概述：
众所周知，重离子（碳离子）治疗肿瘤不仅具有物理剂量分布的优势，而且在生物学上的优势更为显著。特别适宜于治疗外科手术、化疗、常规放疗无效或易复发的难治病例。
重离子束在物理学和生物学上所具有的一系列独特优势体现在:深度剂量分布好，可实现对肿瘤靶区的均匀照射，有利于高效杀灭靶区的癌细胞，提高疗效。
重离子能量沉积的范围比较精确，剂量边缘清晰，有利于精确治疗(毫米量级);传能线密度高，可以提高癌瘤内乏氧细胞的放射敏感性。
细胞周期各个时相对重离子射线的敏感性相差很小，Bragg峰区射线可以同时杀死各个时相的细胞，甚至包括对常规射线具有抗阻的DNA合成的S期细胞。
同时，利用重离子的带电性，可以通过扫描磁铁来导向束流，使其按肿瘤断层的形状精确地进行照射，做到适形和调强治疗。应用正电子发射断层成像术(PET)可以监测核反应产物的正电子湮灭辐射，实现在线监控照射束流的动态。
1、特殊的深度剂量分布
重离子特殊的深度剂量分布能使重离子贯穿靶物质时，通过与靶原子核外电子的碰撞损失其能量，并且这种碰撞的几率随离子能量的降低而增大。因此，离子在接近其射程末端时损失其大部分初始动能，形成一个高剂量的能量损失峰，这就是布拉格峰（Braggpeak），在其射程末端之后，即布拉格峰之后很少有剂量吸收;同时，离子在其入射通道上损失的能量较小，因而形成一个低剂量的坪区。相对于常规辐射(X射线、Y射线、电子束、中子束)，这就是重离子束特有的倒置深度剂量分布。
图3-4各种射线的深度剂量分布
从以上各种射线同重离了束深度剂量分布的比较图上可以看出，不管是X射线、γ射线，还是电子束，它们均呈指数衰减型剂量分布，无法控制将其大部分剂量调整到肿瘤上，而且损伤总是表皮浅层最大，直至较深处健康组织仍能受到较大伤害。离子束布拉格峰位的深度可以通过改变入射离子束的能量来调节，因而治疗时布拉格峰位可精确地调整在肿瘤靶区上。
为达到对实体瘤的治疗，可以实施不同能量离子束对靶区的照射，从而形成不同布拉格峰在靶区的叠加，这就是所谓布拉格峰展宽。通过设计，可以做到展宽区域的物理剂量或生物剂量分布均匀。尽管它会导致峰坪剂量比减小，但叠加的深度剂量分布仍远好于常规辐射治疗。
图3-5不同能量及强度碳离子束布拉格曲线的叠加
图3-4显示出了布拉格峰的叠加，在碳离子束坪区上正常组织的剂量仍低于靶区的剂量。小的射程歧离与横向散射由于入射离子与介质原子碰撞的统计特性，离子束能量损失的涨落会引起在同一深度上的能量歧离，造成射程歧离。某一深度上的能量歧离呈高斯分布，重离子束在贯穿介质期间多次散射会导致离子横向发散。这种散射不仅主要发生在小角度上，而且被散射在某一角度上单位立体角内的离子数与入射离子的质量或能量的平方成反比。对于深度为15cm左右的肿瘤，重离子束剂量范围控制的精度可以好于1mm，质子束则为5mm，而常规辐射是无法控制的。
2、相对生物效应(RBE)高
重离子束能量沉积的布拉格曲线反映了入射离子前段坪区与后段峰区的传能线密度显著不同，这就使得重离子束在坪区与峰区对生物体的作用表现出不同的效应。入射通道仁的正常组织处在坪区，其传能线密度较小，相对生物效率接近于1，类似于低传能线密度的常规辐射，它的细胞存活剂量效应曲线呈肩形，有着修复效应;而处在靶区范围内的峰区，其平均传能线密度较大，相对生物效率大于1，（CPTN编者注：质子的相对生物学效应是1.1，相当于60年代高能电子束，而相同能量下，碳离子的相对生物学效应一般是质子的2.5-3，能够杀灭对质子和光子抗拒的肿瘤）它的肿瘤细胞存活剂量效应曲线呈指数或近指数型，肩区消失或被减小，亦即修复能力减小或消失。这是常规辐射无法做到的。
3、修复效应的减小
研究表明，重离一子束峰区与坪区细胞失活的相对生物效率比可达到35:1以上，在相同剂量情况下，峰区较坪区有较强的细胞致死作用。一般认为细胞致死与不可修复的DNA双链断裂(DSB)直接相关，重离子束辐照诱导细胞双链断裂的研究表明，照射结束时峰坪双链断裂产额比约为2：1，而DNA分了修复3小时后，测得的峰坪双链断裂产额比约为6:1。
图3-MeVu12C离子束照射后及照射后3小时DNA双链断裂产额
可见坪区照射的DNA分子存在修复双链断裂较大的能力，而细胞在峰区照射时，双链断裂修复能力减小或消失，细胞存活数据与双链断裂修复一致，即在坪区照射时细胞具有修复辐射损伤的能力。这种剂量效应特征正是肿瘤分次放射治疗中所需要的。在分次照射治疗之间，坪区由于存在修复使得正常组织细胞辐射损伤得到充分的修复，剂量效应会明显减弱;而峰区照射由于修复能力减小或消失，癌细胞辐射损伤得不到修复从而致死。显然，重离子束这种特有的修复效应有利于肿瘤组织的杀灭和正常组织的保护。而在常规辐射采用分次治疗中，虽然正常组织在两次照射之间得到一定的修复，但肿瘤组织同正常组织一样也得到了同样的修复。因此它的治疗效果要明显差于重离子束的治疗。
4、氧效应小
通常肿瘤细胞周围有着较厚的坏死细胞层，它隔断了血管中输送的氧气，使癌细胞呈缺氧状态。目前认为这种乏氧细胞约占肿瘤细胞的5%~20%。大量实验己经证明，细胞在有氧和无氧条件下受射线照射时，其辐射敏感性不同，尤其是受低传能线密度射线照射时，乏氧细胞的辐射敏感性显著下降。这种受照生物细胞的辐照效应随介质中氧浓度的增加而增加的现象称为氧效应。
当某种辐射照射乏氧细胞与有氧细胞达到相同生物学效应终点（例如10%的存活）时，两者所需要的剂量比值为氧增比(Oxygenenhancementratio，OER)，氧增比大则氧效应强烈。
通常采用常规放射治疗时，乏氧癌细胞对辐射很不敏感，氧增比值约为25~30。若采用高传能线密度射线治疗，可显著降低氧增比值，如重离子束当传能线密度超过60KeVμm后，氧增比迅速下降，当传能线密度超过KeVμm时，氧增比接近于1，.也就是说，此时几乎没有氧效应。
5、细胞周期各时相辐射敏感性的差别小
癌细胞属快增生细胞，在细胞周期的不同阶段（复制前期G1，DNA复制期S，复制后期G2，有丝分裂期M），对常规辐射这类低传能线密度射线的辐射敏感性不同，细胞有丝分裂期间的DNA复制S期后期，其抗辐射性较强，而有丝分裂M期细胞的辐射敏感性最强;对于重离子束这种高传能线密度辐射，各时相细胞辐射敏感性的差别减小，这种特性有利于杀死快增生的癌细胞。
主要资料参考某医疗机构重离子投资可研报告
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