近期，據(jù)德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf，HZDR)報道，該中心的研究小組首次成功測試了激光加速產(chǎn)生的質(zhì)子束對動物腫瘤的照射，用于癌癥研究的超短強(qiáng)激光脈沖成為質(zhì)子輻照的一個里程碑。參與此項(xiàng)研究的還有來自德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Technische Universit?t Dresden, Germany）、德國癌癥研究協(xié)會（German Cancer Consortium）以及德國國家腫瘤中心（National Center for Tumor Diseases）的研究人員。相關(guān)研究已于2022年3月14日發(fā)表在Nature Physics上。放射治療是癌癥的主要治療方法之一，通常利用強(qiáng)大的聚焦X射線光。還有一種方法是將質(zhì)子（氫原子的原子核）加速到高能量，并聚焦成小的、可精確定位的質(zhì)子束，它們可以深入組織，將大部分能量儲存在腫瘤中，摧毀癌癥，同時保持周圍組織基本完好。與X射線相比，用快質(zhì)子照射是一種更有效且侵入性更小的癌癥治療方法。HZDR研究員Elke Beyreuther說：“該方法特別適用于照射顱底、大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腫瘤。也可以用于兒科癌癥患者，以減少可能的長期影響?！?/section>然而，現(xiàn)代質(zhì)子治療比X射線治療要復(fù)雜得多，它需要大型粒子加速器來產(chǎn)生快質(zhì)子并將其傳導(dǎo)至治療室的患者。目前，研究人員正在考慮可替代加速器的裝置，例如可加速質(zhì)子的激光系統(tǒng)。專家們希望把這種系統(tǒng)部署在臨床前研究中，為最佳放射治療鋪平道路，基于激光的質(zhì)子加速器可以在這方面做出決定性的貢獻(xiàn)。
定制激光脈沖
HZDR物理學(xué)家Florian Kroll表示，該方法基于高功率激光器產(chǎn)生極強(qiáng)且極短的光脈沖，這些光脈沖照射在薄塑料或金屬箔上，使大量電子從箔中逸出，產(chǎn)生強(qiáng)大的電場，進(jìn)而將質(zhì)子加速到高能量，產(chǎn)生定向質(zhì)子束。更具吸引力的是，這個過程的加速距離僅有幾微米長。
研究人員表示，他們已經(jīng)在這個項(xiàng)目上研究了15年，但到目前為止，質(zhì)子還沒有獲得足夠的能量來進(jìn)行輻照。此外，激光脈沖強(qiáng)度不穩(wěn)定，無法確定是否傳導(dǎo)了準(zhǔn)確的劑量。過去的幾年里，科學(xué)家們終于取得了重大進(jìn)展，主要源于更好地了解了超強(qiáng)激光脈沖和薄靶之間的相互作用。研究員Kroll解釋道：“激光脈沖形狀十分重要，我們現(xiàn)在可以控制它們以產(chǎn)生具有足夠能量且足夠穩(wěn)定的質(zhì)子脈沖。”
目前，各項(xiàng)參數(shù)已經(jīng)得到優(yōu)化，因此HZDR團(tuán)隊(duì)才能夠啟動一系列的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：有史以來第一次用激光加速質(zhì)子對小鼠的腫瘤進(jìn)行可控照射。這些實(shí)驗(yàn)是與德國國家腫瘤放射研究中心的德累斯頓大學(xué)醫(yī)院的專家合作進(jìn)行的，并以傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)施的比較實(shí)驗(yàn)為基準(zhǔn)。
激光加速質(zhì)子束的另一個特點(diǎn)是其超高的峰值強(qiáng)度。在傳統(tǒng)的質(zhì)子治療中，輻射劑量是在幾分鐘內(nèi)完成的，而基于激光加速的過程可能會在百萬分之一秒內(nèi)發(fā)生。研究人員指出，有跡象表明，如此快速的瞬態(tài)劑量給藥有助于更好地保護(hù)周圍的健康組織。他們希望通過該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步研究這一瞬態(tài)效應(yīng)，并進(jìn)行臨床前的研究，以明確如何使用這種快速照射方法在癌癥治療中獲得優(yōu)勢。
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