放射肿瘤医学科技研究

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1医学放射物理学新进展

医学放射物理学是以物理学知识研究和解决有关疾病诊断和治疗的交叉学科。从1895年伦琴发现X射线以来，放射诊断和放射治疗不断地在临床应用和实践，目前已发展成现代医学的重要学科。现今的放射诊断(包括核医学诊断)已具有良好的设备如X线诊断机、CT（计算机断层摄影）、DSA（数字减影仪）、MRI（核磁共振成像）等影像技术。这些技术的创新必然改变医学影像的思维。原来的二维模式被现代的三维(立体)甚至四维(脏器移动、血管搏动)影像所取代。从解剖学结构转化成功能化影像学(分子生物学水平)，能够观察到非常细微的形态学改变，其图像质量、清晰程度和扫描速度均达到了空前的高度。这为医学的提高，为数字化医院的实现奠定了坚实的基础[1]。除诊断机外，60钴治疗机、直线加速器、近距离治疗机(后装机)、伽玛刀(γ刀)和体层放射治疗(tomotherapy)等设备的不断完善，为恶性肿瘤提供了强有力的治疗手段。两者的结合是发展现代医学牢固的支柱。近年来从放疗机又派生出很多治疗肿瘤的仪器。国内能见到的有“超声聚焦刀”“射频治疗仪”“各种热疗机”“氩氦冷冻治疗刀”等，虽名目繁多，然皆属于物理学治疗肿瘤的范畴。其治疗效果，各单位僅有少量报道，难以确切评价。

2影像诊断技术在肿瘤放射治疗中的应用

影像技术在现代肿瘤放射治疗中的作用已越来越显示其重要性，已成为多学科交叉研究和关注的热点，而且贯穿于肿瘤放射治疗的全过程。对肿瘤早期诊断、鉴别诊断、临床分期、治疗方式选择、生物靶区的精确定位、外科手术方案中的切除范围、疗效监测和评价、治疗后随访、复发再分期和再次治疗计划的实施等各个阶段提供了精确信息，极大地促进了肿瘤放射治疗技术的发展。进入21世纪以后各种新的影像信息源和成像新技术迅速普及，使放射治疗从常规放疗转换成三维适形放疗(3D-CRT)、调强放疗(IMRT)和图像引导放疗(IGRT)[2]。近年来不断有新的组合型一体化设备先后问世例如CT与直线加速器组合、PET与CT组合[3]，PET与MRI组合等，打破了医学影像与肿瘤临床治疗的传统界限和模式，经历了一个从一般到特殊，从单纯形态到功能结合，从宏观诊断向微观和分子水平诊断的发展过程。

3放射治疗物理学新进展

随着计算机的临床应用和医学影像新技术的问世，先后出现了各种类型的放射治疗仪器，使三高一低(高剂量、高精度、高疗效和低损伤)这一治疗目标成为可能。最具代表性的设备有X刀和γ刀[4]、智能跟踪放射手术加速器（Cyberknifer）[5]、断层放射治疗机（Tomotherapy）、动态靶向定位治疗机（dynamictargeting，DT）[6]、影像引导放疗机（imageguidedradiotherapy，IGRT）和诺力刀等。以往的常规放射治疗虽有效果，但受到肿瘤周围正常组织耐受量的限制而被迫中断。提高肿廇组织剂量，减少周围正常组织受量，改善“治疗增益比”就能增加局部控制率和治疗效果。适形放疗能使肿瘤在照射过程中高剂量区剂量分布在三维(立体)方向，不但与肿瘤靶区形状一致，且其强度均等分佈，但当肿瘤紧邻或包裹正常重要组织时就必须对射野各点的输出剂量率或强度进行调整，使周围正常组织受到保护，从而引入了调强的机制。1993年临床开始应用调强适形放疗和逆向治疗计划设计[7]，不仅能使照射与靶区形状一致，还能通过动态多叶光栏(MCL)对射线束强度进行调整，使多束不同强度的射线束穿透治疗区形成射线边界锐利(类似刀切)，射野内各点剂量均匀的照射。调强适形放射治疗是放射治疗领域内一次重大的历史飞跃，对肿瘤放射治疗的发展起到了巨大的推动作用。放射治疗物理学经过漫长的发展阶段基本上已满足临床放射治疗的需要。但有些问题尚需进一步研究和探索。特别是调强适形放疗中有关照射时间，剂量分割，各单位自行设定，无常规可循。其次，肿瘤靶区的精确定位，亚临床灶的判断，照射时病人的移动均很难撑握及控制。希望能找到一个理想的解决办法。

4高LET(线性能量传递)治疗机

尽管加速器所产生的X线和电子线，60钴所产生的γ线能量很大，能杀死大量癌细胞，但当射线进入人体后，沿着行进的径迹(轨迹)其传递能量却很小称低LET，低LET对缺氧细胞和静止期细胞(不参与分裂和增殖的细胞)起不到杀灭的作用。因此20世纪70年代国外开始研究高LET射线。这类射线的生物效应对细胞氧含量和细胞分裂(增殖)各期的依赖性较小。它们可以在缺氧或低氧状态下仍可起到杀灭肿瘤细胞的作用。问世的仪器有快中子、负π介子、各种重粒子及质子等。临床已开始应用，更多的还处于研究阶段。国内中子刀临床已开展，积累了较丰富的治疗经验。质子治疗[8]正在试运行中，这些仪器造价昂贵，费用难以承受，短期内无法普及。在高LET治疗中要算硼中子俘获治疗系统（boronneutroncapturetherapy,BNCT）[9]能量释放最为猛烈。它是一种通过发生在肿瘤细胞内的原子核爆炸摧毁肿瘤细胞的治疗方法。其原理是给患者注射一种含非放射性的自然元素硼（10B）能与肿瘤细胞有很强亲和力的特殊化合物。当进入人体后迅速浓聚于肿瘤细胞内，此时用超低能中子射线照射，中子射线与进入肿瘤细胞的硼元素发生核反应，释放出一种具高线性能量转换的α粒子，即使少量的α粒子在肿瘤细胞内释放就足以杀死肿瘤细胞（此种方法类似于氢弹爆炸必须有引爆装置才能发挥氢弹的威力）。该治疗方法尚处在实验室阶段，国内亦正在酝酿之中。

