December 26, 2011

Laser-based acceleration: designs on proton therapy

Physicist Markus Roth from the Technische Universität Darmstadt is leading a collaboration dubbed LIGHT to tackle the challenges of transforming laser-based particle acceleration into a viable technology with applications in cancer therapy. Joe McEntee finds out how.

JM: Can you tell me more about your collaboration?

MR: Laser Ion Generation, Handling and Transport (LIGHT) is a multidisciplinary research collaboration based in Germany aiming to test potential applications of laser-based particle acceleration. We have six partners – the GSI heavy-ion lab in Darmstadt, the technical universities at Darmstadt and Dresden, Helmholtz centres in Dresden-Rossendorf and Jena, and the Goethe University in Frankfurt. They each bring expertise spanning big lasers, plasma physics, conventional accelerator technology and high-field magnets.

How do you accelerate particles using laser light?

The LIGHT team uses GSI's petawatt (1×10^15 W) PHELIX laser to focus ultrahigh-power laser light onto a thin foil target. This causes massive ionization in the target and expels a large number of relativistic electrons, which leaves the target with a strong positive charge. This creates a transient electric field in which any protons present are then accelerated to high energies.

What has been the LIGHT collaboration's most recent breakthrough?

This summer we managed to use the PHELIX laser to generate 10 MeV protons from a foil target. What is significant is not the energy of the protons – we achieved 50 MeV and much higher particle numbers a year ago – but the fact that the target chamber has, for the first time, been connected to a conventional ion accelerator. We have now used a focusing ion–optical system to take those laser-accelerated ions and inject them into an existing ion-accelerator beamline here at GSI. This is a big deal because whatever you want to do with laser-accelerated ion beams, sooner or later you will have to manipulate them using more or less conventional ion–optical systems.

One year into an initial three-year programme with LIGHT, what are the current research priorities?

Clearly we want to be able to capture and control the laser-driven ion beam. Injection and transport over a few metres is important, as is a fundamental understanding of the effects of space charge, beam loading (the feedback of electromagnetic fields on the accelerator at high particle densities) and the interaction of laser-driven ion beams with magnetic fields. Over the next 12 months, we want to inject a laser-driven ion beam into a conventional accelerator beamline and use a radio-frequency cavity to create a monoenergetic beam of high brightness. Control of particle energy is crucial in a lot of the applications we foresee for laser-driven ion beams. In the case of medical applications – proton therapy of deep-lying cancerous tumours, for example – you need an ion beam with very precisely controlled energy spread (less than 1%) to be able to adjust the depth of the radiation dose that gets deposited inside the patient.

When might such laser-driven ion beams be ready for early-stage clinical studies?

As a scientist familiar with medical applications – specifically the development of carbon-ion therapy here at GSI over the past two decades – I believe that we are looking at somewhere between 10 to 20 years. For therapeutic applications, we will need to demonstrate energies of greater than 250 MeV for protons and 400 MeV per nucleon for heavier ions such as carbon. But there are plenty of other challenges too. High-repetition-rate systems, 24/7 stability as in conventional medical accelerators and improved targetry are all going to be essential. It is worth noting that we have established my university's target laboratory and that we intend to spin that activity out as a start-up within the next 18 months. We also collaborate with Scitech, a spin-out from the Rutherford Appleton Laboratory in the UK, on target materials and design.

Are you doing basic science as well?

By the end of next year, we plan to have tested the entire laser-fed beamline and to perform the first experiments with a recompressed ion beam that will yield ultrahigh beam powers (hundreds of gigawatts) for materials research at the extremes. We are talking laboratory astrophysics and laboratory geophysics here. By heating tiny volumes of a sample to high temperatures in just a few picoseconds, it is possible to create an exciting new state called warm, dense matter. A case in point: we recently published results in Physical Review Letters demonstrating the transformation of carbon into the liquid state using a laser-driven ion beam. The high peak current and ultrashort pulse duration (1 ps) of the ion beam enable us to heat carbon to about 5000 K and observe the transformation of the lattice into a kind of liquid. Essentially, what we are trying to do is create extreme conditions in the laboratory that replicate what is going on in the core of giant planets such as Uranus. In terms of fundamental science, that is interesting because we have no idea right now how equations of state evolve under such conditions.

What about other, more down-to-earth, possibilities?

There are a number of exciting opportunities taking shape. One possibility being considered is the use of an intense laser-accelerated proton beam as the basis of a fast ignition scheme in inertial-confinement fusion – in other words, to trigger the thermonuclear burn wave that ignites the fuel. There is also interest from the nuclear industry, where laser-driven ion beams and diagnostic techniques such as X-ray diffraction could be combined to evaluate the lattice damage and annealing of materials used in nuclear reactors. Another avenue under investigation is the use of laser-driven ion beams to produce radioisotopes for medical imaging – potentially a more compact and economical option than existing cyclotron or synchrotron technologies.

So the future's bright for LIGHT?

Yes, things appear well set. GSI has been an accelerator facility for more than 35 years and now it is really stepping into this regime to figure out what special parameters you can achieve with laser-accelerated ion beams, and also what is required in terms of the enabling technologies for practical applications.

