پژوهش‌گران با استفاده از لیزرهای پالسی در یک شتاب دهنده‌ی پروتونی سعی کرده‌اند تا امکان پروتون درمانی را برای افراد بیشتری فراهم کنند.

یک شتاب دهنده‌ی پروتونی رومیزی (table-top proton accelerator) به منظور درمان پزشکی توسط فیزیکدانانی در آلمان ساخته شده است. این سیستم بر مبنای لیزر فشرده‌ی تیتانیوم-یاقوت (compact Ti:sapphire laser) قرار دارد که پالس‌های نوری بسیار کوتاه به یک ورق الماس‌مانند شلیک می‌کنند تا خوشه‌هایی از پروتون‌ها با انرژی حدود 5 MeV تولید شود.

دوز جانبی

این گروه نشان داده است که دوزهای تابشی که دستگاه آن‌ها را به سلول‌های بیولوژیکی می‌فرستد، مشابه دوزهای ایجاد شده توسط سیستم‌های بسیار بزرگتر مرسوم برای پروتون درمانی است. پژوهش‌گران معتقدند که این روش می‌تواند برای مطالعه‌ی فرآیندهای بسیار کوتاه در شیمی و زیست‌شناسی مورد استفاده قرار گیرد.

هدف‌گیری دقیق

پروتون‌ها ـ و سایر یون‌های سنگین‌تر مانند کربن ـ برای پرتو درمانی بسیار مناسب هستند زیرا هنگامی که به بافت زنده شلیک می‌شوند، بخش اعظم انرژی خود را در عمق خاصی که به انرژی اولیه‌شان بستگی دارد، از دست می‌دهند. این برخلاف پرتوهای ایکس و الکترون‌هاست که تمایل دارند انرژی خود را در نواحی وسیع‌تری از بافت از دست دهند. در نتیجه پروتون‌ها می‌توانند برای نابودی تومورها مورد استفاده قرار گیرند بدون آنکه به بافت سالم اطراف آسیبی برسانند.

عیب پرتون درمانی آن است که نیاز به شتاب دهنده‌ی بزرگ و گران قیمتی دارد و نیز اینکه تنها در 30 مکان در سراسر دنیا این کار انجام می‌شود.

با هدف ارائه‌ی پروتون درمانی برای بیشتر مردم، فیزیک-پزشکان در جستجوی آن هستند که چگونه لیزرهای فشرده (compact laser) را برای تولید چشمه‌های پروتونی کوچکتر و کم‌هزینه‌تر مورد استفاده قرار دهند. ایده‌ی اصلی آن است که پالس‌های لیزری شدید و کوتاه به هدفی نازک شلیک می‌شود که پروتون یا سایر یون‌ها را آزاد کرده و به آن‌ها طی فاصله‌‌ای در حد چندین میکرون شتاب می‌دهد. در حال حاضر پژوهش‌گران نشان داده‌اند که لیزرهای فمتوثانیه‌ای رومیزی با پالس‌های انرژیی از مرتبه‌ی چندین ژول می‌توانند پرتوهای پروتونی تا انرژی 40 MeV تولید کنند.

اثرات بیولوژیکی

قبل از اینکه این پرتوهای یونی روی بیماران مورد استفاده قرار گیرند، لازم است چگونگی برهم‌کنش پالس‌های پروتونی با سلول‌های زنده مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد. دانشمندان باید اثرات پرتوهای یونی با پالس‌های بسیار کوتاه را با پرتوهای پیوسته‌ی شتاب دهنده‌های مرسوم به طور ویژه مقایسه کنند.

با این هدف جان ویکنس و همکارانش از دانشگاه فنی مونیخ با استفاده از یک لیزر رومیزی قدرتمند، خوشه‌های پروتونی از مرتبه‌ی چند نانو ثانیه تولید کردند که یک دوز تا میزان 7 Gy به سلول‌های زنده می‌فرستد. این معادل ذوز پیکی با آهنگ 79 Gy/s در طی یک بازه‌ی 1 ns است و چنین دوزهایی برای پرتودرمانی کافی هستند.

تنظیم سیستم

این پژوهش‌گران از یک لیزر ATLAS – یک لیزر تیتانیوم یاقوت رومیزی که پالس‌های 30 فمتو ثانیه می‌فرستد- در مؤسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک نزدیک مونیخ استفاده کرده‌اند. پالس‌های لیزر با انرژی 0.4 J درفاصله‌ی 3 میکرونی متمرکز شده‌اند و  شدت پیکی به میزان 8 × 10¹⁹ W/cm² را نتیجه می‌دهند. این پرتوها به یک ورق کربنی الماس‌مانند (DLC) با ضخامت‌های 20 و 40 نانومتر تابانده می‌شوند. جرج شریبر یکی از اعضای این تیم می‌گوید: «ورق‌های نانومتری در مقایسه با هدف‌های دارای ضخامت میکرونی قادرند تا صد برابر نورافشانی را افزایش دهند. ما در استفاده از این ورق‌ها پیشگام هستیم و آن‌ها نتیجه‌ی خوبی را نیز در پی داشته‌اند.»

خط تولید پرتو شامل یک نوع لنز مغناطیسی است که به منظور متمرکز کردن پروتون‌ها در فاصله‌ی 1.2 متری، در پشت ورق DLC قرار گرفته است. شکاف دایره‌ای نیز در 180 میلی‌متری هدف و در جلوی یک آهنربای دوقطبی قرار دارد که پروتون‌ها را به سمت پایین منحرف می‌کند. این برای اجتناب پرتودهی سلول‌ها توسط پرتوهای ایکس ایجاد شده هنگام برخورد پالس لیزر با هدف است.

پرتودهی سلول‌های سرطانی

پژوهش‌گران لایه‌های منفردی از سلول‌های سرطانی دهانه‌ی رحم انسان را در معرض پروتون‌های تولید شده در یک شات قرار دادند. توزیع دوز حاصل با استفاده از فیلم رادیوکرومیکی که در پشت سلول قرار گرفته، اندازه گیری شده است. عدم قطعیت فضایی در این حالت 21 میکرون بدست آمد. این تیم با استفاده از یک سنجش شیمیایی که حضور رشته‌های شکسته‌ی DNA را آشکارسازی نموده است، تصدیق می‌کند که سلول‌ها توسط پروتون‌ها آسیب می‌بینند.

آن‌ها با استفاده از این داده‌ها، اثرات بیولوژیکی نسبی (RBE) دوز را محاسبه کرده‌اند و دریافته‌اند که آن مشابه اثرات پرتوهای پروتونی متداول در انرژی‌های قابل مقایسه است.

مطالعات بسیار سریع

پژوهش‌گران معتقدند که چشمه‌ی پروتونی علاوه بر درمان، می‌تواند در علوم پایه مورد استفاده قرار گیرد. این پرتوهای مبتنی بر لیزر می‌توانند به عنوان ابزاری در فرآیندهای شیمیایی یا بیولوژیکی بسیار سریع مؤثر باشند. در حال حاضر این تیم در تلاش است تا پرتوهایی با انرژی بالاتر را ایجاد کند.

این پژوهش در مجله‌ی Applied Physics Letters منتشر شده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jan/16/pulsed-lasers-could-make-proton-therapy-more-accessible