5放射物理剂量和放射生物剂量

采用X线治疗肿瘤必需标明剂量单位。临床最初采用“红斑量”即生物体受照后皮肤出现红斑现象，但这一定义含糊不清，既有物理剂量的内容又有生物反应的表示。要区别各自剂量内涵，物理学首先提出以“伦琴”命名剂量单位。实际是一个物理剂量，反映光子辐射本身的性质，但不能作为临床剂量使用，以后逐渐转换成吸收剂量。它不仅反映射线的性质，也显示射线与生物体相互作用的程度。常用戈瑞（GY）和cGY。（GY的百分单位）作为剂量单位，一直沿用至今。而生物剂量是指对生物体辐射响应程度的测量。这是二个不同的定义，但又紧密相关。为达到二者的统一，1967年ELLIS将辐射的“疗程时间”“分割次数”“每次剂量”“照射体积”和“射线性质”等物理学剂量因子与生物剂量有机的组合，提出放疗的效应估算，设计出一系列公式，称为名义标准剂量（nominalstandarddose,NSD）即时间——剂量——分割（time-dose-fraction,TDF）。将此公式制成表格式便于查找。但TDF不能区别对各种肿瘤组织照射后所产生的损伤程度，有的早期即表示（早反应组织），有的晚期才发生。（晚反应组织）为充分表达物理剂量与生物剂量之间的关系，代之以线性二次方程公式（简称α/β公式）来计算，仍以GY为剂量单位。Fowler用α/β公式的概念提出了生物效应剂量（biological-effective-dose,BED）即DBE公式。经计算可以分别求出早反应和晚反应组织的等效剂量，但它仅仅是一个大致的范围。公式来源于动物实验。临床应用必须慎重。要考虑物理剂量的各种参数，又需要注意肿瘤组织照后的各种反应。尤其是组织修复和再增殖现象的发生。因此，很多学者提出了外推反应剂量（extrapolatedresponsedose,ERD）公式。DER是一个简便的数学模式，把物理学诸因子与生物反应相结合，希望能更正确的反映肿瘤组织受照后的真实变化。DER也并不是最完美和理想的方案。由于个体的差异，各种肿瘤组织对受照后的反应亦不同，难于用单一公式来表达物理剂量单位和生物剂量单位的转换。这一课题尚待进一步探索。目前，有关放射剂量学的改制国家已经启动，放射物理工作者应努力按ICRU（国际辐射剂量单位委员会）24号出版物。IAEA（国际原子能机构）227、374号出版物和中华人民共和国JJG（国家剂量检测规程）589-2001标准执行。总算有了一个规范的物理学剂量的法律保证。

6近距离治疗（后装机）

自1898年居里夫人发现了镭（Ra）元素之后，1905年开始了第一例组织间Ra插植治疗。1930年Paterson和Packer建立了Ra针插植规则及剂量计算方法，正式开始了近距离治疗。直到20世纪80年代近距离放射治疗技术（后装机）取代了传统的近距离放射治疗。后装机采用远距离操作，计算机控制，能够勾划出清晰的图像和剂量曲线分布。无论从安全性、可靠性、防护性和病人舒适程度考虑，明显提高了精度和治疗效果，从而迅速推广。近距离治疗有多种方式，因肿瘤位置或解剖结构的差异，可采取不同的照射技术，空腔脏器常用腔内治疗，实质性肿块采取组织间植入，近几年又开展了放射性粒子植入技术，配合其他治疗手段治疗前列腺癌[10]、胰腺癌[11]、甚至某些类型的肺癌、脑瘤等，取得良好效果。这也是继近距离放疗后的进一步发展，过去有些模具或敷贴器治疗现在已为浅层X线或电子束所取代，术中置管术因受条件限制，国内仅有少数单位作过报道。近距离治疗常用的核素种类繁多，源型各异，（管、针、液、胶囊等剂型）能量和半衰期也不同，除60钴能量较高外，多数为低能含γ和β的混合线。放射线经金属外壳过滤后成单一的γ线能谱。它照射的范围有限，损伤危险性很小，是重要的辅助放射治疗工具。

7结束语

放射治疗物理学和放射治疗生物学经过放射肿瘤工作者不懈的努力，已能将很多肿瘤通过放射治疗得到缓解。早期病例可以得到治愈。30余年来，肿瘤治愈率翻了一番，70%~80%的肿瘤患者需要放射治疗的参与和配合，按目前治疗水平，对肿瘤定位、剂量分布均能计算精确无误，而且人体任何部位都能得到治疗。但放射治疗与外科手术一样，是一种局部疗法，对晚期病例起到姑息缓解之作用，对广泛转移患者则不能给予有效的控制。总之肿瘤治疗需要多学科的合作，彼此取长补短，共同努力。放射肿瘤医学存在的问题仍很多，今后的道路还很遥远，这也是肿瘤工作者肩负的重任。