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物理学家创新缩小全球放射治疗差距

2021-08-06 10:23     来源:Physics world     X射线放射诊疗

降低放射治疗费用的一种方法是使用低成本的千伏 X 射线,使用 X 射线透镜(如上图所示)聚焦到目标上。

放射治疗在超过 50% 的癌症病例的治疗中起着至关重要的作用。但是,作为一个国家收入的函数,在获得放射治疗设备方面存在巨大差异。在低收入和中等收入国家,大部分人口无法获得放射治疗。而在低收入国家,只有 10% 的患者可以接受放射治疗。

在AAPM 年会的专门会议上,发言者介绍了一些旨在降低提供放射治疗的总体成本并改善世界各地患者获得有效癌症治疗机会的项目。

低能耗选择

降低放射治疗成本的一种潜在方法可能是用诊断成像中使用的低成本、低能量千伏 (kV) X 射线管代替昂贵且笨重的直线加速器 (linac),用于提供治疗系统。

来自 Sirius Medicine 和 Precision RT 的Michael Weil描述了这样一种设备:“线性会聚放射治疗系统”,或 LCRS。“为什么要努力开发低能量束来治疗癌症?答案归结为价格、图片和流程,”他告诉 AAPM 代表。

虽然 kV 光束历来被认为不适合放射治疗,但“低能量光束可以以潜在有用的方式进行治疗,”韦尔说。他描述了使用高 Z 造影剂来提高目标剂量的初步研究。在 CT 引导下在病灶内注射这种对比剂,然后以适度的皮肤剂量传输 kV X 射线,可以提供“高剂量区域的精致整合”。

Weil 及其合作者使用这种方法治疗了 23 名患有自发性肿瘤的人类患者和 80 名兽医患者的晚期癌症(根据姑息治疗方案)。他们观察到对皮肤的低剂量和对更深部肿瘤的显着更高的剂量。“使用传统的放射外科给药方案,我们相信这种方法可以安全地治疗皮下,”他说。

该团队现在已经构建了一个原型 LCRS,其目标是降低成本——使用更便宜的硬件和基础设施——并显着改善工作流程。由于治疗源也可用于实时跟踪,因此可以安全地使用更紧密的余量。该系统还提供了在单次访问中执行计划和治疗的可能性,最终目标是在不到 1 小时内完成 CT 成像、计划和治疗。


改进工作流程可以降低成本。线性会聚放射治疗系统旨在在不到一个小时的时间内完成成像、计划和治疗交付。(提供:迈克尔·威尔)

LCRS 使用磁扫描电子束瞄准固定的钨靶,以产生在单个平面上准直的 X 射线。研究人员调整了光束几何形状,以分散入射剂量并将光束集中在病变处。他们还集成了用于 CT、透视和断层合成的平板探测器。他们指出,该系统的占地面积类似于标准 CT 系统,但电源和冷却要求更高。

为了证明使用这种 kV 电源进行治疗的可行性,该团队使用千伏电弧技术 (kVAT) 和传统的容积调制电弧疗法 (VMAT) 模拟了乳房和肺部病变(无造影剂)的放射治疗计划。对于这两种情况,最显着的差异是 VMAT 的最大剂量处于平稳状态,而 kVAT 靶的峰值剂量更高。

“我们相信这种额外的病灶内剂量有利于控制缺氧、相对抗辐射的中心肿瘤细胞,”Weil 说。

聚焦 X 射线束

MD 安德森癌症中心的Mohammad Salehpour也在寻求利用低能 X 射线源,他描述了一种与医疗初创公司 Convergent Radiotherapy and Radiosurgery ( CRnR )合作开发的新型聚焦 X 射线束技术。这里的想法是将 CT X 射线管与 X 射线透镜相结合,以创建聚焦在肿瘤目标上的会聚 60 keV X 射线束。

“CT 扫描仪中使用的 X 射线源会产生发散的辐射束,”Salehpour 解释说。“但如果我有一个 X 射线镜头,那么我就可以在焦点处产生强烈的光束。”


