原子核物理在医学领域中的应用
原子核物理实验方法及应用
原子核物理实验方法及应用当今的原子核物理学是一个庞大而复杂的研究领域，它涉及到原子核的结构、性质、反应等多个方面。
而尽管理论模型的不断提升和完善，实验仍然是研究原子核物理的关键，它为我们提供了高精度、高灵敏度的数据。
接下来，我们就来探讨一下原子核物理实验方法及其应用。
一、寻找微小的粒子原子核物理实验的首要任务是探测微小的粒子。
众所周知，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是构成核的基本粒子。
而原子核物理实验中，探测这两种粒子的主要方法是利用加速器。
以质子为例，由于它的电荷为正，所以我们可以利用加速器让质子进行多次加速，然后把加速后的质子高速撞击到要研究的目标上，让它们与原子核相互作用。
这样的粒子加速器就叫做质子加速器。
这样高能的质子撞击原子核时会产生各种次级的粒子，如中子、质子等，通过检测这些次级粒子，我们可以了解原子核内部的结构和性质。
二、测量粒子的能量一般来说，我们需要测量粒子的能量，来了解粒子的性质。
这里有两种方法：一种是正比计数器法，另一种是飞行时间法。
正比计数器法是一种基于电离室原理的计数器，其原理就是将粒子撞击到一个气体室中，获得电离电子后，通过测量电离电子的数量来计数。
这种计数器可以测量不同能量的粒子，而且灵敏度高，但也有一些不足之处，例如需要对不同粒子的反应条件进行精细调节等。
飞行时间法是另一种常用的能量测量方法。
这种方法利用粒子在真空中的飞行时间与其能量之间的关系，以精确确定粒子的能量。
在实验中，通常将粒子加速至很高的速度，并通过电场或磁场等手段将其加速到实验器的检测设备上。
从粒子的飞行时间和飞行距离之间的关系可以确定其速度，从而确定其能量。
三、粒子探测器在原子核物理实验中，探测器是十分重要的，它是我们获取实验数据的关键。
通过不同的结构，可以实现对不同粒子的探测和测量，例如电离室、闪烁体探测器、半导体探测器等。
电离室是一种基于气体放电原理的探测器，在其内部的气体中粒子撞碎原子或分子时，会释放出电离电子，电离电子会通过电场进行信号放大，同时被检测器记录下来，从而测量粒子的能量。
原子能技术在科学研究和探索中的作用和突破
原子能技术在科学研究和探索中的作用和突破原子能技术是指利用原子核反应所释放出的能量来进行各种应用的一种技术手段。
原子能技术的出现和应用，为科学研究和探索提供了前所未有的机遇和突破。
本文将探讨原子能技术在科学研究和探索中的作用以及相关领域的突破。
I. 原子能技术在物理学研究中的作用原子能技术在物理学研究中发挥着重要作用。
首先，原子能技术为物理学家们提供了研究原子核结构和性质的工具。
通过利用核反应，科学家可以获取有关原子核的丰富信息，推进了原子核物理学的发展。
其次，原子能技术使得实验室可以合成具有高能量的粒子束，用于研究物质的基本组成和性质。
这些研究深化了人们对于物质微观结构的认识，对于材料科学和粒子物理学的发展贡献重大。
II. 原子能技术在生物学研究中的应用原子能技术不仅在物理学研究中发挥作用，在生物学领域也有广泛的应用。
首先，放射性同位素的使用使得生物学家可以跟踪分子在生物体内的运动和代谢过程。
通过标记分子并通过放射性测量来追踪其在生物体内的行为，科学家能够揭示生物过程的机制，深入了解生命的本质。
其次，原子能技术在放射治疗、核医学和影像学方面具有重要应用。
放射治疗利用放射性同位素破坏肿瘤细胞，对癌症患者具有重要的治疗效果。
核医学则通过放射性同位素的显像，可以帮助医生发现并诊断疾病，为临床医学提供了重要的辅助手段。
III. 原子能技术在农业领域中的应用原子能技术在农业领域中的应用极大地改善了农作物产量和品质。
辐射杀菌技术被广泛运用于农产品的贮藏和加工环节，能够有效抑制细菌和真菌的生长，延长农产品的保鲜期。
同时，辐射杀虫技术也能够有效控制害虫的数量，减少对农作物的危害。
此外，通过利用放射性同位素标记，科学家们能够研究植物的营养吸收和养分转运方式，进一步优化植物育种和施肥方式。
IV. 原子能技术在能源开发中的突破原子能技术的最重要应用之一就是核能发电。
核能发电以其高效、清洁的特点，成为现代能源体系中不可或缺的一部分。
原子核物理的研究和应用
原子核物理的研究和应用原子核物理是研究原子核结构、特性和相互作用的一门科学。
在过去几十年中，这个领域的研究已经取得了令人瞩目的成就，同时也为我们提供了广泛的应用领域。
本文将探讨原子核物理的研究和应用。
I. 原子核物理的研究原子核是由质子（正电荷粒子）和中子（中性粒子）组成的。
原子核物理就是要研究这两种基本粒子在原子核中的数量、排布和相互作用。
这些研究可以帮助我们了解物质的本质和性质。
1. 原子核模型原子核模型主要包括液滴模型、壳模型和集体模型。
液滴模型认为原子核像液滴一样，具有有限的表面张力和内部相互作用。
壳模型则认为原子核的核子排列方式类似于电子在原子壳层中的排布。
集体模型则研究原子核的集体运动和振动。
2. 核反应核反应是指原子核之间发生的相互作用。
这些反应可以分为裂变、聚变、衰变、散裂和俘获几类。
核反应的研究对于现代核能技术和核武器的发展至关重要。
II. 原子核物理的应用原子核物理的研究不仅可以揭示物质的本质，还可以开发出许多实用技术。
1. 核电站核电站是利用核反应产生热能来发电的设施。
核电站是目前最常见的利用原子核技术的应用之一，也是一种相对清洁的能源。
2. 核医学核医学是指利用核反应来诊断和治疗疾病的一种技术。
例如，放射性同位素可以用来诊断肿瘤、心脏病和骨骼损伤等。
3. 核物质检测核物质检测是一种利用核技术来检测危险物质的技术。
通过探测放射性同位素分布和数量，可以确定是否存在危险物质。
4. 核武器核武器是利用核反应释放能量的一种武器。
虽然核武器的研究和使用受到国际社会的严格限制，但是它仍然是一种相对强大的利用原子核技术的极端应用。
5. 核能源储存核能源储存是指利用核反应来提供能量储存设备的一种技术。
例如，光伏发电是一种利用核能源储存技术来产生电能的方法。
结论原子核物理不仅仅是一个理论学科，它还拥有各种实用技术和重大应用。
通过对原子核反应的研究，我们可以更好地理解物质的本质和性质，同时也能够创造出更多利用原子核技术的实际应用。
原子核物理的研究现状及未来发展趋势
原子核物理的研究现状及未来发展趋势近年来，原子核物理研究备受关注，成为重要的学科之一。
原子核物理研究的目的是研究原子核的性质和结构，深入了解原子核内部的物理过程，为今后科学技术的发展提供理论和实验基础，有着重要的科学意义和应用价值。
原子核物理的研究现状在原子核物理的研究中，核结构、核反应、核聚变、核裂变等领域被广泛应用。
其中，核结构研究是原子核物理的基础之一，通过测量原子核的能级和能级间的跃迁，可以了解原子核的内部结构，了解核子之间的相互作用力，并进一步探究物质的基本规律。
同时，在核反应的研究中，原子核之间的相互作用力也成为核反应研究的重点。
