随着人口老龄化加剧和肿瘤发病率的持续攀升，恶性肿瘤已成为威胁人类健康的重大疾病 ^[1]。碳离子放射治疗技术起源于 20 世纪，其基于带电粒子在生物组织中的布拉格峰效应，并利用射程调制展宽布拉格峰（spread-out bragg peak，SOBP）的治疗原理，为粒子放射治疗提供了物理基础，共同推动该技术进入临床应用时代 ^[2-3]。碳离子放射治疗技术为先进的癌症放疗技术，是肿瘤放疗领域的前沿方向。我国于 2006 年完成浅表肿瘤临床验证，成为全球第 4 个掌握重离子放射治疗技术的国家^[4]。目前，我国重离子医疗设施建设已进入快速发展期，国产碳离子放射治疗系统已在上海、甘肃的武威和兰州等多地投入临床应用，标志着我国重离子治疗实现了规模化应用与推广，为全面提升肿瘤诊疗水平和精准放疗技术普及奠定了坚实基础。本研究系统梳理碳离子放射治疗的系统原理、优势及应用进展，旨在为碳离子放射治疗技术的优化升级、临床应用转化及未来研究方向提供理论参考。

1 碳离子放射治疗的系统组成与工作原理

碳离子放射治疗系统分为加速器子系统和治疗子系统，加速器子系统包含离子源系统、注入器、中能传输系统、同步加速器、高能传输系统及束流配送系统；治疗子系统包含各治疗室、图像引导系统、治疗计划系统及物理计划室等（图 1）。其工作原理为：从离子源产生的碳离子束经回旋加速器初步加速，剥离电子后注入同步加速器；碳离子在同步加速器中进一步提升至所需能量，最后经束流配送系统进入治疗子系统的治疗室，根据治疗计划利用扫描磁铁精确控制经小幅度展宽的碳离子笔形束在肿瘤靶区的横截面上进行扫描，并通过切换束流能量的大小改变束流的穿透深度，实现对肿瘤不同深度的逐层照射 ^[5]。束流配送系统分为被动式束流配送系统和主动式束流配送系统。被动式束流配送系统是将从加速器中引出的笔形束通过扫描磁铁和脊型过滤器进行横向扩展和纵向展宽，随后经过射程移位器和多叶准直器最终调整为横向与靶区适形且纵向峰位与靶区深度一致的束流。主动配送系统则无需对束流进行大范围横向和纵向的扩展，仅通过对横向偏转磁铁、纵向偏转磁铁、多叶准直器以及碳离子束能量的调制即可实现碳离子束位置的三维控制。

图 1 碳离子放射治疗系统示意图

2 碳离子放射治疗技术的临床优势

碳离子放射治疗作为先进的放射治疗技术，其临床优势源于物理学特性与放射生物学效应的协同作用。（1）碳离子的物理学特性：碳离子束具有独特的深度 - 剂量分布特征。高能离子束的能量沉积随着入射深度的增加呈现先增后降的布拉格峰，通过精确调控布拉格峰的位置可使其与肿瘤深度重合，这种特性在实现靶区剂量集中释放的同时最大限度地实现了对周围健康组织的保护。此外，由于碳离子与质子相比具有更大的质量，碳离子在介质中的横向散射更小。当碳离子与介质原子核发生弹性碰撞时，其运动轨迹仅发生微小角度的偏转，在宏观尺度上呈现出近似直线传播的特征，这种独特的低散射特性使碳离子束在束流传输过程中展现出卓越的准直性能。实验数据显示，碳离子束在深度为 20 cm 的水模体中仅产生 1.5 mm 的横向散射，而相同条件下质子束的横向散射达到 6.5 mm^[6]。同样，质量大的粒子的纵向散射也更小，因此碳离子入射组织后相比于质子具有更尖锐的布拉格峰，为碳离子放射治疗射程的精准性提供了理想的物理基础 ^[7]（图 2）。（2）碳离子的生物学优势：包括相对生物学效应（relative biological effectiveness，RBE）高、氧增比（oxygen enhancement ratio，OER） 低、细胞周期依赖性小，这些生物学特性构成了碳离子放射治疗区别于传统光子和质子治疗的独特优势 [8]。a. RBE 高：与光子和质子相比，碳离子具有更高的传能线密度（linear energy transfer，LET），在布拉格峰区形成局部高能量沉积，促使 DNA 双链断裂，对肿瘤细胞造成不可逆的损伤。碳离子放射治疗的 RBE 值可达到 2.0 ~ 3.5，显著高于质子治疗（RBE 值约为 1.1），因此碳离子在肿瘤放射治疗中展现出卓越的疗效。b. OER 低：OER 可表征组织中氧气含量对辐射效果的影响。与光子和质子相比，碳离子具有更低的 OER，针对含氧量低的组织仍有较好疗效，在乏氧肿瘤治疗中展现出独特优势。c. 细胞周期依赖性小：低 LET 射线主要通过间接电离产生自由基进而损伤 DNA，其杀伤效果与细胞周期密切相关；而高 LET 的碳离子会对 DNA直接造成不可逆的双链断裂损伤，该过程受氧含量水平的影响较小。

