放疗的发展及治疗原理
Wilhelm Röntgen在1895年发现了X线，这个发现有巨大的价值，它很快就被广泛应用于工业和制药行业。1902年，首次用于霍奇金淋巴瘤的治疗且效果显著。然而，由于当年比较简陋的X线球管技术并不能准确定位，最终多数患者出现肿瘤复发。
电离辐射传递技术的发展，以及人们对放射和放射生物方面的理解促进精准放射治疗在恶性肿瘤治疗领域的应用。1951年，加拿大学者Johns利用钴源进行了第一例高能射线的放射治疗。钴- 60机器是采用放射性核素作为电离辐射源，帮助临床医生实现安全可靠的高能射线放射治疗，钴- 60机器也有很多缺点，最大的缺点是放射治疗野边缘较宽，这就造成患者实际放射治疗的面积比设计的更大，治疗的精确度不够。另外，由于放射源的衰减造成每5年左右必须更换放射源，即随着放射源使用的时间延长，患者每次治疗所需时间也越来越长。
正如大家所知，直线加速器能产生比较大的、穿透力较强的和准确性较高的射线，能够对勾画好的照射靶区实施高剂量的精确放射治疗以及能够使正常组织少受照射。Henry Caplan和他的同事们在20世纪50年代末于斯坦福发明了直线加速器，不仅能够基于三维CT的治疗计划帮助临床医生更精准勾画治疗靶区，同时还能够对重要的正常组织进行勾画和剂量的计算，挡铅技术的应用更进一步提高了治疗的精准度。直线加速器上安装的多叶光栅有许多组由钨合金制作的对称叶片，这些叶片能够自动伸缩，每叶都是相互独立的，从而能够产生适形度较高的治疗靶区，使高剂量的照射靶区越来越接近肿瘤形状，同时还能对正常组织进行有效保护。这些多叶光栅同样也能应用在调强放疗（IMRT）的治疗上，能够产生比较复杂的与肿瘤靶区非常相近的治疗体积，从而能够使肿瘤靶区得到较高剂量的放疗，以使正常组织受照射剂量降低。
直线加速器是一种既能产生电子线也能产生X线的大型仪器。直线加速器包括底座、机架、治疗头和治疗床。底座固定在地板上，同时连接着电源。机架可以围绕着患者进行360°旋转，治疗头被安装在机架的末端。大多数的现代直线加速器有双重功效，既能产生电子线，也能产生X线。电子线束治疗时，X线靶撤回，电子散射箔被移入，产生电子线的最后一步是将一个限束筒安装在治疗头上以用来减少电子散射。
高能X线是通过电磁场将带电粒子加速到高能后产生的，电子线是由加热后的电子枪所发射，后经电磁波进行加速并提高它们的能量。电磁波能量被球管传导，我们称之为波导。电子必须通过大约90°角进行偏转以用来形成聚焦。紧接着这些加速的电子就撞击重金属X线靶。所产生的X线通过初级准直器校准。通过均整器的应用，射线束的强度变得分布更均匀。治疗头的另一个重要组成部分是次级准直器，次级准直器由4个门组成，多叶光栅也被安装在里面，这4个门能够相互独立运动，因此能够产生不对称的射线束。
放射治疗是如何治疗癌症的
医用直线加速器
放射治疗是利用电离辐射来杀灭细胞的，可以把它当作一种能量的储存形式，用来描述单位质量物体吸收电离辐射能量的大小是放射剂量，标准化的国际单位是戈瑞（Gy），它被定义为每千克物质吸收了1焦耳的辐射能量，即1 Gy=1 J/kg。这种能量是以光子（X线或γ线）或粒子（质子、中子或电子）形式存在，在组织内产生电离效应，它既可以是直接的电离效应（如粒子），也可以是间接效应（如X线或γ线）。
通过在细胞核内产生次级带电粒子以及自由基造成DNA直接或间接的损伤，DNA直接被破坏或者能使组织内的水分子产生OH－，转而再破坏DNA结构，间接效应占多数。1～2 Gy的剂量能够产生超过1000个DNA基数损伤，其中包括大约1000个单链断裂以及约40个双链断裂。研究表明，双链断裂能够带来致死性损伤，部分细胞会立即死亡，大多数细胞继续有丝分裂，损伤在子代细胞中逐渐积累，最终导致细胞死亡。克隆细胞具有无限增殖能力，是这些细胞的丢失从而导致肿瘤的消亡。因此，放射剂量越高，所产生的细胞DNA双链断裂越多，克隆细胞的消亡越多，从而能够使肿瘤组织彻底被摧毁。然而，由于正常组织的耐受剂量有限，为了避免对正常组织造成不可逆甚至致命的损伤，我们通常不太可能给予无限高的剂量来杀灭肿瘤细胞。
同样，我们不太可能给予肿瘤组织单次大剂量照射，因为它可能给正常组织带来不可逆的损伤。相反，我们放射治疗通常是将总剂量分成多次低剂量的照射，这就是分割照射。例如，肺癌的剂量分割照射模式为64 Gy/32次，即2 Gy每次。当整个照射次数增加或者说是每次照射剂量减少了，要产生相同细胞杀灭效应的放射剂量就必须增加。然而，这可能是更合理的，因为采用更多分割次数以及每次更低剂量的治疗模式能够使正常组织的DNA亚致死性损伤得到修复，从而能产生更好的治疗比。换言之，它能更大限度地杀灭肿瘤细胞且能够更好地减少正常组织细胞的损伤。
断裂的DNA
直接电离辐射和间接电离辐射有什么不同
正如前文所述，电离辐射实现形式包括直接电离（如负荷粒子）和间接电离（如X线）。
近距离治疗即将放射源放置于需要治疗的肿瘤部位内部或附近，常用的放射源包括几种，有铯-137，碘-125及铱-192。这些放射源能够发射X线、γ线以及β线，而这些射线最终会产生直接或间接的电离效应。
外照射为来自人体外的辐射源对人体的照射，共有三种形式，包括电子线、低能X线和高能射线。低能X线机器能够产生较低能量的X线，由于它的放射剂量仅能作用于皮肤下几厘米深度，故主要应用于浅表肿瘤的治疗，它是一种间接的电离辐射。电子线也能应用于浅表肿瘤的治疗，它能产生直接的电离辐射，电子线是由直线加速器产生的。高能射线定义为大于1兆伏特（MV）能量的射线，它能用于治疗离体表位置比较深的肿瘤。这是因为它的最大剂量点位于皮下，从而能够使皮肤免受较高剂量照射。最常应用的是直线加速器产生的6 MV，10 MV的应用也较为广泛。4 MV以下或15 MV以上虽然也能应用，但相对较少。