惡性腫瘤（癌癥）是當(dāng)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(jù)我國國家癌癥中心統(tǒng)計(jì)，2020 年全國癌癥年發(fā)病數(shù)457 萬例，死亡數(shù)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?cè)藬?shù)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(shù)、化學(xué)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(jù)統(tǒng)計(jì)，癌癥患者當(dāng)中約有60%~70% 需要接受放射治療，而經(jīng)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(shù)有很大進(jìn)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(kuò)散，減輕痛苦，改善了患者的生活質(zhì)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(shù)進(jìn)步而創(chuàng)建了三維適形放療（3-dimensional conformal radiationtherapy，3DCRT）和調(diào)強(qiáng)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(jì)五十年代，人們利用加速器產(chǎn)生的質(zhì)子和重離子（包括氦離子、碳離子、氖離子等）進(jìn)行了放療試驗(yàn)，逐漸使放射治療邁入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)代。目前腫瘤放療界普遍認(rèn)為，質(zhì)子重離子治療相對于其他放射治療有著不少獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它們將成為二十一世紀(jì)比較科學(xué)、比較理想的放療方法。
質(zhì)子和重離子與物質(zhì)相互作用的特殊機(jī)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(xì)胞，又能限度保護(hù)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(qiáng)，照射時(shí)間短，療效高；碳離子治療還能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于精準(zhǔn)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(jìn)行重離子治癌裝置的建造和治癌基礎(chǔ)及臨床應(yīng)用研究，使得質(zhì)子重離子治癌成為放射治療領(lǐng)域的前沿性研究熱點(diǎn)。
我國從1995 年起依托中國科學(xué)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(jīng)歷了碳離子放射物理學(xué)和放射生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、治療技術(shù)的探索和儲備、動物實(shí)驗(yàn)、臨床前研究、前期臨床試驗(yàn)研究以及推廣應(yīng)用等階段。20062013 年間中國科學(xué)院近代物理研究所共計(jì)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(chǎn)首臺醫(yī)用重離子加速器的研制；2019 年9 月29 日中國科學(xué)院近代物理研究所研發(fā)的首臺國產(chǎn)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(shè)備的武威腫瘤醫(yī)院重離子研究中心正式運(yùn)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(gè)自主實(shí)現(xiàn)腫瘤重離子臨床治療的國家。綜合他們的結(jié)果，重離子治療已被證實(shí)是放射治療領(lǐng)域有效的技術(shù)。
本教材是多年實(shí)施國家攀登計(jì)劃（B）得到的科研成果之一，是原子核物理學(xué)中重離子束應(yīng)用的具體體現(xiàn)。本書圍繞著核技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的生動實(shí)例，用簡明的核科學(xué)理論，概要地闡明了這些應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)原理，屬于原子核物理學(xué)與生命科學(xué)交叉學(xué)科的范疇，是放射醫(yī)學(xué)學(xué)科發(fā)展的主要方向之一。它也是科研成果轉(zhuǎn)變?yōu)樯�產(chǎn)力，推動技術(shù)進(jìn)步，為社會創(chuàng)造價(jià)值的一個(gè)典型例子，也是科研與生產(chǎn)相結(jié)合，面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)的一個(gè)范例。
本書從重離子放射物理學(xué)及放射生物學(xué)基礎(chǔ)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(zhì)子碳離子治療加速器的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方案、質(zhì)子碳離子束流配送方式及根據(jù)不同束流配送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)質(zhì)子碳離子調(diào)強(qiáng)適形照射治療的方法。為搭建質(zhì)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(zhì)子碳離子治療計(jì)劃系統(tǒng)，同時(shí)對配合質(zhì)子碳離子治療的患者定位系統(tǒng)進(jìn)行了說明，本書還對質(zhì)子碳離子臨床治療的安排設(shè)計(jì)、操作過程、治療結(jié)果和一些問題進(jìn)行了展示和討論，后對質(zhì)子碳離子治療未來的發(fā)展從實(shí)現(xiàn)的可能性及技術(shù)等角度進(jìn)行了展望。
本書的出版目的是：一方面希望為從事質(zhì)子碳離子治療研究的科研人員及進(jìn)行質(zhì)子碳離子治療開發(fā)的應(yīng)用人員提供基礎(chǔ)性參考，另一方面為普及質(zhì)子碳離子治療知識和促進(jìn)質(zhì)子碳離子治療新技術(shù)在我國的推廣提供科普性參考。由于本書涉及交叉學(xué)科中門類廣泛的多種學(xué)科，以及我們編著水平有限，錯(cuò)誤和缺點(diǎn)在所難免，懇望廣大讀者批評指正。
周光明
2022 年4 月