如何精确描述两个原子核之间的相互作用，是核反应研究中的一个难点。
因此，科学家们在研究中使用了多种方法，如自旋道耦合方法、分式布居模型、投影分子方法等，通过这些方法提高了实验结果的可重复性，从而更加准确地了解核反应的本质。
在核聚变和核裂变方面，原子核物理的研究进展也很显著。
在核聚变的研究中，热核聚变是人们较为熟知的一种方式。
热核反应需要极高的温度和压力，一般需要利用核聚变反应堆来实现。
而在核裂变过程中，同位素分离技术已经成为了核工业和核能应用的重点之一。
通过不同的分离方法，可以实现同位素的分离和富集，从而满足不同应用的需要。
未来的发展趋势从原子核物理的研究现状来看，可以预见未来的发展趋势。
其中，一个显著的趋势是多学科和多方法的融合。
随着科技的进一步发展，原子核物理研究将越来越受到计算机科学、空间科学等多学科的影响。
同时，随着科技手段的不断提升，各种先进的实验设备和技术将进一步推动原子核物理研究的发展。
此外，原子核物理的未来研究将更加注重应用和产业化。
如何将原子核物理的研究成果转化为实际的应用和产业，将是原子核物理研究面临的新问题。
随着人们对环境、能源和生物医学等方面需求的不断增加，原子核物理的应用领域也将进一步扩大。
总之，随着对原子核物理研究的深入探索，未来的发展趋势也将变得更加多样化和复杂化。
原子核物理在医学领域中的应用
文章编号:1007-4627(2007)03-0218-06原子核物理在医学领域中的应用*张 红1,刘 兵1,2(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2兰州军区疾病预防控制中心,甘肃兰州730020)摘 要:原子核物理的不断发展和完善极大地促进了医学及其相关学科的发展,为医学研究与实践提供了全新的思想理论和现代化的诊疗手段与设备㊂综述了原子核物理在基础医学㊁临床医学和预防医学发展中的作用及其应用㊂关键词:原子核物理;医学;应用中图分类号:O4;R1;R4;R73;Q4 文献标识码:A1 引言自1895年德国物理学家R o e n t g e n发现X射线并应用于医学领域以来,原子核物理理论与技术已广泛应用于医学领域㊂例如,X射线成像㊁计算机断层成像(C T)㊁核磁共振成像㊁核医学成像和放射治疗等技术的发展和应用,不仅极大地促进了现代医学的发展,提高了疾病诊治水平,而且将医学研究推向了一个新的高度㊂2 原子核物理在基础医学研究中的应用 发病机制是疾病防治的基础,发病机制不清楚,就很难采取切实有效的防治措施㊂1960年, P e r u t z等[1]和K e n d r e w等[2]利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白和血红蛋白的三维结构,阐明了这些蛋白质在分子氧输送过程中的特殊作用,他们也因此获得了1962年诺贝尔化学奖㊂该项工作不仅首次揭示了生物大分子内部立体结构,还为测定生物大分子晶体结构提供了一种沿用至今的有效方法 多对同晶型置换法㊂近年来,科学家应用荧光分析和核磁共振(NM R)等技术研究发现,癌变过程中细胞及其质膜发生了明显变化,如表面电荷改变㊁膜流动性增大和细胞内水状态的改变等㊂从射线产生自由基及其具有顺磁性和近年来对活性氧的研究得出了许多病理过程(包括辐射损伤㊁衰老㊁毒物作用及心血管疾病中的一些环节等)都与自由基有关的结论㊂自1895年德国外科医生R o e n t g e n首次利用X 射线观察到人体内部解剖结构以来,随着物理科学及其相关科学的发展,以X射线成像㊁C T成像㊁NM R成像和核医学成像等为代表的许多物理学技术应用于基础医学的研究㊂这些研究主要包括正常和病理状态下,人体各系统㊁器官和组织的解剖学㊁生理学特点等㊂目前,各种成像技术结合计算机三维重建技术建立正常和病理状态下不同水平结构㊁代谢和功能成像是当前医学成像研究的重点和热点㊂正电子发射计算机断层成像仪(P E T)的突出优势是,能在体外无创性探测活体内生理和病理变化过程,并能对生化过程进行准确定量分析㊂这对于研究生命现象的本质和各种疾病发生㊁发展的机理非常有用㊂例如,用短寿命的放射性核素标记人体代谢所必需的物质(如葡萄糖㊁蛋白质㊁核酸和脂肪酸等)制成显像剂(如氟代脱氧葡萄糖等),然后将其注入人体,我们就可以利用P E T从体外无创㊁定量㊁动态地观察这些物质进入人体后的生理㊁生化变化,从分子水平探讨代谢物或药物在正常人或第24卷 第3期原子核物理评论V o l.24,N o.3 2007年9月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w S e p.,2007*收稿日期:2007-01-12;修改日期:2007-02-15* 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10675151);甘肃省科技攻关计划资助项目(2G S052-A43-008-2);甘肃省重大科技专项资助项目(2G S063-A43-012);兰州市-中国科学院高新技术 种子资金”资助项目(06-2-58);甘肃省自然科学基金资助项目(3Z S061-A25-021)作者简介:张 红(1959-),女(汉族),北京人,研究员,博士生导师,从事生物物理㊁医学及其相关交叉学科研究;E-m a i l:z h a n g h@i m p c a s.a c.c n病人体内的分布和生理生化功能等㊂P E T还能对脑的血流和代谢等活动进行判断,对研究脑的生理和精神活动等提供了一个重要手段,其绝妙之处,在于它 打开了一个揭示大脑奥秘的窗口”㊂因为人体不同组织的代谢状态不同,所以这些被核素标记了的物质在人体各种组织中的分布也不同㊂例如,在高代谢的恶性肿瘤组织中分布较多,这些特点能通过图像反映出来,从而可对病变进行诊断和分析㊂ NM R成像技术以无辐射损伤㊁无破坏性㊁无试剂侵入并能从分子水平到整体脏器系统地研究活体和动态过程等这样一些突出的优点受到科学界的高度重视,发展相当迅速㊂在基础医学研究领域(如基因表达监测)也日益显露锋芒㊂以NM R为基础的药物筛选技术是国际上近几年发展起来的新药筛选新方法㊂它可以高通量地筛选出能与靶蛋白相结合的化合物小分子㊂即使在初始阶段筛选出的是弱亲和的化合物,经过适当的结构改造和优化,有可能发展成为高效的药物分子的先导化合物㊂目前,国外很多生物制药公司和研究机构纷纷建立了相关的技术平台,利用NM R技术筛选㊁发现和设计先导化合物,已取得了许多鼓舞人心的研究成果,并获得了巨大的经济效益㊂以NM R为基础的代谢组学主要利用NM R技术和模式识别方法对生物体液和组织进行系统测量和分析,对生物体中随时间改变的代谢物进行动态跟踪检测㊁定量和分类,分析这些代谢信息与机体病理生理特征的关系,确定发生这些变化的靶器官㊁作用位点和相关生物标志物㊂代谢组图谱不仅能同时反映代谢网络中多个生物化学途径上成百上千种化合物的变化,而且可以区别不同种属㊁不同品系动物模型的代谢状态,鉴别与人体疾病状态的差异,寻找人类疾病㊁药效和毒性的适宜动物模型㊂ 