质子治疗的物理与生物学基础

近几十年来质子治疗在临床上取得了巨大成就,这是因为质子束在物理学和生物学上具有独特的优势。在肿瘤治疗学上质子比常规射线(^60Co、X射线、电子)有两个主要优势：(1)可根据肿瘤在体内的深度,使质子束精确地定位在肿瘤病灶处,以使肿瘤受到最大的照射剂量而不伤害健康组织,从而达到适形治疗。(2)可根据肿瘤的形状改变质子在微观尺度能量沉积的形状,实现辐射生物学效应的改变。基于此,对于形状较复杂的大实体瘤,质子治疗比常规治疗有更高的精度。质子的这些在治疗学上特异的可能性是由其剂量学和辐射生物学特性决定的。剂量学的性质与能量在宏观尺度的沉积特征有关,作为带电粒子,质子在介质中有确定的射程和相对小的散射歧离,此外在射程前端剂量相对较小,而到射程末端剂量达到最大,形成一个尖锐的Bragg峰,基于这屿特点使得肿瘤受到高剂量的照射而周围的健康组织受到很小的伤害;相对生物学效应与能量在微观尺度的沉积特征有关,与重离子相比虽然质子属于低LET射线,但就其能量在微观尺度沉积的性质与常规射线相比质子足致密电离辐射,因此目前已有实验证实质子治疗比常规射线治疗增加了相对生物学效应,然而目前对能量的微观沉积与生物学效应关系的原理仍需要进一步从理论上和实验上研究证明。文中分析了质子与介质的作用过程、以及传能线密度(LET)、相对生物学效应(RBE)、氧增比(OER)等放射治疗学的一般概念,讨论了质子用于肿瘤治疗的物理学与生物学性质。