对抗癌症新利器:放疗1秒内消灭肿瘤

生物医学
对抗癌症新利器:放疗1秒内消灭肿瘤
麻省理工科技评论 2018-12-02

2018-12-02

美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学正在研发一种基于加速器技术的新肿瘤放疗系统,该系统将放疗手术时间从几分钟压缩到 1 秒之内,因此其副作用较之传统放疗更低,且具备一定的商业推广潜力。
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美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学正在研发一种基于加速器技术的新肿瘤放疗系统,该系统将放疗手术时间从几分钟压缩到 1 秒之内,因此其副作用较之传统放疗更低,且具备一定的商业推广潜力。

美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学正在研发一种基于加速器技术的新肿瘤放疗系统,该系统将放疗手术时间从几分钟压缩到 1 秒之内,因此其副作用较之传统放疗更低,且具备一定的商业推广潜力。

SLAC-斯坦福大学联合团队已经获得了必要的资助来启动 2 个癌症治疗研究项目,其中之一使用 X 射线,另一个使用质子。两个项目都希望以最快速度消灭癌细胞,尽可能减少对周边正常组织的损害。

斯坦福大学医学院放射肿瘤学副教授 Billy Loo 表示,与现有的放疗手段相比,压缩照射时间是保护正常组织免受伤害的更好方案。

对抗癌症新利器:放疗1秒内消灭肿瘤

图丨 SLAC 和斯坦福大学的研究人员正在研发一种新的、基于加速器技术的癌症放射治疗系统,该系统更小巧,有望将手术速度提高上百倍。此外,该方法对病人的副作用更小,因此有显著的推广潜力(来源:SLAC 国家加速器实验室供图)

SLAC 国家实验室技术创新理事会射频加速器研究部首席科学家,粒子物理和天体物理教授萨米·坦塔维(Sami Tantawi)与 Loo 一起参与了这 2 个项目,他表示,为了 1 秒内完成放疗,医用加速器的输出功率必须比现有医用加速器大几百倍,研究团队在资金支持下已经开始这项研究。



PHASER 项目旨在利用 X 射线摧毁癌细胞。


目前的放疗设备中,电子需要在加速器的管型结构中走过 1 米左右的路程,从贯穿管型结构的射频电磁场中获得能量。然后,电子获得的能量转化为 X射线。过去几年中,PHASER 团队研发和测试了多种特殊形状的加速器结构和对应的射频电磁场能量导入方法。这些元件的表现跟计算机仿真结果吻合的很好,为下一步的大功率紧凑型加速器设计奠定了基础。

坦塔维表示,下一步的工作是制造加速器系统原型,测试其性能,这预期耗时 3-5 年。如果顺利,该系统将进入临床实验阶段。

斯坦福大学放射肿瘤学系将在未来 1 年内提供 100 万美元资助,并将协助筹集更多研究资金。斯坦福大学放射肿瘤学系与医学院还联合建立了辐射科学中心,以支持精准放疗的研究。该中心的 PHASER 分部由 Loo 和坦塔维领导,负责系统研发。

 图丨 PHASER 项目的加速器元件。PHASER 旨在通过输出功率数百倍于现有加速器的医用加速器产生 X 射线(来源:SLAC 国家加速器实验室供图)



基于质子的放疗系统


理论上,质子进入身体后,会聚集在一个比 X 射线更小的区域内,因此对正常组织的损伤比 X 射线要小。然而,质子放疗需要的加速器体积太大,还需要数百吨重的围绕患者身体的环形磁铁来引导质子束进入正确区域。

与坦塔维与Loo共同负责研发项目的 SLAC 研究人员艾米罗·纳米(EmilioNanni)表示,研究人员希望用新方法来操作质子束,让未来的系统更加简单,更加紧凑,更加快速。

目前,由于获得分 3 年到位的美国能源部加速器科学办公室项目 170 万美元资助,研发进展顺利。

纳米表示,项目已经开始对类似于 PHASER 项目的加速器结构进行设计、制造和测试,以更高效地操纵质子束,将其能量更快,更准确地导向肿瘤细胞。

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高效、快速、运输方便


快速放疗除了能更好地保护正常组织,还有其他好处。

根据 Loo 的介绍,实验显示,新放疗系统尽管对正常组织损伤更小,但是对肿瘤的破坏效果并不低于现有系统,甚至还略有超出。如果该结果能被临床实验证实,将会成为放疗新标准。

此外,更紧凑的放疗项目还有助于帮助边远地区的病人。今天,数百万癌症患者由于所在地没有先进肿瘤治疗设备,只能接受保守治疗。研发团队希望,他们的工作可以令更多边远地区患者得到及时救治。

研发团队从一开始就将紧凑、功耗、成本、效率和与现有系统的兼容性列为研发目标之一。坦塔维表示,世界上第一个被广泛采用的医用直线加速器设计来自斯坦福大学,最终该项目发展为 SLAC 实验室。下一代医用加速器将在医疗和其他领域掀起真正的革命,比如 X 射线激光器、粒子对撞设备,甚至国防领域。

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