第1章和第2章中介绍了重粒子线的简要情况，通过这些介绍相信大家已经了解到，重粒子线在癌症治疗上具有极为优越的特性，不仅可以精准攻击并消灭肿瘤，而且治疗中无痛、副作用少、不会伤害正常组织、且能够切实保障患者的生存质量。

这种治疗方法的“主人公”当然是重粒子线，而产生重粒子线的则是被称为“加速器”的装置。重粒子线治疗中，首先将碳原子所带的6个电子全部剥离，然后得到6价的碳原子核（碳离子），再将这种碳离子注入到一个被叫做“同步加速器”的环形加速器中，并将其加速到光速的70%左右，这可以被称为治疗的起点。这一部分属于相当专业的领域，就不再过多介绍了。这种装置在1993年由放射线医学综合研究所（放医研）在世界上首次研发成功，1994年6月开始了碳离子线（重粒子线）治疗。因此，使用碳离子进行重粒子线治疗是“日本创造”，同时，将重粒子线加速器应用于医疗也是“世界首创”。

放医研的这个装置被命名为“HIMAC”，为了让其充分发挥作用，“HIMAC”的建设规模和设备规模都达到了相当大的程度（卷首图1）。由于在设施建设费和科研费等方面投入了巨大的资金，其结果是不得不让患者负担高额的医疗费用。为了让更多的患者能够有机会接受重粒子线治疗，我们正在进行加速器的小型化研究。一部分小型化研究成果已经开始实际应用，这个计划也得到了经验丰富的医疗器械厂家的大力支持。相信不久的将来会实现装置的进一步小型化，重粒子线治疗费也应该可以大幅降低，那时重粒子线治疗才能成为真正意义上的“常规疗法”。

笔者从重粒子线治疗开始的最初阶段就参与其中，因此，也格外希望重粒子线成为“常规疗法”的那一天能够早日到来。

对肿瘤进行照射时，重粒子线的速度能够达到光速的70%左右，这个速度1秒钟可以绕地球5.5圈，当重粒子线达到这个速度时，能够射入患者体内25～26厘米深处。

重粒子线产生的方法大体如下。

请参考图16。

图16是放医研的HIMAC装置，使用了加速器中被称为同步加速器的装置。首先，在被称为“离子源”的装置中生成碳离子，将碳离子注入直线加速器（Linac）加速到光速的11%左右，然后再将其注入周长130米、直径40米的巨大的环状同步加速器（环形加速器）中。粒子束在圆形轨道上一圈一圈边转边加速，能量不断增强。同时，随着粒子束能量的增强，磁场也不断增强以调整粒子束围绕同一轨道进行旋转。待粒子束达到治疗所要求的能量后，将粒子束从圆形轨道上取出，以束流的形式送到外部。

射线的制作过程并不是到此为止。从加速器中出来的粒子线是很细的束流，为了根据肿瘤形状进行照射需要将细束流进行展宽。此时，需要让细束流通过“散射体”加宽，然后通过水平、垂直方向上配置的电磁铁将束流扩展成圆形，接着让束流通过“脊形过滤器”，使得束流的布拉格峰形成一定厚度。

由于肿瘤形状各不相同，因此接下来的工作是按照患者不同的肿瘤形状对束流进行整形，这一步使用的是“准直器”。以前的“准直器”是用黄铜板按照肿瘤形状抠出相应的形状，现在使用的“多叶准直器”是将多张叶片重叠，可以开出任意形状的出束窗口（图17）。

由于束流只通过按照肿瘤形状定制的准直器窗口射出，因此几乎不会出现肿瘤以外的周边正常组织受到重粒子线照射的情况。

束流向深部肿瘤纵向照射的距离调节也非常重要。由于重粒子线在肿瘤底部会释放出最大能量，为了使束流形状和肿瘤底部形状相吻合，还需要使用按照肿瘤形状制作的聚乙烯板“补偿器”（图17、图18，卷首图5、卷首图8）。

从加速器中出来的粒子线很细，其“布拉格峰”的形状是尖状的。为了让束流形状和肿瘤形状相吻合，需要对细束流进行扩展，使用的是根据CT检查数据而制作的脊形过滤器等器具。这种方法形成的束流被称为“展宽束流”，这种照射肿瘤的方法即前文已略有提及的“散射法”（也被称为“被动散射法”或“宽束法”，译者注）。这种照射方法需要为患者定制补偿器和准直器，而定制需要花费一定时间，这使得整个治疗疗程会有一定延长。放医研医院自开始治疗以来，这种方法一直在使用。

