用于癌癥治療的高對比度成像質(zhì)子

物理學(xué)家Aswin Hoffmann博士和他的團(tuán)隊(duì)來自O(shè)ncoRay，這是一家位于亥姆霍茲-曾特朗德累斯頓-羅森多夫(HZDR)的輻射科學(xué)研究所。他們是世界上第一批將磁共振成像(MRI)與質(zhì)子束相結(jié)合的研究人員，證明了從原理上講，這種常用的成像方法確實(shí)可以用于粒子束癌癥治療。這為靶向健康組織保留癌癥治療開辟了新的機(jī)會。研究人員在《醫(yī)學(xué)和生物物理學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

長期以來，放射治療一直是標(biāo)準(zhǔn)癌癥治療實(shí)踐的一部分。被稱為劑量的特定量的能量被沉積到腫瘤組織中，在那里它將破壞癌細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，防止它們分裂，并理想地破壞它們。目前，最常用的放射治療形式被稱為光子治療，它使用高能X射線束。這里，大部分光束穿透患者的身體，同時(shí)在腫瘤周圍的健康組織中沉積有害劑量。

原子核作為抗癌武器

另一種選擇是用帶電荷的原子核，如質(zhì)子進(jìn)行放射治療。這些粒子的穿透深度取決于它們的初始能量。它們在彈道末端釋放最大劑量。沒有劑量會沉積在這個(gè)所謂的“布拉格峰”之外。應(yīng)用這種療法的醫(yī)生面臨的挑戰(zhàn)是控制質(zhì)子束與腫瘤組織的形狀完美匹配，從而盡可能多地保留周圍的正常組織。在治療前，他們進(jìn)行基于x光的計(jì)算機(jī)斷層掃描來選擇他們的目標(biāo)體積。

“有各種各樣的缺點(diǎn)，”霍夫曼說?！笆紫?，CT掃描中軟組織的對比度很差。其次，劑量將沉積到目標(biāo)體積之外的健康組織中?！贝送?，質(zhì)子治療比X射線放射治療更容易發(fā)生器官運(yùn)動(dòng)和解剖改變，在治療運(yùn)動(dòng)腫瘤時(shí)會損害靶向性。目前，還沒有直接的方法來可視化腫瘤在照射過程中的運(yùn)動(dòng)。這是使用質(zhì)子治療的最大障礙?；舴蚵忉屨f：“我們不能確定質(zhì)子束是否會按計(jì)劃擊中腫瘤。因此，今天的醫(yī)生必須在腫瘤周圍使用大的安全邊際?！叭欢?，如果輻射更有針對性，對健康組織的傷害將大大增加。

磁共振引導(dǎo)粒子治療的第一個(gè)原型

霍夫曼和他的團(tuán)隊(duì)希望改變這種情況。他的研究團(tuán)隊(duì)與比利時(shí)質(zhì)子治療設(shè)備制造商IBA(離子束應(yīng)用有限公司)合作，旨在整合質(zhì)子治療和實(shí)時(shí)磁共振成像。與X線或CT成像不同，MRI可以提供出色的軟組織對比度，并在照射過程中實(shí)現(xiàn)連續(xù)成像?！耙呀?jīng)有兩種這樣的混合設(shè)備在臨床上用于MR引導(dǎo)的光子治療；但它們都沒有用于粒子治療?！?

這主要是由于磁共振掃描儀和質(zhì)子治療設(shè)備之間的電磁相互作用。一方面，磁共振掃描儀需要一個(gè)高度均勻的磁場來產(chǎn)生幾何精確的圖像。另一方面，質(zhì)子束是在回旋加速器中產(chǎn)生的，回旋加速器是一種圓形加速器，電磁場迫使帶電粒子進(jìn)入圓形軌跡并加速它們。質(zhì)子束也是由磁鐵操縱和整形的，磁場的磁場會干擾核磁共振掃描儀的均勻磁場。

“當(dāng)我們在三年半前啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，許多國際同事都持懷疑態(tài)度。他們認(rèn)為由于所有的電磁干擾，在質(zhì)子束中操作核磁共振掃描儀是不可能的，”霍夫曼解釋說?！叭欢?，我們可以在實(shí)驗(yàn)中證明，核磁共振掃描儀確實(shí)可以在質(zhì)子束中工作。高對比度實(shí)時(shí)圖像和精確的質(zhì)子束控制并不相互排斥?！痹S多專家預(yù)測，質(zhì)子束的行為會產(chǎn)生另一個(gè)困難：當(dāng)帶電粒子在核磁共振掃描儀的磁場中移動(dòng)時(shí)，洛倫茲力會使質(zhì)子束偏離其線性軌跡。然而，在這里，研究人員也可以證明這種偏轉(zhuǎn)是可以預(yù)期的，并相應(yīng)地進(jìn)行校正。

中心配有回旋加速器和大型實(shí)驗(yàn)室。

為了探索這些相互作用，霍夫曼和他的團(tuán)隊(duì)使用了國家癌癥放射研究中心的實(shí)驗(yàn)室Oncorray。這一聯(lián)合研究平臺由HZDR、德累斯頓工業(yè)大學(xué)和大學(xué)醫(yī)院Carl Gustav Carus運(yùn)營，成立于2005年，是一個(gè)卓越創(chuàng)新中心。自2014年UPTD大學(xué)(德累斯頓大學(xué)質(zhì)子治療中心)成立以來，患者一直在手術(shù)室接受質(zhì)子治療。今天，超過120名科學(xué)家在OncoRay研究了放射治療的創(chuàng)新方法和技術(shù)。

HZDR研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人霍夫曼說：“我們的任務(wù)是從生物學(xué)上個(gè)性化質(zhì)子治療，并在技術(shù)上優(yōu)化其物理極限。OncoRay有自己的回旋加速器，可以把質(zhì)子束送到治療室和實(shí)驗(yàn)室?；舴蚵退耐聦⒑笳哂糜谘芯炕顒?dòng)。在IBA的Paramed MRI部門和ASG超導(dǎo)體SpA的支持下，他們在質(zhì)子束路徑上安裝了開放式MRI掃描儀，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)磁共振引導(dǎo)粒子治療的原型?！拔覀兒苄疫\(yùn)有一個(gè)足夠大的實(shí)驗(yàn)室來容納核磁共振掃描儀。這是OncoRay的獨(dú)特之處之一?！?

膝蓋幻覺，混合香腸和可預(yù)測的轉(zhuǎn)移。

對于他們在第一個(gè)原型上的實(shí)驗(yàn)，他們最初使用了所謂的膝蓋模型，一個(gè)裝滿水基對比液體的小塑料圓柱體和各種不同形狀的塑料零件?；舴蚵退膱F(tuán)隊(duì)用它來定量分析圖像質(zhì)量。在第二個(gè)系列中

實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一塊德累斯頓混合香腸。“當(dāng)荷蘭研究小組在2009年研究其MR引導(dǎo)光子治療設(shè)備的成像時(shí)，他們使用豬排，”霍夫曼說。“2016年，澳大利亞研究人員在袋鼠牛排上展示了他們的MR-光子治療裝置。由于我們也希望在MR引導(dǎo)粒子治療中使用我們的原型區(qū)域，我們使用了德累斯頓混合香腸。”用體模和香腸進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)子治療的磁場不會扭曲圖像。它們僅僅導(dǎo)致MR圖像的微小變化，可以對其進(jìn)行校正。

該項(xiàng)目目前正進(jìn)入下一階段。目標(biāo)是開發(fā)世界上第一個(gè)適用于臨床的MR引導(dǎo)粒子治療原型。