• This article first appeared in Physics World magazine's Big-science supplement.

About the author
Joe McEntee is group editor at IOP Publishing.
©

December 7, 2011

Curatus


Curatus has been formed to commercialize, design, manufacture and sell scalable ion beam instruments used to deliver particle therapy treatment services to cancer patients.
©

December 6, 2011

An eventful week in proton therapy

Proton therapy was hitting the headlines this week, with new installation contracts, project updates and a system release all announced in the last few days.

First up, Varian Medical Systems (Palo Alto, CA) booked an $88 million order to supply its ProBeam proton therapy system for the Scripps Proton Therapy Center in San Diego, CA. The five-room centre is currently under construction and scheduled to begin treating patients in 2013. The facility will also serve as a particle therapy research centre.

The equipment order was issued by the California Proton Treatment Center, an entity formed by San Diego-based Advanced Particle Therapy, the developer for the $225 million project. Varian is partnering with ORIX Capital Markets in a $165 million loan facility to finance the centre's completion and start-up operations. Varian also signed a 10-year service agreement valued at approximately $60 million.

Varian's cyclotron

Based on a 250 MeV isochronous superconducting cyclotron, Varian's ProBeam uses pencil-beam scanning to deliver intensity-modulated proton therapy. "This is an exciting step forward for the Varian Particle Therapy business," said Varian's president and CEO Tim Guertin. "The Scripps Proton Therapy Center will be our first full installation for managing, planning and delivering intensity-modulated proton therapy."

Construction of the 102,000 ft2 building is approximately 80% complete. Major components of Varian's ProBeam system are already being delivered, with installation scheduled to begin in the coming weeks.

Compact options
Meanwhile, IBA of Belgium has announced the first US installation of its compact Proteus ONE proton therapy system, at a facility being developed by Willis-Knighton Cancer Center in Shreveport, LA. Proteus ONE is a single-room system designed to provide a less costly option for cancer centres without the budget or space for a comprehensive, multi-room facility.

Proteus ONE measures roughly 15 x 29 m including the shielding walls, comprises an advanced non-superconductive cyclotron, an integrated cone-beam CT, a compact gantry and patient-friendly treatment room. The treatment system is valued at between $25 and $30 million with an additional long-term maintenance agreement.

"We're very pleased to be among the pioneers of IBA's new proton beam solution," said Lane R Rosen, director of radiation oncology at Willis-Knighton Cancer Center. "And we're excited about the opportunity to be the very first to use IBA's compact Pencil Beam Scanning technology."

Construction of a two-story addition to the existing cancer centre will begin by late 2011, with the first patients due to be treated with protons in early 2014. The new Willis-Knighton Proton Center is expected to serve about 200 cancer patients annually. In addition to the Proteus ONE, the $40 million project includes additional clinical space for radiation, medical and surgical oncology, and expansion of patient-support services.
Project progress

Elsewhere, new player ProTom International (Flower Mound, TX) reports that synchrotron installation has commenced at the McLaren Proton Therapy Center (MPTC) in Flint, MI. MPTC is installing ProTom's Radiance 330 proton therapy system, a compact system optimized for delivering scanned pencil beams.

The company points out that its synchrotron arrived via commercial airline, in contrast to some previous generations of heavy proton therapy technology that required special cranes, transport, rigging and even bridge reinforcements for delivery. Construction on the McLaren Proton Therapy Center began last October 2010, and the facility is on track to treat its first patient in December 2012.

This announcement came hot on the heels of a UK deal in which ProTom signed up to provide its Radiance 330 for a new Advanced Proton Solutions (APS) facility to be built in the City of London. "Advanced Proton Solutions represents an ideal partner for ProTom's first international venture," said ProTom's CEO Stephen Spotts. "Due to its modular design and smaller footprint, our Radiance 330 system is a great solution for sustainable urban locations such as the City of London."

Finally, this week saw Still River Systems (Littleton, MA) unveil its MEVION S250, a gantry-mounted proton source with integrated image-based workflow. Simultaneously, the company changed its name to Mevion Medical Systems, to reflect its "transition from a research and development organization to a commercial manufacturer".
©

Пущинская протонно-лучевая установка обречена?

Опубликовано 02.11.2011 17:31

Куда пропала протонно-лучевая установка за 10 миллионов долларов? И когда же в Пущино начнут лечить рак? Ведь протонно - терапевтический корпус в больнице научного центра был открыт еще год назад. Тогда журналистов заверили: изобретение российских ученых - протонно-лучевую установку, с помощью которой можно лечить рак даже на последней стадии, привезут сюда зимой. А уже через год в ее кресло сядут первые пациенты.
Год прошел, но установка в новом корпусе больнице так и не появилась. Неужели ее, как и врачей, которые собирались прийти работать в Пущино, перехватили в другом городе? Мы решили провести собственное расследование и найти пропажу.

