质子治疗肿瘤，如何更快更安全

在质子对抗癌症上，全球医学界下注越来越大。全球仅有100多个质子治疗设施，其中一半以上于2016年或之后开始运营。目前他们每年治疗约5万名患者，累计治疗人数约30万名。

治疗的费用非常昂贵。因为一台新设施的建造成本就超过2亿美元，这还不包括维护、手术和医生时间的成本。由于价格高昂，许多人施加压力，要求质子治疗拿出结果来证明费用的合理性。在某些应用中，例如治疗眼肿瘤（如图 1 所示），质子治疗相对其他治疗有明显优势。在另一些应用中，质子治疗的潜力还有待挖掘。

瑞士保罗谢勒研究所 (Paul Scherrer Institute) 是最早开始运营质子治疗的中心之一，由 Vivek Maradia和他的博士导师Serena Psoroulas领导的研究团队正在努力攻克效率低下的一个主要根源：在使用回旋加速器加速质子的治疗过程中，70%到99.9%的加速质子会被丢弃。如果能更有效地将质子注入患者体内，那么治疗更高效、患者也会更快乐，最终让整个治疗更加经济。他们提出利用“闪光效应”（FLASH effect）：一次性向肿瘤提供大量辐射可以减轻对周围健康组织的副作用。这种方式咋听起来是违反直觉的，但却可能是有效的。

透过率低

质子疗法的原理是质子与物质的相互作用。放射治疗（实际上是所有形式的癌症治疗）的目标是杀死癌细胞，同时保留健康细胞。但是，到达体内的放射束不仅会遇到肿瘤，还会遇到肿瘤周围的健康器官。主流的放射治疗用的是X射线，它的能量在行进中一路沉积在肿瘤和健康细胞中。

质子在身体里穿行时会逐渐减慢速度；它最终停下来，并释放大部分能量。而质子的散射截面与其动能成反比。因此，通过控制质子束的方向和初始动能，临床医生可以在三个维度上定位受放射影响的区域。

不过实际要控制质子动能并不那么容易。临床医生需要的质子能量范围从60MeV（对于靠近体表的肿瘤，例如眼睛中的肿瘤）到230MeV（对于体内数十厘米深处的肿瘤），而单个回旋加速器只能产生一种能量的质子束。如果要为每种质子能量配备一个回旋加速器，那就太贵了。有些机构选择使用低能量回旋加速器来治疗眼部肿瘤，其它部位治不了。而大多数质子治疗中心使用能量最高的回旋加速器，即230MeV或250MeV。利用率低，说的就是这里。

要将高能质子转化为低能质子，可以让高能质子穿过一大块固体材料（通常是碳）。但这个过程中，质子束的能量会扩散，于是能量沉积会到身体不同的部位。临床上就无法用了。标准的做法是使用偶极磁铁把能量不同的质子在空间上分开，穿过特定狭缝的质子能量非常接近。这么做的结果就是，大部分质子被丢弃。

临床所需质子能量越低，浪费越严重。质子需要降低的能量越多，能量扩散就越大，最终通过能量选择狭缝传输的部分就越少。对于大于200MeV的目标能量，也许初始质子中最终有10%或更多能通过。但目标能量如果小于100MeV，就只有不到1%。

由于透射率低，没有低能回旋加速器的诊所，很难开展眼肿瘤治疗。提供所需的放射剂量约需要一分钟。这听起来可能并不算太久，但在此期间患者不能眨眼或移动眼睛，这有点难，且患者体验不佳。

对于肺部和腹部等部位的肿瘤，肿瘤不可避免地会四处移动。临床医生需要不断重新扫描患者的身体以跟踪肿瘤的位置，治疗可能需要更长的时间（长达 45 分钟）。患者在手术过程中需要尽可能保持静止。

动量冷却

传输效率低、治疗时间长，大多数人认为，这是回旋加速器质子治疗的固有局限。Maradia说，“多年来，人们普遍认为没有可行的方法来增强传输。但是Serena Psoroulas挑战了这个想法，她构思了我的博士课题。”

在博士研究的第一年，Maradia修改了对粒子束的模拟。他发现了一些新方法，可以将更多质子从回旋加速器输送到患者身上。简而言之，现有的设置假设粒子束是二维对称的，于是在两个方向上施加相同的聚焦力和散焦力。但事实上粒子束并不对称，部分原因是质子被能量分散在一个方向，而不是另一个方向。Maradia和同事预测，通过考虑这种不对称性，他们可以将传输率提高六倍。

效率低下的最大根源还是在于：质子通过狭缝选择特定能量时很多被丢弃。对此的解决方案出奇简单。质子能量已经被分散，而通过固体材料可以减慢它们的动量。因此，Maradia建议在束流中插入一个楔子，如图2所示。速度最快的质子穿过楔子最厚的部分，速度减慢最多；最慢的穿过最薄的部分并且减慢最少。

资料来源：

我们不需要英雄

但我们需要榜样