技术进步能否降低质子治疗费用(三)：新型加速器的探索
质子直线加速器
离子治疗用直线加速器的研究主要集中于质子治疗领域。1989年，人们提出了第一台治疗用66MeV质子直线加速器模型，若加速梯度为2.5MeV/m，那么质子直线加速器将达到24米长。尽管直线加速器的长度问题成为了应用于离子治疗的重要障碍，但仍具有潜在的优势，如能在几毫秒内改变质子能量、减少横向发射度从而使束流磁铁更轻更便宜、以及降低能量损失从而降低辐射防护要求及运营困难等，这些优势也推动了直线加速器的进一步发展。
优化加速腔和3GHz射频的应用可以产生更强的电加速场，这使得直线加速器的能量增益达到15MeV/m，重复率(repetition rate)达到100-300Hz。质子旋转直线加速器(TUrning LInac for Proton, TULIP)可显著缩短加速器的长度，并可安装旋转机架。在某些情况下，需要预加速到24-70MeV，这可以通过回旋加速器实现(cyclinac)。此外，直线加速器的进一步发展也可应用于碳离子治疗，与同步加速器相比将会显著降低能耗。
质子直线加速器与旋转机架
目前，第一台系统完整的230MeV直线加速器正在欧洲进行检测，由此直线加速器也从实验室阶段进入到了商用阶段。对于质子治疗，降低成本可通过较轻的磁铁、较少的辐射防护和优化的能量调节实现，但总体成本并不会有显著的降低。
固定磁场交变梯度加速器
在过去的10年间，加速器研发人员一直在探讨固定磁场交变梯度加速器(FFAG)能否用于质子(或氦离子或碳离子)治疗。FFAG加速器的概念源于回旋加速器与同步加速器的结合，分为等比FFAG(scaling FFAG)加速器和非等比FFAG(nonscaling FFAG)加速器。非等比FFAG(nonscaling FFAG)加速器的体积更小，但设计过程相当复杂。此外，由于在频率变化时需要很强的电场，射频电源和腔体的设计也很复杂，这需要较大的电力支持。
对于在质子治疗中的应用，FFAG加速器由于有较大的能量接受度(energy acceptance)，能够快速改变能量，并可能获得比同步加速器和同步回旋加速器更大的束流强度。
然而，FFAG加速器的体积和重量均比同步加速器更大。非等比FFAG加速器虽然体积相对较小，但设计、安装和运营都更为复杂。两种FFAG加速器均需要高达10MeV的注入系统，例如一个回旋加速器。因此，鉴于其仍处于实验室阶段并且成本较高，在短期内FFAG加速器并不会应用于临床质子治疗，但FFAG加速器的研发，尤其在氦离子或碳离子治疗中的应用仍具有很大意义。
激光等离子体加速器
与上述加速器最大的不同在于，激光驱动的加速器依赖超强(>1018W/cm2)超短(数十飞秒)激光脉冲聚焦于(超)薄箔片上。激光和等离子体的相互作用能够以大加速梯度产生并加速质子和重离子(如碳离子)，加速梯度可达当前射频场的6倍。近年来，不同的加速机制已经能够将质子的能量提高到接近100MeV。体外放射生物学实验也利用较低能量的激光使质子能量达到了数十MeV，并提高了重复率，促使了生物医学应用的转化。近期，新一代Petawatt激光装置强度达到了治疗需求，并且重复率接近1Hz，布拉格ELIMAIA和慕尼黑CALA中心正在安装这种装置。
经激光加速的质子束与其他加速器产生的质子束相比其特性存在很大不同，如超短的束团持续时间(bunch duration)(≤ns)、高强度(≥107/cm2/脉冲)、大角散度(angular divergence)(≥2°)以及多能谱(poly-energetic spectrum)(可达100%ΔE/E)。因此，不单单是加速过程，包括束流诊断(beam diagnostics)、传输、输送以及治疗计划制定和监测在内的其他过程都需要新的技术，以实现向临床应用的转化。
高功率激光设备体积的减小从长远看可能会降低成本。尽管成本和体积是最初研发激光加速器考虑的因素，但研究人员已经意识到激光加速器真正的潜力在于其发射离子束独特的特征。这些特征可能会促使产生超快输送等新的技术。尽管临床应用还遥不可及，但Petawatt激光装置的新进展会推动激光等离子体加速器的研发，并且可以确立激光在离子治疗生物医学应用中的地位。（质子中国 编译报道）
参考文献：Schippers JM, Lomax A, Garonna A, Parodi K. Technological Improvements Reduce the Cost ofProton Radiation Therapy?. Semin Radiat Oncol. 2018;28(2):150-159.