加速放疗器（有望将癌症放疗时间缩短至一秒之内）

加速放疗器（有望将癌症放疗时间缩短至一秒之内）今天，笔者要介绍的新技术有利于减轻放疗的副作用。近日，美国能源部SLAC国家加速器实验室与斯坦福大学共同开发出基于加速器的新技术，旨在将癌症放疗的时间从几分钟缩短至一秒之内，从而减轻放疗产生的副作用。这项为高能物理而开发的技术，未来可以植入到小巧的医疗设备中，也将帮助放射疗法在全球范围内变得更加普及。创新我们今天要重点关注的是放射治疗。放射治疗，是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。放射线包括放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类X射线治疗机或加速器产生的X射线、电子线、质子束及其他粒子束等。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。用于精确放疗的 Varian TruBeam 线性加速器（图片来源：维基百科）放射治疗虽然能杀灭肿瘤细胞，但同时也会杀伤人体内的正常细胞，进而导致一系列副作用，例如：免疫力降低、骨髓抑制症状、食欲不振、皮肤与口腔粘膜以及身体

导读

近日，美国能源部SLAC国家加速器实验室与斯坦福大学共同开发出基于加速器的新技术，旨在将癌症放疗的时间从几分钟缩短至一秒之内，从而减轻放疗产生的副作用。未来，这项技术不仅可植入到小巧的医疗设备中，还将帮助放射疗法在全球范围内变得更加普及。

背景

癌症，已成为现代社会人类生命健康的最大威胁之一。在中国，癌症已成为疾病死因之首，且发病率与死亡率仍在不断攀升。癌症是目前世界上最难治愈的病之一，目前的治疗手段大致有：外科手术、放射治疗（简称放疗）、化学药物治疗（简称化疗）、免疫及生物治疗、中医中药治疗、冷冻治疗、激光治疗、超声波治疗、电化学治疗等。

我们今天要重点关注的是放射治疗。放射治疗，是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。放射线包括放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类X射线治疗机或加速器产生的X射线、电子线、质子束及其他粒子束等。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。

用于精确放疗的 Varian TruBeam 线性加速器（图片来源：维基百科）

放射治疗虽然能杀灭肿瘤细胞，但同时也会杀伤人体内的正常细胞，进而导致一系列副作用，例如：免疫力降低、骨髓抑制症状、食欲不振、皮肤与口腔粘膜以及身体其他部位产生的不良反应等。在日常生活与影视剧中，我们常会见到癌症患者在接收放疗之后，出现呕吐、食欲不振、疲累，大量脱发、骨瘦如柴的情况。

创新

今天，笔者要介绍的新技术有利于减轻放疗的副作用。近日，美国能源部SLAC国家加速器实验室与斯坦福大学共同开发出基于加速器的新技术，旨在将癌症放疗的时间从几分钟缩短至一秒之内，从而减轻放疗产生的副作用。这项为高能物理而开发的技术，未来可以植入到小巧的医疗设备中，也将帮助放射疗法在全球范围内变得更加普及。

（图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室）

近期，SLAC与斯坦福大学的团队已经收到了非常关键的资助，用于开展开发肿瘤潜在治疗方案的两个项目：一个采用X射线，另一个采用质子。

粒子物理学与天体物理学教授、SLAC 技术创新理事会射频加速器研究部首席科学家 Sami Tantawi、斯坦福大学医学院射线肿瘤学副教授 Billy Loo、SLAC 研究员 Emilio Nanni 一起领导了这两个项目的开发。斯坦福大学的 Peter Maxim（现在是印第安纳大学肿瘤放射物理学系主任）也对两个项目作出了贡献。质子团队的其他成员包括：美国罗马琳达大学的 Reinhard Schulte 与瓦里安医疗系统公司的 Matthew Murphy。

技术

两种方法背后的想法都是：迅速摧毁癌细胞，让器官及其他组织在射线照射时没有时间来移动，这很像视频中的定格画面。这样减少了射线击中并损害肿瘤周围健康组织的机会，使放疗变得更加精准。

