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質子激光治療癌癥--SAPHIR項目
 
摘要】質子治療作為某些癌癥的最佳治療方式, 已經顯示出它的非凡成效。目前全球已擁有約30個質子治療中心, 并且有超過55,000名病人得到相關治療。但是,這類治療儀目前還是體積龐大并且價格不菲,價格和體積便成為許多醫院無法使用該技術的一個重要原因。因此, 建立在激光技術基礎上的新一代質子治療儀, 因其設備的小型化、操作的簡單化和能讓臨床醫生很容易獲得治療所需的質子的特性, 而受到了醫療機構的青睞。
   
關鍵詞】質子激光 飛秒激光 太瓦激光
   
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   質子治療作為某些癌癥的最佳治療方式, 已經顯示出它的非凡成效。目前全球已擁有約30個質子治療中心, 并且有超過55,000名病人得到相關治療。但是,這類治療儀目前還是體積龐大并且價格不菲,價格和體積便成為許多醫院無法使用該技術的一個重要原因。因此, 建立在激光技術基礎上的新一代質子治療儀, 因其設備的小型化、操作的簡單化和能讓臨床醫生很容易獲得治療所需的質子的特性, 而受到了醫療機構的青睞。


     其原理是: 等離子和激光領域的物理學發展, 使得能通過強激光產生粒子束。在此基礎上,我們可以制造出具有更小體積且成本大大降低的能用于臨床治療的質子束設備。


  SAPHIR項目(法國,OSEO資助)將用最近五年的時間來證明用于質子激光治療的設備是可行的,且該設備跟傳統質子治療設備相比具有體積小成本低的特點。

  Amplitude Technologies公司(項目負責人),在超強激光源的發展研究方面處于世界領先地位。

  Imagine Optics公司,是利用Shack-Hartmann技術的波前分析和自適應光學分析研究的世界領跑者之一。

  Dosisoft公司,法國第一家、 歐洲第二家研發放射療技術軟件的公司

  Propulse公司,協調項目的產業化, 確保在接下來產業商品化過程中的運作。

  LOA-ENSTA實驗室,在粒子電子研究以及質子加速技術上在國際上享有盛譽。

  CEA-LIRM實驗室, 擁有CEA DAM 非常強大的模擬技術和計算設備。

  CEA-IRAMIS實驗室,是世界上第一批研究粒子物理性質和超強激光質子加速技術的企業之一。

  Gustave Roussy (IGR)癌癥學研究所,主要研究課題集中在放射療法和生物基礎研究方面。

  Curie-CPO研究所,歐洲第一家質子治療中心。


SAPHIR項目簡介

  項目負責 : Amplitude Technologies

  總預算 : 一千七百萬歐元

  啟動時間 : 2008年

  項目持續時間: 5年(4年用于研發,最后一年用于產業化研究)

  目的: 用于證明利用具有高重復頻率的超強激光進行質子治 療的技術的可行性和所需經費

  Amplitude公司的角色:發展用于質子治療的激光器。激光量為1 PW(佩塔瓦)5-10赫茲,并擁有很強的時間差和很       高的Strehl Ratio值。


質子治療在癌癥治療中的應用


  癌癥是危害人類健康的主要殺手,全世界每年有約一千萬新增病例,其中歐洲約為3,200,000例(法國300000例),東南亞2,500,000例,美國1,500,000例。在發達國家癌癥已經成為死亡的第二誘因。


  放射療法是對抗癌癥的主要手段之一,該療法體現了成本與效率的合理關系。因為在法國它只占用了約7%(即約七億歐元)的癌癥學研究費用, 但獲得60%的癌癥病人使用這種治療法和治愈率達到30%~40%的良好成果。


  在近20年的放射療法的研發過程中, 遇到的主要挑戰之一是通過放射軌跡最優化, 以達到提高局部控制率, 同時又要求降低并發癥機率的問題。高精度的放射療法在近些年已經取得了重要進展, 在這些新的技術中,強子療法達到了放射軌跡的最大優化, 從而能夠使高劑量區集中于腫瘤部位, 因此能大大降低正常組織的受量。它是通過放射療法治療癌癥的技術之一, 相對于傳統的基本上是利用X射線(光子)放射療法,主要是使用質子和碳離子。與傳統放射療法相比,強子的主要優點在于其射出的軌跡精度(能量在一定深處沉積,很少擴散在正常組織上)。


     這兩種性能使釋放到靶區的劑量達到最優化, 并且使周圍正常組織的放射損傷降到最低,因而達到局部控制率的增加, 和并發癥風險的大大降低。


     質子治療的主要限制是高成本和龐大笨重的設備,放射療法需要放射軌跡的精準性。所以質子被建議用來治療所有放射療法所產生的并發癥;因為質子治療的成本限制了該技術的廣泛使用。


