用于癌症治疗的高对比度成像质子

医学物理学家Aswin Hoffmann博士和他的团队来自位于Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf的辐射科学研究所(HZDR)。他们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。这为靶向和健康组织保留癌症治疗开辟了新的机会。研究人员将他们的发现发表在医学和生物物理学杂志上。

放射疗法长期以来一直是标准肿瘤治疗实践的一部分。一种被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，阻止它们分裂，并在理想情况下摧毁它们。目前，最常用的放射疗法被称为光子疗法，它使用高能X射线束。在这里，大多数光束穿透到患者体内，同时在肿瘤周围的健康组织中沉积有害剂量。

原子核是对抗癌症的武器

另一种选择是用带电原子核，如质子进行放射治疗。这些粒子的穿透深度取决于它们的初始能量。它们在弹道末端释放最大剂量。没有剂量会沉积在这个所谓的“布拉格峰”之外。应用这种疗法的医生面临的挑战是控制质子束，以完美匹配肿瘤组织的形状，从而尽可能多地保留周围的正常组织。在治疗之前，他们进行了基于X射线的计算机断层扫描(CT)来选择他们的目标体积。

“这有各种缺点，”霍夫曼说。“首先，CT扫描中软组织的对比度很差。其次，剂量将沉积到目标体积之外的健康组织中。”此外，质子治疗比X射线放射治疗更容易发生器官移动和解剖结构改变，这将损害移动肿瘤治疗中的靶向准确性。目前，还没有直接的方法来观察肿瘤在照射过程中的运动。这是使用质子治疗的最大障碍。“我们不能确定质子束是否会按计划击中肿瘤，”霍夫曼解释道。所以现在的医生必须在肿瘤周围使用大的安全余量。“但是，如果辐射更有针对性，对健康组织的伤害会大大增加。

磁共振引导粒子治疗的第一个原型

霍夫曼和他的团队希望改变这种情况。在与比利时质子治疗设备制造商IBA(离子束应用SA)的合作中，他的研究团队旨在将质子治疗与实时磁共振成像相结合。与X射线或CT成像不同，MRI可以提供软组织的优异对比度，并在照射过程中实现连续成像。“两种这样的混合设备已经在临床上用于MR引导的光子疗法；但是没有一个是用于粒子治疗的。”

这主要是由于磁共振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，以便生成几何上精确的图像。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，电磁场迫使带电粒子进入圆形轨迹并加速它们。质子也被磁铁操纵和整形，磁场的磁场会干扰核磁共振扫描仪的均匀磁场。

“三年半前，当我们启动这个项目时，许多国际同行都持怀疑态度。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，”霍夫曼解释道。“然而，我们可以在实验中证明MRI扫描仪确实可以在质子束中工作。高对比度的实时图像和精确的质子束控制并不相互排斥。”许多专家预测，质子束行为会造成另一个困难：当带电粒子在MRI扫描仪的磁场中运动时，洛伦兹力会使束流偏离其直线轨迹。然而，在这里，研究人员也可以证明这种偏差是可以预期的，并因此得到纠正。

该中心有回旋加速器和大型实验室。

为了探索这些相互作用，霍夫曼和他的团队使用了国家癌症辐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共同运营的联合研究平台成立于2005年，是一个卓越的创新中心。自2014年UPTD(德累斯顿大学质子治疗中心)成立以来，患者一直在OncoRay设施中接受质子治疗。今天，OncoRay的120多名科学家对放射治疗的创新方法和技术进行了研究。

HZDR研究小组的负责人霍夫曼说：“我们的任务是从生物学角度个性化质子治疗，并从技术上优化其物理极限。”OncoRay拥有自己的回旋加速器，可以将质子束送入治疗室和实验室。霍夫曼和他的同事将后者用于研究活动。在IBA的Paramed MRI部门和ASG超导公司的支持下，他们在质子束路径上安装了开放式MRI扫描仪，实现了世界上首个MR引导粒子治疗的原型。“我们很幸运有一个足够大的实验室来容纳核磁共振扫描仪。这是OncoRay的独特之处之一。”

膝盖幻影，混合香肠和可预测转移

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，一个装满水基对比液和各种形状不同的塑料部件的小塑料圆柱体。霍夫曼和他的团队用它来定量分析图像质量。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，他们使用了猪排，”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磁共振光子疗法。

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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