Loo 表示：“在持续时间不足一秒的‘闪光’中投送整个疗程的射线剂量，将是管理器官与组织的持续运动的终极途径。相比于我们现今采用的方法，这是一个很大的进展。”

Tantawi 表示：“为了足够有效地投送高强度的射线，我们所需的加速器结构比目前技术要强大几百倍。我们接收到的资助将帮助我们构建这些结构。”

一个称为“PHASER”的项目将开发“X射线瞬间投送系统”。

在现今的医疗设备中，电子飞行通过一个像管子一样、约一米长的加速器结构，并同时从以相同方向通过管子的射频场中获取能量。然后，电子获取的能量会转化为X射线。过去几年中，PHASER 团队开发并测试了形状独特的加速器原型，以及将射频场送进管子的新方法。这些元件表现得如同仿真预测一样，也为设计在小尺寸中支持更多能量的加速器铺平了道路。

Tantawi 表示：“下一步，在三到五年时间内，我们将构建加速器结构并测试技术风险。这将带来首个实际的设备，最终可用于临床。”

明年，斯坦福大学射线肿瘤学部将提供约一百万美元资助这些工作，并发起募集更多研究资金的活动。射线肿瘤学部与医学院一起合作建立了放射科学中心，专门研究精准放疗。它的 PHASER 部门由 Loo 与 Tantawi 共同领导，致力于将 PHASER 从概念转化为功能设备。

下图所示：PHASER 项目所用的加速器原型组件，该项目将采用比现有X射线医疗设备所采用的加速器强大几百倍新型加速器设计。

（图片来源：SLAC 国家加速器实验室）

基本上，质子比X射线对健康组织的损害更小，因为它们将杀死肿瘤的能量存放到体内更狭小的地方。然而，质子疗法需要大型装置来加速质子并调整其能量，也需要采用重达几百吨的磁体，慢慢地在患者身体附近移动来引导光束进入目标。

Emilio Nanni 表示：“我们想要提出创新方法来操控质子束，让未来的设备变得更简单、更小巧、更快速。”

近日，来自美国能源部科学加速器管理项目的170万美元的资助，很快将用于未来三年开发这项技术。由于这项资助，这个目标将很快实现。

Nanni 表示：“我们现在能够设计、制造和测试与 PHASER 项目相似的加速器结构。这种加速器结构将能够操控质子束，调谐其能量，并且几乎瞬间释放很高的射线剂量。”

价值

除了让癌症疗法变得更加精准，瞬间释放的射线也有其他优点。

Loo 表示：“我们已经在老鼠中看到，当我们非常迅速地施加射线剂量时，健康细胞遭受的损害更小，而且杀死肿瘤的效果等同甚至稍微优于传统的长时间照射。如果这些结果适用于人类，那么它将成为放射治疗领域的一个全新范例。”

这两个项目还有一个关键目标，就是使放疗更容易为全球范围内的病人所获取。

Loo 表示，如今全球数以百万计的病人只是在接收“姑息疗法”，因为他们无法接收癌症治疗。“我们希望，我们的研究将作出贡献，使得更多地方的病人获得最佳的治疗。”

这就是为什么团队专注于设计小巧、节能、经济、高效的系统来应用于临床，并与全球现有的设备兼容。Tantawi 表示：“在 SLAC 建立的几年前，斯坦福大学发明并构建了首个广泛使用的医疗线性加速器设计。下一代的加速器设计将成为医学及其他领域真正的规则改变者，例如用于X射线激光器、粒子碰撞器以及国家安全的加速器。”

下图所示：提议的 PHASER 设计足够小巧，能放到标准的货物集装箱中。它的可运输性能帮助癌症放疗在全世界范围内变得更加普及。

(图片来源：Philipp Borchard/TibaRay)

关键字

X射线、医疗、癌症

参考资料

【1】www6.slac.stanford.edu/news/2018-11-28-future-fighting-cancer-zapping-tumors-less-second.aspx