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質子和重離子束因其獨特的物理和生物學優(yōu)勢，逐漸成為放射治療行業(yè)的重要發(fā)展方向。近十年以來，我國質子重離子放射治療的裝備技術研發(fā)和臨床應用研究獲得了突破性的進展；政策力度加大，使用單位增多，裝備技術迭代，已經積累了一定的臨床經驗，建立了較為完整的臨床實踐體系。 本文簡要介紹離子束物理和生物學特性，回顧裝備技術發(fā)展歷程，匯總臨床應用現(xiàn)狀，并探討今后十年的發(fā)展趨勢。 質子重離子的物理和生物學特性 醫(yī)用射線分類 1．光子射線：是指用于醫(yī)學的高能光子電磁輻射，具有波粒二象性，能量在千電子伏特（keV）至兆電子伏特（MeV）之間。主要包括X射線和γ射線，用于診斷、治療或科研目的，通過電離和激發(fā)生物組織的原子或分子，產生生物學效應或物理成像信號。醫(yī)用光子射線是醫(yī)學影像和放射治療的核心工具，其應用依賴于對光子能量、劑量強度及生物效應的精確控制。 2．粒子射線：是指由高速運動的帶電或中性粒子組成的束流，通過人工加速或放射性核素衰變產生，其醫(yī)學價值源于精準的能量沉積和高效的生物效應。包括電子（β粒子）、質子、中子、氦離子（α粒子）、碳離子、氧離子、氖離子，等。一般把質量大于等于氦核的帶電粒子稱為重離子，能量通常為幾MeV至千MeV，能量越高，穿透力越強。電子束用于淺表腫瘤治療，質子束用于深部腫瘤治療，碳離子束穿透力強、生物效應高，用于抗輻射腫瘤（如骨肉瘤、黑色素瘤等）。 離子束放射物理學特性 光子射線的物理學特性導致了技術瓶頸，在現(xiàn)有技術體系和正常組織耐受量范圍之內，許多腫瘤的劑量已經難以進一步提升。 離子束在其徑跡上傳遞給組織的能量大小用線性能量轉移（linear energy transfer, LET）來表示和量化。LET與入射離子的原子序數(shù)平方成正比，這一規(guī)律決定了碳離子LET比質子高；LET與離子束速度的平方成反比，這一規(guī)律解釋了為什么在離子束射程的末端會出現(xiàn)“布拉格峰”。離子束能量在“布拉格峰”集中釋放，能夠在精準靶向腫瘤的同時很好地保護周圍正常組織。 離子束放射生物學特性 放射線的生物學效應分為直接效應和間接效應。直接效應是指射線直接擊中DNA導致其損傷；間接效應是指射線首先與占人體組分約2/3的水分子作用，產生OH自由基和H自由基，再由自由基對DNA造成損傷。X線和質子束以間接效應為主，質子的生物學效應大致比光子線高10%；而碳離子則以直接效應為主，生物學效應約為X線和質子束的2-3倍。 光子線和質子束照射后，對DNA的損傷以單鏈斷裂為主；重離子束照射后，DNA雙鏈斷裂占比高達70%，組織修復損傷的能力顯著降低。光子和質子對處于有絲分裂期的細胞敏感，其他周期的細胞相對抗拒；重離子對不同細胞周期中的腫瘤細胞都具有殺滅作用。光子和質子的放射敏感性對氧的存在高度依賴，乏氧細胞對其抵抗；而重離子對氧的依賴性低，特別是射程末端的高LET部分。這些因素綜合的結果就是重離子束照射后腫瘤細胞再增殖的能力顯著降低。 質子重離子的裝備和技術概況 放射治療裝備發(fā)展歷程 自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線、1898年居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳-226，人類就開始利用射線治療疾病，從低能的X線治療皮膚癌，到200-400KV的深部X線治療喉癌等頭頸部腫瘤。1950年鈷-60遠距離治療機的出現(xiàn)標志著MV以上的超高壓射線進入臨床。1965年以后陸續(xù)出現(xiàn)了電子感應加速器、電子直線加速器、后裝近距離治療機。1980年后CT和MR三維影像定位技術、TPS放射治療計劃系統(tǒng)用于臨床。