肿瘤放疗医学物理学科和医学物理师制度

1、2004 年 2 期中国医疗肿瘤放疗、医学物理学科和医学物理师制度包尚联北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心和医学物理与工程北京市重点实验室，北京100871一、前言放疗设备是高度精确地控制射线的剂量和位置、对人实施治疗的机电一体化产品。实际上，当我们用类似的设备对样品进行照射并探测经过射线照射后的物理现象时，就是在做核物理实验。而在我们设计核物理实验时，对样品的情况、射线源的情况，样品摆放的精确位置，检测手段的建立，数据采集、数据分析以及对结果数据的科学解释，都要经过反复推敲、甚至经过预实验之后才开始正式进行实验研究的。而肿瘤的放疗是用类似的设备和大体相同的方法对肿瘤病人，在肿瘤部位进行照射，情

2、况要比核物理实验复杂得多。 主要原因就是这里的样品是人，而人是的活的。 人是活的有三个层次上的含义：1.人在接受照射时会动，即使把人体固定在治疗床上之后，人的心脏在跳动、肺在呼吸，肠胃在蠕动，这些脏器的运动带动了周围其它肌肉组织的活动；2. 人体的物质，尤其是可以流动的体液，主要是血液、脑脊液、淋巴液和尿液等，都在不停地运动，更不用说细胞内的大分子在一刻不停地运动着；3. 对病人来说，痉挛、抽搐等各种不由自主的运动经常发生，情况更为复杂。由此可见，当医院要对肿瘤病人进行治疗时，无论是射线治疗 ( 例如电子直线加速器放疗和用60 co开展的射线放疗 ) ，还是超声波、射频波、微波等人体进行治疗时

3、，更要仔细设计、精确计算和测量，然后才能实施对人的照射，因为世界上万物中人是最宝贵的，比核物理实验的要求更高。放疗设备是制造业和软件业中技术含量和附加值最高的一类医疗设备，研究和发展这类产品，科学地使用这类产品都需要专门的人才，这类人才是医学物理 ( 含医学物理和技术，医学物理和工程 ) 专业培养的。从使用者的角度看，对病人进行放疗时，原则上都必须有事先的治疗计划，实施治疗时的剂量计算甚至测量，实施时的图像监督以及治疗之后对治疗计划的验证。而治疗计划的制订和实施是医学物理师承担的。医生根据病人的情况经过综合之后，提出放疗的整体方案，物理师提出并实现治疗方案的各种技术路线，其中包括剂量场的分布，

4、如何保证杀死癌细胞的同时最大限度保护正常组织。而放疗计划是由专门的放疗计划软件根据加速器和病人个体的不同情况具体设计和操作的。所以，这里我们提出了大学的医学物理学科、医院的医学物理师制度和为如何发展诸如放疗设备那样的高精密医疗设备行业的问题。这个行业和高速发展的信息科学一起，就形成了医学信息学。从信息学的角度看，无论是人体的生化参数还是影像都是人体的信息源，放疗离不开诊断，首先要对人体的信息源进行综合分析，因为目前所有的诊断仪器和设备只能提供人体的部分信息，而准确的诊断和治疗需要的是人体的完整信息。所以，各种人体信息的整合和综合分析就非常重要。整合和综合分析需要相应的理论和方法，这些理论和方法

5、也是医学物理专业研究的内容。上述情况，说明了科学技术的进步，尤其是信息革命给人类带来的好处。如何采用更多的高新科学技术成果，提高使用这些高新技术成果的水平和质量，满足我国人民进入小康之后日益增长对健康长寿的追求，要求医院能够在临床的诊断准确率和治疗效果方面不断得到改善。这种趋势需要从两个方面同时努力才能实现：通过高质量的无创伤成像手段更深层次地获取诊断所需要的人体信息；通过提高控制射线的能力，为杀死全部癌细胞的同时最大限度保护正常细胞提供可靠的保障。二、放疗设备现状和未来发展自从 100 多年前居里夫人发现放射性镭之后，放疗就已经成为一种疾病治疗手段，并成为当前肿瘤治疗的三大手段之一。我国大约

