如何用粒子加速器做一把超高效的手術刀？

這個圍繞著我的這個周長 56 米的大圓環，是一個同步加速器。沒錯，就是你腦子里想的那個用來研究宇宙起源的粒子加速器。但它在這里的作用并不是為了發現新的粒子，而是為了 ——治療癌癥。

通過這個巨大的加速器，我們能夠將一束碳離子加速光速的 70%，之后用它干碎癌細胞。大家好，我是差評君，今天我們就來聊一聊，粒子加速器，是如何治療癌癥的？

眼前的這一整幢大樓是浙江省腫瘤醫院的 “重離子治療中心”，但它同時也是一套治療裝置。

事實上，這幢大樓里的每一個房間、每一條管線、每一個裝置，都是為了能夠保證在不傷害正常組織的前提下，把腫瘤處理干凈。要理解這件事為什么這么難，我們得先從癌癥是怎么出現的說起。

一顆受精卵，經過不斷地分裂和分化，最終會形成人體的各個部分。這本來是正常的生理現象，但組成人體所需要的細胞實在是太多了，據估計，一個成年男性體內通常有 36 萬億個細胞。

這么多的細胞當中，難免有一些會在分裂和分化時出錯，當某些細胞異常增殖和失控生長，就形成了腫瘤。而腫瘤中惡性的部分，被稱作癌癥。

當人們討論癌癥時，通常想到的便是實體腫瘤，也就是一塊過度生長且不會停止的肉。先不考慮任何技術和原理，面對人體中一塊不斷生長的肉，人們第一反應應該就是把它割掉吧。沒錯，直接動手術將惡性腫瘤切除，就是最古老、最基本的腫瘤治療方式。

手術治療見效快、治療徹底，但也有它特有的缺點。首先是手術治療必須開刀，作為一種侵入性操作，會帶來出血、感染、麻醉意外等風險。更重要的是，每個患者的身體狀況和病灶位置不同，很多情況下根本無法開刀，又或者即使開刀也無法準確完整的切除全部腫瘤。

面對這種情況，我們需要更新、更好的治療方式。1895 年，德國物理學家倫琴發現了 X 射線，次年，法國科學家貝克勒爾發現了放射性，之后，人們很快開始嘗試用放射線治療腫瘤。

早期的放射治療，使用的主要是光子。通過直線加速器產生的高能量 X 光束進入人體后，會與組織內的原子和分子發生相互作用，進而殺死癌細胞。

相互作用有兩種形式，一種是直接作用，一部分高速電子能夠直接撞擊并打斷癌細胞的 DNA 鏈。但光子太小了，能夠直接撞到DNA 的畢竟是少數，所以更主要的是靠間接作用。間接作用指的是，沒有撞到 DNA 的那部分光子有更大的概率撞到水分子。

高速電子與細胞內的水分子發生碰撞，會產生大量化學性質極不穩定的自由基。這些自由基會像散彈一樣散開，進一步攻擊和破壞 DNA 結構，導致其單鏈或雙鏈斷裂。

欸，先慢著，間接作用的殺傷范圍大，那在這過程中它是如何知道哪些細胞是癌細胞可以殺，哪些細胞是正常細胞不能殺的呢？

問得好，答案就是它也不知道。

間接作用發生的過程中，自由基會平等的打斷每個細胞的 DNA，所以理論上所有細胞都會遭受同樣的傷害。但癌細胞由于快速分裂的特性以及基因組的不穩定性，其 DNA 修復能力通常比正常細胞差。

這有點像是正常細胞的血條比較厚，癌細胞的血條比較薄，X 光一個 AOE，正好能夠殺死癌細胞，而正常細胞還能靠著一點血皮慢慢回上來。

但這還有一個問題，那就是 X 光造成的傷害是貫穿式的，也就是說，除了病灶發生的地方外，光路所及的所有正常組織也都會受到傷害。不僅如此，有些腫瘤塊兒很大，內部的乏氧區會進一步削減光子化療的效果。

