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用于癌症治疗的高对比度成像质子

归档日期:04-23       文本归类:对比度操纵      文章编辑:爱尚语录

  医学物理学家Aswin Hoffmann博士和他的团队来自放射科学研究所 - 位于Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)的OncoRay,是世界上第一批将磁共振成像(MRI)与质子束相结合的研究人员,从而证明了原则上,这种常用的成像方法确实可以用于粒子束癌症治疗。这为有针对性,健康的组织保留癌症治疗开辟了新的机会。研究人员在“医学与生物学物理学”杂志上发表了他们的研究结果。

  放射治疗长期以来一直是标准肿瘤治疗实践的一部分。称为剂量的特定量的能量被沉积到肿瘤组织中,在那里它将破坏癌细胞的遗传物质,防止它们分裂并且理想地破坏它们。目前最常用的放射治疗形式称为光子疗法,它使用高能X射线束。这里,大部分光束穿透患者体内,同时在肿瘤周围的健康组织中沉积有害剂量。

  另一种选择是具有带电原子核的放射疗法,例如质子。这些颗粒的穿透深度取决于它们的初始能量。他们在弹道结束时释放最大剂量。没有剂量会沉积在这个所谓的“布拉格峰”之外。施用这种疗法的医生面临的挑战是控制质子束与肿瘤组织的形状完全匹配,从而尽可能多地保留周围的正常组织。在治疗之前,他们进行基于X射线的计算机断层扫描(CT)扫描以选择他们的目标体积。

  “这有各种缺点,”霍夫曼说。“首先,CT扫描中的软组织对比度很差,其次,剂量会沉积到目标体积之外的健康组织中。”除此之外,质子治疗比X射线放射治疗更容易发生器官运动和解剖学变化,这在治疗移动肿瘤时会损害靶向精确度。目前,在照射过程中没有可视化肿瘤运动的直接方法。这是使用质子疗法的最大障碍。“我们并不确切知道质子束是否会按计划撞击肿瘤,”霍夫曼解释说。因此,今天的医生必须在肿瘤周围使用大的安全边缘。“但是,如果辐射更有针对性,那么对健康组织的损害就会大大增加。

  霍夫曼和他的团队希望改变这种状况。与比利时质子治疗设备制造商IBA(Ion Beam Applications SA)合作,他的研究小组的目标是整合质子治疗和实时磁共振成像。与X射线或CT成像不同,MRI可提供出色的软组织对比度,并可在照射过程中实现连续成像。“在MR引导光子治疗中已经有两种这样的混合装置用于临床;但是没有一种用于粒子治疗。”

  这主要是由于MRI扫描仪和质子治疗设备之间的电磁相互作用。一方面,MRI扫描仪需要高度均匀的磁场,以便生成几何精确的图像。另一方面,质子束在回旋加速器中产生,回旋加速器是一种圆形加速器,其中电磁场迫使带电粒子进入圆形轨迹并加速它们。质子束也由磁铁操纵和成形,磁场的磁场会干扰MRI扫描仪的均匀磁场。

  “当我们三年半前推出该项目时,许多国际同事都持怀疑态度。他们认为,由于所有的电磁干扰,不可能在质子束中操作MRI扫描仪,”霍夫曼解释说。“然而,我们能够在我们的实验中证明,MRI扫描仪确实可以在质子束中运行。高对比度的实时图像和精确的质子束控制不是相互排斥的。”许多专家预测质子束行为会产生另一个困难:当带电粒子在MRI扫描仪的磁场中移动时,洛伦兹力将使光束从其直线轨迹偏转。然而,在这里,研究人员也能够证明这种偏转可以预期并因此得到纠正。

  为了探索这些相互作用,霍夫曼和他的团队使用了国家肿瘤放射研究中心的实验室 - OncoRay。这个由HZDR,德累斯顿工业大学和大学医院Carl Gustav Carus运营的联合研究平台成立于2005年,是一个创新的卓越中心。自UPTD(University Proton Therapy Dresden)于2014年成立以来,患者一直在OncoRay设施接受质子治疗。今天,OncoRay的120多位科学家对放射治疗的创新方法和技术进行了研究。

  “我们的任务是在生物学上个性化质子治疗,并在技术上优化其物理极限,”HZDR研究小组负责人Hoffmann说道。OncoRay有自己的回旋加速器,可以将质子束送入治疗室以及实验室。霍夫曼和他的同事们使用后者进行研究活动。在IBA和ASG超导体SpA的Paramed MRI部门的支持下,他们在质子束路径上安装了一个开放式MRI扫描仪,实现了世界上第一个MR引导粒子治疗原型。“我们很幸运,有一个足够大的实验室可容纳MRI扫描仪。这是OncoRay的独特功能之一。”

  对于他们在这个第一个原型上的实验,他们最初使用了所谓的膝盖模型,一个装有水性对比液体的小塑料圆筒和各种不同形状的塑料件。霍夫曼和他的团队用它来进行图像质量的定量分析。在第二系列实验中,研究人员使用了一块德累斯顿混合香肠。“当荷兰研究小组在2009年研究其MR引导光子治疗设备的成像时,他们使用猪排,”霍夫曼说。“2016年,澳大利亚研究人员在袋鼠牛排上展示了他们的MR-光子治疗装置。由于我们也希望在MR引导粒子治疗中使用我们的原型区域,我们使用了德累斯顿混合香肠。”用体模和香肠进行的一系列实验表明,质子治疗的磁场不会扭曲图像。它们仅仅导致MR图像的微小变化,可以对其进行校正。

  该项目目前正进入下一阶段。目标是开发世界上第一个适用于临床的MR引导粒子治疗原型。

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