2、患者住院期间，医院按照相关规定提供合理、规范的诊疗服务。

3.3、减免费用为质子治疗费。

3.4、每月为符合救助标准的1-3名儿童肿瘤患者提供免费质子治疗（筛选条件以提交报名成功时间为准）。