2014年11月24日，欧洲核物理联合会（NuPECC）发表《医学中的核物理》报告^[1] ，从三个方面阐述了核物理对医学发展所产生的影响，这三个方面分别是强子治疗，医学成像和放射性同位素产生。

一、强子治疗

强子治疗是指利用加速器发射质子或碳离子轰击肿瘤从而进行癌症治疗的方法。强子治疗涉及包括加速器、束线配送、放射量测定、移动标靶、X射线学、建模、治疗计划、硼中子俘获治疗、基于粒子治疗的临床治疗过程等多方面的技术和内容。

强子治疗近年来发展非常迅速。自从1946年加速器的先驱Robert Wilson建立起强子治疗的理论基础以来，截至2012年年底，世界上运行有39所强子治疗中心（106个治疗室）。2013年，有27个强子中心在建或处于调试阶段。到2017年，世界上将有255个强子治疗室，预计到2020年世界上将有1000个强子治疗室。下面对加速器、束线配送系统和硼中子俘获治疗等与基础核物理研究关系较为密切的三个方面进行介绍。

1、加速器。重离子治疗（从最初的质子到更重的⁴⁰氩粒子）的可行性，关键取决于加速器束流配送系统的特征。强子治疗中心的具备的基本特征是：（1）在任何深度处理大多数肿瘤的能力；（2）尽可能短的处理时间；（3）分辨病灶和健康组织的能力；（4）提供固定和可定向光束线的治疗室；（5）绝对剂量和相对剂量的高精度（≤3%）；（6）可靠的控制系统。表1给出了世界上几个主要强子治疗中心微光束对活细胞定向辐射的参数。

表1  2012-2013年报道的微光束对活细胞的定向辐射参数

目前的关键问题是要开发低成本、紧凑的强子治疗系统。比利时的IBA公司正在研发场强为5.6 T的230 MeV同步回旋加速器；日本住友集团正在研发3.2 T场强的超导回旋加速器；ProTom公司研发了一个小于6米的紧凑型质子同步加速器。超导同步回旋加速器也被考虑用于碳离子治疗，意大利国家核物理研究院南方实验室正在设计配送300 MeV/amu碳的设备，住友集团负责设备的制造；IBA公司和JINR合作设计建造配送400 MeV/amu碳的设备。TERA基金会和CERN正在合作研发设计新的紧凑等时回旋加速器，能同时利用质子和碳离子进行肿瘤治疗；固定磁场交变梯度回旋加速器也作为一个设计选项考虑在内。劳伦斯利弗莫尔实验室的介质壁加速器也被设计用于质子治疗。

2、束线配送。束线配送系统负责束线的调整配送，是连接上游加速器和下游病人之间的关键部分。用于治疗的束线与实验室中的标准束线是完全一致的。粒子治疗束线的特点是要根据病人病情尽快（80毫秒到几秒之间）调整使用合适能量的束线进行治疗。

目前，有两种比较常用的束线配送方法，被动式方法和主动式方法。被动式方法指将束流通过介质的散射和降能来进行横向和纵向展宽，并进行边界限定，从而在3D内形成均匀剂量。主动式方法则将较小的束斑通过扫描磁铁在横向展宽，通过调节加速器的能量或在运输线上进行降能处理进行纵向深度的控制。

在高速扫描的前提下束线配送的控制软件和IT系统、病人的辐射防护、束线配送系统或加速器中粒子相互作用的建模、以及配送系统的安全性和稳定性都是需要深入考虑的问题。

3、硼中子俘获治疗。硼中子俘获治疗是一种双向治疗技术，中子俘获治疗需要大量的热中子源聚集在肿瘤部位。目前最先进的项目是基于5MV 30mA的射频四极加速器中子源，由意大利莱尼亚罗国家实验室的ADS项目负责研发。2012年已经成功通过高能测试，它将是一个p（5MeV）的核和密度超过10¹⁴ s^-1的铍中子源。其他正在运行的项目是（1）日本京都大学30MeV 1mA的回旋加速器；（2）俄罗斯Budker研究所的2.5MeV 10mA真空绝缘串行加速器；（3）阿根廷原子能机构的2.4MeV 30mA串行静电四级加速器；（4）英国伯明翰大学的3MeV 5mA高频高压加速器，和以色列SOREQ核子中心设计的2.0 MeV 10 mA的超导直线加速器。

二、医学成像

目前的核成像技术包括正电子放射断层造影术、PET核磁共振成像和单光子计算断层扫描。“临床成像”即“分子成像”是近10年异常活跃的研究领域，对在分子层面理解生物化学过程非常有必要，特别是对小动物的体内研究。大量的工作致力于获得更高的敏感性、更高的空间分辨率和成本更低、更易操作的仪器。很多的分子成像技术应用到小动物研究中，如PET、SPECT、CT和MRI。多模态综合方法将分子层面的解剖信息整合在一起，如PET/CT、SPECT/CT和PET/MR，这些领域的技术仍在飞速发展。

尽管探测器已经有了很好的性能，但是在非标准使用PET技术方面仍有很大进展空间。世界上开展了大量的研究改进PET各方面的性能，如：探测效率、空间分辨率、测量交互的深度、时间分辨率、紧凑性、核磁兼容性、速度和功耗。涉及的研究方面包括：闪烁体、光子探测器、前端电子、模块布局和新的探测概念。

三、放射性同位素产生

在过去十年中，在核物理设施上共发现了3000多种放射性同位素，很多都是存在时间非常短暂，并难于产生的。如果常见的放射性同位素要应用于临床治疗，需要更好地理解和优化新的放射药剂的机理。

核反应是产生同位素的主要方式，不同的产生方式不仅要考虑产量，还要考虑医学应用的两个必要条件：（1）具体的治疗情况；（2）放射性同位素的纯度。目前，产生同位素的方法主要有以下几种：中子俘获；裂变；轻离子诱导的反应；质子诱导反应；放射性同位素发生器等。表2给出了目前用于医学目的放射性同位素产生的主要的研究反应堆。

表2  目前用于医学目的放射性同位素产生的主要的研究反应堆

在过去核物理研究对强子治疗产生了巨大的贡献，未来仍将带来进一步的突破。目前强子治疗超过80%的研发在商业公司，未来几年的重要挑战之一就是与这些公司发展合作、共同评估项目、分享技术和专家。许多探索粒子治疗的领域，能够为传统的放射性治疗（如使用X射线或电子）提供重要的反馈信息。核物理在粒子治疗方面也将扮演重要角色，欧洲设立了轻离子强子治疗网络，在过去的10年中建立起不同学科的科学家网络，如物理、生物、工程、医学等。轻离子强子治疗网络成功地领导实施了若干FP7项目，并将在“地平线2020”计划中继续获得重点支持。

四、展望

核物理基础研究的技术延伸也使医学受益，如核成像。随着技术的发展，核物理和核成像已经不仅仅是互补和协同的关系了，随着市场需求的驱动，核成像技术发展速度大大加快，核成像探测器发展极大推动了核物理的研究行为。对于跨国的核物理实验，需要一个稳定的中期科学目标，才有可能为核探测培养出最好的技术人员、医生和研究人员。大量的研发事实证明，即使基础核物理研究活动看起来距离实际应用还很遥远，但它们在不断扩展新的技术领域。              

（李泽霞）