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質(zhì)子激光治療癌癥--SAPHIR項目
| 【摘要】質(zhì)子治療作為某些癌癥的最佳治療方式, 已經(jīng)顯示出它的非凡成效。目前全球已擁有約30個質(zhì)子治療中心, 并且有超過55,000名病人得到相關(guān)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(yī)院無法使用該技術(shù)的一個重要原因。因此, 建立在激光技術(shù)基礎(chǔ)上的新一代質(zhì)子治療儀, 因其設(shè)備的小型化、操作的簡單化和能讓臨床醫(yī)生很容易獲得治療所需的質(zhì)子的特性, 而受到了醫(yī)療機構(gòu)的青睞。 |
| 【關(guān)鍵詞】質(zhì)子激光 飛秒激光 太瓦激光 |
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| 【原文】 |
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質(zhì)子治療作為某些癌癥的最佳治療方式, 已經(jīng)顯示出它的非凡成效。目前全球已擁有約30個質(zhì)子治療中心, 并且有超過55,000名病人得到相關(guān)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(yī)院無法使用該技術(shù)的一個重要原因。因此, 建立在激光技術(shù)基礎(chǔ)上的新一代質(zhì)子治療儀, 因其設(shè)備的小型化、操作的簡單化和能讓臨床醫(yī)生很容易獲得治療所需的質(zhì)子的特性, 而受到了醫(yī)療機構(gòu)的青睞。
其原理是: 等離子和激光領(lǐng)域的物理學(xué)發(fā)展, 使得能通過強激光產(chǎn)生粒子束。在此基礎(chǔ)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(zhì)子束設(shè)備。
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SAPHIR項目（法國，OSEO資助）將用最近五年的時間來證明用于質(zhì)子激光治療的設(shè)備是可行的，且該設(shè)備跟傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)備相比具有體積小成本低的特點。 Amplitude Technologies公司（項目負(fù)責(zé)人），在超強激光源的發(fā)展研究方面處于世界領(lǐng)先地位。 Imagine Optics公司，是利用Shack-Hartmann技術(shù)的波前分析和自適應(yīng)光學(xué)分析研究的世界領(lǐng)跑者之一。 Dosisoft公司，法國第一家、 歐洲第二家研發(fā)放射療技術(shù)軟件的公司 Propulse公司，協(xié)調(diào)項目的產(chǎn)業(yè)化, 確保在接下來產(chǎn)業(yè)商品化過程中的運作。 LOA-ENSTA實驗室，在粒子電子研究以及質(zhì)子加速技術(shù)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(shù)和計算設(shè)備。 CEA-IRAMIS實驗室，是世界上第一批研究粒子物理性質(zhì)和超強激光質(zhì)子加速技術(shù)的企業(yè)之一。 Gustave Roussy (IGR)癌癥學(xué)研究所，主要研究課題集中在放射療法和生物基礎(chǔ)研究方面。 Curie-CPO研究所，歐洲第一家質(zhì)子治療中心。 |
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SAPHIR項目簡介
項目負(fù)責(zé) ： Amplitude Technologies 總預(yù)算 ： 一千七百萬歐元 啟動時間 ： 2008年 項目持續(xù)時間： 5年（4年用于研發(fā)，最后一年用于產(chǎn)業(yè)化研究） 目的： 用于證明利用具有高重復(fù)頻率的超強激光進(jìn)行質(zhì)子治 療的技術(shù)的可行性和所需經(jīng)費 Amplitude公司的角色：發(fā)展用于質(zhì)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。 |
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質(zhì)子治療在癌癥治療中的應(yīng)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(fā)達(dá)國家癌癥已經(jīng)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(xiàn)了成本與效率的合理關(guān)系。因為在法國它只占用了約7%（即約七億歐元）的癌癥學(xué)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(dá)到30%~40%的良好成果。
在近20年的放射療法的研發(fā)過程中, 遇到的主要挑戰(zhàn)之一是通過放射軌跡最優(yōu)化, 以達(dá)到提高局部控制率, 同時又要求降低并發(fā)癥機率的問題。高精度的放射療法在近些年已經(jīng)取得了重要進(jìn)展, 在這些新的技術(shù)中，強子療法達(dá)到了放射軌跡的最大優(yōu)化, 從而能夠使高劑量區(qū)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(shù)之一, 相對于傳統(tǒng)的基本上是利用X射線（光子）放射療法，主要是使用質(zhì)子和碳離子。與傳統(tǒng)放射療法相比，強子的主要優(yōu)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）。 |
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這兩種性能使釋放到靶區(qū)的劑量達(dá)到最優(yōu)化, 并且使周圍正常組織的放射損傷降到最低，因而達(dá)到局部控制率的增加, 和并發(fā)癥風(fēng)險的大大降低。
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質(zhì)子治療的主要限制是高成本和龐大笨重的設(shè)備，放射療法需要放射軌跡的精準(zhǔn)性。所以質(zhì)子被建議用來治療所有放射療法所產(chǎn)生的并發(fā)癥；因為質(zhì)子治療的成本限制了該技術(shù)的廣泛使用。
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強激光的應(yīng)用：挖掘質(zhì)子治療的潛質(zhì)