代谢指纹图谱”的研究不仅可以研究药物本身的代谢变化,而且可以研究药物引起的内源性代谢物的变化(更直接地反映体内生物化学过程和状态的变化)㊂通过对体液 代谢指纹图谱”变化原因的探讨阐明药物作用靶点或受体㊂脑是人体内最重要的器官,是接受外界信号,产生感觉㊁意识和逻辑思维并发出指令的中枢㊂当代科学技术虽然可使人们在整体㊁系统㊁环路㊁细胞和分子水平等不同层次了解大脑的内部结构和生理特点等,但是至今对语言㊁记忆㊁注意㊁意识和思维等脑的高级功能的确切机制知之甚少㊂无创伤性脑功能成像技术的发展,极大地推动了脑科学研究,使人类可以对活着的人脑的生命活动进行研究㊂对人脑工作机制的了解,不仅有助于探讨人类智慧的形成机理及其过程,而且有助于提高人类精神性疾病的诊疗水平㊂就目前来看,在各种无创性脑功能成像中,磁共振成像/谱仪(M R I/S)和P E T 比较成功㊂这些成像工具不但可以以人类自身作为研究对象,而且可以直接观察各种行为状态时脑内的变化,是脑科学研究和认知神经科学研究的重要手段之一㊂利用该技术已经可以在几毫米的空间分辨率下对大脑工作时的血流变化㊁血氧水平㊁葡萄糖的有氧和无氧代谢㊁磷酸化过程等大脑内发生的各种功能性或者代谢性的变化实现成像,加上对这些功能的空间定位的结构成像,已经在大脑的很多基本功能㊁甚至高级认知工作机制的研究方面取得了很大的进展[3 9]㊂3 原子核物理在临床医学中的应用3.1 现代医学影像技术现代医学影像技术包括X射线成像㊁磁共振成像(M R I)和核医学成像等㊂这些医学成像技术可以在无创条件下,提供机体解剖学信息,有些技术还可以提供反映机体功能的信息,从而为疾病的临床诊断和治疗提供重要依据㊂100多年前R o e n t g e n发现X射线后不久,X射线成像就很快应用于临床医学㊂20世纪40年代中叶,医学影像设备在世界上还只是个别医院的奢侈品㊂60年后的今天,医学影像设备也已在发展中国家普及㊂目前,X射线成像已成为当今医学检查的主要手段之一[10,11],大约70%的人每年至少作一次X线检查,人一生中要做几十次X射线成像检查㊂20世纪70年代初诞生的X射线断层成像(X-C T)装置首先用于脑部,能迅速准确地诊断与定位脑瘤,对脑出血㊁脑梗塞㊁颅内出血㊁脑挫伤等疾病是一种准确可靠的无创性检查方法,几乎可以代替过去的脑血流图和血管造影等㊂C T的灵敏度远远高于X线胶片,对脑瘤的确诊率可达95%,对肝㊁胰和肾等软组织器官是否病变有特殊功用,能清楚地显示肿瘤的大小和范围,在一定程度上X-C T还可以区分肿瘤的性质㊂到目前为止,C T成像㊃912㊃第3期张 红等:原子核物理在医学领域中的应用技术已发展成为可以对心脏实施动态显像的多层螺旋C T技术[12,13]㊂以单光子计算机断层成像(S P E C T)和P E T为主的核医学成像已用于临床疾病的诊断[14,15],如应用18F去氧葡萄糖为药物的P E T成像诊断肿瘤㊂核医学成像因其特异性好,集代谢㊁功能和分子成像于一体,可用于疾病的早期诊断㊂研究结果显示,就癌症来讲,与X-C T相比,S P E C T可以提前3个月发现肿瘤病灶,一般P E T比S P E C T又要早3个月㊂目前,多模式集成的成像装置,如P E T/C T, M R I,C T,电子直线加速器/C T等也相继问世㊂ P E T特别适用于形态学改变之前,亦即疾病的早期(甚至超早期)㊂此外,P E T还能进行三维立体动态及全身显像,可发现其他检查所不能发现的问题㊂由于P E T可了解肿瘤组织的代谢情况,因此可以对大多数肿瘤进行早期诊断㊁分期㊁疗效观察和预后判断,从而有利于制订不同的治疗措施㊂P E T 还可以了解心脏功能,通过心肌的血流量㊁氧代谢和三大代谢等生化内容来鉴定心功能,鉴别不同心脏器质的病变㊂核医学成像是目前唯一可以从分子和基因配体水平上成像的模式㊂应用核医学分子成像技术可通过放射性核素标记化合物分子在体内分布的可视化研究,了解体内微观分子的宏观分布及体内行为等信息,分析该化学分子在人体内的相互作用(机制)㊂与普通的X射线(1901年诺贝尔物理学奖)或计算机断层照相术(1979年诺贝尔生理医学奖)诊察法相比,M R I拥有许多优点㊂它弥补了计算机X 射线断层照相术(C T扫描术)的不足,对检测组织坏死㊁局部缺血和各种恶性病变特别有效,并能对其进行早期诊断;对人体各循环系统的代谢过程进行监测,其成像对比度优于C T扫描术㊂M R I技术特别适于脑和脊髓的详细成像,几乎所有的神经错乱都会导致水含量的变动,这一点能够在M R I成像中得到反映㊂水含量小于1%的变动足以检测到病变㊂脑和脊髓的局部炎症引起与多发性硬化症有关的症状,在多发性硬化症中,M R I检查对于疾病的诊断和随访是具有优势的㊂使用M R I能够了解神经系统中炎症的部位㊁病变程度以及治疗后的情况㊂M R I已经取代了以前使人不适的检查方法,能够分辨出肌肉疼痛与神经或脊髓受到压迫而产生的疼痛之间的区别㊂使用M R I能够了解肿瘤是否压迫神经以及决定手术是否必要㊂在显微外科脑手术中,外科医生可以根据M R I成像足以在中枢脑核中安置电极,以便于治疗剧痛或者是帕金森疾病引起的运动失调㊂M R I图像不仅能准确地显示肿瘤的界限,有助于更加准确的手术和放射治疗,而且也提高了确定肿瘤阶段的可能性㊂例如,M R I能够确定组织中结肠癌的侵润程度以及局部的淋巴结是否已经转移㊂M R I能够取代以前使用的入侵性的检查方法,因而减少了许多病人的痛苦㊂据卡罗林斯卡研究院公布的数字[16],从20世纪80年代初第一台医用M R I仪器问世到2002年,全世界使用的M R I 成像仪大约有22000台,M R I诊察案例累计达6000多万人次㊂3.2 肿瘤放射治疗3.2.1 肿瘤的常规放射治疗1896年居里夫妇发现镭并于3a后应用于肿瘤治疗,肿瘤放疗至今已有100多年的历史㊂在放疗初期,使用镭管或镭模直接贴敷肿瘤,或用镭针插入肿瘤进行组织间放疗,即近距离放疗㊂然而这些方法只适用于浅表肿瘤的治疗,或位于可进入的自然腔道的肿瘤,而且对体积较大肿瘤的放射剂量分布不佳,最大缺点是对医护人员的辐射量较大㊂20世纪30年代发明了k V X线治疗机,50年代发明了60C o放疗机,放射治疗便成为一个独立的放射肿瘤学科㊂20世纪60 70年代加速器问世,随着外照射放疗设备的出现,近距离放疗的应用逐渐减少㊂然而,20世纪80年代起,随着计算机技术的发展,由计算机控制的近距离后装放疗机问世,使近距离放疗再次应用于临床㊂现代后装放疗机不仅使放射源放置的位置和剂量计算完全精确,而且完全避免了对工作人员的辐射㊂因而又形成了近距离放射辅助外放射治疗的最佳组合的局面㊂1968年,瑞典神经外科医生L e x e l l制造了世界上第一台立体定向放射治疗装置,它是用γ射线作为放射源,能像手术刀一样将颅内病灶消除,因此,简称 γ刀”;其后各国又出现了X刀,开创了立体定向放射外科技术㊂由于放射物理学,特别是电子计算机和C T 技术的高速发展,推动了放疗飞速发展,使20世纪60年代日本放疗学家高桥的原体治疗(适形放射治疗)得以实现,并且更进一步达到了适形调强放疗(I