2000年之后影像引導技術、調強放射治療和逆向放射治療計劃進一步提高了放射治療的準確性和工作效率。 1．國際質子重離子裝備技術發(fā)展歷史 1946年，美國物理學家提出利用離子束治療腫瘤的設想，指出其布拉格峰特性可精準釋放能量。1957年，勞倫斯-伯克利實驗室使用離子束開展癌癥治療研究。1960年，哈佛大學麻省總院利用高能物理裝置開始質子放射治療的臨床和研究。1990年，美國Loma Linda大學醫(yī)學中心建成全球首個醫(yī)用質子裝置，推動質子治療普及。1994年，日本國立放射線綜合研究所（NIRS）在千葉縣建成世界首個醫(yī)用重離子裝置，開啟重離子治癌時代。2000年前后，美國、日本、德國等多個國家新建了一批質子重離子中心，比如美國MD安德森質子中心和德國海德堡質子重離子中心，技術逐步標準化。2010年后，美國、歐洲、特別是亞洲（中國、日本、韓國，等）加速布局，設備和技術向小型化和智能化發(fā)展。 2．中國質子重離子裝備技術發(fā)展歷程 中國質子重離子裝置的研發(fā)和產業(yè)化在過去10年取得了突破性進展，已形成具有自主知識產權的產業(yè)集群，涌現(xiàn)出一批領先企業(yè)，以下按照首臺套投入臨床使用的時間順序進行介紹。 1993年，中國科學院近代物理研究所開展重離子治癌實驗，1995年獲國家“攀登計劃B”支持，2006年淺層治療裝置投入使用，王小虎教授帶領團隊治療了103例淺層腫瘤患者，成為全球第4個開展重離子治癌的國家，2009年開展深部腫瘤臨床研究。2012年首臺套小型化重離子裝置落戶武威腫瘤醫(yī)院，2020年正式開始臨床應用，打破了國外壟斷。近代物理研究所在該項目建設過程中成功孵化創(chuàng)新企業(yè)蘭州泰基公司，目前該公司已經發(fā)展成為全球重離子裝置訂單最多的供應商。 2012年，國產質子裝置研發(fā)被列為上海市戰(zhàn)略性新興產業(yè)重大項目，由中科院上海應用物理研究所牽頭，聯(lián)合上海高等研究院、上海艾普強公司和瑞金醫(yī)院共同研發(fā)；2017年獲國家科技部“十三五”重點研發(fā)計劃資助。2021年完成臨床試驗，2023年在瑞金醫(yī)院開始臨床應用，2024年180° 旋轉機架投入使用。 1998年，邁勝集團收購美國MEVION單室質子技術并在國內建立產業(yè)基地，此次收購使中國在小型化質子裝置領域躋身全球前列。首臺單室質子裝置于2024年在華中科技大學附屬同濟醫(yī)院投入臨床應用。 2017年，中國科學院合肥物質科學研究院聯(lián)合中科離子公司和合肥離子醫(yī)學中心，在引進瓦里安ProBeam系統(tǒng)的基礎上，自主研發(fā)了國產Capro-X1超導質子治療系統(tǒng)，目前正在申請開展臨床試驗。 2020年，中國廣核集團核技術公司引進比利時IBA ProteusPLUS多室質子技術并實現(xiàn)國內生產，2024年11月首臺設備下線，計劃安裝在成都華西國際腫瘤治療中心。 2020年，中核集團簽約揚州質子中心項目，采用中核集團自主研發(fā)的超導質子回旋加速器，中核集團還在湖南長沙投資建設中核腫瘤醫(yī)院，將配備質子重離子治療系統(tǒng)。 國際質子重離子治療裝備現(xiàn)狀 截至2025年6月，根據(jù)國際粒子治療協(xié)作組織（PTCOG）數(shù)據(jù)和《質子中國》統(tǒng)計，全球運行和在建的質子重離子項目情況如下：我國質子裝置26臺，日本20臺，韓國3臺，歐洲41臺，美國57臺；我國重離子裝置14臺，日本7臺，韓國3臺，歐洲5臺，美國1臺。附圖是PTCOG于2025年發(fā)布的全球質子重離子中心分布圖（橘黃色表示質子、藍色表示重離子）。  |
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