在质子对抗癌症上，全球医学界下注越来越大。全球仅有100多个质子治疗设施，其中一半以上于2016年或之后开始运营。目前他们每年治疗约5万名患者，累计治疗人数约30万名。
治疗的费用非常昂贵。因为一台新设施的建造成本就超过2亿美元，这还不包括维护、手术和医生时间的成本。由于价格高昂，许多人施加压力，要求质子治疗拿出结果来证明费用的合理性。在某些应用中，例如治疗眼肿瘤（如图 1 所示），质子治疗相对其他治疗有明显优势。在另一些应用中，质子治疗的潜力还有待挖掘。
瑞士保罗谢勒研究所 (Paul Scherrer Institute) 是最早开始运营质子治疗的中心之一，由 Vivek Maradia和他的博士导师Serena Psoroulas领导的研究团队正在努力攻克效率低下的一个主要根源：在使用回旋加速器加速质子的治疗过程中，70%到99.9%的加速质子会被丢弃。如果能更有效地将质子注入患者体内，那么治疗更高效、患者也会更快乐，最终让整个治疗更加经济。他们提出利用“闪光效应”（FLASH effect）：一次性向肿瘤提供大量辐射可以减轻对周围健康组织的副作用。这种方式咋听起来是违反直觉的，但却可能是有效的。
透过率低
质子疗法的原理是质子与物质的相互作用。放射治疗（实际上是所有形式的癌症治疗）的目标是杀死癌细胞，同时保留健康细胞。但是，到达体内的放射束不仅会遇到肿瘤，还会遇到肿瘤周围的健康器官。主流的放射治疗用的是X射线，它的能量在行进中一路沉积在肿瘤和健康细胞中。
质子在身体里穿行时会逐渐减慢速度；它最终停下来，并释放大部分能量。而质子的散射截面与其动能成反比。因此，通过控制质子束的方向和初始动能，临床医生可以在三个维度上定位受放射影响的区域。
不过实际要控制质子动能并不那么容易。临床医生需要的质子能量范围从60MeV（对于靠近体表的肿瘤，例如眼睛中的肿瘤）到230MeV（对于体内数十厘米深处的肿瘤），而单个回旋加速器只能产生一种能量的质子束。如果要为每种质子能量配备一个回旋加速器，那就太贵了。有些机构选择使用低能量回旋加速器来治疗眼部肿瘤，其它部位治不了。而大多数质子治疗中心使用能量最高的回旋加速器，即230MeV或250MeV。利用率低，说的就是这里。
要将高能质子转化为低能质子，可以让高能质子穿过一大块固体材料（通常是碳）。但这个过程中，质子束的能量会扩散，于是能量沉积会到身体不同的部位。临床上就无法用了。标准的做法是使用偶极磁铁把能量不同的质子在空间上分开，穿过特定狭缝的质子能量非常接近。这么做的结果就是，大部分质子被丢弃。
临床所需质子能量越低，浪费越严重。质子需要降低的能量越多，能量扩散就越大，最终通过能量选择狭缝传输的部分就越少。对于大于200MeV的目标能量，也许初始质子中最终有10%或更多能通过。但目标能量如果小于100MeV，就只有不到1%。
由于透射率低，没有低能回旋加速器的诊所，很难开展眼肿瘤治疗。提供所需的放射剂量约需要一分钟。这听起来可能并不算太久，但在此期间患者不能眨眼或移动眼睛，这有点难，且患者体验不佳。
对于肺部和腹部等部位的肿瘤，肿瘤不可避免地会四处移动。临床医生需要不断重新扫描患者的身体以跟踪肿瘤的位置，治疗可能需要更长的时间（长达 45 分钟）。患者在手术过程中需要尽可能保持静止。
动量冷却
传输效率低、治疗时间长，大多数人认为，这是回旋加速器质子治疗的固有局限。Maradia说，“多年来，人们普遍认为没有可行的方法来增强传输。但是Serena Psoroulas挑战了这个想法，她构思了我的博士课题。”
在博士研究的第一年，Maradia修改了对粒子束的模拟。他发现了一些新方法，可以将更多质子从回旋加速器输送到患者身上。简而言之，现有的设置假设粒子束是二维对称的，于是在两个方向上施加相同的聚焦力和散焦力。但事实上粒子束并不对称，部分原因是质子被能量分散在一个方向，而不是另一个方向。Maradia和同事预测，通过考虑这种不对称性，他们可以将传输率提高六倍。