M R T)㊂这些先进技术可在最大限度保护周围正㊃022㊃原子核物理评论第24卷常组织的前提下,对靶区实施高剂量均匀照射,改善肿瘤局部控制,以期提高生存率㊂放射治疗是目前肿瘤治疗的3大手段之一[17,18],约50%-70%的肿瘤患者需要不同程度(单纯放射治疗或与手术㊁药物配合治疗)地接受放射治疗㊂目前用于放疗的设备主要有电子直线加速器(使用它的电子束和X射线)和60C o机㊂目前,电子直线加速器放疗已经从过去的常规放疗发展到影像引导放射治疗(I G R T),其中最为突出的是电子直线加速器和螺旋C T结合形成的断层放疗(T o-m o t h e r a p y)技术㊂采用电子束或X射线通过体外照射的放疗是目前放射肿瘤治疗的主流㊂但放射性粒子(125I,103P d)植入某些肿瘤进行治疗,可使肿瘤局部控制率高,并发症发生率低,提高了肿瘤患者的生存率,也是一种较为有效的肿瘤治疗手段[19]㊂3.2.2 质子和重离子治疗肿瘤与常规射线相比,质子和重离子因其具有在物质中确定的 射程”及其射程末端处出现B r a g g峰的特点[20],在肿瘤治疗时,可通过调节能量调整B r a g g峰的位置和采用磁扫描技术导引束流对肿瘤病灶实施精确治疗㊂W i l s o n[21]于1946年首次提出质子束医学应用观点㊂1954年,美国加州大学L a w r e n c eB e r k e l e y实验室(L B L)在世界上首次用质子对晚期乳腺癌病人实施治疗[22]㊂之后,瑞典㊁美国和俄罗斯等国的一些机构开展了质子治疗肿瘤的临床研究㊂目前质子的主要治疗范围已经从最初的黑色素瘤㊁颅内肿瘤扩展到前列腺癌㊁肺癌㊁肝癌以及脑血管畸形等非肿瘤疾病,并且在2000年8月通过了美国国家食品药品管理局(F D A)的认证㊂据报道,到2001年底,全世界接受质子治疗的病人达29852人[23]㊂目前,全世界现有质子治疗中心33家,分布在16个国家,主要集中在美国㊁英国㊁日本和加拿大等发达国家,到目前已累计治疗了4万多患者,仅欧美和日本就已治疗2万多个病例,一般治疗效果达到95%以上,5年存活率高达80%㊂与质子相比,重离子生物学优势更加明显,剂量分布优势(B r a g g峰)更为突出,其治疗精度高(mm量级)㊁剂量相对集中㊁治疗时间短㊁疗效显著㊁对周围健康组织损伤小和便于实时监测等被誉为面向未来最理想的放射治疗用射线㊂世界上许多国家都投入大量的人力㊁物力和财力建造重离子束治癌装置,开展治癌基础及临床应用研究㊂1975年,美国的L B L首次利用其高能同步重离子加速器B E V A L A C开展肿瘤治疗临床试验,到1992年6月累计治疗各种肿瘤患者2487人[24]㊂近年来,日本和德国重离子束治疗肿瘤临床试验成果又唤起了美国对重离子束治癌研究的兴趣㊂1984年,日本政府启动 癌症控制10年战略”,于1993年在国立放射医学综合研究所(N I R S)建成一台专门用于肿瘤治疗和放射医学研究的医用重离子加速器(H I MA C),1994年6月21日对第一批肿瘤病人实施了碳离子束治疗[25],到2006年11月已累计治疗各种肿瘤患者3200例㊂2000年,日本又在兵库(H y o g o)建成一台专门用于肿瘤治疗的带电粒子治癌装置(P A T R O),该装置已于2002年投入临床使用㊂2003年,日本政府在认可重离子治癌成果的同时正式启动第二个 癌症控制10年战略”,计划在日本兴建50个重离子束治疗中心[24]㊂德国在借鉴美国和日本经验的基础上,开发和应用了先进的栅网扫描束流配送系统和P E T治疗质量保证两大技术手段,于1996年在德国重离子研究中心(G S I)建成重离子治疗装置,可以对病人的治疗实施在线监控㊂因对两种脑瘤的良好治疗,G S I因此得到德国政府有关部门颁发的临床治疗许可证㊂目前,德国政府批准并投资7245万欧元,由G S I联合德国癌症研究中心(D K F Z)在海得堡建造专门用于肿瘤治疗的离子束加速器[24]㊂除德国外,欧洲许多国家都纷纷提出或启动重离子治癌项目㊂在我国,中国科学院近代物理研究所对重离子治癌的物理学和生物医学基础等开展了研究,为临床治疗肿瘤积累了基础数据[24,26 34]㊂目前,该所研制的基于H I R F L的重离子浅层治癌装置已通过专家鉴定[35]㊂随着兰州重离子加速器冷却储存环(H I R F L-C S R)的建成出束和增建治癌终端的完成,必将使我国重离子束治癌跻身国际先进行列㊂3.3 原子核物理在疾病预防中的应用目前,加速器及同位素辐射源已广泛应用于食品保藏㊁医药消毒和环境污染物处理等㊂4 小结总之,原子核物理的迅速发展及其在医学领域的应用不仅使医学研究的理论㊁方法和技术有了突㊃122㊃第3期张 红等:原子核物理在医学领域中的应用破性进展,而且为生物医学的研究提供了现代化的检测分析和诊疗手段与设备㊂目前,原子核物理和医学不仅联系更加紧密,而且相互渗透和相互交融更加广泛㊂原子核物理和医学及其相关学科的相互交融与渗透,必将进一步促进物理学与医学的发展㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1]P e r u t z M F,R o s s m a n n M G,C u l l i s A F,e ta l.N a t u r e,1960,185:416.[2]K e n d r e wJC,D i c k e r s 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h et r e a t m e t h o d s a n d i n s t r u m e n t s f o r t h em e d i c a l r e s e a r c ha n d p r a c t i c e .I n t h i s r e v i e wt h e a p pl i c a t i o n so f n u c l e a r p h y s i c s i nb a s i c ,c l i n i c a l a n d p r e v e n t i v em e d i c i n e s a r e s u mm a r i z e d .K e y wo r d s :n u c l e a r p h y s i c s ;m e d i c i n e ;a p p l i c a t i o n ㊃322㊃ 第3期张 红等:原子核物理在医学领域中的应用*R e c e i v e dd a t e :2J a n .2007;R e v i s e dd a t e :15F e b .2007* F o u n d a t i o n i t e m :N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o n o f C h i n a (10675151);S c i e n t i f i cT e c h n o l o g y R e s e a r c hP r o je c t o fG a n s uP r o v i n c e (2G S 052-A 43-008-02,2G S 063-A 43-012);S c i e n t if i cT e c h n o l og y R e s e a r c hP r o j e c to fL a n zh o u -C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s (06-2-58);N a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fG a n s uP r o v i n c e (3Z S 061-A 25-021) 1)E -m a i l :Z h a n g h @i m pc a s .a c .c n。
