用于癌症治疗的高对比度成像质子

物理学家Aswin Hoffmann博士和他的团队来自OncoRay，这是一家位于亥姆霍兹-曾特朗德累斯顿-罗森多夫(HZDR)的辐射科学研究所。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，证明了从原理上讲，这种常用的成像方法确实可以用于粒子束癌症治疗。这为靶向健康组织保留癌症治疗开辟了新的机会。研究人员在《医学和生物物理学》杂志上发表了他们的发现。

长期以来，放射治疗一直是标准癌症治疗实践的一部分。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，防止它们分裂，并理想地破坏它们。目前，最常用的放射治疗形式被称为光子治疗，它使用高能X射线束。这里，大部分光束穿透患者的身体，同时在肿瘤周围的健康组织中沉积有害剂量。

原子核作为抗癌武器

另一种选择是用带电荷的原子核，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与肿瘤组织的形状完美匹配，从而尽可能多地保留周围的正常组织。在治疗前，他们进行基于x光的计算机断层扫描来选择他们的目标体积。

“有各种各样的缺点，”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运动和解剖改变，在治疗运动肿瘤时会损害靶向性。目前，还没有直接的方法来可视化肿瘤在照射过程中的运动。这是使用质子治疗的最大障碍。霍夫曼解释说：“我们不能确定质子束是否会按计划击中肿瘤。因此，今天的医生必须在肿瘤周围使用大的安全边际。“然而，如果辐射更有针对性，对健康组织的伤害将大大增加。

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。他的研究团队与比利时质子治疗设备制造商IBA(离子束应用有限公司)合作，旨在整合质子治疗和实时磁共振成像。与X线或CT成像不同，MRI可以提供出色的软组织对比度，并在照射过程中实现连续成像。“已经有两种这样的混合设备在临床上用于MR引导的光子治疗；但它们都没有用于粒子治疗。”

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，磁共振扫描仪需要一个高度均匀的磁场来产生几何精确的图像。另一方面，质子束是在回旋加速器中产生的，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。质子束也是由磁铁操纵和整形的，磁场的磁场会干扰核磁共振扫描仪的均匀磁场。

“当我们在三年半前启动这个项目时，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，在质子束中操作核磁共振扫描仪是不可能的，”霍夫曼解释说。“然而，我们可以在实验中证明，核磁共振扫描仪确实可以在质子束中工作。高对比度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，质子束的行为会产生另一个困难：当带电粒子在核磁共振扫描仪的磁场中移动时，洛伦兹力会使质子束偏离其线性轨迹。然而，在这里，研究人员也可以证明这种偏转是可以预期的，并相应地进行校正。

中心配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放射研究中心的实验室Oncorray。这一联合研究平台由HZDR、德累斯顿工业大学和大学医院Carl Gustav Carus运营，成立于2005年，是一个卓越创新中心。自2014年UPTD大学(德累斯顿大学质子治疗中心)成立以来，患者一直在手术室接受质子治疗。今天，超过120名科学家在OncoRay研究了放射治疗的创新方法和技术。

HZDR研究团队负责人霍夫曼说：“我们的任务是从生物学上个性化质子治疗，并在技术上优化其物理极限。OncoRay有自己的回旋加速器，可以把质子束送到治疗室和实验室。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超导体SpA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磁共振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。”

膝盖幻觉，混合香肠和可预测的转移。

对于他们在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体的小塑料圆柱体和各种不同形状的塑料零件。霍夫曼和他的团队用它来定量分析图像质量。在第二个系统中

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。