6、有70的肿瘤病人在治疗过程中使用放疗手段。目前世界范围的肿瘤病人的比例还在不断增加，从现在的发展趋势分析， 21 世纪出生的人一生中有1/4的几率得癌症。 其市场需求在不断扩大。按照发达国家每100 万人有 23 台电子加速器的比例进行计算，我国需要的电子直线加速器放疗机大约是5000 台左右， 目前的数量是 500600 台，今后仍然有4000 台左右的发展空间。按照每台加速器 10 年平均寿命计算，我国今后还有每年500 台的更新产品进入市场，缺口很大。392004 年 2 期中国医疗目前用于放疗的设备主要是电子直线加速器( 使用它的电子束和x-射线 ) 和 60co 源，这两种放疗设备占

7、有市场大约 90以上份额。由于60co 源的 -射线能量偏低，在保证杀死癌细胞的同时，正常组织吸收的剂量比例比较高。所以，发达国家中60co 源的放疗 ( 包括 - 刀在内 ) 正被逐步淘汰。作为发展中国家的中国，估计在最近的10 年内 60co源的放疗还会占有相当的比例。从技术发展趋势看， 目前的电子直线加速器放疗已经从过去的简单少野放疗已经发展到实形调强放疗(imrt)，其中最为突出的是电子直线加速器和螺旋ct 结合形成的断层放疗 (tomotherapy) 技术。60co源的放疗是把过去的简单钴炮发展到今天大家都熟悉的-刀。这类采用电子或者x-射线通过体外照射的放疗是目前放疗的主流。固体

8、放射源植入( 包括短时植入和永久植入 ) 、腔管内的放疗等都属于后装放疗。外照射放疗、后装放疗以及向体内注射短寿命放射性同位素溶液实现病灶特异性吸收的放疗等，构成了放疗领域多姿多彩的各种放疗设备和装置。外照射放疗除了电子直线加速器外，质子放疗机，重离子放疗机以及各种中子治疗机 ( 包括硼中子俘获治疗机 ) 也已经在临床上作为放疗或者临床试用的放疗工具，但是份额还很低。x-射线， -射线和电子、质子的放疗属于低能量转移的放疗模式，即每个粒子通过和人体组织相互作用转移给人体组织的能量密度比较低，是当前放疗模式的主流； 而中子 ( 包括硼中子俘获放疗： bnct)和重离子放疗是高能量转移的放疗模式，

9、适合那些生长速度快，弥散度高的肿瘤，因为高let 放疗可以有效抑制肿瘤细胞对辐射损伤的修复，保证治疗效果。对肿瘤的物理治疗，国内除了放疗外，在射频、微波和超声治疗方面也已经开展起来，这些治疗装置的治疗原理主要是根据物质波与肿瘤细胞和正常细胞在热效应上的差别从而达到治疗肿瘤的目的。这里需要说明的是射线之所以能够用于成像，也能用于治疗肿瘤，就在于射线具有能量，并有很好的穿透本领，射线通过与人体相互作用之后携带了人体的信息，通过物理建模的方法实现把人体信息提取出来的能力，就是成像；而利用射线的电离能量杀死癌细胞是肿瘤疗效的原因。射线能够成像，也能够用于肿瘤治疗是经过 100 多年的临床考验之后已经被

10、社会广泛承认。但是，射频、超声波和微波在人体内的穿透能力比较差，携带人体信息的能力和射线仍然有较大的差距，对肿瘤治疗，尤其是体内深处肿瘤的治疗效果仍然不能很好肯定。例如，前面提到的利用物质波热效应的放疗，关键是对体内治疗期间温度场分布的实时测量， 这是一个比较困难的问题，能量是否达到应该到达的位置， 这个位置的温度是多少。不同物质波性能特点差别很大，没有系统的研究，草率地应用于临床，是很容易出问题的。从放疗机发展的技术路线看，我国是发展-刀技术最快的国家，是超声治疗仪首先被批准在临床上使用的国家。也就是说，我国在放疗上采用新模式的问题在医疗界并不保守。但是，我们应该防止由于我国在肿瘤物理治疗资

11、源的不足，病人急于求治的市场需求，忽略临床实施上的科学性和市场准入的严格性。 所以，这些设备在临床使用期间必须有医学物理师做仔细的计划，并对治疗效果进行严格的评估，千万不要把被淘汰的技术，当作一种发明创造来贻害老百姓。这里尤其需要强调的是医学软件的重要性。上面提到的所有硬件设备和图像工作站都需要医学软件的支持，其内容包括三个方面的工作。第一个层次的工作是和硬件紧密结合在一起的软件，主要承担对成像装置运动部件的控制，对数据的采集， 图像预处理和重建， 以及对采集的临床数据进行的分析。这部分软件包都被生产厂家所垄断，外人很难介入。而生产厂家也往往软硬件一起发展。由于中国的制造业不太发达，所以对高精