原子核物理中的裂变与聚变
原子核物理中的裂变与聚变在原子核物理中，裂变和聚变是两种重要的现象。
在这篇文章中，我们将深入探讨这两种现象，它们的意义和作用以及它们在能源领域中的应用。
裂变是一种核反应，它发生在重原子核中。
当一个重原子核被撞击或吸收中子后，它将变得不稳定，并开始发生裂变。
裂变过程中，原子核将分裂成两个或更多的轻原子核、中子和大量的能量。
这个能量很大程度上是通过电磁辐射的形式来释放的，包括伽玛射线和中子。
裂变发生的时候，会释放非常大的能量。
在核电站中，这个过程可以通俗地描述为将核燃料加热，从而生成蒸汽，通过涡轮发电机转换为电能。
但是，裂变并不是完美的：反应产生的放射性废弃物是危险的。
核电站必须采取措施来控制这些放射性物质，以免影响人类的健康。
另一方面，聚变是一种将轻原子核合并成更重的原子核的核反应。
这种过程需要极高的温度和压力组合，以克服核束缚力的强力作用。
在聚变过程中，发生的化学反应将释放出巨大的能量，这通常是通过光和中子等电离辐射来释放的。
在自然界中，聚变主要发生在太阳和星星中。
太阳一直在通过聚变释放能量，这些能量支持所有的地球生命。
科学家一直致力于开发一种聚变反应器，以便利用聚变反应的能量。
一些实验已经在研究聚变反应器，但到目前为止，这种技术还没有发展到商业应用的水平。
裂变和聚变的应用不仅局限于能源领域。
在医学领域，核裂变可以用来治疗某些癌症，如淋巴瘤和白血病。
此外，聚变反应器还可以用于生产放射性同位素。
这些同位素可以用于许多用途，包括利用放射性气体来测量气味的传播和测量脑部活动。
总之，裂变和聚变在原子核物理中是重要的现象。
它们提供了巨大而有用的能量，可以用于制造电力和生产其他有用的物质。
虽然这些技术可能会带来一些危险，但是科学家们已经采取了很多措施来确保这些技术的安全性和可持续发展。
原子核物理学的基础和应用
原子核物理学的基础和应用原子核物理学是研究原子核的性质和行为的学科。
它包括了许多重要的基础概念，如核力、核结构、核衰变等等。
同时，原子核物理学也在医学、工业和能源等多个领域上有着广泛的应用。
本文将探讨原子核物理学的基础知识和其在应用上的意义。
核力核力是一种作用在原子核内部的非常强大的力量。
它使得原子核内的质子和中子互相吸引，并维持原子核的结构稳定。
核力的存在，使得原子核的密度非常高，远远大于常见的物质，如水或铁等。
这也是原子核所具有的高能量和强辐射的原因。
核力有两种主要的作用机制：短程作用和长程作用。
短程作用是指核力只在极短的距离内才能产生作用，因此通常只能维持附近的几个核子间的相互作用。
相比之下，长程作用的范围要广得多，可以连接到整个原子核。
这种力的强度是非常密切地与核子间的距离有关系的，也就是说离子核子越近，核力就越强。
核结构原子核的结构和组成是原子核物理学的另一个重要研究方向。
原子核的核子（质子和中子）排列方式是不同的，产生了许多特殊的质量数和原子核的稳定性规则。
其中最著名的是壳层模型，即核子的数量为８、20、28、50、82、126时，原子核处于特别稳定的状态。
除了核子数量外，核子的能级分布也是重要的研究对象。
这些能级可以类比于电子在原子中的能级，其中每个能级与一个特定的角动量量子数关联。
研究这些能级和角动量对原子核性质的影响是原子核物理学重要的一个方向。
核衰变核衰变是原子核中一种核子或核子组合转变为更稳定的状态的现象，它也是核能的基础来源。
核衰变可以分为三种类型：阿尔法衰变、贝塔衰变和伽玛衰变。
阿尔法衰变是指一个原子核内部的一个质子和中子结合起来形成一个氦原子核并释放出带有特征性质的粒子。
这种衰变释放出一个大量的能量，在一些重要的核反应过程中也发挥着重要的作用。
贝塔衰变是指一个原子核中一个中性子转化成一个质子或反过来，同时释放出一个高速电子或正电子。
它是一种比阿尔法衰变更常见的衰变形式，也是核电站和医疗放射性处理中重要的过程。
浅谈物理学在医学中的应用
浅谈物理学在医学中的应用摘要】物理学对医学的发展起着重要的推动作用，物理上的新发现或新技术，为医疗实践和医学研究提供了更方便、更精密和更先进的仪器和诊疗方法。
【关键词】超生成像 X 射线影像磁共振成像【中图分类号】R312 【文献标识码】B 【文章编号】2095-1752（2012）08-0293-01On the application of physics to medicineZhang Ming( Section of physics, Zunyi medical college,Guizhou Zunyi,563003）【Abstract】The development of medical physics plays an important role in promoting physical new discovery or new technology for the medical practice and medical research provides amore convenient and more precise and more advanced instruments and diagnosis and treatment method.【Key words】Ultrasonic Imaging X-ray image Magnetic Resonance Imaging 物理学的理论和定律具有普遍性，它是其自然科学和一切应用技术的基础，包括医学和生命科学。
物理学研究的原子和粒子，构成了蛋白质、基因、器官和生物体。
随着现代科学技术的发展，医学和生命科学已经从宏观形态的研究进入到了微观机制的研究，并且将其理论建立在物理学基础之上。
物理学的技术和方法，在医疗实践和医学研究中的应用越来越广泛，可以说没有物理学就没有现代医学。
