Proton and Heavy Ion Therapy: An overview

 

Proton and Heavy Ion Therapy: An overview: January 2017

 

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To produce protons, negatively charged electrons are split from hydrogen atoms leaving the 

positively charged protons, which are accelerated in a cyclotron or synchrotron to 40 to 70 per 

cent of the speed of light, then directed through a magnetic beam steering system to the 

treatment room.

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  Photons (used in conventional radiotherapy) and protons both have a low 

density of ionisation events or linear energy transfer (LET)

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, however protons are believed to have 

an increased 10 per cent relative biological effectiveness (i.e. RBE of 1.1) on both healthy and 

cancerous tissue.  

Carbon ions are of particular interest due a high rate of energy loss towards the end of the particle 

range, resulting in a larger increase of the LET at the Bragg Peak.

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  For carbon ion production, 

newer facilities utilise carbon dioxide gas as an ion source. Heavier than protons, carbon ions 

undergo a two-stage acceleration process: initial acceleration in a linear accelerator up to 10 per 

cent of light speed; followed by further acceleration in a synchrotron up to 75 per cent of light 

speed.

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  Carbon ions are considered to have as good or better distribution of absorbed dose as 

protons, are superior to photons

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, and with a higher RBE (between 1.5 and 3.4) may prove to be a 

more effective treatment option.

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 High-LET ions such as carbon have a reported range of 

radiobiological advantages compared with photons or protons for treating tumours resistant to 

low-LET irradiation, such as adenocarcinomas, adenoid cystic carcinomas, malignant melanomas 

and sarcomas.

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  Additionally, due to the physical and biological properties of carbon ions, there is 

potential for increased use of treatment hypo-fractionation (delivery of radiation by larger doses 

over a shorter timeframe)

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, which can reduce patient treatment times and improve cost-

effectiveness. However, as there are only a limited number of carbon ion facilities in operation 

internationally, further investigations are needed, especially in the area of dose-distribution of 

carbon ions during treatment,

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 and translation into radiobiological and clinical effects. 

A summary of the advantages and disadvantages of protons and carbon ions, compared to 

traditional photons, are presented below in Table 2.

  

 

 

 

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Proton and Heavy Ion Therapy: An overview: January 2017

 

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Table 2 

Biological advantages and disadvantages of conventional radiotherapy and particle therapy 

Treatment 

Advantages 

Disadvantages 

 

Photon (X-rays) Radiotherapy 

Established treatment modality and 

protocols  

High integral radiation dose 

High risk for tumours located near vital 

organs or tissues 

Low LET reduces effectiveness for 

tumours resistant to low LET irradiation 

Proton Beam Therapy 

Lower integral radiation dose compared to 

conventional radiotherapy 

Believed increased relative biological 

effectiveness compared to x-rays 

Use in tumours located near vital organs 

or tissues 

Low LET reduces effectiveness for 

tumours resistant to low LET irradiation 

Some uncertainties in relation to 

radiobiological effectiveness, treatment 

protocols, and effectiveness in range of 

tumour types 

Higher establishment and running costs 

compared to conventional radiotherapy 

Limited cost-effectiveness evidence 

Carbon Ion Beam Therapy 

Lowest integral radiation dose 

High relative biological effectiveness 

Use in tumours located near vital organs 

or tissues 

High LET for use in tumours resistant to 

low LET irradiation 

Potential for hypo-fractionation (reduced 

number of treatments in a course of 

treatment) 

Emerging treatment 

Limited effectiveness evidence 

Uncertainties in relation to radiobiological 

effectiveness, treatment protocols, and 

effectiveness in range of tumour types 

Unknown cost-effectiveness 

Higher establishment and running costs 

compared to conventional radiotherapy 

and proton therapy 

 

Particle Therapy Facilities  

In relation to particle beam generation, cyclotrons and synchrotrons are used to generate proton 

and carbon/heavy ion particles. Proton beams are generated either in a cyclotron which uses a 

single-stage acceleration process (i.e. the cyclotron alone can accelerate the protons to the 

required energies), or a synchrotron, with subsequent delivery through high vacuum ‘beamline’ 

structures to treatment rooms.  

 

 

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Synchrotrons are necessary for the generation of heavy ion beams due to the increased energies 

required in accelerating heavy particles to clinical therapy velocities. However, as synchrotrons are 

unable to accelerate particles from zero kinetic energy, they require a two-stage acceleration 

processes (i.e. a pre-accelerator structure that injects the particle beam into the synchrotron for 

further acceleration). Therefore, facilities that utilise a synchrotron accelerator typically require a 

larger footprint than a cyclotron installation.  

A cyclotron is only able to accelerate to a set maximum energy, which then requires an energy 

degrader to reduce the energy at the expense of some beam current and “sharpness” of the Bragg 

peak. A synchrotron can accelerate the particle to a given energy before extraction which can then 

be delivered to the patient, allowing beam current and the sharpness of the Bragg peak to be 

optimally maintained. 

Figures 2 and 3 demonstrate a typical layout of a conventional large-scale proton or combination 

proton/carbon ion-beam facility utilising a synchrotron. The beams are produced at position 1, 

with hydrogen gas used to obtain protons and carbon dioxide used for carbon ions. The two-stage 

linear accelerator is situated at position 2, where protons or carbon ions are accelerated in high-

frequency structures to up to 10 per cent of the speed of light. The protons or carbon ions are 

then sent into the synchrotron (position 3), where six 60° magnets bend the beams into a circular 

path. The protons or carbon ions are accelerated to up to 75 per cent of the speed of light orbit by 

orbiting the synchrotron approximately a million times.

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Figure 2 

Diagram demonstrating the ion sources, the 2-stage linear accelerator and the synchrotron

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