你說把 X 光的功率調高一點吧，正常組織頂不住，調低一點吧，癌細胞反而能頂住了，這強弱之間微妙的 “度” 就很難把握。那么有沒有什么東西能夠切得像手術刀一樣干凈，又不會傷害淺層的組織呢？

欸，真的有，那就是重離子放療。

所謂的重離子放療，指的是使用以碳離子為主的高能離子束，來精準摧毀癌細胞的技術。為什么需要用到碳離子呢？這是因為碳離子是一種實實在在的物質，它獨占空間。而光子更像是一段能量組成的波，它沒有靜止質量也沒有體積，只是電磁力的傳遞者。

舉個不太準確但便于理解的例子。

向人體發射光子，像是往前吹一陣風，它影響的范圍很廣，但是沒辦法集中所有能量到一個固定的點。發射碳離子則像是往水里射出了一粒高速子彈。子彈剛入水的時候，速度極快，水來不及對它產生強烈阻擋，破壞反而并不集中。但隨著子彈不斷減速，水對它的阻力會急劇增大，最終甚至會形成一塊破壞力巨大的空腔。

當然，碳離子本身非常小，實際造成它減速的是庫侖力而非摩擦力。

想要在微觀世界中描述粒子速度和能量釋放的關系，我們可以通過貝特-布洛赫公式來表示。可以看出來，粒子的速度和能量損失是成反比的，也就是說碳離子的速度越慢，它的能量釋放就越大，所以當它最后停下來的時候，能量會瞬間全部釋放。

由于能量只在很小的區域內集中爆發，導致相對放射劑量如山峰般拔地而起，所以這種現象又被叫做 “布拉格峰”。

布拉格峰現象是重離子放療能夠隔山打牛的主要原因。但想要穿透人體組織這么深的距離，一般的速度可不夠。我們需要把重離子加速到非常快，快到沒辦法簡單的用米或是千米來衡量它的速度，而是得用 —— 光。

具體地說，重離子放療會在一個巨大的同步加速器中，將碳離子加速到約光速的70%，然后通過高能離子束治療癌癥。而這么大的裝置，其實一共是由五個部分組成的。

這里，是離子發生室，它是所有治療的起點。將甲烷（ CH? ）注入到橙色的離子發生室中，就能分離出帶正電的碳離子。

之后碳離子會進入一個小型的直線加速器里被初步加速。離子束被加速到一定速度后，就會進入到這個大圓環中，它也是整套裝置最核心的部分 —— 同步加速器。它和歐洲的大型強子對撞機的原理基本上相同，是用電磁場去不斷的加速整個離子束。

離子束進入加速器之后，會被二級磁鐵引導偏轉，然后在這個圓環中不斷運動。

在圓環的特定位置設置有 “ 射頻諧振腔 ”，它的功能是形成非常高頻的交變電場。電場內的電磁波會像海浪一樣，不斷推動碳離子加速。但只加速一次肯定是不夠的，所以射頻諧振腔會不斷改變電場的大小和方向。

這帶來的結果是，碳離子每進入一次諧振腔，就會被推一把，單次推的力可能不是很大，可是碳離子在同步加速器中的速度非常快，每秒鐘能轉幾十上百萬圈，也就是會被推幾百萬次，逐漸累積起來的速度就非常快了。

在醫用的同步加速器中，碳離子的速度最快能能達到每秒 21 萬公里左右，然后將它射入人體。

離子束進入人體后，首先經過一個低劑量階段，平穩地穿過擋在腫瘤前面的健康組織。當到達預定的病灶深度時，能量瞬間引爆，形成布拉格峰，對腫瘤細胞進行毀滅性打擊。

隨后，能量戛然而止，實現了對腫瘤后方健康組織最大程度的保護。因為腫瘤是立體的，所以我們可以想象成一個 3d 打印。我們 3d 打印是一層一層打印的，重離子治療就是好比逆 3d 打印的過程，就是把腫瘤從體內 3d 打印沒掉。