1 物理学作为医学不可缺少的理论基础要了解呼吸过程、血液循环并进行心血管疾病研究，就必须掌握分子物理学、流体力学；要了解人体的心电、脑电、胃肠电及生物磁现象并进行检测，就必须掌握电学、电磁学和电子学的知识；要懂得C T、MRI 等影像设备的成像原理，就必须学习电磁学和原子核物理知识，尤其是射线与物质的相互作用机制等。
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文章编号:1007-4627(2007)03-0218-06原子核物理在医学领域中的应用*张 红1,刘 兵1,2(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2兰州军区疾病预防控制中心,甘肃兰州730020)摘 要:原子核物理的不断发展和完善极大地促进了医学及其相关学科的发展,为医学研究与实践提供了全新的思想理论和现代化的诊疗手段与设备㊂综述了原子核物理在基础医学㊁临床医学和预防医学发展中的作用及其应用㊂关键词:原子核物理;医学;应用中图分类号:O4;R1;R4;R73;Q4 文献标识码:A1 引言自1895年德国物理学家R o e n t g e n发现X射线并应用于医学领域以来,原子核物理理论与技术已广泛应用于医学领域㊂例如,X射线成像㊁计算机断层成像(C T)㊁核磁共振成像㊁核医学成像和放射治疗等技术的发展和应用,不仅极大地促进了现代医学的发展,提高了疾病诊治水平,而且将医学研究推向了一个新的高度㊂2 原子核物理在基础医学研究中的应用 发病机制是疾病防治的基础,发病机制不清楚,就很难采取切实有效的防治措施㊂1960年, P e r u t z等[1]和K e n d r e w等[2]利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白和血红蛋白的三维结构,阐明了这些蛋白质在分子氧输送过程中的特殊作用,他们也因此获得了1962年诺贝尔化学奖㊂该项工作不仅首次揭示了生物大分子内部立体结构,还为测定生物大分子晶体结构提供了一种沿用至今的有效方法 多对同晶型置换法㊂近年来,科学家应用荧光分析和核磁共振(NM R)等技术研究发现,癌变过程中细胞及其质膜发生了明显变化,如表面电荷改变㊁膜流动性增大和细胞内水状态的改变等㊂从射线产生自由基及其具有顺磁性和近年来对活性氧的研究得出了许多病理过程(包括辐射损伤㊁衰老㊁毒物作用及心血管疾病中的一些环节等)都与自由基有关的结论㊂自1895年德国外科医生R o e n t g e n首次利用X 射线观察到人体内部解剖结构以来,随着物理科学及其相关科学的发展,以X射线成像㊁C T成像㊁NM R成像和核医学成像等为代表的许多物理学技术应用于基础医学的研究㊂这些研究主要包括正常和病理状态下,人体各系统㊁器官和组织的解剖学㊁生理学特点等㊂目前,各种成像技术结合计算机三维重建技术建立正常和病理状态下不同水平结构㊁代谢和功能成像是当前医学成像研究的重点和热点㊂正电子发射计算机断层成像仪(P E T)的突出优势是,能在体外无创性探测活体内生理和病理变化过程,并能对生化过程进行准确定量分析㊂这对于研究生命现象的本质和各种疾病发生㊁发展的机理非常有用㊂例如,用短寿命的放射性核素标记人体代谢所必需的物质(如葡萄糖㊁蛋白质㊁核酸和脂肪酸等)制成显像剂(如氟代脱氧葡萄糖等),然后将其注入人体,我们就可以利用P E T从体外无创㊁定量㊁动态地观察这些物质进入人体后的生理㊁生化变化,从分子水平探讨代谢物或药物在正常人或第24卷 第3期原子核物理评论V o l.24,N o.3 2007年9月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w S e p.,2007*收稿日期:2007-01-12;修改日期:2007-02-15* 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10675151);甘肃省科技攻关计划资助项目(2G S052-A43-008-2);甘肃省重大科技专项资助项目(2G S063-A43-012);兰州市-中国科学院高新技术 种子资金”资助项目(06-2-58);甘肃省自然科学基金资助项目(3Z S061-A25-021)作者简介:张 红(1959-),女(汉族),北京人,研究员,博士生导师,从事生物物理㊁医学及其相关交叉学科研究;E-m a i l:z h a n g h@i m p c a s.a c.c n病人体内的分布和生理生化功能等㊂P E T还能对脑的血流和代谢等活动进行判断,对研究脑的生理和精神活动等提供了一个重要手段,其绝妙之处,在于它 打开了一个揭示大脑奥秘的窗口”㊂因为人体不同组织的代谢状态不同,所以这些被核素标记了的物质在人体各种组织中的分布也不同㊂例如,在高代谢的恶性肿瘤组织中分布较多,这些特点能通过图像反映出来,从而可对病变进行诊断和分析㊂ NM R成像技术以无辐射损伤㊁无破坏性㊁无试剂侵入并能从分子水平到整体脏器系统地研究活体和动态过程等这样一些突出的优点受到科学界的高度重视,发展相当迅速㊂在基础医学研究领域(如基因表达监测)也日益显露锋芒㊂以NM R为基础的药物筛选技术是国际上近几年发展起来的新药筛选新方法㊂它可以高通量地筛选出能与靶蛋白相结合的化合物小分子㊂即使在初始阶段筛选出的是弱亲和的化合物,经过适当的结构改造和优化,有可能发展成为高效的药物分子的先导化合物㊂目前,国外很多生物制药公司和研究机构纷纷建立了相关的技术平台,利用NM R技术筛选㊁发现和设计先导化合物,已取得了许多鼓舞人心的研究成果,并获得了巨大的经济效益㊂以NM R为基础的代谢组学主要利用NM R技术和模式识别方法对生物体液和组织进行系统测量和分析,对生物体中随时间改变的代谢物进行动态跟踪检测㊁定量和分类,分析这些代谢信息与机体病理生理特征的关系,确定发生这些变化的靶器官㊁作用位点和相关生物标志物㊂代谢组图谱不仅能同时反映代谢网络中多个生物化学途径上成百上千种化合物的变化,而且可以区别不同种属㊁不同品系动物模型的代谢状态,鉴别与人体疾病状态的差异,寻找人类疾病㊁药效和毒性的适宜动物模型㊂ 代谢指纹图谱”的研究不仅可以研究药物本身的代谢变化,而且可以研究药物引起的内源性代谢物的变化(更直接地反映体内生物化学过程和状态的变化)㊂通过对体液 代谢指纹图谱”变化原因的探讨阐明药物作用靶点或受体㊂脑是人体内最重要的器官,是接受外界信号,产生感觉㊁意识和逻辑思维并发出指令的中枢㊂当代科学技术虽然可使人们在整体㊁系统㊁环路㊁细胞和分子水平等不同层次了解大脑的内部结构和生理特点等,但是至今对语言㊁记忆㊁注意㊁意识和思维等脑的高级功能的确切机制知之甚少㊂无创伤性脑功能成像技术的发展,极大地推动了脑科学研究,使人类可以对活着的人脑的生命活动进行研究㊂对人脑工作机制的了解,不仅有助于探讨人类智慧的形成机理及其过程,而且有助于提高人类精神性疾病的诊疗水平㊂就目前来看,在各种无创性脑功能成像中,磁共振成像/谱仪(M R I/S)和P E T 