放射腫瘤醫(yī)學科技研究

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1醫(yī)學放射物理學新進展

醫(yī)學放射物理學是以物理學知識研究和解決有關疾病診斷和治療的交叉學科。從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，放射診斷和放射治療不斷地在臨床應用和實踐，目前已發(fā)展成現(xiàn)代醫(yī)學的重要學科?，F(xiàn)今的放射診斷(包括核醫(yī)學診斷)已具有良好的設備如X線診斷機、CT（計算機斷層攝影）、DSA（數(shù)字減影儀）、MRI（核磁共振成像）等影像技術。這些技術的創(chuàng)新必然改變醫(yī)學影像的思維。原來的二維模式被現(xiàn)代的三維(立體)甚至四維(臟器移動、血管搏動)影像所取代。從解剖學結構轉化成功能化影像學(分子生物學水平)，能夠觀察到非常細微的形態(tài)學改變，其圖像質量、清晰程度和掃描速度均達到了空前的高度。這為醫(yī)學的提高，為數(shù)字化醫(yī)院的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎[1]。除診斷機外，60鈷治療機、直線加速器、近距離治療機(后裝機)、伽瑪?shù)?γ刀)和體層放射治療(tomotherapy)等設備的不斷完善，為惡性腫瘤提供了強有力的治療手段。兩者的結合是發(fā)展現(xiàn)代醫(yī)學牢固的支柱。近年來從放療機又派生出很多治療腫瘤的儀器。國內能見到的有“超聲聚焦刀”“射頻治療儀”“各種熱療機”“氬氦冷凍治療刀”等，雖名目繁多，然皆屬于物理學治療腫瘤的范疇。其治療效果，各單位僅有少量報道，難以確切評價。

2影像診斷技術在腫瘤放射治療中的應用

影像技術在現(xiàn)代腫瘤放射治療中的作用已越來越顯示其重要性，已成為多學科交叉研究和關注的熱點，而且貫穿于腫瘤放射治療的全過程。對腫瘤早期診斷、鑒別診斷、臨床分期、治療方式選擇、生物靶區(qū)的精確定位、外科手術方案中的切除范圍、療效監(jiān)測和評價、治療后隨訪、復發(fā)再分期和再次治療計劃的實施等各個階段提供了精確信息，極大地促進了腫瘤放射治療技術的發(fā)展。進入21世紀以后各種新的影像信息源和成像新技術迅速普及，使放射治療從常規(guī)放療轉換成三維適形放療(3D-CRT)、調強放療(IMRT)和圖像引導放療(IGRT)[2]。近年來不斷有新的組合型一體化設備先后問世例如CT與直線加速器組合、PET與CT組合[3]，PET與MRI組合等，打破了醫(yī)學影像與腫瘤臨床治療的傳統(tǒng)界限和模式，經(jīng)歷了一個從一般到特殊，從單純形態(tài)到功能結合，從宏觀診斷向微觀和分子水平診斷的發(fā)展過程。

3放射治療物理學新進展

隨著計算機的臨床應用和醫(yī)學影像新技術的問世，先后出現(xiàn)了各種類型的放射治療儀器，使三高一低(高劑量、高精度、高療效和低損傷)這一治療目標成為可能。最具代表性的設備有X刀和γ刀[4]、智能跟蹤放射手術加速器（Cyberknifer）[5]、斷層放射治療機（Tomotherapy）、動態(tài)靶向定位治療機（dynamictargeting，DT）[6]、影像引導放療機（imageguidedradiotherapy，IGRT）和諾力刀等。以往的常規(guī)放射治療雖有效果，但受到腫瘤周圍正常組織耐受量的限制而被迫中斷。提高腫廇組織劑量，減少周圍正常組織受量，改善“治療增益比”就能增加局部控制率和治療效果。適形放療能使腫瘤在照射過程中高劑量區(qū)劑量分布在三維(立體)方向，不但與腫瘤靶區(qū)形狀一致，且其強度均等分佈，但當腫瘤緊鄰或包裹正常重要組織時就必須對射野各點的輸出劑量率或強度進行調整，使周圍正常組織受到保護，從而引入了調強的機制。1993年臨床開始應用調強適形放療和逆向治療計劃設計[7]，不僅能使照射與靶區(qū)形狀一致，還能通過動態(tài)多葉光欄(MCL)對射線束強度進行調整，使多束不同強度的射線束穿透治療區(qū)形成射線邊界銳利(類似刀切)，射野內各點劑量均勻的照射。調強適形放射治療是放射治療領域內一次重大的歷史飛躍，對腫瘤放射治療的發(fā)展起到了巨大的推動作用。放射治療物理學經(jīng)過漫長的發(fā)展階段基本上已滿足臨床放射治療的需要。但有些問題尚需進一步研究和探索。特別是調強適形放療中有關照射時間，劑量分割，各單位自行設定，無常規(guī)可循。其次，腫瘤靶區(qū)的精確定位，亞臨床灶的判斷，照射時病人體位的移動均很難撐握及控制。希望能找到一個理想的解決辦法。