А у вас есть такая же, только с перламутровыми пуговицами?
Протонно – лучевую установку мы нашли в Протвино, там же где она была и год назад. На производственной площадке компании «Протом» она проходит последнюю наладку.
- Мы используем ее для отработки новых идей, которые появились за это время, - рассказал нам член-корреспондент РАН, генеральный директор ЗАО «Протом» и разработчик установки Владимир Балакин. - То есть эта установка служит нам испытательным стендом.
Другого выхода у ученых просто нет. Лечить больных на установке нельзя, пока она не прошла сертификацию и клинические испытания. По той же причине в нерабочем состоянии находится и аналогичный аппарат в протвинской больнице. К сожалению, на получение сертификата, который должно выдать Министерство здравоохранения, уходит гораздо больше времени, чем предполагалось. Сейчас создатели установки устраняют все замечания чиновников.
– Замечания не очень принципиальные. Например, места крепления пациентов у нас были сделаны из дерева, но это недопустимо, - поясняет Владимир Егорович. - Нужно, чтобы они были из пластика. Так их легче мыть и дезинфицировать.
И такого типа замечаний за несколько лет было сделано десятки. Такое ощущение, что российскую разработку, специально не хотят пускать на рынок – признаются ученые. Финансирование проекта министерством науки уже давно прекращено. Компания Балакина выживает только за счет западных инвесторов.
- Другие академики звонили в РАН, утверждали, что их разработки лучше. Правда они только на бумаге и стоят в десятки раз дороже, поэтому считаются лучше, - рассказывает Балакин. - Главный онколог Минздрава писал в академию наук и рекомендовал прекратить нашу деятельность, поскольку она мешает закупать очень дорогие, в десятки раз дороже зарубежные установки, хуже по качеству и меньшей производительности. Но вы сами, надеюсь, понимаете мотивы движущие им. Поэтому нас никто и не признает в России.

Лучше меньше, да лучше
Зато за границей разработку Владимира Балакина признали уже давно. Контракты заключены с США, Англией, Словакией. Но смонтированные там протонно-лучевые установки тоже не могут начать работу, пока российское Министерство здравоохранения не даст сертификат.
Тем временем министр здравоохранения Татьяна Голикова в своих выступлениях приводит неутешительные цифры:
- За последние 10 лет смертность от онкологических заболеваний выросла до 13,8% и стала второй по значимости причиной смертности населения нашей страны. В настоящее время на учете в онкологических учреждениях состоит более 2,5 миллионов больных. К сожалению, около 60% среди впервые регистрируемых пациентов выявляются на третьей и четвертой стадии заболевания. Это снижает возможности лечения. В результате более 200 тысяч россиян ежегодно становятся инвалидами от онкологического заболевания.
Владимир Балакин утверждает: эффективность лечения рака на его установке достигает 90% на любой стадии рака, при этом она доступна каждой городской больнице. Например, для Пущино Академия наук ее приобрела за 10 миллионов долларов. На первый взгляд сумма кажется астрономической. Но если все посчитать…
- Электронные ускорители стоят 5 миллионов долларов, зато их производительность в 4 раза ниже нашей установки. А протонная установка в Дмитровграде стоит 6 миллиардов рублей, то есть 200 миллионов долларов. Это в 20 раз дороже, нашей разработки, - приводит факты Владимир Балакин. – Получается, что за цену одного Дмитровграда, нашими установками можно обеспечить всю Россию.
В Дмитровграде в год принимают всего 1200 пациентов. А производительность установки Балакина 2000 пациентов в год. Получается, что, когда установка все-таки начнет работать, в маленькой пущинской больнице смогут помочь большему количеству больных, чем во всероссийском центре ядерной медицины. Но при всем при этом сертификат Министерство здравоохранения пока не выдало.




Прогресс не остановить
Несмотря на все трудности Владимир Балакин настроен оптимистически. Он верит, что его разработку все-таки оценят на высоком уровне. Слишком много у нее достоинств. Помимо высокой производительности и экономичности, эта протонно-лучевая установка еще и абсолютно безопасна. При процедуре пучок протона будет попадать конкретно в место опухоли, а весь остальной организм получит минимальную дозу радиации, которая, по словам ученых, даже полезна. Парадокс, но это факт. Радиация в минимальных дозах, уверяют специалисты, стимулирует биологические ткани. При этом протонно-лучевая установка устроена так, что разрушается от воздействия протонов только опухоль.
- На самом деле можно стоять рядом с больным в момент облучения. И при этом вы получите дозу радиации выше, чем на улице, но меньше, чем в самолете, - утверждает Владимир Балакин.
Одним словом, все опасения пущинских родителей по поводу соседства детской поликлиники с протонно-терапевтичским корпусом беспочвены, уверены ученые.
Владимир Балакин ответил на все наши вопросы, кроме главного: когда же установка все-таки переедет в Пущино? Еще несколько месяцев уйдет на получение сертификата, потом должны пройти клинические испытания на 10 добровольцах, а потом еще полтора месяца надо будет потратить на монтаж установки в пущинской больнице.
В общем, вопрос, когда начнут лечить рак в наукограде остается открытым.

Мария ВАРГИНА, Михаил ПАНКРАТЬЕВ
©