比较成功㊂这些成像工具不但可以以人类自身作为研究对象,而且可以直接观察各种行为状态时脑内的变化,是脑科学研究和认知神经科学研究的重要手段之一㊂利用该技术已经可以在几毫米的空间分辨率下对大脑工作时的血流变化㊁血氧水平㊁葡萄糖的有氧和无氧代谢㊁磷酸化过程等大脑内发生的各种功能性或者代谢性的变化实现成像,加上对这些功能的空间定位的结构成像,已经在大脑的很多基本功能㊁甚至高级认知工作机制的研究方面取得了很大的进展[3 9]㊂3 原子核物理在临床医学中的应用3.1 现代医学影像技术现代医学影像技术包括X射线成像㊁磁共振成像(M R I)和核医学成像等㊂这些医学成像技术可以在无创条件下,提供机体解剖学信息,有些技术还可以提供反映机体功能的信息,从而为疾病的临床诊断和治疗提供重要依据㊂100多年前R o e n t g e n发现X射线后不久,X射线成像就很快应用于临床医学㊂20世纪40年代中叶,医学影像设备在世界上还只是个别医院的奢侈品㊂60年后的今天,医学影像设备也已在发展中国家普及㊂目前,X射线成像已成为当今医学检查的主要手段之一[10,11],大约70%的人每年至少作一次X线检查,人一生中要做几十次X射线成像检查㊂20世纪70年代初诞生的X射线断层成像(X-C T)装置首先用于脑部,能迅速准确地诊断与定位脑瘤,对脑出血㊁脑梗塞㊁颅内出血㊁脑挫伤等疾病是一种准确可靠的无创性检查方法,几乎可以代替过去的脑血流图和血管造影等㊂C T的灵敏度远远高于X线胶片,对脑瘤的确诊率可达95%,对肝㊁胰和肾等软组织器官是否病变有特殊功用,能清楚地显示肿瘤的大小和范围,在一定程度上X-C T还可以区分肿瘤的性质㊂到目前为止,C T成像㊃912㊃第3期张 红等:原子核物理在医学领域中的应用技术已发展成为可以对心脏实施动态显像的多层螺旋C T技术[12,13]㊂以单光子计算机断层成像(S P E C T)和P E T为主的核医学成像已用于临床疾病的诊断[14,15],如应用18F去氧葡萄糖为药物的P E T成像诊断肿瘤㊂核医学成像因其特异性好,集代谢㊁功能和分子成像于一体,可用于疾病的早期诊断㊂研究结果显示,就癌症来讲,与X-C T相比,S P E C T可以提前3个月发现肿瘤病灶,一般P E T比S P E C T又要早3个月㊂目前,多模式集成的成像装置,如P E T/C T, M R I,C T,电子直线加速器/C T等也相继问世㊂ P E T特别适用于形态学改变之前,亦即疾病的早期(甚至超早期)㊂此外,P E T还能进行三维立体动态及全身显像,可发现其他检查所不能发现的问题㊂由于P E T可了解肿瘤组织的代谢情况,因此可以对大多数肿瘤进行早期诊断㊁分期㊁疗效观察和预后判断,从而有利于制订不同的治疗措施㊂P E T 还可以了解心脏功能,通过心肌的血流量㊁氧代谢和三大代谢等生化内容来鉴定心功能,鉴别不同心脏器质的病变㊂核医学成像是目前唯一可以从分子和基因配体水平上成像的模式㊂应用核医学分子成像技术可通过放射性核素标记化合物分子在体内分布的可视化研究,了解体内微观分子的宏观分布及体内行为等信息,分析该化学分子在人体内的相互作用(机制)㊂与普通的X射线(1901年诺贝尔物理学奖)或计算机断层照相术(1979年诺贝尔生理医学奖)诊察法相比,M R I拥有许多优点㊂它弥补了计算机X 射线断层照相术(C T扫描术)的不足,对检测组织坏死㊁局部缺血和各种恶性病变特别有效,并能对其进行早期诊断;对人体各循环系统的代谢过程进行监测,其成像对比度优于C T扫描术㊂M R I技术特别适于脑和脊髓的详细成像,几乎所有的神经错乱都会导致水含量的变动,这一点能够在M R I成像中得到反映㊂水含量小于1%的变动足以检测到病变㊂脑和脊髓的局部炎症引起与多发性硬化症有关的症状,在多发性硬化症中,M R I检查对于疾病的诊断和随访是具有优势的㊂使用M R I能够了解神经系统中炎症的部位㊁病变程度以及治疗后的情况㊂M R I已经取代了以前使人不适的检查方法,能够分辨出肌肉疼痛与神经或脊髓受到压迫而产生的疼痛之间的区别㊂使用M R I能够了解肿瘤是否压迫神经以及决定手术是否必要㊂在显微外科脑手术中,外科医生可以根据M R I成像足以在中枢脑核中安置电极,以便于治疗剧痛或者是帕金森疾病引起的运动失调㊂M R I图像不仅能准确地显示肿瘤的界限,有助于更加准确的手术和放射治疗,而且也提高了确定肿瘤阶段的可能性㊂例如,M R I能够确定组织中结肠癌的侵润程度以及局部的淋巴结是否已经转移㊂M R I能够取代以前使用的入侵性的检查方法,因而减少了许多病人的痛苦㊂据卡罗林斯卡研究院公布的数字[16],从20世纪80年代初第一台医用M R I仪器问世到2002年,全世界使用的M R I 成像仪大约有22000台,M R I诊察案例累计达6000多万人次㊂3.2 肿瘤放射治疗3.2.1 肿瘤的常规放射治疗1896年居里夫妇发现镭并于3a后应用于肿瘤治疗,肿瘤放疗至今已有100多年的历史㊂在放疗初期,使用镭管或镭模直接贴敷肿瘤,或用镭针插入肿瘤进行组织间放疗,即近距离放疗㊂然而这些方法只适用于浅表肿瘤的治疗,或位于可进入的自然腔道的肿瘤,而且对体积较大肿瘤的放射剂量分布不佳,最大缺点是对医护人员的辐射量较大㊂20世纪30年代发明了k V X线治疗机,50年代发明了60C o放疗机,放射治疗便成为一个独立的放射肿瘤学科㊂20世纪60 70年代加速器问世,随着外照射放疗设备的出现,近距离放疗的应用逐渐减少㊂然而,20世纪80年代起,随着计算机技术的发展,由计算机控制的近距离后装放疗机问世,使近距离放疗再次应用于临床㊂现代后装放疗机不仅使放射源放置的位置和剂量计算完全精确,而且完全避免了对工作人员的辐射㊂因而又形成了近距离放射辅助外放射治疗的最佳组合的局面㊂1968年,瑞典神经外科医生L e x e l l制造了世界上第一台立体定向放射治疗装置,它是用γ射线作为放射源,能像手术刀一样将颅内病灶消除,因此,简称 γ刀”;其后各国又出现了X刀,开创了立体定向放射外科技术㊂由于放射物理学,特别是电子计算机和C T 技术的高速发展,推动了放疗飞速发展,使20世纪60年代日本放疗学家高桥的原体治疗(适形放射治疗)得以实现,并且更进一步达到了适形调强放疗(I M R T)㊂这些先进技术可在最大限度保护周围正㊃022㊃原子核物理评论第24卷常组织的前提下,对靶区实施高剂量均匀照射,改善肿瘤局部控制,以期提高生存率㊂放射治疗是目前肿瘤治疗的3大手段之一[17,18],约50%-70%的肿瘤患者需要不同程度(单纯放射治疗或与手术㊁药物配合治疗)地接受放射治疗㊂目前用于放疗的设备主要有电子直线加速器(使用它的电子束和X射线)和60C o机㊂目前,电子直线加速器放疗已经从过去的常规放疗发展到影像引导放射治疗(I G R T),其中最为突出的是电子直线加速器和螺旋C T结合形成的断层放疗(T o-m o t h e r a p y)技术㊂采用电子束或X射线通过体外照射的放疗是目前放射肿瘤治疗的主流㊂但放射性粒子(125I,103P d)植入某些肿瘤进行治疗,可使肿瘤局部控制率高,并发症发生率低,提高了肿瘤患者的生存率,也是一种较为有效的肿瘤治疗手段[19]㊂3.2.2 