但還有一個小問題，人總是會動的，在 CT 室以這種姿勢測出來的腫瘤位置，怎么能保證在治療室還能準確還原呢。

我現在就在治療室里面，如果我是一個癌癥患者，我會經歷怎么樣的重離子治療呢。

首先我進來之后，會被帶到這里做一次現場的 CT，這就是為了保證我的身體情況

和我當時做治療計劃的時候是完全一致的。

做完 CT 后會被機械臂帶到這邊來，這里有張床。這個床是六維的，可以上下左右俯仰調整我的位置。除此之外，還有這樣一個模具，就是為了保證我的位置固定不動，以及能夠對準這些輔助線，跟我當時做治療計劃的時候一致。

除此之外，還有很多東西，比如上面的這些 DR 啊，能夠實時監控我的身體狀況，因為我可能因為心跳、呼吸、腸道蠕動改變我的位置。

為了能夠完全消解呼吸這樣不可避免的運動帶來的位置變化，重離子治療過程中還會加入 “ 呼吸門控 ”。也就是說，設備會根據患者的呼吸節奏，實時調整碳離子束的釋放，只有當患者呼吸到特定的階段、腫瘤剛好移動到準星之內時，才會發射。

通過這些方式，我們就能夠保證碳離子被打出來的時候能夠直達病灶，只對準癌細胞。通過多重驗證確認患者姿勢和位置，再加上粒子特有的布拉格峰現象，能讓重離子放療以極高的精度來消滅腫瘤。

舉個具體的例子，比如說前列腺癌。

前列腺所在的位置非常刁鉆，它藏在盆腔深處，前面是膀胱后面是直腸。如果用傳統的光子放療其實也能治，只不過就像咱們前面提到的，光子放療的傷害是貫穿式的。因此，一些患者雖然治好了癌癥，但會留下許多后遺癥，像是放射性腸炎或是放射性骨髓抑制等。

這兩種后遺癥一個會影響消化和排便，另一個會影響造血功能，盡管不致命，可還是會對患者的生活水平造成很大影響。

蘭州大學的一篇研究報告就指出，通過光子放療產生放射性腸炎的概率大概在8%-10% 左右。但通過重離子放療的話，導致放射性腸炎的概率就只有2%。

日本幾家醫院的治療結果也表明，通過重離子放療，前列腺癌患者的 5 年和 10 年生存率能夠達到 95.8% 和 85%，副作用也顯著降低了。

對于位置刁鉆的癌癥，重離子放療殺得很準，但這還不是它的全部優點，它還有另一個獨到的優勢 ——「殺得干凈」。

在很多腫瘤治療的實踐中，人們發現光子放療的效果好壞很容易受到氧氣的影響。光子治療它是這樣的，它對富氧狀態的腫瘤效果就比較好，對于乏氧的腫瘤效果就不好。對于大一點的腫瘤外層是比較富氧的，效果就比較好，內部乏氧效果就不好。

前面講了，光子放療生效的主要方式是高速電子與細胞內的水分子碰撞產生活性氧自由基，進而殺死癌細胞。在這一過程中還需要一個十分重要的元素：氧氣。

為什么氧氣能夠幫助自由基殺死細胞，目前業內還沒有絕對的定論，這篇論文中提到的「 氧固定假說 」，算是比較公認的原因。

簡單來說，氧氣的作用并不是直接殺死細胞，而是在自由基造成傷害后將傷害固定下來。如果沒有氧氣的話，自由基產生的損傷可以很快被修復，而當氧氣含量充足時，傷害就會加倍。

這等于是給所有細胞上了一個減少回血的 debuff，讓 X 光的 AOE 傷害更高了。正常情況下，細胞中都是含有大量氧氣的，但腫瘤這家伙就是喜歡搞特殊。

腫瘤說到底也是組織細胞，當它生長時，也會生成新的血管為癌細胞提供氧氣和養料。但惡性腫瘤的生長速度實在是太快了，新血管的生成趕不上腫瘤的生長速度，于是腫瘤中心經常會出現低氧區域。

