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研究人员:高能电子可以治疗体内深处的肿瘤

辐射剂量 直线加速器 放射治疗
发布:2020-10-19 11:54:14     来源:Physics World

研究人员正在Daresbury实验室使用CLARA电子加速器来研究极高能量电子在放射治疗中的潜力。(礼貌:STFC)

通常定义为高于40 MeV的超高能电子(VHEE)提供了潜在的新型放射疗法,并具有剂量学优势。此类电子束会深入患者体内,从而能够治疗基于光子的辐射可能无法达到的深部肿瘤。

曼彻斯特大学的Louie Hancock在医学物理与工程会议(MPEC)上发表讲话,描述了最近对VHEE放射疗法兴趣的复苏。他解释说:“在过去的几十年中,新型直线加速器设计意味着现在有可能在大约2至3米的距离内产生大约200 MeV电子,而之前可能需要20米左右的时间。” “这激发了使用这些VHEE治疗深层肿瘤的兴趣。”

汉考克指出,基于直线加速器的VHEE治疗系统应足够紧凑,以适合医院的掩体。他指出:“将机器放在现有的掩体中要比建造新建筑物便宜得多。” “我希望VHEE的生产可能比光子贵,但比质子便宜。”

尽管目前没有可用的临床系统,但有用于研究的电子加速器,例如CERN CLEAR设施中的高梯度X波段直线加速器和Daresbury实验室的CLARA电子加速器。同时,蒙特卡洛模拟可以提供对VHEE处理的见解,而无需实际制造机器。

深度-剂量曲线表明,除了在患者体内深处输送剂量外,VHEE还应该对患者几何形状的变化具有极强的弹性。为了证实这一点,汉考克对在其中心包含一个5厘米圆柱形肿瘤的简单水进行了封底计算。他通过围绕目标旋转光束模拟了肿瘤的治疗,然后在肿瘤上方引入了一个空腔(5厘米的骨骼或空气球),以计算其对肿瘤剂量的影响。

对于使用1.3 MeV X射线模拟的治疗,引入气泡会导致约15%的热点,而意外的骨质区域会导致约10%的冷点。对于250 MeV VHEE,虽然可以看到热点和冷点,但它们只有大约2%。汉考克说:“在这种简单情况下,与X射线相比,VHEE似乎对意外的同质性更具韧性,将近一个数量级。”

但是这种优势会转化为患者吗?为了找出答案,汉考克及其同事检查了一个临床病例,比较了VHEE和容积调制弧光治疗(VMAT)的治疗计划。

VHEE治疗计划是一个非常复杂的过程,有数百万个变量会产生巨大的优化问题。因此,曼彻斯特团队开发了一种针对VHEE的开源治疗计划系统,该系统结合了各种工具来创建完整的计划工作流程。这包括使用Slicer 3D软件进行器官识别,使用Geant4进行蒙特卡洛剂量计算,然后使用Hancock编写的Python软件对生成的剂量分布进行优化。

研究人员使用他们的VHEE代码为宫颈癌患者制定了治疗计划,其中包括两个要照射的大靶位和要避免的许多附近器官。他们将此与使用摩纳哥创建的VMAT计划进行了比较。这两个计划向靶标提供了相同的剂量,而附近的器官(乙状结肠,肠和膀胱)从VHEE接受的剂量略少于VMAT。对于远离肿瘤的器官,VHEE具有明显的剂量学优势,特别是对于股骨头,它可以将递送剂量从35 Gy降低到15 Gy。

汉考克说:“我们用VHEEs覆盖了所有肿瘤,因此可以肯定地说,这些电子能够治疗患者体内深处的大肿瘤。” “我们还可以看到,与VMAT计划相比,低剂量背景有所减少。”

为了检查几何变化的影响,研究小组使用充满空气而不是水的直肠腔重新模拟了治疗计划。两个VHEE计划之间的误差约为0.15 Gy,而对于X射线计划,其误差约为0.7 Gy。“在简单的水箱,我们看到了一个剂量误差将近一个数量级的降低与VHEEs,现在我们已经看到了这个效果,在硅片在实际患者的情况下,”汉考克解释说。

他说,下一步将是对肺部和脑部病例进行重复分析,并“朝着将真实的事物放到真实的光束中”前进。真正的东西是MARVIN人类的头颈部幻影,而真正的光束将由达拉斯伯里的CLARA和CERN的CLEAR发出。这两个设施提供了广泛的电子能量,将能够在现实环境中进行VHEE测量。

使用CLARA上的45 MeV电子束辐照MARVIN的初始实验表明,在幻影内部的大面积上剂量接近均匀。汉考克指出,由于大流行,该研究目前被搁置。

汉考克总结说,使用该团队的VHEE治疗计划软件进行的临床测试案例证明,VHEE放射疗法具有治疗深部和大型肿瘤的能力。他补充说:“与光子相比,VHEE对不均匀性和患者几何形状的变化更不敏感,我认为这可能对临床有益。”

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