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质子激光治疗癌症--SAPHIR项目
 
摘要】质子治疗作为某些癌症的最佳治疗方式, 已经显示出它的非凡成效。目前全球已拥有约30个质子治疗中心, 并且有超过55,000名病人得到相关治疗。但是,这类治疗仪目前还是体积庞大并且价格不菲,价格和体积便成为许多医院无法使用该技术的一个重要原因。因此, 建立在激光技术基础上的新一代质子治疗仪, 因其设备的小型化、操作的简单化和能让临床医生很容易获得治疗所需的质子的特性, 而受到了医疗机构的青睐。
   
关键词】质子激光 飞秒激光 太瓦激光
   
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   质子治疗作为某些癌症的最佳治疗方式, 已经显示出它的非凡成效。目前全球已拥有约30个质子治疗中心, 并且有超过55,000名病人得到相关治疗。但是,这类治疗仪目前还是体积庞大并且价格不菲,价格和体积便成为许多医院无法使用该技术的一个重要原因。因此, 建立在激光技术基础上的新一代质子治疗仪, 因其设备的小型化、操作的简单化和能让临床医生很容易获得治疗所需的质子的特性, 而受到了医疗机构的青睐。


     其原理是: 等离子和激光领域的物理学发展, 使得能通过强激光产生粒子束。在此基础上,我们可以制造出具有更小体积且成本大大降低的能用于临床治疗的质子束设备。


  SAPHIR项目(法国,OSEO资助)将用最近五年的时间来证明用于质子激光治疗的设备是可行的,且该设备跟传统质子治疗设备相比具有体积小成本低的特点。

  Amplitude Technologies公司(项目负责人),在超强激光源的发展研究方面处于世界领先地位。

  Imagine Optics公司,是利用Shack-Hartmann技术的波前分析和自适应光学分析研究的世界领跑者之一。

  Dosisoft公司,法国第一家、 欧洲第二家研发放射疗技术软件的公司

  Propulse公司,协调项目的产业化, 确保在接下来产业商品化过程中的运作。

  LOA-ENSTA实验室,在粒子电子研究以及质子加速技术上在国际上享有盛誉。

  CEA-LIRM实验室, 拥有CEA DAM 非常强大的模拟技术和计算设备。

  CEA-IRAMIS实验室,是世界上第一批研究粒子物理性质和超强激光质子加速技术的企业之一。

  Gustave Roussy (IGR)癌症学研究所,主要研究课题集中在放射疗法和生物基础研究方面。

  Curie-CPO研究所,欧洲第一家质子治疗中心。


SAPHIR项目简介

  项目负责 : Amplitude Technologies

  总预算 : 一千七百万欧元

  启动时间 : 2008年

  项目持续时间: 5年(4年用于研发,最后一年用于产业化研究)

  目的: 用于证明利用具有高重复频率的超强激光进行质子治 疗的技术的可行性和所需经费

  Amplitude公司的角色:发展用于质子治疗的激光器。激光量为1 PW(佩塔瓦)5-10赫兹,并拥有很强的时间差和很       高的Strehl Ratio值。


质子治疗在癌症治疗中的应用


  癌症是危害人类健康的主要杀手,全世界每年有约一千万新增病例,其中欧洲约为3,200,000例(法国300000例),东南亚2,500,000例,美国1,500,000例。在发达国家癌症已经成为死亡的第二诱因。


  放射疗法是对抗癌症的主要手段之一,该疗法体现了成本与效率的合理关系。因为在法国它只占用了约7%(即约七亿欧元)的癌症学研究费用, 但获得60%的癌症病人使用这种治疗法和治愈率达到30%~40%的良好成果。


  在近20年的放射疗法的研发过程中, 遇到的主要挑战之一是通过放射轨迹最优化, 以达到提高局部控制率, 同时又要求降低并发症机率的问题。高精度的放射疗法在近些年已经取得了重要进展, 在这些新的技术中,强子疗法达到了放射轨迹的最大优化, 从而能够使高剂量区集中于肿瘤部位, 因此能大大降低正常组织的受量。它是通过放射疗法治疗癌症的技术之一, 相对于传统的基本上是利用X射线(光子)放射疗法,主要是使用质子和碳离子。与传统放射疗法相比,强子的主要优点在于其射出的轨迹精度(能量在一定深处沉积,很少扩散在正常组织上)。


     这两种性能使释放到靶区的剂量达到最优化, 并且使周围正常组织的放射损伤降到最低,因而达到局部控制率的增加, 和并发症风险的大大降低。


     质子治疗的主要限制是高成本和庞大笨重的设备,放射疗法需要放射轨迹的精准性。所以质子被建议用来治疗所有放射疗法所产生的并发症;因为质子治疗的成本限制了该技术的广泛使用。