由单铝晶体环制成的 X 射线透镜。

CRnR 开发了一种专有的聚焦透镜,由几个由单铝晶体瓷砖形成的同心环组成,排列成将 X 射线束反射到目标上。3D 剂量分布的模拟显示低剂量区域缓慢增加到中心的高剂量焦点,然后再次减少。

Salehpour 指出,聚焦 X 射线束产生的深度剂量分布类似于质子治疗中看到的布拉格峰,深度处的强度高于光束入口或出口处的强度。出于临床目的,这使得能够向肿瘤递送高剂量和向周围正常组织递送低剂量。也可以叠加这些峰以创建“光子扩散峰”。

Salehpour 及其同事在包含剂量测定胶片的水体模型中测试了 X 射线透镜,并指出结果反映了模拟中看到的结果。通过透镜用 60 keV X 射线照射的薄膜在 20 毫米深度处呈现剂量圆,在 65-70 毫米处会聚成一个亮点,然后在更深的地方返回更大的圆。

“考虑到‘我们能否像聚焦阳光一样聚焦 X 射线’这个问题,答案是肯定的,”萨利普尔说。该团队现在已经创建了第一代原型,其中 X 射线管和透镜安装在机械臂中。他们还将激光束添加到机器人上,光束会聚在 X 射线焦点处。由于该系统基于诊断 X 射线管,因此与其他放射治疗设备相比,它需要的屏蔽要少得多。

“因为它占地面积小,屏蔽要求低,所以可以移动并移动到不同的位置,”Salehpour 说。

除了放射治疗,小浅肿瘤是理想的治疗候选者,该技术还可以有许多其他应用。例如,这些包括治疗眼部疾病与年龄相关的黄斑变性、结合免疫疗法、心脏消融或使用金纳米粒子增加剂量。

利用自动化

除了获得放射治疗设备方面的全球不平等之外,受过培训的员工的可用性也存在类似的差距。为了有效扩大放射治疗的可及性,必须在引入低成本放射治疗系统的同时努力解决其他资源问题。来自 MD 安德森癌症中心的Tucker Netherton研究了人工智能 (AI) 和自动化如何帮助缩小这种放射治疗差距。

他解释说,立即可用的两种方法是“教育”和“远程放射治疗”。例如,在教育方面,原子能机构目前正在为放射肿瘤学家、医学物理学家和放射治疗师制定全球课程。远程放射治疗的例子——定义为使用电信和 IT 从远处提供放射治疗支持——包括基于网络的治疗计划服务和虚拟肿瘤板。

“通过远程放射治疗提供可访问的治疗计划,自动化可用于抵消资源有限诊所与任务相关的负担,节省时间并提高效率,”Netherton 解释说。

在检查治疗计划过程的哪些方面可以自动化时,Netherton 及其同事得出结论,人工智能可以执行诸如计划检查、正常组织和目标体积轮廓、计划和图像配准等任务。他指出,许多供应商和研究人员已经在开发基于深度学习的轮廓工具,其性能与手动方法相当。


AI 与人类之间潜在的放射肿瘤学技能交叉点,以红色显示可自动化的治疗计划任务。D/T,剂量师/治疗师;P,物理学家;RO,放射肿瘤学家;人工智能,人工智能。

与此同时,自动化治疗计划工具可以通过提供基于网络的计划服务访问来解决资源缺口。为实现这一目标,MD Anderson 创建了放射计划助手(RPA),这是一种全自动轮廓绘制和放射治疗计划工具。目前处于研究阶段的 RPA 的目标是免费为诊所提供服务。诊所只需上传 CT 和计划订单,RPA 就会返回完整的治疗计划。令人印象深刻的是,RPA 可以在 24 小时内完成 483 个子宫颈计划或 258 个头颈计划。

远程放射治疗的一个主要警告是需要访问互联网才能访问此类工具。但 Netherton 指出,全球互联网用户的数量正在增加,并且有许多努力来“连接断开的”,包括谷歌、SpaceX、微软和世界银行的努力。

“远程放射治疗可以提高安全性、效率和获得放射治疗工具的机会,从而为资源有限的诊所提供资源,”内瑟顿总结道。


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