強激光的應用:挖掘質子治療的潛質


  激光和等離子的物理特性是比較新的研究領域, 但是該領域擁有極其誘人的前景, 并且和其他許多領域有緊密的聯系, 包括:光學,物質物理學,生物學,天體物理學,核能領域等。


  為了滿足研究的需求,近幾十年來科學家在增加激光推進強度和把激光推進集中到靶區的技術上一直進行技術改進。目前取得的峰值強度是10^21 W/cm^2,這個數據對原子級來說是巨大的(電子掙脫束縛的必要強度是10^14 W/cm^2)

目前的峰值強度已可以使靶面物質的狀態發生變化,這會導致TV/m級極電場的局部產生,該電場比常規加速器獲得的電場要強10,000倍。電場會加速并集中中間粒子, 從而產生高能量和高性能粒子束。


目前成果和技術


  粒子束使該項技術, 尤其是在放射療法的研究上有了新的突破。事實上,電子(LOA實驗室成果200 MeV)已經達到并超過了治療能量。質子(LLNL實驗室成果55 MeV而治療的所需最小能量約65 MeV)也接近這一能量。一些數值模擬已顯示在不久的將來科學家們可以開發出擁有足夠治療能量的所要求的激光質子束。


  經過許多實驗室的多年研究,通過強毫微微秒激光加速產生質子束的研究已經取得成果。獲得的能譜是迅速遞減的"麥克斯韋原理"型。獲得的最大能量是用Petawatt(佩塔瓦)激光產生的50 MeV。這一成果是在美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore national laboratory) 取得的。這個激光能在1000毫微微秒內釋放1千焦能量(每20分鐘一次射擊)。


     鈦激光運用:Saphir-CPA,最有發展性的研究結果,今天唯一滿足醫療應用上所需重頻(10赫茲或以上)的激光。


  LOA-ENSTA實驗室(帕萊索,法國)獲得了最大能量12 MeV的質子。激光釋放了30毫微微秒推進力, 其峰值功率為30-40 TW量級,時間差為10^6。


  FZD(德雷斯頓,德國)獲得了最大能量為17 MeV的質子。該激光由Amplitude Technologies公司研發,其能釋放30毫微微秒的推進力。峰值功率為100 TW量級,時間差為10^9。


     今天我們了解到激光推進的特性(持續時間,能量)和波前時間差對射出質子束特性的決定性參數。時間差的精確控制(刪除大于十數量級的自發輻射光源,跟蹤相對振幅的前推近和控制時間)對優化相互作用是很有必要的。


     基于激光到光靶之間相互作用的基本機理和由此獲得的粒子加速的物理原理將會是掌握粒子次級源的基礎。


生產質子的超強激光源的技術和工藝創新


  今天關于激光源特性的定義已經獲得了一定的確信度, 激光源是產生用于治療的質子束的必要條件。


  這將形成以鈦為基礎的激光源:Saphir-CPA,唯一利用必要時間差釋放持續25-50毫微微秒的推進力(持續時間應該是可以調控的),以10赫茲的循環運行,該循環與模擬編碼中預測的最小循環是一致的。其必然會產生一個劑量流量(Grays/mn),該流量與質子治療的要求是符合的。在SAPHIR項目框架內,5赫茲的中間速率將在前四個階段被用到,目的是把某些設備的使用成本降到最低,但不會因此影響到使用這種新療法的研究成果遠景。


簡介:質子的增速對激光源提出的挑戰

  質子最大能量:治療眼部病變 要大于65 MeV,其他身體部位不低于200 MeV

  激光應有一個峰值功率PW

  質子能譜的優化

  靶幾何結構的優化是有必要的

  確保性能的穩定性和復制性

   激光在時間差和持續時間方面會有獨特的特性。并且泵式激光工程對確保這些性能將是很關鍵的。

  束的強度(有用的/次要的質子)

  激光將有一個可能的最高


結論:質子治療的縮減方法


  真正的挑戰不是生產出所需能量的粒子,而是能夠利用新型設備(更小尺寸,耗能更少,成本更低,輻射防護更強等)產出治療束, 這是普及質子治療并將其引入到醫療機構的唯一方法。


  質子束應用于治療由三個階段構成:

  - 通過設備產生質子

  - 產生的質子束被傳遞到治療室

  - 將質子束運用到病人身上要注意兩個問題:質子束的入射和臨床治療個人化(為了掃描治療區)


  在目前的情況下,質子是在回旋加速器或是同步加速器里產生的(加速器重達幾十噸,需要一個輻射防護的環境),質子的傳遞是通過由磁鐵構成的幾十米有輻射防護的束流通道實現的;質子束釋放到到病人身上需要直徑10米重150噸的等臂桿,這一裝置起到在患者身上定位質子束的作用。


  SAPHIR項目的目的是在所面臨的這個問題上獲得重要成果


  研究的焦點會集中到設備的安全性(包括維修便利性)和輻射防護的優化(無用質子的過濾)方面。成本、設備體積、安全性、產業化潛力從項目啟動開始都將被長期考慮在內。


 


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