Slater等分析了自1991～1997年用质子射线联合X线或单用质子射线治疗的1255例前列腺癌患者，联合治疗光子治疗剂量45Gy，质子剂量30Gy；单用质子治疗剂量74Gy，每次2Gy，其5年、8年无复发生存率（Biochemical Disease-Free Survival Rates）分别为75%、73%。一般来说，质子放射治疗能够很好地耐受，美国放射肿瘤学协作组（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）研究中3级或以上的急性胃肠和泌尿生殖器的毒副反应＜1%，RTOG的3级晚期毒副反应为1%（16例）、级毒副反应为0.2%（2例）。晚期胃肠毒副反应包括3级出血与疼痛（2例），因肠梗阻而行结肠造瘘术1例。所有严重胃肠毒副反应均发生在治疗后2.5年以内，5年和10年无胃肠3、4级毒副反应率为99%；晚期泌尿生殖器毒副反应比胃肠多见，14例发生3级晚期毒副反应，其中8例有尿道狭窄，随后出现尿血（4例）及排尿困难（2例）。同样，5年和10年无3、4级泌尿生殖器毒副反应也为99%。
2.5 乳腺癌
Lomax等比较分析了乳腺癌的光子调强放射治疗和质子放射治疗计划，两肺、心脏、对侧乳腺和脊髓为危及器官，靶体积处方剂量是50Gy。剂量体积直方图显示常规放射治疗计划（光子加电子）靶区剂量分布很不均匀，而调强放射治疗与质子放射治疗计划的靶区覆盖是相似的。常规放射治疗、调强放疗、质子放疗计划同侧肺的平均剂量分别是17Gy、15Gy、13Gy，显示质子放疗计划对肺的避让是最好的。在心脏方面，调强放疗为了降低肺的照射而导致心脏的平均剂量最高（16Gy），常规放疗稍低（15Gy），而最好的仍然是质子放疗（6Gy）。在与较高的累积剂量相关的致癌风险方面，调强放疗显示了理论上的劣势。因为质子治疗在局部乳腺照射中，非靶区的最小化累积剂量方面具有明显优势，其优势超过常规放疗的2倍且几乎超过调强放疗的3倍。
2.6脊髓旁肿瘤
Weber等比较分析了5例脊髓旁肉瘤的调强光子放疗与调强质子放疗计划，靶体积处方剂量77.4Gy，剂量体积直方图显示调强光子放疗、调强质子放疗95%靶体积的剂量都是76.6Gy。而对危及器官的避让，调强质子放疗效果最好。心脏、肺、肾脏、胃和肝脏的中位平均剂量调强光子放疗比调强质子放疗高1.3～24.7倍，且质子放疗完全避开了小肠。无论靶体积的大小，调强光子放疗和调强质子放疗的适形指数相似，在小肿瘤（＜214.6cm3）调强光子放疗和调强质子放疗的适形指数分别为1.33（1.31～1.34）和1.28（1.25～1.35），在较大肿瘤（≥214.6cm3）则分别为1.33（1.28～1.49）和1.32（1.21～1.36）。调强光子放疗与调强质子放疗的不均匀系数也无明显差异，在小肿瘤（＜214.6cm3）分别为0.19（0.15～0.23）和0.23（0.12～0.29），在大肿瘤（≥214.6cm3）分别为0.19（0.12～0.21）和0.22（0.09～0.34）。由于最优化调强质子放疗的应用，在所危及器官的耐受剂量下，靶区的总剂量可以增加10%～20%。
2.7 宫颈癌
Kagei等报告了25例宫颈癌外照射加质子放疗的长期结果，25例患者均在盆腔X线外照射50.4Gy后（中央遮挡），再以质子射线给予原发肿瘤推量，使总剂量达86Gy（71Gy/26次～101Gy/46次），每次剂量2.5～4Gy。10年总生存率59%，其中ⅡB期89%，ⅢB、ⅣA期40%；5年局部控制率全部患者75%，ⅡB期100%，ⅢB、ⅣA期66%；5年无远处转移率全部患者ⅡB期、ⅢB、ⅣA期分别是79%、100%和66%。晚期并发症发生在治疗后6～53个月，一般在小肠和大肠（主要是直肠出血）以及膀胱，5年1级、2级、4级晚期并发症发生率分别为43%、26%和4%。与常规放射治疗相比，宫颈癌质子放疗也是一个比较好的选择。
