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首个实时MR图像引导质子治疗系统设计发布

MR 质子治疗 放射治疗
发布:2021-04-23 17:14:13     来源:质子中国

OncoRay中心的研究人员将磁共振成像与质子束照射结合起来(点击观看视频)
 

德国HZDR研究所的研究人员致力于建立世界上第一个磁共振实时成像原型机,用于在质子治疗期间实时追踪移动的肿瘤。他们结合使用了一个旋转开放式磁共振成像设备,该设备是为亚伯达省卫生服务中心的直线加速器-磁共振系统设计的。研究人员将其与德国OncoRay中心(位于德累斯顿的国家肿瘤放射研究中心)的一个主动式扫描的近临床用质子束相结合。旋转MRI设备是由ASG Superconductors公司生产的,其中的磁铁采用的是无氦超导二硼化镁(MgB2)磁铁。实时磁共振成像将使质子束照射与肿瘤运动同步成像成为可能。

技术背景

质子治疗是一种新兴的放射治疗技术,由于质子束的布拉格峰物理优势,相比于传统的X射线放疗,在保证治疗效果的同时能更好地保护周围正常组织。然而,质子治疗的有效性受到肿瘤运动、治疗过程中解剖学上的改变和患者摆位设置不准确的限制。德国OncoRay中心的Aswin Hoffmann博士说到:“目前质子治疗系统的机载X射线成像无法获得靶向瞄准的地方和实际照射地方的高对比度实时图像。因此,当我们治疗移动肿瘤时,必须在肿瘤组织周围使用相当大的安全边际,这降低了靶向治疗的准确性,同时也增加了对周围组织产生副作用的风险。”

特别是对于在呼吸或消化过程中不断移动的肿瘤,肿瘤周围的健康组织可能受到过多的照射剂量,而肿瘤组织本身受到的照射剂量过少。目前,在质子治疗中,还没有合适的成像技术来显示肿瘤与其照射过程中的同步运动。这个问题可能会由磁共振成像来解决,正如Hoffmann博士解释的那样,磁共振成像依靠其高空间和时间分辨率,可以提供非常好的软组织成像对比度。此外,与X射线成像不同的是,核共振成像不会在组织中沉积任何额外的电离剂量。然而,将磁共振成像集成到质子治疗系统被证明是一个重要的技术挑战。在很长一段时间里,所谓的束内磁共振(in-beam MRI)被认为是不可能的。

为了获得清晰和精确的图像,磁共振系统使用精确预定义的磁场进行成像操作。在回旋加速器中,质子束被快速变化的(射频)电场加速,并被静态磁场约束在螺旋轨道上。束流在被传送到治疗室的过程中,束流也会被磁场引导和保持形状。Hoffmann博士解释说,专家们推测这些电磁场会干扰核磁共振,反之亦然,会使核磁共振成像扭曲,影响组织中的质子剂量分布。近年来,医学物理师已经能够实验证实这些效应的存在,但也能够大大弥补这些问题。为此,他们将一个磁场强度为0.22特斯拉的开放低场磁共振系统(MRJ2200 ASG Superconductors)置于质子束路径中,结果显示在静态束流照射过程中磁共振图像质量显示良好。

独特的基础装置和合作

基于这种新型MRI设备及其对胸部、腹部和骨盆器官的实时、高对比度成像能力,Hoffmann博士的团队正建立第一个原型机,该原型机可能会在某些阶段用于临床。正如研究人员解释的那样:“这个核磁共振扫描系统的特别之处在于,它可以围绕患者相对于质子束旋转,使我们能够研究垂直于和平行于质子束的核磁共振磁场的剂量学和生物学效应”。一个由物理师、工程师和医生组成的团队有机会在OncoRay质子治疗中心的患者治疗室附近的一间实验室内进行这项独特的研究。

基于他们之前联合使用的0.22特斯拉MRI扫描系统(通常用于检测肢体)的经验,ASG Superconductors制造商现在正在生产一种中等磁场强度的开放式MRI设备,其磁场强度为0.5特斯拉,这是专门适应于亚伯达卫生服务中心的LINAC-MR集团及其子公司MagnetTx Oncology Solutions实时磁共振引导放射治疗的要求而制造的。MagnetTx Oncology Solutions公司的工程师们也在开发需要旋转MRI扫描系统的机架,以及自动实时跟踪肿瘤位置的图像处理方法。目前整个30吨重的设备的设计和制造正在全面展开。2022年夏天,该团队计划将其纳入OncoRay质子设施的主动式扫描、近临床实验性质子束线。

ASG负责人Macro Belardinelli表示:“ASG Superconductors与HZDR及MagnetTx合作共同完成这一项目是一件非常令人兴奋的事情。看到我们的MRI和硼化镁超导技术作为该项新颖和创新应用中的关键组件,并且这将最终造福患者和医学界,使我们感到自豪,甚至更加自信,我们正朝着正确的方向前进”。

“我们与HZDR和ASG的伙伴关系非常积极融洽,”MagnetTx总裁兼首席执行官Mike Cogswell说,“我们期待着继续共同努力,以改善癌症治疗行业”。

Hoffmann博士在描述他的乐观前景时表示:“由于HZDR和国际工业合作伙伴的合作,我和我的团队离我们的目标又近了一大步,尤其是实时图像引导质子治疗,为该领域带来了重大创新”。

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