什么是癌症？

癌症患者体内存在快速增殖的异常细胞。放射治疗作为抑制癌细胞增殖的重要手段, 其本质是一种以粒子或光形式传播的能量。 我们日常接触到的太阳光就是一种放射线, 而X射线等更高能量的辐射能穿透人体组织等实体, 可被牙医用于拍摄牙齿影像。 癌症治疗使用的辐射能量更强, 虽能有效破坏癌细胞并阻止其生长扩散, 但同样会损伤健康细胞。 因此, 科学家必须确保放射线精确瞄准癌细胞, 同时尽可能保护患者的健康细胞与器官 [1]。

放射线从哪里来？

科学家通过名为“直线加速器”的设备产生用于治疗癌症的放射线。 这种设备能将电子加速至接近光速！ 当这些高速电子撞击金属块时, 就会释放出大量癌症治疗用辐射 [2]。 若需要详细讲解, 可参阅另一篇 Frontiers for Young Minds 文章。图 1 展示了医院中的直线加速器实物。

产生放射线只是直线加速器的多项功能之一: 它还能改变放射线的形状并调整照射方向。 我们可以将直线加速器当作手电筒:科学家启动加速器, 就像打开手电筒；调整设备部件来改变放射线角度, 就像挥动手电筒改变光束方向；使用厚金属块遮挡部分放射线并精准塑造射线轮廓, 就像用手挡在电筒前产生不同形状的影子。

癌症患者接受放疗时会发生什么？

临床治疗癌症时, 医生可采用放射线、 化疗药物或手术切除。放射治疗是癌症综合治疗的重要手段 —— 以 2023 年为例, 美国约 200 万新增癌症患者中, 近半数接受了放射治疗 [3, 4]。 当患者需要放疗时, 医疗团队会以严谨安全的操作实施治疗。 治疗前, 患者需平躺接受 CT 扫描 （三维人体成像）, 该影像既能精确定位病灶, 又是放疗团队设计治疗方案的重要依据, 确保在摧毁癌细胞的同时避免误伤健康细胞。

治疗时, 患者就像做 CT 扫描一样平躺。 直线加速器发出的放射线经过精密校准, 瞄准肿瘤区域。 患者体位与放射线角度必须对准, 以确保对癌细胞施加足够的辐射剂量, 同时有效避开健康细胞与器官。

目标不断移动怎么办？

接受放射治疗时, 患者需保持静止不动, 以便医疗团队精准定位放射线。 但要是肿瘤位于不断运动的部位怎么办呢？ 比如肺部或周边区域, 吸气时肺部扩张充气, 呼气时肺部收缩, 导致肿瘤靶区持续移动, 治疗难度便显著增加。 这就像电子游戏中的大炮射击关卡:简单关卡中目标静止不动, 进阶关卡里目标开始移动, 而最难关卡中移动目标还会接近需要保护的物体。 放射治疗正是如此:癌细胞如同移动靶点, 高能放射线则像待发射的炮弹。

放疗团队有时会采用名为“运动管理”的特殊技术来控制器官移动。 以乳腺癌为例: 2023 年美国新增了约 30 万病例 [3]。 进行乳腺癌放射治疗时, 团队常需对整个乳房进行照射, 此时必须考虑靶区周边的健康细胞。 比如, 治疗左侧乳腺癌时, 紧邻靶区的心脏就需重点保护。 科学家还需考虑呼吸运动导致的目标位移。

我们可采用特殊策略实现精准靶向 （乳房） 照射, 避开保护目标 （心脏） : 让患者深吸气后屏息约 20 秒, 此时肺部充分扩张, 使胸腔与心脏的间距增大 （图 2）。 在屏息时启动直线加速器, 利用这一短暂的窗口期使放射线照射乳房并避开心脏。 这便是“深吸气屏息”技术。 在治疗期间, 患者深呼吸 （“深吸气”）, 然后屏住呼吸 （“屏息”）。

从 图 2 上看, 我们可能觉得治疗期间正常呼吸与屏息状态差异不大, 但这点微小变化能显著提升治疗安全性, 所以这种技术很有价值！

多数人的屏息时间很难超过 20 秒。 由于单次屏息无法完成全部放射剂量的输送, 治疗过程中会安排多次屏息:当患者需要换气时, 放射线会自动暂停, 让其恢复正常呼吸；待患者准备就绪后, 再次进行深吸气屏息, 随后重新启动放疗。

除乳腺癌外, 肺部、 肝脏或胰腺的肿瘤也会随呼吸移动。 对此, 放疗团队可采用类似于乳腺癌治疗的策略, 通过精准控制照射时机, 在确保命中肿瘤的同时避开健康组织。

总结

放射治疗是对抗癌症的重要武器。 实施放疗时, 必须确保放射线精准覆盖靶区, 同时避开周边健康组织。 即使肿瘤位于随呼吸移动的器官附近, 运动管理技术也有助于实现这一目标。 患者通过“深吸气屏息”等技巧主动配合, 既能保障高能射线有效杀灭癌细胞, 又能守护健康细胞的安全。

术语表

癌症 (Cancer): ↑ 细胞异常增生并可能扩散的疾病, 会对人体造成损害。 肿瘤有良性与恶性之分, 恶性肿瘤即为癌症。

放射线 (Radiation): ↑ 能够在空间中传播的能量。 当放射线能量足够高时, 会对活细胞造成损伤。

直线加速器 (Linear Accelerator): ↑ 一种能产生、 塑形并引导放射线束精准照射癌细胞的设备。

放射治疗 (Radiation Therapy): ↑ 利用高能放射线束摧毁癌细胞的治疗方法。

运动管理 (Motion Management): ↑ 放射治疗中确保射线精准命中移动靶区的技术策略。

深吸气屏息 (Deep Inspiration Breath Hold): ↑ 放射治疗中的一种呼吸控制方法:患者深吸气后屏住呼吸, 在此期间实施照射。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

衷心感谢 IF/THEN 组织。

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