强激光的应用:挖掘质子治疗的潜质


  激光和等离子的物理特性是比较新的研究领域, 但是该领域拥有极其诱人的前景, 并且和其他许多领域有紧密的联系, 包括:光学,物质物理学,生物学,天体物理学,核能领域等。


  为了满足研究的需求,近几十年来科学家在增加激光推进强度和把激光推进集中到靶区的技术上一直进行技术改进。目前取得的峰值强度是10^21 W/cm^2,这个数据对原子级来说是巨大的(电子挣脱束缚的必要强度是10^14 W/cm^2)

目前的峰值强度已可以使靶面物质的状态发生变化,这会导致TV/m级极电场的局部产生,该电场比常规加速器获得的电场要强10,000倍。电场会加速并集中中间粒子, 从而产生高能量和高性能粒子束。


目前成果和技术


  粒子束使该项技术, 尤其是在放射疗法的研究上有了新的突破。事实上,电子(LOA实验室成果200 MeV)已经达到并超过了治疗能量。质子(LLNL实验室成果55 MeV而治疗的所需最小能量约65 MeV)也接近这一能量。一些数值模拟已显示在不久的将来科学家们可以开发出拥有足够治疗能量的所要求的激光质子束。


  经过许多实验室的多年研究,通过强毫微微秒激光加速产生质子束的研究已经取得成果。获得的能谱是迅速递减的"麦克斯韦原理"型。获得的最大能量是用Petawatt(佩塔瓦)激光产生的50 MeV。这一成果是在美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore national laboratory) 取得的。这个激光能在1000毫微微秒内释放1千焦能量(每20分钟一次射击)。


     钛激光运用:Saphir-CPA,最有发展性的研究结果,今天唯一满足医疗应用上所需重频(10赫兹或以上)的激光。


  LOA-ENSTA实验室(帕莱索,法国)获得了最大能量12 MeV的质子。激光释放了30毫微微秒推进力, 其峰值功率为30-40 TW量级,时间差为10^6。


  FZD(德雷斯顿,德国)获得了最大能量为17 MeV的质子。该激光由Amplitude Technologies公司研发,其能释放30毫微微秒的推进力。峰值功率为100 TW量级,时间差为10^9。


     今天我们了解到激光推进的特性(持续时间,能量)和波前时间差对射出质子束特性的决定性参数。时间差的精确控制(删除大于十数量级的自发辐射光源,跟踪相对振幅的前推近和控制时间)对优化相互作用是很有必要的。


     基于激光到光靶之间相互作用的基本机理和由此获得的粒子加速的物理原理将会是掌握粒子次级源的基础。


生产质子的超强激光源的技术和工艺创新


  今天关于激光源特性的定义已经获得了一定的确信度, 激光源是产生用于治疗的质子束的必要条件。


  这将形成以钛为基础的激光源:Saphir-CPA,唯一利用必要时间差释放持续25-50毫微微秒的推进力(持续时间应该是可以调控的),以10赫兹的循环运行,该循环与模拟编码中预测的最小循环是一致的。其必然会产生一个剂量流量(Grays/mn),该流量与质子治疗的要求是符合的。在SAPHIR项目框架内,5赫兹的中间速率将在前四个阶段被用到,目的是把某些设备的使用成本降到最低,但不会因此影响到使用这种新疗法的研究成果远景。


简介:质子的增速对激光源提出的挑战

  质子最大能量:治疗眼部病变 要大于65 MeV,其他身体部位不低于200 MeV

  激光应有一个峰值功率PW

  质子能谱的优化

  靶几何结构的优化是有必要的

  确保性能的稳定性和复制性

   激光在时间差和持续时间方面会有独特的特性。并且泵式激光工程对确保这些性能将是很关键的。

  束的强度(有用的/次要的质子)

  激光将有一个可能的最高


结论:质子治疗的缩减方法


  真正的挑战不是生产出所需能量的粒子,而是能够利用新型设备(更小尺寸,耗能更少,成本更低,辐射防护更强等)产出治疗束, 这是普及质子治疗并将其引入到医疗机构的唯一方法。


  质子束应用于治疗由三个阶段构成:

  - 通过设备产生质子

  - 产生的质子束被传递到治疗室

  - 将质子束运用到病人身上要注意两个问题:质子束的入射和临床治疗个人化(为了扫描治疗区)


  在目前的情况下,质子是在回旋加速器或是同步加速器里产生的(加速器重达几十吨,需要一个辐射防护的环境),质子的传递是通过由磁铁构成的几十米有辐射防护的束流通道实现的;质子束释放到到病人身上需要直径10米重150吨的等臂杆,这一装置起到在患者身上定位质子束的作用。


  SAPHIR项目的目的是在所面临的这个问题上获得重要成果


  研究的焦点会集中到设备的安全性(包括维修便利性)和辐射防护的优化(无用质子的过滤)方面。成本、设备体积、安全性、产业化潜力从项目启动开始都将被长期考虑在内。


 


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