4高LET(線性能量傳遞)治療機

盡管加速器所產(chǎn)生的X線和電子線，60鈷所產(chǎn)生的γ線能量很大，能殺死大量癌細胞，但當射線進入人體后，沿著行進的徑跡(軌跡)其傳遞能量卻很小稱低LET，低LET對缺氧細胞和靜止期細胞(不參與分裂和增殖的細胞)起不到殺滅的作用。因此20世紀70年代國外開始研究高LET射線。這類射線的生物效應對細胞氧含量和細胞分裂(增殖)各期的依賴性較小。它們可以在缺氧或低氧狀態(tài)下仍可起到殺滅腫瘤細胞的作用。問世的儀器有快中子、負π介子、各種重粒子及質子等。臨床已開始應用，更多的還處于研究階段。國內中子刀臨床已開展，積累了較豐富的治療經(jīng)驗。質子治療[8]正在試運行中，這些儀器造價昂貴，費用難以承受，短期內無法普及。在高LET治療中要算硼中子俘獲治療系統(tǒng)（boronneutroncapturetherapy,BNCT）[9]能量釋放最為猛烈。它是一種通過發(fā)生在腫瘤細胞內的原子核爆炸摧毀腫瘤細胞的治療方法。其原理是給患者注射一種含非放射性的自然元素硼（10B）能與腫瘤細胞有很強親和力的特殊化合物。當進入人體后迅速濃聚于腫瘤細胞內，此時用超低能中子射線照射，中子射線與進入腫瘤細胞的硼元素發(fā)生核反應，釋放出一種具高線性能量轉換的α粒子，即使少量的α粒子在腫瘤細胞內釋放就足以殺死腫瘤細胞（此種方法類似于氫彈爆炸必須有引爆裝置才能發(fā)揮氫彈的威力）。該治療方法尚處在實驗室階段，國內亦正在醞釀之中。

