肿瘤防治科普平台

朱玉贤院士:高能粒子加速器在科学和医学上的应用

2019/5/14 作者:美中嘉和肿瘤防治科普团队

所属类型

其他癌症


微信图片_20190514185225.jpg

    4月8日,首届中国质子放疗产业发展论坛在武汉国际会议中心举行。论坛由武汉东湖新技术开发区管委会主办,迈胜医疗系统有限公司(迈胜医疗)协办,详情请见《首届中国质子放疗产业发展论坛在武汉举行,共探中国质子放疗产学研之路》。中国科学院院士、武汉大学高等研究院院长朱玉贤教授做了题为《高能粒子加速器在科学和医学上的应用》的演讲,介绍了基于粒子加速器的同步辐射光源的研究现状、武汉光源的建设及同步辐射在医学上的应用,并阐述了质子治疗的原理及其在线监测的核心技术。质子中国将演讲内容整理后与大家分享。

微信图片_20190514185230.jpg

   朱玉贤院士


    基于粒子加速器的同步辐射光源介绍

    同步辐射光源基于的是粒子加速器,是服务于多科技领域、涵盖“科、教、研、产”多个层面的综合性科技设施,属于国家级重大科技基础设施,如上海光源(SSRF)、欧洲ESRF光源、美国NSLS-II光源、日本Spring-8光源以及美国APS光源等。同步辐射光源的基本结构包括储存环(即加速器,是同步辐射光源的核心部件)、注入器、增强器及光束线站等,可以支撑50~70个不同技术特点的高性能光束线站。


     由于同步辐射X射线与样品可以发生透射、散射、衍射、荧光、光电子等多种相互作用,因而同步辐射光源的应用几乎涉及所有的学科和产业, 包括生命科学、材料科学、环境科学等学科领域及微电子、制药、新材料等工业应用领域。


    例如,上海光源(SSRF)是我国目前服务用户最多、成果产出数量最多的大科学装置,自2009年5月至2018年7月,共接待从事研究工作的用户39,257人次(包括高校、研究所、医院和公司共计494家单位,2,429个研究组);欧洲光源(ESRF)于2002年建立,为Grénoble小镇吸引了90亿欧元的投资,约500家相关公司入驻。


    武汉光源

    朱院士介绍说,武汉大学正在牵头筹建武汉光源。武汉光源包含1.5GeV的电子储存环(小环,周长为192米)和4.0~4.5GeV衍射极限电子储存环(大环,周长为888米,可发射硬X射线)。武汉光源的直线注入系统可提供极低发射度电子束,并且注入到环,同时为未来发展自由电子激光提供充分保障。这2个储存环可同时运行提供大量的试验线站,满足科学和产业用户需求。


    武汉光源将建设成为世界一流、国内第一台最先进的第四代中能区衍射极限环,并将与北京、上海、合肥形成高、中、低能区配合,满足日益壮大的用户群体及前沿科技的发展需求。


    武汉光源的硬件设施占地700亩,园区规划1200亩,具体按照以下三个阶段推进:

    1. 预研项目(2019~2022),投资约3.5亿建设多功能电子储存环(1.5GeV小环)

    2. 一期工程(2022~2026),投资约30亿建设衍射极限环(4-4.5GeV大环)

    3. 二期规划(2027~2030),投资25亿建设自由电子激光装置(直线注入系统延伸)


    同步辐射在医学上的应用

    同步辐射在科学、产业上有极其广泛的应用,亦能直接应用到人体医学上,并且具有独特的优势。同步辐射X-光的高亮度、可调谐、时间结构和偏振性等特征为医学应用提供了非常理想的光源。同步辐射的成像时间短,空间分辨高,适用于心脏、血管等活动性器官,在脑部、肺部等肿瘤及心脑血管疾病的成像/诊断及治疗方面都有非常好的应用。


    例如,斯坦福大学于1979年在SSRL启动了同步辐射心血管造影计划,随后许多国家相继开始了以心血管造影术为主的同步辐射医学应用计划;法国ESRF及日本SPring-8光源有专门的医学线站和庞大的医学应用项目。


    同步辐射微束放射治疗

    同步辐射具有高度准直性。同步辐射微束放射治疗是指将同步辐射X光分成大小约10微米、间隔约100微米的许多微线条或微点光束三维方向的立体放射治疗,可精确定位于肿瘤靶区。


    光激活治疗

    常规手段对某些肿瘤(如神经胶质瘤)的治疗效果较差,患者的长期生存率较低。光激活治疗首先将含铂化合物的药物引入肿瘤组织中,然后照射78keV(铂元素的电子激发和电离)的同步辐射X光,所激发的俄歇电子具有高能量,并在约10纳米的距离释放能量,精准杀灭肿瘤细胞。


    质子治疗的原理与核心技术

    质子束具有尖锐的布拉格峰,与传统X线放疗相比,质子束在到达肿瘤前的能量沉积大幅减小,在布拉格峰后的能量沉积迅速跌落。质子束可准确定位肿瘤,输送更高的肿瘤照射剂量,同时保护周围正常组织。


    朱院士同时指出,布拉格峰是质子治疗的物理学优势,但是质子治疗存在射程和剂量的不确定性,也为临床应用带来巨大的挑战。


    中国自2015年开始进入质子/重离子治疗项目建设高潮。质子在线监测设备是质子治疗过程中必不可少的设备,但目前国内质子在线监测(尤其是剂量监测)的研发基本处于空白。为解决这一难题,武汉大学正在研发基于核信号以及基于声波信号的两项核心技术的在线监测系统。基于核信号的技术是利用质子和肿瘤作用产生的正电子β+及湮灭γ光子,将探测到的γ光子相空间信息(包括空间、能量和时间演化等信息)输入前馈神经网络进行机器学习,得到射程/剂量评估数据。基于声波信号的技术是指通过探测质子束产生的声波信号,反演出束流的射程/剂量。


    朱院士在展望中表示,大力推进武汉光源建设将对武汉市乃至华中地区的科学、产业有极大的提升;武汉光源由于其优越的性能,在人体医学上有着巨大的应用前景;质子治疗作为下一代全新的肿瘤治疗方法,正在中国蓬勃发展;武汉大学研发的在线精准监测系统,将针对治疗过程中的质量保证和控制发挥重要的作用。(质子中国 现场报道)


    感谢朱玉贤院士团队审校本文


0

关键词

高能粒子加速器 应用

400-007-7672

| 关于我们 | 网站地图 | 问题反馈 |

联系电话:010-59575756

版权所有©美中嘉和®.保留所有权利,沪ICP备 18018102号

沪公网安备 31010102004936号

关注微信公众号
关注微博