結合前面的兩個知識點，同學們應該很容易想到，X 光殺腫瘤靠的是癌細胞血薄，但是它低氧狀態不吃 debuff 又緩解了一部分。于是正反一抵消，就造成光子放療時，癌細胞殺不干凈，容易復發。

就拿有著癌中之王之稱的胰腺癌的治療來說，這類腫瘤通常伴隨嚴重的乏氧情況，普通光子治療的效果很差。那么總體像這胰腺的患者，那我如果用常規光子來做的話，他的兩年生存可能統計只有 38%，而使用重離子能達到 56% 以上。

相比之下，重離子放療主要是通過直接、高密度的電離作用破壞 DNA，其殺傷過程不依賴或極少依賴氧氣的參與。這使得重離子能夠無視腫瘤的乏氧狀態，對乏氧和有氧細胞均表現出強大的殺傷力。

雖然癌細胞有減傷，但不好意思，重離子打的都是真實傷害。這種真實傷害并不只是停留在紙面上的理論，而是經過了大規模臨床驗證的現實。

截至目前，就在大家看到的這棟樓里，浙江省腫瘤醫院已經使用重離子放療治療了超過 500 名患者。

這其中有癌中之王胰腺癌，也有對生活質量影響很大的前列腺癌，更多的是發病率最高的非小細胞肺癌。數字的背后，不是冰冷的統計，而是有 500 多個家庭被更先進的治療方式拯救。

從手術治療到光子放療再到重離子放療，不難發現，針對腫瘤的清除目標一直只有兩個：準確識別和殺得干凈。對比其他方案，重離子放療確實是目前能夠同時兼顧這兩者的最好選擇。

當然，它也并非完美無缺。

首先，最無法回避的問題，就是貴。

因為投入的這個設備非常昂貴，像浙江省這么一個重離子中心投了 12 個億，包括設備，包括基建。動輒十數億的建造費用，還有每年上千萬的運維成本，使它成為了一種稀缺的頂級醫療資源，高昂的治療費用將很多患者擋在門外。

此外，重離子放療只適用于有明確邊界的實體腫瘤，對于像白血病這樣已經擴散至全身的血液癌癥，或是發生了廣泛轉移的晚期癌癥，它也同樣束手無策。既然如此，我們為什么還要傾盡全力去發展它呢？只是為了服務少數有錢人嗎？

當然不是。

我們去研究和發展重離子放療技術，并不是因為它現在已經足夠完美。恰恰相反，正是因為它很昂貴，還無法幫助所有人。在這座龐大的裝置背后，并不只是一項醫療技術，而是一整套人類與癌癥對抗的能力體系。

從粒子物理，到精密制造；從控制系統，到臨床醫學；每一次優化、每一次降本，都在拉近先進治療與普通患者之間的距離。也許有一天，加速器不再需要占據一整幢大樓，昂貴的設備會變得更緊湊、更普及。

到那時，重離子治療將不再只是少數人的希望，而是更多生命能夠被穩穩接住的多一個選擇。

而這，才是我們不斷探索的真正目的。

撰文：馮飛房

編審：楊子 & 蛋布利多&小鑫鑫

視頻制作：小楊&錘子&十一&上進&迎風&老秦

美編：素描& 煥妍

圖片、資料來源：

腫瘤放射治療的發展-楊根等

重離子束在醫學治療中的應用-衛增泉 魏寶文

用于碳離子束流布拉格峰展寬的新型多孔結構體的模擬-董思學等

重離子治療腫瘤中RBE的影響因素及計算方法-顏家瑋等

A mechanistic investigation of the oxygen fixation hypothesis and oxygen enhancement ratio-David Robert Grimes & Mike Partridge