图 2 400 MeV/u 碳离子与 230 MeV/u 质子在水中的归一化深度剂量曲线

3 碳离子放射治疗技术的研究进展

近年来，碳离子放射治疗系统的技术发展主要聚焦于设备小型化、剂量精准化与人工智能化 3 个方向，在加速器设计、剂量实施及智能决策等领域取得显著突破。

3.1 加速器小型化技术研究

现有的碳离子放射治疗中心均采用大型同步加速器体系，由于磁刚度约束的限制，400 MeV/u 碳离子同步加速器的直径较 250 MeV 质子同步加速器增加 3 倍，占地面积扩大约 10 倍，导致建造成本、安装费用及运维成本显著攀升。为降低碳离子放射治疗系统设备规模，当前研究主要聚焦以下两方面。（1）采用超导磁体技术：超导磁体的实现依赖于低温环境，目前技术成熟的主流方案是采用液氦低温冷却系统。尽管其初始投资成本高于常规磁体，但其全运营周期的成本效益显著。超导磁体在稳态运行时电阻为 0，总功耗大幅降低；强磁场通过减小回旋半径实现加速器体积压缩，超导机架重量可由传统常温磁体机架的 600 吨降至约 150 吨，大幅降低建造成本，同时省去了大功率水冷系统，优化了维护成本 ^[9]。（2）研发激光粒子加速器：超强激光轰击靶材直接产生高能离子束，通过大幅压缩加速长度也能够缩小设备规模。然而，受到激光峰值功率不足、靶材稳定性欠佳及辐射屏蔽困难等限制，全激光驱动碳离子加速系统目前仍处于实验室研发阶段 ^[10]。

3.2 剂量精准化技术研究

3.2.1 图像引导技术优化

目前，碳离子放射治疗的图像引导主要依赖CT 和数字 X 线摄影技术，但 X 线成像会对患者造成额外的电离辐射。MRI 以其无辐射特性与卓越的软组织分辨率能力成为碳离子放射治疗图像引导技术的研究热点。然而，由于碳离子在磁场中受洛伦兹力作用会发生束流偏转，导致该技术的临床应用受到限制，现阶段相关研究仍主要以理论模拟为主。为克服该技术障碍，MARHOU 等 ^[11] 研究提出基于校准曲线的束流偏转修正方法，为实现 MRI引导碳离子放疗的精准实施提供了理论支持。临床实践中，患者解剖结构变化、摆位误差及碳离子固有的射程不确定度是影响精准放疗计划实施主要原因 ^[12]。正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）技术通过监测带电粒子与组织发生核反应产生的正电子湮灭光子，可有效监测治疗过程。为降低碳离子射程偏差，与 PET 成像结合的碳离子图像引导治疗成为了新兴的研究方向。KOSTARA 团队 ^[13] 使用 INSIDE 双探头 PET 系统，结合硬件创新与算法优化，显著提升了射程监测精度。日本量子科学技术研究开发机构研发的 OpenPET 系统通过全环形结构设计，解决了传统双探头 PET 系统轴向分辨率不足的缺陷，使空间分辨率达到 3 mm^[14]。

3.2.2 超高剂量率放射治疗技术研究

在实现束流位置精准引导的同时，提升剂量实施的精准性同样重要。超高剂量率放射治疗是指使用远高于常规剂量率照射的新兴放射治疗技术，当剂量率超过 40 Gy/s 时，超高剂量率放射治疗模式在维持肿瘤控制率的同时可显著降低正常组织毒性 ^[15]。TINGANELLI 等 ^[15] 利用超高剂量率的碳离子束对骨肉瘤小鼠模型的 SOBP 区（20 Gy，LET 65 ~ 85 keV/μm）进行照射，在抗肿瘤效果与皮肤毒性相当的前提下，超高剂量率的碳离子束对正常组织的辐射损伤显著低于常规剂量率治疗。

3.3 联合人工智能技术应用

相比于传统光子放疗，碳离子放射治疗物理特性更为复杂，对剂量分布精度具有更高的要求，而人工智能（artificial intelligence，AI）技术在处理非线性问题、多模态数据融合等方面的优势尤为突出。因此，AI 技术应用于碳离子放射治疗的相关研究并取得了一定进展，主要体现在以下 4 个方面。（1）在治疗计划阶段，AI 通过双能 CT 系统生成精准阻止本领比映射，并利用 MRI 及 CT 在保留软组织细节的同时降低影像配准误差 ^[16]；（2）在剂量计算领域中，碳离子放射治疗系统联合 AI 通过剂量预测模型加速蒙特卡洛模拟的运行速度，在保持计算精度的同时显著提升运算效率 ^[17]；（3）针对碳离子放射治疗特有的射程不确定性问题，AI 通过解析治疗过程中产生的次级信号的空间分布特征，建立剂量 - 信号关联模型，实现治疗过程中的实时剂量验证 ^[18]；（4）在图像引导环节，AI 通过深度学习模型实现锥形束 CT 图像质量增强（如 HU 值校正、散射噪声抑制）和阻止本领比映射，显著提升粒子治疗的解剖结构识别精度与剂量计算准确性 ^[19]。尽管当前面临临床数据稀缺、模型可解释性不足等挑战，AI 与碳离子放射治疗物理过程的结合仍为碳离子放射治疗的智能化发展奠定重要基础，推动碳离子放射治疗向智能化、实时化方向发展，为提升碳离子放射治疗的精准性、安全性与可及性，并最终实现更好的临床疗效奠定了坚实的基础。

4 结论与展望

碳离子放射治疗技术凭借其独特的物理与生物学优势成为肿瘤放疗的最前沿技术之一。但其临床应用仍面临靶区位移误差与高昂成本的双重挑战。近年来，随着 PET、MRI、超高剂量率放射治疗及AI 等技术的发展，碳离子放射治疗逐渐能够进一步精准平衡靶区覆盖并实现对正常组织的保护，而紧凑型加速器设计、流程优化及设备国产化可大幅降低基建与治疗成本。未来，技术升级与临床数据积累将推动碳离子放射治疗向普惠化转型，逐渐成为肿瘤综合治疗的常规选择。

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