放射性離子束

放射性離子束在它的Bragg 峰區具有良好的劑量局域性和較高的RBE。特別是在德國 GSI，與加速器主動變能配合使用的柵(raster)掃描束流配送系統，和在日本NIRS，與患者呼吸同步的輻照系統使用後，使得重離子束立體適形治療具有了毫米級精度。重離子束治癌在多種腫瘤臨床試驗中已經獲得史無前例的成功。

基本介紹

• 中文名：放射性離子束
• 外文名：Radioactive ion beam
• 描述：具有良好的劑量局域性
• 套用：重離子束治癌
• 學科：物理

概念

放射性離子束（RIB）可以為改善癌症治療效果提供一種新的手段，套用發射β⁺的放射性離子束¹⁰C 或 ¹¹C，儘管可以消除治療計畫中重離子射程估計的含糊不清，對提高立體適形治療的精度將起重要作用，但它們對細胞的殺傷力卻貢獻甚。然而，存在另一類放射性離子束，如⁹C^-、⁸B^-離子，它們為緩發粒子β⁺衰變束，在其β⁺衰變之後，還會發射低能質子和α粒子，這顯示：這類放射性離子束是一種雙重輻射源，一個來自體外的離子本身，另一個來自離子在體內的緩發粒子，它們對腫瘤實施著雙重輻照。這些發射粒子在水中的射程只有幾十至幾百微米，所以，它們的作用範圍，被就地限制在放射性離子束停止的有限區域內。由於這些低能粒子具有很大的BRE (處於4-6 )，因而有著很高的細胞殺死效率。當這類離子入射在感興趣的區域(腫瘤)內，來自它衰變後的發射粒子一定會提高對癌細胞的殺傷力。

放射性離子束的產生和加速

研究背景

20 世紀核物理的一個重要推動力是核反應探針(離子束) 種類的不斷更新和增多。 30 年代起為輕離子，如 H、D、³He、⁴He等；60年代起為重離子，如O、Si、Ni、Cu、I、Au 等；70 年代起為極化離子，如 H、D、T、³He、⁶Li、²³Na 等；80年代起產生新的離子，即放射性核束，如⁶He、¹¹C、¹⁷F、⁶⁴Cu 等。歷史經驗表明：每類新離子束的出現都會給核物理和套用以及交叉學科開拓新局面，帶來新發現。放射性核束的產生和加速已成為加速器工程技術的一個前沿領域。產生放射性核束有線上法和離線法。線上法是指利用加速器加速的離子轟擊反應靶，線上產生放射性核素和離子並加速。線上法又分為彈核碎裂法(PF法) 和線上同位素分離法(ISOL 法)。離線法是利用反應堆輻照( 或其它方法)材料產生感興趣的放射性核素，置入離子源中產生放射性離子，再注入加速器中加速。

次級放射性束流線的研製

次級放射性束流線安裝在 HI-13 串列加速器上，由初級反應靶室、二極分析磁鐵、磁四極透鏡、縫隙儀 、準直器和次級反應靶室等組成，其束流線總體安排如圖 1 所示。選用HI -13 串列加速器提供的低能重離子打H或D靶，通過逆幾何反應產生感興趣的放射性離子，再經過分離純化、聚焦、導向、最後傳輸到次級反應靶室。在次級放射性束流線上先後獲得放射性核束¹¹C、¹⁷F、⁷Be、¹³N、⁶He。

圖 1 次級放射性束流線的總體布局

放射性核束64Cu 的產生和加速

採用離線方法產生和加速放射性離子束的實驗研究是在中國原子能科學研究院進行的。首先對放射性核束⁶⁴Cu 的產生和加速進行了出束實驗研究。將高純度的銅靶放在反應堆里被中子輻照，產生放射性核素⁶⁴Cu，再置入濺射離子源中產生⁶⁴Cu 離子，經預加速後，注入 HI-13 串列加速器。其技術難點是：離子源的強放射性⁶⁴Cu 陰極靶的製備、安裝、準直和禁止；弱束流⁶⁴Cu 加速時的加速器調束以及⁶⁴Cu 的分離和鑑別。

放射性離子束9C的細胞生物學效應

當 ⁹C入射離子停止在感興趣的區域(腫瘤)內，來自它衰變後的發射粒子一定會提高對癌細胞的殺傷力，這就是為什麼要採用 ⁹C 束來探索新的腫瘤治療技術的理論根據和基本理由，它的成功將會使穩定重離子束治癌技術
得到提升，進一步推動腫瘤治療的技術進步。

9C 離子束的獲得

在 HIMAC-SBL 上，採用能量為430 MeV/u、強度為1.8× 10⁹ 粒子/s 的¹²C 離子作為初級束，來產生 ⁹C離子束，為了獲得儘可能高的 ⁹C 產生率與純度，採用了24 mm，40 mm 和56 mm不同厚度的鈹靶作為產生靶，3.5 mm 和 10 mm 不同厚度的鋁靶作為降能器，通過調束來最佳化束流線參數。為輻照細胞需要一個面積較大的均勻輻射場，這個輻照場的均勻性採用一個位置靈敏半導體探測器(PSD)進行測量，為了在調製均勻場時減少束流損失，採用點掃描技術代替了先前採用過的搖擺磁鐵模式。

研究結果

（1）在離子最大阻止幾率位置上，⁹C^-束的 RBE 是 ¹²C^-束的 1.8 倍。它顯示：在Bragg 峰附近，即病灶區，⁹C^-束的細胞殺傷效力要強於¹²C^-束，這表明 ⁹C^-束治癒腫瘤更有效。

圖 2 細胞樣品在 Bragg 曲線上的位置

（2）HSG 細胞在g-射線模擬低劑量率(0.5 Gy/h)時，存活率在半對數坐標上可擬合為一條直線，這表明，單靶一次擊中模型是適合於模擬低劑量率下的g^-照射，它不同於急性照射(0.5 Gy/min)下的線性-平方模型。它暗示：在劑量脈衝給予照射時，亞致死損傷是可以完全修復的。

（3）束流參數即使被最佳化，但入口處⁹C^-束的劑量率仍然相當低(僅0.5 Gy/h)，這是由於它的產生率較低。但是，正常的重離子束治療劑量率需要5Gy/min 左右。根據測得的深度劑量分布，在G和H位置上(見圖 2)相應於入口劑量率0.5Gy/h 的劑量率應分別為0.90和0.76Gy/h，平均為0.83 Gy/h(即0.014 Gy/min)，因此，為滿足正常治療的劑量率(5Gy/min)，初級束的強度必須增加 357 倍，即初級離子束 ¹²C 的強度至少需要6.4×10¹¹粒子/s。