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物理学驱动质子治疗的发展

2020/1/8 作者:质子中国

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日前,“物理学对新医学技术的贡献”会议(Physics-based Contribution to New Medical Techniques, PCMT)在伦敦举行,探讨了如何利用物理技术促进不同医学应用的研发。其中,物理学在医学领域一个至关重要的应用方向是促进离子治疗系统和技术的发展。


英国正在开展的研发工作

曼彻斯特大学Dr. Hywel Owen向与会者介绍了英国两家由英国国家医疗服务体系(NHS)资助的质子治疗中心,分别为曼彻斯特Christie质子治疗中心和伦敦大学医院(UCLH)质子治疗中心。他指出,英国各地的多名学者正在与这些质子治疗中心合作,期望能够改进放疗技术和疗效。2018年年底开始实施治疗的Christie质子治疗中心建造了一套专门用于科学研究的束流线,来自Christie医院和曼彻斯特大学的研究人员将在这里进行更加深入的研究。


虽然英国的治疗中心已经能够提供先进的治疗手段,Dr. Owen解释说,但仍可在多个方面开展进一步的研究以提高治疗质量。英国国内的研究人员正在研究的领域包括缩短治疗时间、提高成像质量和治疗的准确性等方面,以及研发其他粒子在医疗领域的应用,如碳离子和电子等。


Dr. Owen介绍,他的团队正致力于研发世界上第一台在70 MeV水平运行的超导回旋加速器。该系统旨在为诸如眼部等浅层肿瘤治疗提供一种更高剂量率的治疗模式,并可能获得比当前技术更好的剂量分布。英国科克罗夫特研究所(Cockcroft Institute)已与回旋加速器开发商Antaya合作生产了一台原型机。利用超导磁体获得的更大磁场,回旋加速器的体积更小、价格也更加便宜。更多关于超导回旋加速器请见质子中国往期报道《技术进步能否降低质子治疗成本(二):缩小加速器体积》。


另一项新的研究进展是ProBE (质子成像和治疗的增强扩展)直线加速器——这是一项由科克罗夫特研究所、Christie中心和欧洲核子研究组织(CERN)共同参与的联合项目。ProBE旨在加速医用回旋加速器中的质子以达到能够用于质子成像所需的更高能量。Dr. Owen解释说,研究人员已经制造了一台加速腔的原型机,并预计能够实现约54 MV/m的加速能量梯度。通过将这套系统加入质子治疗中心的束流传输系统,未来可实现成人的全身质子成像。更多关于质子成像技术请见质子中国往期报道《质子治疗的图像引导技术(四):质子CT和质子成像系统》、《质子治疗体内成像技术最新进展(一):质子发射成像》。

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ProBE加速器将质子的能量由医用范围加速到质子成像所需要的能量范围。(图片来源:Joel Sauza Bedolla)

 

快速QA节省更多的治疗时间

质子治疗最大的优势在于质子将大部分能量释放在特定的深度——布拉格峰——随后停止,这样可以更好地保护周围的正常组织。但正如伦敦大学学院(UCL) Dr. Simon Jolly所解释的那样,这种高度局部化的剂量沉积同时也是质子治疗技术的一个缺点,因为质子射程的不确定性在临床上需要增加一个靶区周围的边界。因此,质子治疗装置的有效QA对于充分利用质子治疗的剂量学优势至关重要,但这样的QA过程通常非常耗时。

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质子射程测量系统原型机(图片来源:Simon Jolly)

 

Dr. Jolly介绍了伦敦大学学院正在研发的质子射程测量装置,该装置能够更快、更准确地测量质子的射程,从而加快日常QA过程。“我们正在把技术从纯粹的高能物理研究转移到临床质子治疗,”他说。


多层电离室(MLICs)可以在数分钟内完成束流射程的测量,但它体积庞大、价格昂贵。伦敦大学学院的设备类似于多层电离室设计,不同之处在于使用单个的塑料闪烁体取代了多层电离室,所用的塑料闪烁体类型与SuperNEMO探测器双重β衰变实验相同。Dr. Jolly指出,这种轻质塑料闪烁体接近于水当量,可提供非常高的光输出效率,并具有出色的能量分辨率。与多层电离室不同的是,它还能够在超高剂量率模式(FLASH)下进行测量。


为了测量质子射程,质子束水平入射到一叠塑料闪烁体片的末端。该设备使用一个像素化的传感器读出每层的光信号,传感器放置在每层塑料闪烁体的顶部(每层的边缘上),随后根据测量到的光剂量分布估计质子束的射程。该系统通过向两个方向发射高能质子束进行校准。


Dr. Jolly和他的同事在不同中心测试了这台原型设备,包括奥地利MedAustron中心、德国海德堡离子治疗中心和英国伯明翰回旋加速器设施,并于2018年3月在伯明翰进行了第一次布拉格峰测量。该系统测量的质子射程精度约为100 µm,远低于1 mm的临床要求。


团队还通过在英国Clatterbridge癌症中心进行“油炸”(fry up)试验,验证了原型机系统的抗辐射性能。经过一整天的连续照射,该装置的峰值光输出减少了不到5%,射程测量精度没有发生变化。“探测器通过了6500 Gy (约为一年的剂量)的考验,” Dr. Jolly说,“下一步的计划是为质子治疗中心建立一个独立的、易于使用且具有鲁棒性的测量系统。”

质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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