12、尖的产品的生产都通过购进部件进行组装，然后发展一定软件的思路在发展。但是，从长远来看，软硬件结合的发展是必要的。因为只有这样，企业才能具备全面的竞争力，并保持企业的持续发展。第二个层次的软件主要是对医疗器械产生的数据进行分析处理的软件，由于临床应用的多样性，生产厂家很难完全包下来， 而且这些软件依赖于方法学的研究成果， 更新的速度也很快， 是除了厂家以外，小的医学软件企业有可能介入的领域。但是这种软件必须在医学物理人员、软件编程人员和医生紧密合作的情况下才能完成。但是，中国的医院还没有建立把这三部分人员结合起来的体制，使得我国对现有商业应用软件的开发明显滞后。第三类软件是以医学信息的整合为目标

13、的软件，这种软件也必须和医生共同完成，但是不完全依赖402004 年 2 期中国医疗于医生，从而具有相对的独立性。为某种特定的医疗过程或者医学信息进行管理的软件就是其中的例子，典型的是图像采集、存贮通讯的医学图像系统 (pacs), 很多其它应用软件，例如基于医学影像的计算机辅助诊断系统、手术模拟和手术计划系统、手术导航系统、放疗治疗计划系统、社区医疗监护系统、远程诊断系统等。这些软件，加上各种专用医学影像工作站的软件和 pacs 技术的结合，会是一个规模很大的医学软件行业。和其它行业一样，医疗软件业发展也需要有一个合适的商业环境，制约这些环境的因素包括：1. 法律环境，指法律制度的健全程度和

14、执行法律的公正程度；2. 信贷环境，指银行和金融体制的完善程度和融资产品的发达程度；3. 市场环境，自由贸易和公平竞争的程度。作为刚刚发展起来的中国市场，在这些方面都还有待于完善。我国从事医学软件业的主流力量是从事 it 行业的人员，他们对医学方面的需要以及成像设备的信息产生的机制不太清楚，具有医学物理知识的专业人员可以弥补这方面的缺陷，说明医学物理专业的重要性。三、医学物理学科 物理学与医学是人类科学知识宝库中的两个重要分支，在学科发展的初期两者就紧密结合，例如 1895 年德国物理学家伦琴发现了x 射线并在发现的同时就将其应用于医学成像，成为推动医学诊断革命的起点并于1905 年第一个获得

15、诺贝尔物理学奖。物理学与医学的结合给物理学带来了巨大的活力，给医学的进步带来了革命，使得人的寿命不断增长。之后，已经有不少物理学家在这里领域不仅获得物理学的诺贝尔奖，还获得医学( 生理学 )的诺贝尔奖，例如今年的医学诺贝尔奖就授予两名核磁共振成像的美国物理学家p. c. lauterbur和英国科学家 p. mansfield 。 这也是核磁共振领域继1946年由 bloch 布洛赫和 purcell 珀塞尔发现核磁共振现象并从理论上进行科学解释、在 1952 年获得诺贝尔物理学奖之后，从医学成像应用的角度授予的诺贝尔奖。正是这些突破性研究工作的推动，在世界上逐步形成了医学物理学科，在发达国家

16、始于20 世纪 50 年代中。医学物理学科培养的人才应该精通物理学并在医学方面有很深的知识基础，是复合型人才，他们在以下三个领域开展工作： a.把世界上最先进的科技成果形成的医疗产品用于医学临床诊断与治疗; b.在医学物理学科开展教学和科研工作; c. 研发和改进世界上最新的医疗设备。在三方面的社会需求构成的人才市场， 在中国的总容量将是大约100万人之多的队伍， 其中 30 40具有本科以上的受教育程度。目前最紧迫的是医院急需大量合格的医学物理师，需要通过医学物理硕士水平的专业训练，如果是别的专业硕士毕业的学生也必须经过严格的专业训练之后才能加入到这个行业中来。为了培养合格的符合需要的医学物