质子放疗是先进的放射治疗技术，可以减少治疗体积。与光子相比，质子射线极大地改善了剂量分布，故可以提高靶区的剂量而同时减少靶区周围正常组织的影响，且治疗精确性较高，从而提高了肿瘤控制率，所以质子放射治疗是目前最安全、有效的放射治疗方法。
质子放疗的另一发展就是调强放疗，可以通过笔形束扫描方式实现，但应用细小笔形束时，靶的运动就成为关键问题，为了真正精确传输剂量到最小的体积上，必须引进第四维——时间。四维治疗计划必须包括对靶运动和变形的在线（on-line）校正。质子技术的另一个发展方向是进行质子诊断，质子照相和质子断层的优点是物质密度分辨率高，也可以利用在人体组织中由核反应产生的正电子断层照相（PET），从而检查和了解质子剂量分布。
二、重离子治疗研究现状
半个世纪来，放射治疗界一直在寻找一种物理剂量分布良好和生物（物理）效应也好的放射线和粒子。几十年来的临床治疗实践，证实了常用的X射线和电子射线的物理剂量分布和生物（物理）效应都不理想。中子和负π粒子的生物效应虽好，但是物理剂量分布不好，给正常组织带来太大的损害。当前较先进的质子治疗，固有的布拉格峰物理特性能使剂量分布很好，但其生物（物理）效应仅稍高于X射线和电子，对治疗抗阻型和乏氧型的肿瘤细胞还难以奏效。而重离子治疗的物理剂量分布和生物（物理）效应都很理想，因此人们转向研究重离子治疗的可能性。
从1975年美国加州劳伦斯贝克莱实验室（LBL）开始，直到最近在日本重离子医学加速器中心（HIMAC）和德国GSI研究所的重离子临床治疗实践，证实重离子既具有非常好的剂量分布，又有很好的生物（物理）效应。能有效的治疗其他射线难以治疗的抗阻型、乏氧型、内嵌型、尖畸型的肿瘤，从而引起放射肿瘤界的极大兴趣。当前日本、德国、意大利、奥地利、瑞典都已决定建造专用重离子治疗中心。本书主要介绍重离子治疗的物理与生物（物理）性能和装置原理。
1.重离子治疗的粒子种类
原则上一切由考克所组成的强子都是重离子，按理论推断，可能治疗的重离子有下述几种：重氢（H2）、氦（He4）、锂（Li7）、铍（Be9）、硼（B11）、碳（C12）、氮（N14）、氧（O16）、氟（F19）、氖（Ne20）、硅（Si28）、氩（Ar40）和氙（Xe132）。所有上述的重离子都具有像质子一样的布拉格峰物理特性，并且凡原子序数越大，其布拉格峰宽度越狭，后沿下降越快，剂量分布越好。判断重离子是否适合于肿瘤治疗，必须考虑此重离子照射对正常组织的伤害程度。美国加州贝克莱实验室（LBL）和日本重离子医学加速器中心（HIMAC）在研究和临床实验基础上，已证实，对氖以上的重离子，由于直接给肿瘤前的正常细胞带来难以容许的伤害，不适用于肿瘤治疗。认为碳离子是适合治疗用的重离子。因此当前碳离子是作为重离子治疗的唯一粒子。
2.重离子的基本物理特性
1903年布拉格（Bragg）第一个发现Alphy粒子具有游离密度随着射程深度而增加的物理特性，后来进一步研究发现每单位射程中沉积的能量是和能量值成反比。当离子能量接近于零时，沉积能量密度突然上升为最大值，形成一个峰，后人就称此峰为布拉格峰，这就是布拉格峰的来源。而一切重离子都具有此物理性能，并且离子越重，此峰越狭。重离子在体内穿越时，还产生一种核分裂现象（Nuclear Fragmentation），即在相互碰撞中，将元素原子核中的中子从核中逸出，原来的原子形成更轻的放射性同位素，如将C12变成C11（打出一个中子）或C10（打出两个中子）。这两种碳放射性同位素在衰变时，都能发出正电子，利用正电子断层扫描仪（PET）就能直接探测到重离子的行程轨迹和末端治疗终点位置，使实时诊测和精确治疗成为可能。这些物理特性是常用X射线、电子和质子所不具备的，是重离子治疗特有的优点。
