離子治療用直線加速器的研究主要集中于質(zhì)子治療領(lǐng)域。1989年，人們提出了第一臺(tái)治療用66MeV質(zhì)子直線加速器模型，若加速梯度為2.5MeV/m，那么質(zhì)子直線加速器將達(dá)到24米長(zhǎng)。盡管直線加速器的長(zhǎng)度問題成為了應(yīng)用于離子治療的重要障礙，但仍具有潛在的優(yōu)勢(shì)，如能在幾毫秒內(nèi)改變質(zhì)子能量、減少橫向發(fā)射度從而使束流磁鐵更輕更便宜、以及降低能量損失從而降低輻射防護(hù)要求及運(yùn)營(yíng)困難等，這些優(yōu)勢(shì)也推動(dòng)了直線加速器的進(jìn)一步發(fā)展。

優(yōu)化加速腔和3GHz射頻的應(yīng)用可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電加速場(chǎng)，這使得直線加速器的能量增益達(dá)到15MeV/m，重復(fù)率(repetition rate)達(dá)到100-300Hz。質(zhì)子旋轉(zhuǎn)直線加速器(TUrning LInac for Proton, TULIP)可顯著縮短加速器的長(zhǎng)度，并可安裝旋轉(zhuǎn)機(jī)架。在某些情況下，需要預(yù)加速到24-70MeV，這可以通過回旋加速器實(shí)現(xiàn)(cyclinac)。此外，直線加速器的進(jìn)一步發(fā)展也可應(yīng)用于碳離子治療，與同步加速器相比將會(huì)顯著降低能耗。

質(zhì)子直線加速器與旋轉(zhuǎn)機(jī)架

目前，第一臺(tái)系統(tǒng)完整的230MeV直線加速器正在歐洲進(jìn)行檢測(cè)，由此直線加速器也從實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入到了商用階段。對(duì)于質(zhì)子治療，降低成本可通過較輕的磁鐵、較少的輻射防護(hù)和優(yōu)化的能量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但總體成本并不會(huì)有顯著的降低。

在過去的10年間，加速器研發(fā)人員一直在探討固定磁場(chǎng)交變梯度加速器(FFAG)能否用于質(zhì)子(或氦離子或碳離子)治療。FFAG加速器的概念源于回旋加速器與同步加速器的結(jié)合，分為等比FFAG(scaling FFAG)加速器和非等比FFAG(nonscaling FFAG)加速器。非等比FFAG(nonscaling FFAG)加速器的體積更小，但設(shè)計(jì)過程相當(dāng)復(fù)雜。此外，由于在頻率變化時(shí)需要很強(qiáng)的電場(chǎng)，射頻電源和腔體的設(shè)計(jì)也很復(fù)雜，這需要較大的電力支持。

對(duì)于在質(zhì)子治療中的應(yīng)用，F(xiàn)FAG加速器由于有較大的能量接受度(energy acceptance)，能夠快速改變能量，并可能獲得比同步加速器和同步回旋加速器更大的束流強(qiáng)度。

然而，F(xiàn)FAG加速器的體積和重量均比同步加速器更大。非等比FFAG加速器雖然體積相對(duì)較小，但設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)營(yíng)都更為復(fù)雜。兩種FFAG加速器均需要高達(dá)10MeV的注入系統(tǒng)，例如一個(gè)回旋加速器。因此，鑒于其仍處于實(shí)驗(yàn)室階段并且成本較高，在短期內(nèi)FFAG加速器并不會(huì)應(yīng)用于臨床質(zhì)子治療，但FFAG加速器的研發(fā)，尤其在氦離子或碳離子治療中的應(yīng)用仍具有很大意義。

與上述加速器最大的不同在于，激光驅(qū)動(dòng)的加速器依賴超強(qiáng)(>10¹⁸W/cm²)超短(數(shù)十飛秒)激光脈沖聚焦于(超)薄箔片上。激光和等離子體的相互作用能夠以大加速梯度產(chǎn)生并加速質(zhì)子和重離子(如碳離子)，加速梯度可達(dá)當(dāng)前射頻場(chǎng)的6倍。近年來，不同的加速機(jī)制已經(jīng)能夠?qū)①|(zhì)子的能量提高到接近100MeV。體外放射生物學(xué)實(shí)驗(yàn)也利用較低能量的激光使質(zhì)子能量達(dá)到了數(shù)十MeV，并提高了重復(fù)率，促使了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。近期，新一代Petawatt激光裝置強(qiáng)度達(dá)到了治療需求，并且重復(fù)率接近1Hz，布拉格ELIMAIA和慕尼黑CALA中心正在安裝這種裝置。

經(jīng)激光加速的質(zhì)子束與其他加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束相比其特性存在很大不同，如超短的束團(tuán)持續(xù)時(shí)間(bunch duration)(≤ns)、高強(qiáng)度(≥10⁷/cm²/脈沖)、大角散度(angular divergence)(≥2°)以及多能譜(poly-energetic spectrum)(可達(dá)100%ΔE/E)。因此，不單單是加速過程，包括束流診斷(beam diagnostics)、傳輸、輸送以及治療計(jì)劃制定和監(jiān)測(cè)在內(nèi)的其他過程都需要新的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

高功率激光設(shè)備體積的減小從長(zhǎng)遠(yuǎn)看可能會(huì)降低成本。盡管成本和體積是最初研發(fā)激光加速器考慮的因素，但研究人員已經(jīng)意識(shí)到激光加速器真正的潛力在于其發(fā)射離子束獨(dú)特的特征。這些特征可能會(huì)促使產(chǎn)生超快輸送等新的技術(shù)。盡管臨床應(yīng)用還遙不可及，但Petawatt激光裝置的新進(jìn)展會(huì)推動(dòng)激光等離子體加速器的研發(fā)，并且可以確立激光在離子治療生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的地位。（質(zhì)子中國(guó) 編譯報(bào)道）

參考文獻(xiàn)：Schippers JM, Lomax A, Garonna A, Parodi K. Technological Improvements Reduce the Cost ofProton Radiation Therapy?. Semin Radiat Oncol. 2018;28(2):150-159.