与X射线相比，快速质子照射是一种更有效、侵入性更小的癌症治疗方法。然而，现代质子治疗需要大型粒子加速器，这使得专家们开始转向研究利用激光系统等来加速质子。这种系统被部署在临床前研究，为最佳的放射治疗铺平了道路。
近日，由Helmholtz-Zentrum dresden - rosssendorf (HZDR)领导的一个研究小组宣布，他们已经成功地在动物身上测试了激光质子照射治疗，该小组的研究成果发表在《自然·物理学》（Nature Physics）杂志上。
图片来源：Nature Physics
放射治疗，目前已经成为了主要的癌症治疗方法之一，它通常利用的是强烈的、聚焦的X光。这种方法比X射线治疗更有效，创伤更小。这种方法特别适合于照射颅底、大脑和中枢神经系统的肿瘤。它也适用于儿童癌症患者，可以减少潜在的长期影响。
但是，这种方法比X射线疗法复杂得多，因为它需要精密的加速器设备来产生快速的质子，并将它们传输给患者。而基于激光的质子加速器，可以在这方面发挥决定性的作用。
HZDR的物理学家弗洛里安·克罗尔（Florian Kroll）博士表示，他们的方法是基于一种高功率激光产生强而极短的光脉冲，它被发射到一层薄薄的塑料或金属箔上。这些闪光的强度将电子从金属箔中震出，产生一个强大的电场，可以将质子束成脉冲，并将它们加速到高能量。有趣的是，这个过程的规模非常小，加速路径只有几微米长。
在进行参数优化后，HZDR团队已启动一系列关键的实验，并首次使用激光加速质子对小鼠肿瘤进行控制照射。
激光加速质子脉冲的另一个特点是其强度：在传统的质子治疗中，辐射剂量是在几分钟内完成的；而基于激光的过程可以在百万分之一秒内完成。这也意味着，未来这种快速照射方法可以在癌症治疗方面发挥充分优势。
除了用于癌症治疗的高端质子/重离子治疗设备，近年来对治疗慢性疼痛的非侵入性激光设备的需求不断增加，推动了市场的强劲增长，并推动了创新技术的发展。
在美国和整个欧洲进行了激光缓解疼痛的临床试验后，统计发现，目前已经有一系列FDA、英国和欧盟批准的基于激光的设备，用于缓解与与骨关节病、神经肌肉疾病、水肿/血肿、组织损伤等病理有关的疼痛和炎症。
根据Future Market Insights的一份报告，预计全球低强度激光治疗(LLLT)市场将从2020年的1.04亿美元增长到2031年的1.654亿美元，复合年增长率为4.4%。背后驱动因素包括慢性疾病的日益流行，对治疗慢性疼痛的非侵入性设备的需求激增，技术创新，以及监管机构对创新产品更快获得批准的乐观情绪增强。
数据显示，2021年德国在整个欧洲市场的占有率超过了24.3%，中国和印度在预测期内的年均复合增长率都将超过6%。
激光治疗设备的核心技术是基于二极管激光器。由于它们相对简单的单片半导体结构，它们能够直接将电能转化为激光。二极管激光器还提供了独特的功率水平和波长可扩展性，结合起来就可以支持非常广泛的医疗应用。
不同的半导体组成可以选择波长，通过将输出波长设置为蓝色、绿色、红色或近红外和中红外范围来实现，这些通常能够提供所需的功率水平。而且输出波长的广泛选择允许激光系统被量身定制，以满足每个特定应用的需求。
低强度激光治疗(LLLT)
与专为切割或消融组织或摧毁肿瘤而设计的高功率外科激光不同，低强度激光治疗(LLLT)是一种非侵入性治疗，它通过刺激照射区域的身体自然愈合机制来发挥作用。然后身体组织会吸收光线释放一氧化氮(NO)，促进血液流动和增加淋巴引流的关键信号分子，反过来抑制炎症过程、减少肿胀，并刺激周围组织的愈合。这种光属于600-950纳米波长的红色和近红外光谱，有时也被称为冷光，因为它几乎不产生热量。低能量激光器通常处于0.1-0.5℃范围，功率为50-500 mW，处理能量为每平方厘米几焦耳，可以穿透0.5-2.0 cm2，表面处理面积为0.3-5 cm2。
高强度激光治疗(HITL)
需要更大的穿透深度和更大的表面处理区域的治疗通常需要高强度激光治疗(HITL)，它使用每波长5到10 W的更高功率水平的激光，可以穿透高达10 cm2，并提供70到80 cm2的表面处理区域。然而，由于作用机制相同，LLLT和HITL都是无痛、无创的治疗方法，不良反应很少或没有。更重要的是，它们减少了对止痛药物及其相关副作用的需求，在许多情况下，它们治愈了炎症或疼痛的根源，而不是简单地缓解疼痛。