激光和等離子的物理特性是比較新的研究領(lǐng)域, 但是該領(lǐng)域擁有極其誘人的前景, 并且和其他許多領(lǐng)域有緊密的聯(lián)系, 包括：光學(xué)，物質(zhì)物理學(xué)，生物學(xué)，天體物理學(xué)，核能領(lǐng)域等。
為了滿足研究的需求，近幾十年來科學(xué)家在增加激光推進(jìn)強度和把激光推進(jìn)集中到靶區(qū)的技術(shù)上一直進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。目前取得的峰值強度是10^21 W/cm^2，這個數(shù)據(jù)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(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化，這會導(dǎo)致TV/m級極電場的局部產(chǎn)生，該電場比常規(guī)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(chǎn)生高能量和高性能粒子束。 |
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目前成果和技術(shù)
粒子束使該項技術(shù), 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(jīng)達(dá)到并超過了治療能量。質(zhì)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(shù)值模擬已顯示在不久的將來科學(xué)家們可以開發(fā)出擁有足夠治療能量的所要求的激光質(zhì)子束。
經(jīng)過許多實驗室的多年研究，通過強毫微微秒激光加速產(chǎn)生質(zhì)子束的研究已經(jīng)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(chǎn)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(nèi)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(fā)展性的研究結(jié)果，今天唯一滿足醫(yī)療應(yīng)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(zhì)子。激光釋放了30毫微微秒推進(jìn)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(zhì)子。該激光由Amplitude Technologies公司研發(fā)，其能釋放30毫微微秒的推進(jìn)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(jìn)的特性（持續(xù)時間，能量）和波前時間差對射出質(zhì)子束特性的決定性參數(shù)。時間差的精確控制（刪除大于十?dāng)?shù)量級的自發(fā)輻射光源，跟蹤相對振幅的前推近和控制時間）對優(yōu)化相互作用是很有必要的。 |
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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(chǔ)。
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生產(chǎn)質(zhì)子的超強激光源的技術(shù)和工藝創(chuàng)新
今天關(guān)于激光源特性的定義已經(jīng)獲得了一定的確信度, 激光源是產(chǎn)生用于治療的質(zhì)子束的必要條件。
這將形成以鈦為基礎(chǔ)的激光源：Saphir-CPA，唯一利用必要時間差釋放持續(xù)25-50毫微微秒的推進(jìn)力（持續(xù)時間應(yīng)該是可以調(diào)控的），以10赫茲的循環(huán)運行，該循環(huán)與模擬編碼中預(yù)測的最小循環(huán)是一致的。其必然會產(chǎn)生一個劑量流量（Grays/mn），該流量與質(zhì)子治療的要求是符合的。在SAPHIR項目框架內(nèi)，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(shè)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(yuǎn)景。 |
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簡介：質(zhì)子的增速對激光源提出的挑戰(zhàn) 質(zhì)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(yīng)有一個峰值功率PW 質(zhì)子能譜的優(yōu)化 靶幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是有必要的 確保性能的穩(wěn)定性和復(fù)制性 激光在時間差和持續(xù)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(guān)鍵的。 束的強度（有用的/次要的質(zhì)子） 激光將有一個可能的最高 |
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結(jié)論：質(zhì)子治療的縮減方法
真正的挑戰(zhàn)不是生產(chǎn)出所需能量的粒子，而是能夠利用新型設(shè)備（更小尺寸，耗能更少，成本更低，輻射防護(hù)更強等）產(chǎn)出治療束, 這是普及質(zhì)子治療并將其引入到醫(yī)療機構(gòu)的唯一方法。
質(zhì)子束應(yīng)用于治療由三個階段構(gòu)成： - 通過設(shè)備產(chǎn)生質(zhì)子 - 產(chǎn)生的質(zhì)子束被傳遞到治療室 - 將質(zhì)子束運用到病人身上要注意兩個問題：質(zhì)子束的入射和臨床治療個人化（為了掃描治療區(qū)）
在目前的情況下，質(zhì)子是在回旋加速器或是同步加速器里產(chǎn)生的（加速器重達(dá)幾十噸，需要一個輻射防護(hù)的環(huán)境），質(zhì)子的傳遞是通過由磁鐵構(gòu)成的幾十米有輻射防護(hù)的束流通道實現(xiàn)的；質(zhì)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(zhì)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(shè)備的安全性（包括維修便利性）和輻射防護(hù)的優(yōu)化（無用質(zhì)子的過濾）方面。成本、設(shè)備體積、安全性、產(chǎn)業(yè)化潛力從項目啟動開始都將被長期考慮在內(nèi)。 |