17、理人才，世界各国，尤其是发达国家的都已经建立了医学物理专业 (含医学物理和技术，与医学物理和工程)，有些国家成立了单独的系，甚至学院。原来从事核物理和核技术的专业，物理类的学科适合办这样的专业，北京大学于1994年“核技术及应用”学科中成立了医学物理研究方向，这是全国最早的医学物理研究生学科。经过10 多年的发展，我们的教学和科研内容已经覆盖了目前世界医学物理发展的主流内容：医学影像物理(含 x 射线成像， 射线成像，核磁共振成像和超声成像，以及这些成像信息的整合分析与处理，医学信息学)和放疗物理，并和世界上发展最快、最好的医学物理专业之间建立了很好的合作关系。我们的学科虽然在“核技术及应用”

18、领域内，但是一直独立设课，形成了一套交叉学科的课程体系，已经培养了21 名研究生，其中 4 名博士生，目前在读的研究生 23 名，包括8 名博士生。希望来读的人非常多，学生的质量都很好，这是社会需求推动学科发展的例子。 目前我国建立医学物理学科的时机已经成熟。为了和医学临床研究结合， 我们于 1997年成立了北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心；为了和产业的结合，经过北京市教委和科委领导批准，我们于 2001 年成立北京大学医学物理和工程北京市重点实验室。为这个学科创造了很好的基础。最近 1 2 年来，包括清华大学、武汉大学、南京大学、华中科技大学和南华大学等在内，纷纷准备成立相应的或者类似的专业

19、。清华大学已经于2002 年在核科学与技术一级学科内，建立了“医学物理和工程”二级工学研究生学科。国内很多学校受到国内人才需求的推动，正蓄势待发，准备抢占培养我国医学物理师的先机。412004 年 2 期中国医疗四、医学物理师制度随着高新技术产品在医院的应用越来越广泛，世界各国都已经在医院里建立了物理师制度，尤其是发达国家， 具有医学物理博士学位或者相近专业博士学位或者医学物理专业的毕业生到医院担任医学物理师，其制度已经十分完善。目前世界大多数国家都要求把物理师的任职资格设定在医学物理专业硕士毕业的水平上。但是，在中国，因为需求很大，从物理类的毕业生中通过2 年专业培训是解决我国医学物理师奇缺

20、的一个过渡措施。但是，当前的主要问题是把医学物理师设定为医院的正式岗位，其主要职责是保证医院内的高新技术产品处于最佳工作状态，为病人的诊断和治疗提供最佳服务，同时研究和开发这些设备的功能，对诸如放疗等可能对病人造成直接伤害的治疗手段，必须有严格的质量控制制度，事先的治疗计划，治疗过程的监督和对计划的验证。而用计算机软件针对每个病人的具体情况制订治疗计划，这些治疗计划由医学物理专门人才设计和完成、经过国家有关部门的严格测试批准后进入市场，这些医学软件包括目前国内正在实施的医院数字化系统，基于医学影像的计算机辅助诊断软件包的实施等，没有医学物理人员的参加都难以完成。医学物理师因为理解医学诊断和治疗

21、的实际需要，又精通科学和技术，在高精密的医疗器械行业也是骨干，而高精密的医学影像和放疗设备的水平，代表了医疗仪器整个行业的水平，是一个国家制造业和软件业总体水平的标志，我国是一定要在世界上占有相当份额的。 所以，在医院设立物理师是对人民负责、开发和维护国家用大量外汇购进的高档设备、提高设备使用水平的重要措施，也是发展我国高精密医疗器械行业的重要举措。为此，我曾经在不同场合多次呼吁在大学中设立医学物理学科，在医疗机构内设立物理师岗位，尤其在放疗科、放射科和核医学科设立相应的医学物理师岗位。卫生部要制订相应的政策，对医院如何配备物理师的问题制订相应的法规；在临床涉及到使用高精尖设备医治病人时，都必须制定治疗计划并由物理师和医生一起签字后才能实施。因此，物理师也要和医生一样具有相应的职称和岗位责任，经过资格认定后才能上岗；国内有计划地建立物理师的统一培训和考试系统。为了加快配备物理师的速度，建议从目前基础比较好的单位开始，建立本科生、硕士生和博士生的培养标准和要求。同时组织在职培训和相近专业毕业学生的岗前培训，解决当前物理师人才奇缺的问题；教育部要对医学物