5放射物理劑量和放射生物劑量

采用X線治療腫瘤必需標明劑量單位。臨床最初采用“紅斑量”即生物體受照后皮膚出現(xiàn)紅斑現(xiàn)象，但這一定義含糊不清，既有物理劑量的內容又有生物反應的表示。要區(qū)別各自劑量內涵，物理學首先提出以“倫琴”命名劑量單位。實際是一個物理劑量，反映光子輻射本身的性質，但不能作為臨床劑量使用，以后逐漸轉換成吸收劑量。它不僅反映射線的性質，也顯示射線與生物體相互作用的程度。常用戈瑞（GY）和cGY。（GY的百分單位）作為劑量單位，一直沿用至今。而生物劑量是指對生物體輻射響應程度的測量。這是二個不同的定義，但又緊密相關。為達到二者的統(tǒng)一，1967年ELLIS將輻射的“療程時間”“分割次數(shù)”“每次劑量”“照射體積”和“射線性質”等物理學劑量因子與生物劑量有機的組合，提出放療的效應估算，設計出一系列公式，稱為名義標準劑量（nominalstandarddose,NSD）即時間——劑量——分割（time-dose-fraction,TDF）。將此公式制成表格式便于查找。但TDF不能區(qū)別對各種腫瘤組織照射后所產(chǎn)生的損傷程度，有的早期即表示（早反應組織），有的晚期才發(fā)生。（晚反應組織）為充分表達物理劑量與生物劑量之間的關系，代之以線性二次方程公式（簡稱α/β公式）來計算，仍以GY為劑量單位。Fowler用α/β公式的概念提出了生物效應劑量（biological-effective-dose,BED）即DBE公式。經(jīng)計算可以分別求出早反應和晚反應組織的等效劑量，但它僅僅是一個大致的范圍。公式來源于動物實驗。臨床應用必須慎重。要考慮物理劑量的各種參數(shù)，又需要注意腫瘤組織照后的各種反應。尤其是組織修復和再增殖現(xiàn)象的發(fā)生。因此，很多學者提出了外推反應劑量（extrapolatedresponsedose,ERD）公式。DER是一個簡便的數(shù)學模式，把物理學諸因子與生物反應相結合，希望能更正確的反映腫瘤組織受照后的真實變化。DER也并不是最完美和理想的方案。由于個體的差異，各種腫瘤組織對受照后的反應亦不同，難于用單一公式來表達物理劑量單位和生物劑量單位的轉換。這一課題尚待進一步探索。目前，有關放射劑量學的改制國家已經(jīng)啟動，放射物理工作者應努力按ICRU（國際輻射劑量單位委員會）24號出版物。IAEA（國際原子能機構）227、374號出版物和中華人民共和國JJG（國家劑量檢測規(guī)程）589-2001標準執(zhí)行?？偹阌辛艘粋€規(guī)范的物理學劑量的法律保證。

6近距離治療（后裝機）

自1898年居里夫人發(fā)現(xiàn)了鐳（Ra）元素之后，1905年開始了第一例組織間Ra插植治療。1930年Paterson和Packer建立了Ra針插植規(guī)則及劑量計算方法，正式開始了近距離治療。直到20世紀80年代近距離放射治療技術（后裝機）取代了傳統(tǒng)的近距離放射治療。后裝機采用遠距離操作，計算機控制，能夠勾劃出清晰的圖像和劑量曲線分布。無論從安全性、可靠性、防護性和病人舒適程度考慮，明顯提高了精度和治療效果，從而迅速推廣。近距離治療有多種方式，因腫瘤位置或解剖結構的差異，可采取不同的照射技術，空腔臟器常用腔內治療，實質性腫塊采取組織間植入，近幾年又開展了放射性粒子植入技術，配合其他治療手段治療前列腺癌[10]、胰腺癌[11]、甚至某些類型的肺癌、腦瘤等，取得良好效果。這也是繼近距離放療后的進一步發(fā)展，過去有些模具或敷貼器治療現(xiàn)在已為淺層X線或電子束所取代，術中置管術因受條件限制，國內僅有少數(shù)單位作過報道。近距離治療常用的核素種類繁多，源型各異，（管、針、液、膠囊等劑型）能量和半衰期也不同，除60鈷能量較高外，多數(shù)為低能含γ和β的混合線。放射線經(jīng)金屬外殼過濾后成單一的γ線能譜。它照射的范圍有限，損傷危險性很小，是重要的輔助放射治療工具。

7結束語

放射治療物理學和放射治療生物學經(jīng)過放射腫瘤工作者不懈的努力，已能將很多腫瘤通過放射治療得到緩解。早期病例可以得到治愈。30余年來，腫瘤治愈率翻了一番，70%~80%的腫瘤患者需要放射治療的參與和配合，按目前治療水平，對腫瘤定位、劑量分布均能計算精確無誤，而且人體任何部位都能得到治療。但放射治療與外科手術一樣，是一種局部療法，對晚期病例起到姑息緩解之作用，對廣泛轉移患者則不能給予有效的控制?？傊[瘤治療需要多學科的合作，彼此取長補短，共同努力。放射腫瘤醫(yī)學存在的問題仍很多，今后的道路還很遙遠，這也是腫瘤工作者肩負的重任。