效率低下的最大根源还是在于：质子通过狭缝选择特定能量时很多被丢弃。对此的解决方案出奇简单。质子能量已经被分散，而通过固体材料可以减慢它们的动量。因此，Maradia建议在束流中插入一个楔子，如图2所示。速度最快的质子穿过楔子最厚的部分，速度减慢最多；最慢的穿过最薄的部分并且减慢最少。
Maradia独立提出了动量冷却这个想法。但他后来注意到，楔形吸收器以前曾在粒子物理的其他领域使用过，例如μ子实验，只是以前没有考虑将它们用于质子治疗，也许是因为当质子从楔子上散射时，它们垂直于粒子束传播的动量会增加。但马拉迪亚和同事改进的器件能够应对扩散的增加。
提出想法和模拟改进是一回事；实际实施它们可能是另一回事。尤其是在活跃的医疗机构中，没有人愿意破坏正在进行的临床治疗。”马拉迪亚说。但他一再坚持，最终获得许可，能在保罗谢勒研究所的眼科治疗上试用他的楔子。
结果有改进，虽然不明显：楔形物将传输率从最初的0.27%质子增加了一倍，达到0.5%。为什么改进这么小？整个粒子束的设计基于这样的假设：只有具有一种特定能量的质子才能到达患者体内。在被偶极磁铁分散后，大多数在到达楔子之前就撞上了束线壁。
如果偶极磁铁以更浅的角度偏转质子，则可以减轻损失，研究人员估计最低能量的传输率可能会提高到7%。对现有粒子束进行这样的改变可能是不可行的。“然而，在未来的质子治疗中心的设计和建造过程中，将动量冷却纳入其中相对容易，”马拉迪亚说。目前世界各地正在开发数十个新的质子治疗设施。
闪光放射疗法
如果肺部肿瘤的质子治疗速度可以大大加快，以至于在患者单次屏息就可以接受全部放射剂量，那么临床医生可能不再需要采取复杂的步骤并使用昂贵的设备来跟踪肿瘤的运动。
又或者，如果目前可用的处理时间被认为是可以接受的，则可以使用更小、功率更小的回旋加速器来实现。更温和的回旋加速器产生的总体辐射更少，因此它需要更少的混凝土屏蔽，并且可以以更低的成本建造。
最有潜力的是利用闪光效应（FLASH effect）。质子治疗的优势在于质子束的大部分能量沉积在布拉格峰（Bragg peak）。注意了，“大多数”并不是“全部”，因此临床医生必须竭尽全力设计避免伤害健康组织的治疗方法，特别是当肿瘤靠近关键器官或动脉时。2014年有实验开始表明，如果放射治疗速度非常快，它对健康组织的伤害就会较小，即便它在杀死肿瘤方面同样有效。放射治疗界顿时沸腾了。
闪光放射治疗还远未准备好投入临床使用，还有很多未知之处。例如，研究人员仍然不知道这种效应是如何发挥作用的，而且并非每个实验都认同这种效应。一种流行的假设是，辐射的快速传递会导致健康组织暂时缺氧，从而保护健康组织免受损伤，因为辐射是通过产生氧自由基起作用的。另一方面，肿瘤已经缺氧，因此它不会变得比现在更缺氧。但还需要更多的研究来看看这种说法是否成立。
目前还不清楚到底需要多快的辐射才能达到闪光效应，但粗略的共识是：它需要比当前治疗的速度快几个数量级。也就是说，放射只需不到一秒，而不是持续几分钟。
闪光效应似乎同样适用于所有形式的辐射：质子、X 射线、电子和碳离子。在所有临床辐射源中，质子加速回旋加速器最接近能够达到闪光强度。但问题是，他们只能使用直接从回旋加速器射出的全强度高能光束来做到这一点，这意味着放弃布拉格峰及其可调谐性的所有优势。
Maradia、Psoroulas和同事根据模拟估计，粒子束经过动量冷却方法优化且聚焦到足够小，就可以在临床所需的所有质子能量范围内达到闪光放射治疗所需要的强度。然而，对于直径超过几毫米的肿瘤，闪光束需要比目前更快地完成扫描。
资料来源：
https://pubs.aip.org/physicstoday/article/76/9/15/2908394
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