从2011年起，一种被称为“笔形束扫描法”的新方法开始用于重粒子线治疗。这种方法具有强大的功能性，又被称为“高速三维笔形束扫描照射法”（卷首图6、卷首图9）。

简单介绍一下“笔形束扫描法”的原理。在加速器中被加速到光速的70%左右之后，重粒子线经过射线传输系统被传送到各治疗室。在治疗室中，细束流在三维方向上高速移动，按照患者肿瘤的形状进行涂抹式照射，这就是“笔形束扫描法”。即，像写连笔字那样，让束流对肿瘤进行无缝隙扫描照射从而杀死癌细胞。

“笔形束扫描法”是将二维平面上的照射域进行层层累加，按照顺序对准肿瘤形状进行照射。可以想象一下电脑3D打印，就比较容易理解了。

与“散射法”相比，“笔形束扫描法”在剂量分布方面更为合理，并且进一步减少了对周围正常组织的辐射，这是“笔形束扫描法”最大的优点。加上不需要定制补偿器和准直器等照射器具，使得治疗过程进一步缩短。无论哪一点，对患者来说都是好事。

但是，并不是说“笔形束扫描法”就完全没有问题。这种方法要对准肿瘤进行扫描，在随呼吸而移动的肺部、肝脏等器官（肿瘤）的治疗上有一定困难。

为了解决这个问题，放医研在世界上首次研发出融合了呼吸门控技术和往复扫描技术的高速三维笔形束扫描法。通过这个方法，终于对治疗适应证中占有近半数的呼吸移动性肿瘤也可以实现高精准照射了。

我们将高速三维笔形束扫描法的特征总结如下：

（1）可以轻松对应形状复杂的肿瘤病灶；

（2）易于减少对重要器官的照射剂量，从而可在短时间内完成治疗；

（3）无需定制补偿器、准直器；

（4）照射装置更简便、维修费更低、准备时间更短。

看起来“笔形束扫描法”好像全是优点，其实也不然。与“散射法”相比，“笔形束扫描法”也有以下缺点：

（1）不适合随呼吸而移动的肿瘤；

（2）剂量分布计算所需时间更长；

（3）肿瘤边缘的剂量分布界限不清晰。

对于上述三个缺点，针对①已经研发出呼吸门控照射法，并且已经开始实际应用，而针对②和③的改良目前正在加速进行中。

在实际治疗中，照射本身只需要1～2分钟左右的时间，大部分的时间用在了患者体位调整以及确认肿瘤位置上。用于解决这个问题的技术之一，就是使用机器人治疗床，由此使得位置确认的时间得以缩短（图19）。

我们所导入的机器人治疗床最大负重为200千克，由7轴结构实现控制。该治疗床是可以在水平方向上实现大幅度移动的水平多关节型治疗床，通过在水平方向上移动关节部分，可以确保治疗时医疗工作人员拥有充分的移动空间，使用非常方便。

由于治疗床可以用机械臂来移动，因此扩大了治疗床周围的可用空间，从而缩短了治疗时确认位置所需要的时间。

我们在重粒子线治疗中使用的旋转机架是直径11米、长13米、重达300吨的大型装置，使用该装置可以实现从任意角度对患者肿瘤进行碳离子线照射。患者只需躺在治疗床上，由照射装置自由移动进行调整，这种装置系统在质子线治疗中已经是标准装备了。顺便说一句，德国海德堡的重粒子线治疗设施所使用的旋转机架长达19米、重600吨，与海德堡的设备相比，我们的设备已经属于相当小型化的了。

由于重粒子线与质子线相比质量更大，因此，将粒子导入照射端口的束流输运线上所需要的“偏转电磁铁”需要有更强的磁场。而且，重粒子线旋转机架搭载的电磁铁所需要的磁场强度比质子线相应设备高出3倍之多，导致电磁铁以及支撑电磁铁的构造装置也不得不建造得非常大，所以这种装置在日本国内很长一段时间都未能实用化。

放医研通过使用超导电磁铁成功实现了这种装置的小型化，已于2017年投入治疗使用。

这种旋转机架具有以下优点：

（1）由于装置本身可以旋转，因此无需像以前那样让患者倾斜身体就可以从任意角度进行重粒子线照射；

（2）可以避开脊髓和神经等重要器官对角度进行细微调节，从多个方向上照射可以进一步优化肿瘤部位接受重粒子线照射的剂量分布；

（3）不仅可以减轻治疗时患者的身体负担，还可以进一步减轻治疗后的不良反应和副作用，从而实现对患者更温和的治疗。

重粒子线治疗本身就是一种“对患者更温和、对肿瘤的杀伤力更强大”的治疗方法，而旋转机架的使用让重粒子线的治疗效果得到了进一步提高。

我们从来不认同“为了治好癌症，让患者稍微忍受一些痛苦也没有办法”这种观点。如果无需忍受痛苦即可完成治疗，这样的疗法必然更具优越性，而重粒子线正是这样的疗法。

下面，我会引领大家进入我们的治疗室内部。