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惡性腫瘤（癌癥）是當前對人類生命健康危害極大的疾病，并一直是困擾世界各國的難題。據我國國家癌癥中心統(tǒng)計，2020 年全國癌癥年發(fā)病數457 萬例，死亡數300 萬例；平均每分鐘就有7 人被診斷為癌癥，5 人死于癌癥；癌癥死亡占我國死亡總人數的20%，居各種死亡原因的第二位，并且仍在以每年1.3% 的速度增加。為戰(zhàn)勝這種病魔，臨床治療從外科手術、化學治療和放射治療三大常規(guī)方法發(fā)展到免疫治療和基因治療等各種新方法。其中，放射治療在臨床上越來越受重視。據統(tǒng)計，癌癥患者當中約有60%~70% 需要接受放射治療，而經不同方法治療的癌癥患者能存活五年以上者，放射治療占45% 以上。近年來，癌癥放射治療的技術有很大進步，治愈率和有效控制率明顯提高，放射治療使某些早期局部性腫瘤獲得根治，有些癌癥部位的器官及其功能得到了保留，中晚期腫瘤也可抑制擴散，減輕痛苦，改善了患者的生活質量并延長了患者的壽命。
放射治療作為一種物理治療手段，已有 100 多年歷史。開始階段使用光子射線，如X射線、 射線等；盡管通過技術進步而創(chuàng)建了三維適形放療（3-dimensional conformal radiationtherapy，3DCRT）和調強放療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）等新的放射治療方法，然而，對光子輻射抵抗的腫瘤治愈率并未得到明顯的改善。二十世紀五十年代，人們利用加速器產生的質子和重離子（包括氦離子、碳離子、氖離子等）進行了放療試驗，逐漸使放射治療邁入了一個嶄新的發(fā)展時代。目前腫瘤放療界普遍認為，質子重離子治療相對于其他放射治療有著不少獨特優(yōu)點，它們將成為二十一世紀比較科學、比較理想的放療方法。
質子和重離子與物質相互作用的特殊機制使它們在腫瘤治療方面具有一系列優(yōu)勢：既能有效殺滅腫瘤細胞，又能限度保護周圍健康組織，副作用小；劑量相對集中，治療精度高（毫米量級）；殺傷力強，照射時間短，療效高；碳離子治療還能做到實時監(jiān)測，便于精準控制位置和劑量。所以世界上有些國家，傾注了大量人力和物力進行重離子治癌裝置的建造和治癌基礎及臨床應用研究，使得質子重離子治癌成為放射治療領域的前沿性研究熱點。
我國從1995 年起依托中國科學院近代物理研究所的蘭州重離子研究裝置（HIRFL）開展碳離子治癌研究，經歷了碳離子放射物理學和放射生物學實驗研究、治療技術的探索和儲備、動物實驗、臨床前研究、前期臨床試驗研究以及推廣應用等階段。20062013 年間中國科學院近代物理研究所共計完成了213 例腫瘤患者的碳離子前期臨床研究；2012 年開始國產首臺醫(yī)用重離子加速器的研制；2019 年9 月29 日中國科學院近代物理研究所研發(fā)的首臺國產醫(yī)用重離子加速器裝置通過注冊獲第三類醫(yī)療器械許可證；2020 年3 月26 日安裝了該設備的武威腫瘤醫(yī)院重離子研究中心正式運營，目前已治療五百多例患者并取得了很好的臨床療效，使我國成為繼美國、日本和德國之后世界上第四個自主實現腫瘤重離子臨床治療的國家。綜合他們的結果，重離子治療已被證實是放射治療領域有效的技術。
本教材是多年實施國家攀登計劃（B）得到的科研成果之一，是原子核物理學中重離子束應用的具體體現。本書圍繞著核技術應用于醫(yī)學的生動實例，用簡明的核科學理論，概要地闡明了這些應用的技術基礎和科學原理，屬于原子核物理學與生命科學交叉學科的范疇，是放射醫(yī)學學科發(fā)展的主要方向之一。它也是科研成果轉變?yōu)樯�產力，推動技術進步，為社會創(chuàng)造價值的一個典型例子，也是科研與生產相結合，面向世界科技前沿、面向經濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，為生產實踐服務的一個范例。
本書從重離子放射物理學及放射生物學基礎入手，概述重離子的生物物理特性，分析碳離子治癌的原理和優(yōu)勢，介紹質子碳離子治療加速器的結構與實現方案、質子碳離子束流配送方式及根據不同束流配送系統(tǒng)實現質子碳離子調強適形照射治療的方法。為搭建質子碳離子加速器裝置與臨床治療之間的橋梁，本書介紹了質子碳離子治療計劃系統(tǒng)，同時對配合質子碳離子治療的患者定位系統(tǒng)進行了說明，本書還對質子碳離子臨床治療的安排設計、操作過程、治療結果和一些問題進行了展示和討論，后對質子碳離子治療未來的發(fā)展從實現的可能性及技術等角度進行了展望。
本書的出版目的是：一方面希望為從事質子碳離子治療研究的科研人員及進行質子碳離子治療開發(fā)的應用人員提供基礎性參考，另一方面為普及質子碳離子治療知識和促進質子碳離子治療新技術在我國的推廣提供科普性參考。由于本書涉及交叉學科中門類廣泛的多種學科，以及我們編著水平有限，錯誤和缺點在所難免，懇望廣大讀者批評指正。
周光明
2022 年4 月