质子和重离子治疗肿瘤与常规射线相比,质子和重离子因其具有在物质中确定的 射程”及其射程末端处出现B r a g g峰的特点[20],在肿瘤治疗时,可通过调节能量调整B r a g g峰的位置和采用磁扫描技术导引束流对肿瘤病灶实施精确治疗㊂W i l s o n[21]于1946年首次提出质子束医学应用观点㊂1954年,美国加州大学L a w r e n c eB e r k e l e y实验室(L B L)在世界上首次用质子对晚期乳腺癌病人实施治疗[22]㊂之后,瑞典㊁美国和俄罗斯等国的一些机构开展了质子治疗肿瘤的临床研究㊂目前质子的主要治疗范围已经从最初的黑色素瘤㊁颅内肿瘤扩展到前列腺癌㊁肺癌㊁肝癌以及脑血管畸形等非肿瘤疾病,并且在2000年8月通过了美国国家食品药品管理局(F D A)的认证㊂据报道,到2001年底,全世界接受质子治疗的病人达29852人[23]㊂目前,全世界现有质子治疗中心33家,分布在16个国家,主要集中在美国㊁英国㊁日本和加拿大等发达国家,到目前已累计治疗了4万多患者,仅欧美和日本就已治疗2万多个病例,一般治疗效果达到95%以上,5年存活率高达80%㊂与质子相比,重离子生物学优势更加明显,剂量分布优势(B r a g g峰)更为突出,其治疗精度高(mm量级)㊁剂量相对集中㊁治疗时间短㊁疗效显著㊁对周围健康组织损伤小和便于实时监测等被誉为面向未来最理想的放射治疗用射线㊂世界上许多国家都投入大量的人力㊁物力和财力建造重离子束治癌装置,开展治癌基础及临床应用研究㊂1975年,美国的L B L首次利用其高能同步重离子加速器B E V A L A C开展肿瘤治疗临床试验,到1992年6月累计治疗各种肿瘤患者2487人[24]㊂近年来,日本和德国重离子束治疗肿瘤临床试验成果又唤起了美国对重离子束治癌研究的兴趣㊂1984年,日本政府启动 癌症控制10年战略”,于1993年在国立放射医学综合研究所(N I R S)建成一台专门用于肿瘤治疗和放射医学研究的医用重离子加速器(H I MA C),1994年6月21日对第一批肿瘤病人实施了碳离子束治疗[25],到2006年11月已累计治疗各种肿瘤患者3200例㊂2000年,日本又在兵库(H y o g o)建成一台专门用于肿瘤治疗的带电粒子治癌装置(P A T R O),该装置已于2002年投入临床使用㊂2003年,日本政府在认可重离子治癌成果的同时正式启动第二个 癌症控制10年战略”,计划在日本兴建50个重离子束治疗中心[24]㊂德国在借鉴美国和日本经验的基础上,开发和应用了先进的栅网扫描束流配送系统和P E T治疗质量保证两大技术手段,于1996年在德国重离子研究中心(G S I)建成重离子治疗装置,可以对病人的治疗实施在线监控㊂因对两种脑瘤的良好治疗,G S I因此得到德国政府有关部门颁发的临床治疗许可证㊂目前,德国政府批准并投资7245万欧元,由G S I联合德国癌症研究中心(D K F Z)在海得堡建造专门用于肿瘤治疗的离子束加速器[24]㊂除德国外,欧洲许多国家都纷纷提出或启动重离子治癌项目㊂在我国,中国科学院近代物理研究所对重离子治癌的物理学和生物医学基础等开展了研究,为临床治疗肿瘤积累了基础数据[24,26 34]㊂目前,该所研制的基于H I R F L的重离子浅层治癌装置已通过专家鉴定[35]㊂随着兰州重离子加速器冷却储存环(H I R F L-C S R)的建成出束和增建治癌终端的完成,必将使我国重离子束治癌跻身国际先进行列㊂3.3 原子核物理在疾病预防中的应用目前,加速器及同位素辐射源已广泛应用于食品保藏㊁医药消毒和环境污染物处理等㊂4 小结总之,原子核物理的迅速发展及其在医学领域的应用不仅使医学研究的理论㊁方法和技术有了突㊃122㊃第3期张 红等:原子核物理在医学领域中的应用破性进展,而且为生物医学的研究提供了现代化的检测分析和诊疗手段与设备㊂目前,原子核物理和医学不仅联系更加紧密,而且相互渗透和相互交融更加广泛㊂原子核物理和医学及其相关学科的相互交融与渗透,必将进一步促进物理学与医学的发展㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1]P e r u t z M F,R o s s m a n n M G,C u l l i s A F,e ta l.N a t u r e,1960,185:416.[2]K e n d r e wJC,D i c k e r s 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h et r e a t m e t h o d s a n d i n s t r u m e n t s f o r t h em e d i c a l r e s e a r c ha n d p r a c t i c e .I n t h i s r e v i e wt h e a p pl i c a t i o n so f n u c l e a r p h y s i c s i nb a s i c ,c l i n i c a l a n d p r e v e n t i v em e d i c i n e s a r e s u mm a r i z e d .K e y wo r d s :n u c l e a r p h y s i c s ;m e d i c i n e ;a p p l i c a t i o n ㊃322㊃ 第3期张 红等:原子核物理在医学领域中的应用*R e c e i v e dd a t e :2J a n .2007;R e v i s e dd a t e :15F e b .2007* F o u n d a t i o n i t e m :N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o n o f C h i n a (10675151);S c i e n t i f i cT e c h n o l o g y R e s e a r c hP r o je c t o fG a n s uP r o v i n c e (2G S 052-A 43-008-02,2G S 063-A 43-012);S c i e n t if i cT e c h n o l og y R e s e a r c hP r o j e c to fL a n zh o u -C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s (06-2-58);N a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fG a n s uP r o v i n c e (3Z S 061-A 25-021) 1)E -m a i l :Z h a n g h @i m pc a s .a c .c n。