重离子还有一个特点，即重离子不但单位行程中的游离能量密度比其他粒子（包括质子）要高，而且在离子附近物质中沉淀的微观能量密度分布是随着离粒子中心轨道的距离而变化，呈现出和距离成反比的规律，即近粒子中心轨道处的剂量可达兆Gy值，而远离粒子中心轨道处的剂量仅为毫Gy值，这种使局部剂量分布有很大的剂量梯度，极大的非均匀性有利于用重剂量将癌细胞杀死。重离子还有一个更特殊的优点。当离子射程接近布拉格峰时，被离子激发出的发射电子在前后两次碰撞间的平均自由行程（Main Free Path）可以达到10～20nm，此距离刚好与分子DNA两个基因链间的距离相同，因此具有直接切断DNA双链，直接杀死癌细胞的双链破坏DSB（Double Strand Breaks）功能，此功能是重离子能有效治疗抗阻型和乏氧型肿瘤细胞的主要原因。相反，对X射线、电子和质子治疗时，仅具有切断DNA单链功能SSB（Single Strand Breaks）。DNA本身有很强的修复能力，若不能在此切断单链的受伤DNA复原之前，再切断其另一根链，则癌细胞就不能杀死。这种间接杀死癌细胞的功能，是难以有效治疗抗阻型和乏氧型癌细胞的主要原因。
因此与X射线、电子和质子相比较，重离子的物理特性具有下述优点：后沿下降和横向散射都较小，肿瘤前部也受到较小剂量，单位能量沉积密度比质子高，具有双链破坏功能直接杀死癌细胞，能用PET来实时监测末端停止点。其缺点是因核分裂现象产生一些比原始离子要更轻的重离子，这些较轻离子比原始重离子有更长的射程，从而在后沿下方有一个尾巴。此尾巴往往更接近敏感器官，给治疗带来不利。
3.重离子的生物效应
重离子的生物效应通常用相对生物有效性（Relative Biological Effectiveness，RBE）表示，其定义是，当达到同一个治疗生存率时，用X射线治疗时所用的剂量值Dx和用该重离子所用的治疗剂量值Dh之比值（RBE =Dx/Dh）。此值越大表示该重离子的生物效应越好。通常都用治疗生存率10%值来定RBE值。
当高能离子进入人体后，其速度逐渐降低，当其速度接近于停止时，不但LET值变大，更重要的是局部的游离密度变得更大，这种局部高游离密度具有高度杀死肿瘤细胞的能力，因此在布拉格峰附近，尤其在布拉格峰末端处，往往RBE达最高值，随布拉格峰急速下降，RBE值也急速下降到零。碳离子在布拉格峰处的RBE比质子的布拉格峰处的RBE值大3倍左右，因此碳离子比质子生物效应要好得多。
RBE值的大小和癌细胞的本身修复能力有关越是容易修复，相应的RBE值越小。相反难于修复的癌细胞，其对应RBE值越高。即凡具有双链切断（DSB）功能者，RBE值高。反之只具有单链切断（SSB）功能，仅具有较小的RBE值。从此观点来看，质子只具有切断DNA单链功能（SSB）的功能，而重离子具有DSB的功能，这是重离子RBE值要比X射线、电子和质子高出3倍多的原因。
粒子的RBE值是一个多变量的函数，如质子的RBE值在肿瘤前部其值较低，在布拉格峰附近其值较高，最近发现在布拉格峰末端几个毫米处，其扩展布拉格峰（SBOP）的RBE值可高达1.6。但目前在临床治疗中都采用RBE值为1.15～1.2之间的单值处理。在日本HIMAC和兵库重离子治疗中心，碳的RBE值用一个RBE表（RBE Table）来处理。在德国GSI治疗中心已开始考虑到不同肿瘤位置的RBE值，即RBE =f（x，y，z）关系，逐步接近真实情况。但离准确考虑RBE值的变量因素还有不小距离。
碳离子除去RBE值高以外，还有一个较小的氧增比（Oxygen Enhancement Ratio，缩写OER），氧增比定义为乏氧细胞和富氧细胞受到同样损伤时的辐射剂量之比。一般而言，正常细胞比较富氧，而癌细胞因增殖过快而往往缺氧，X射线、电子和质子射线对缺氧癌细胞治疗效果很差。碳粒子有一个较小的氧增比，意味着有效杀死乏氧的癌细胞。由于在多数肿瘤中都存在这种缺氧肿瘤细胞，因此能更显示重离子治疗的优点。
4.重离子治疗的基本设备和工作原理
为了实现重离子治疗必需有一套与质子治疗系统与装置相类似，但规模更大的重离子治疗装置和系统。重离子治疗的基本工作原理和质子治疗相类似。下面我们简要地对与质子治疗不同要求部分的重离子治疗的基本设备工作原理和要求归纳简要叙述。
