重粒子设备工作原理和系统基本结构

重带电粒子和X射线的单位剂量产生的游离分子数目是相同的，但最终生物学效应完全不同。如图9-14-1可见，用精确的X射线剂量照射细胞后的细胞生存部分大于用相同的重带电粒子剂量对细胞照射后的细胞生存部分。这种效果上的差异可用下面两个剂量的比值，即250kVp X射线对细胞照射到规定效果的剂量产生同样效果的试验束照射剂量之比值来描述，称作相对生物学效应（relative biological effectiveness，RBE）。

图4-14-1　重带电粒子和X射线生物学效应对比(https://www.daowen.com)

生物效应的“效应”可以涉及细胞死亡（cell killing）、细胞突变（cell mutation）、和细胞转化（cell transformation），即致癌组织损伤和其他终点效应（end points）。事实上，由于重带电粒子的RBE≥1.0，所以放射肿瘤学家对一切类型的粒子、剂量和终点效应都极有兴趣，单位剂量生物效应的实质差异不仅是在兆伏级X射线和带电粒子之间，也在不同的粒子之间。不同能量和速度引起的生物效应变化，虽然和不同类型的粒子引起的生物效应变化相比属第二位因素，但对于研究“增加这些粒子RBE值”的要素，也可提供重要的线索。

质子治疗的优势几乎全部归因于其非常好的剂量分布，而不是其特殊的放射生物学特性。尽管质子的初始布拉格峰具有很高的LET，但是扩展布拉格峰（SOBP）中的LET相对较低。SOBP是几个低LET坪区和一个高LET布拉格峰的混合辐射区，这就显著降低了临床使用射束的平均LET，使得质子治疗的放射生物学效应可能是最低的。因此，临床使用的质子射束没有体现出高LET放射治疗声称的生物学优势，如肿瘤中乏氧细胞会减弱此效应。和光子相比，SOBP中质子的生物学效应有小幅提高，在给予处方剂量和比较临床结果时，应该考虑这一点。ICRU 78号报告推荐，在比较质子和光子放射治疗剂量时，推荐的质子相对生物学效应（RBE）为1.1。也就是说，质子扩展布拉格峰产生的生物学效应比光子高10%。这样有些过于简化，但是由于RBE取决于许多因素，如剂量率、照射次数、质子在感兴趣点的能谱等。一些参考文献引用“60Co戈瑞当量”（CGE），也就是剂量乘以1.1。

重离子治疗的放射生物学特点：与光子线相比，重离子束具有显著的生物学优势。首先，相对生物效应高。重离子照射造成70%的DNA分子发生两处以上的双链断裂，而且关键位点更易受到损伤，难以被修复，导致肿瘤细胞死亡。其次，重离子杀灭肿瘤没有细胞周期依赖性。重离子治疗不仅导致细胞周期更易阻滞于G：和M期，即使那些对低传能线密度（1inear energy transfer，LET）射线抵抗的处于平台期和s期肿瘤细胞，对重离子也较为敏感。最后，其疗效几乎不受肿瘤氧供的影响，可有效杀灭乏氧的肿瘤细胞。重离子这些放射生物学特点突破了低LET射线的放射生物学瓶颈，显示出极大的发展潜力。

虽然LET无法完全解释有的生物学差异，但在临床治疗中一般认为，随着LET的增加，相对生物学效应（RBE）也会增强。与质子束和光子束相比，碳离子束等重粒子束的能量损失更大，与任何深度的都具有较高LET的中子束相反，碳离子束进入人体后，LET是逐渐增加的，在峰区达到最高值。从治疗角度看，该特性极为有利，因为碳离子束越接近肿瘤，其RBE越强。在入射剂量坪区，由于碳离子能量很高，电离密度较低，相对生效应几乎和光子的相近，放射性损伤较易被修复；在接近射程末端2cm内，电离密度很大，相对生物效应很大，放射损伤不易被修复。因此，对X射线抗拒，修复能力大的肿瘤，用重离子照射，会提高它的放射敏感性。

重离子系统的基本结构与质子系统类似。