仰望星空077 Physics World 放射医疗研究最新进展 02

潘力刚地产.激光.IT.AI医学

前世：

《何以中国》

今生：

读懂中国，认识中国，讲好中国故事，提高文化自信: 这就是中国

千里姻缘一线牵，公益相亲平台： 《圆梦缘》

科学、医学、人文、历史、文学、音乐、影视、摄影、数、理、化、计

算机、人工智能、......： 《仰望星空 文库》

你在加拿大魁北克的家园： 《蓬莱仙阁楼台 加拿大魁北克傍山依水家园 文库》

赏心乐事谁家院： 《好山好水好风光 文库》

别时容易见时难： 《千里江山 文库》

千流归大海，高山入云端（数据总库）： 《仰望星空脚踏实地 BECC CECC》

论勘、侃、龛、看人生： 圆桌派

仰望星空077 Physics World 放射医疗研究最新进展 01

Castle Hill 自动轮廓勾画 智能设计 英国 Castle Hill 医院的 CT 模拟器配备了深度学习软件，可自动勾画出处于危险中的器官。 （图片来源：西门子医疗）

2024年3月5日 智能解决方案简化了放射治疗计划 由西门子医疗赞助（2024-04-30）

将自动化工具引入治疗计划流程使英国 Castle Hill 医院的临床团队能够提高一致性，同时节省大量时间
智能软件解决方案已成为紧张的临床团队为癌症患者提供最佳护理的关键工具，尤其是那些需要使用更高辐射剂量进行更复杂治疗的患者。内置人工智能的软件系统可以自动执行重复性任务，增强可以从 CT 模拟器中提取的信息，并确保在越来越多的病例中提供一致的护理。在英国科廷厄姆的 Castle Hill 医院，该医院每月使用六台直线加速器治疗数百名患者，整个治疗计划流程都部署了智能软件。 “我们尝试利用我们掌握的每一种工具，无论是简单的决策树还是商业软件，这些工具都能让我们的工作更轻松、更高效，”赫尔大学教学医院 NHS 基金会首席物理学家 Carl Horsfield 说道。“与许多治疗中心一样，与国家模式相比，我们的员工短缺，我们使用软件来帮助我们提供高质量的护理。”
就在流程开始时，CT 模拟器上的自动化软件——西门子医疗的 SOMATOM go.Open Pro——通过调节辐射剂量以匹配患者的体型来保持图像的灵敏度。扫描仪还配备了一种名为 Direct i4D 的智能算法，可提高用于捕捉肺癌患者呼吸运动的时间分辨图像的质量。通常，这些 4D CT 扫描只有在采集时间内有规律地呼吸时才会产生准确的图像，通常大约两分钟，但对于肺部疾病患者来说，这种情况很少见。
Horsfield 表示：“肺癌患者在 CT 扫描中通常很复杂且存在问题，我花了大量时间参与扫描，以评估 4D 肺癌患者的图像是否适合临床使用。”“通过这种智能算法，扫描参数可以实时适应患者的呼吸，这使得放射技师在呼吸模式不规律时对采集更有信心。”
通过使用嵌入 CT 扫描仪的 AI 解决方案 DirectORGANS，可以节省更多时间，该解决方案将图像数据与深度学习算法相结合，自动勾勒出患者的关键器官轮廓。在 Castle Hill 接受治疗的每位根治性患者都会生成此类自动轮廓，避免临床医生手工绘制每个结构。在拥挤的治疗部位（如头颈部），这可以将所需时间减少一小时或更长时间。“为我们的临床医生节省时间至关重要，自动勾勒轮廓是一种非常好的方法，可以确保他们不会为多名患者重复简单的任务，”Horsfield 评论道。
重要的是，自动轮廓的准确性（因此可以节省的时间量）取决于输入数据的质量。DirectORGANS 在此提供了关键优势，因为它从 CT 扫描中捕获定制数据集，该数据集已优化以从深度学习算法中生成最佳结果。“许多自动轮廓工具都托管在云端，这意味着它们只能访问已根据临床团队的需求配置的扫描，”Horsfield 解释道。“我们喜欢 DirectORGANS 的原因之一是它可以自行进行重建，在采集扫描仪上设置参数以匹配器官的制作方式。”

该软件为许多常见的高危器官生成精确的轮廓，包括肺、前列腺、膀胱和椎管。一旦创建，Castle Hill 的患者临床医生就会始终检查结构，根据需要进行编辑，并手动勾画肿瘤。至关重要的是，临床医生还必须批准最终的轮廓集，然后才能将其用于治疗计划。 Horsfield 表示：“临床医生仍需确保算法生成的轮廓符合目的。我们还要求他们就器官质量提供反馈，这为我们提供了一些内部质量保证。”

虽然该软件的初始版本包含 30 或 40 个预加载结构，但最新版本进一步提高了覆盖率和准确性。例如，一项关键进步是能够自动勾画淋巴结链，这通常是一项手动且艰苦的任务。 “对于存在淋巴结浸润风险的前列腺患者，临床医生需要从前列腺一直到骶骨一直到局部淋巴结链的末端，”霍斯菲尔德解释说。 “自动勾画这些类型的结构将为他们节省大量成本，即使在需要进行一些编辑的情况下也是如此。”

基于知识的规划 RapidPlan 利用先前病例的模型数据为每位新患者制定个性化治疗计划。（图片来源：西门子医疗）

同时，团队的治疗计划系统 Varian 的 Eclipse 中还内置了许多自动化工具。其中一种对 Castle Hill 团队特别有用的工具是 RapidPlan，这是一种基于知识的解决方案，它使用从先前病例创建的模型为新患者制定个性化治疗计划。“这是一种工具，可以帮助我们确定每位患者可以实现的目标，特别是对于更复杂的病例，其中处于危险中的器官的位置可能会影响目标的覆盖范围，”Horsfield 说。“我们有针对治疗计划的类解决方案作为起点，但它比这更智能，因为它针对每位患者的解剖结构。”
这种基于知识的方法对新员工特别有益，并且还提高了整个团队制定的计划的一致性和质量。 Horsfield 表示：“与我们共事六个月的人可能无法制定出与我们经验丰富的团队成员相同标准的计划。利用这些智能工具增强他们的知识，使他们能够获得这些经验，并标准化我们制定的计划的质量。”

软件作为解决方案 Carl Horsfield（中）和 Castle Hill 的团队部署了一系列智能工具来简化治疗计划流程。（图片来源：西门子医疗）

与任何机器学习方法一样，预测的质量取决于用于创建模型的训练数据。在 Castle Hill，该团队使用自己的案例为四个治疗部位（肺、头颈部、食道和前列腺）开发了模型，目前正在开发其他几个模型，以进一步节省计划团队的时间。“治疗计划的一大困难是知道何时停止，”Horsfield 说。“RapidPlan 可以确保您已经为该患者找到了最佳解决方案，并且花费更多时间质疑您的选择的好处较少。”
Eclipse 治疗计划系统还提供了一个界面，用于将定制工具添加到计划流程中。例如，Castle Hill 的团队创建了一个自动化工具来创建优化结构，通过定义不应使用辐射的特定区域来限制治疗计划系统产生的解决方案。 “我们制定了大约 15 种不同的协议来创建这些避免和优化结构，”霍斯菲尔德说。“它们都是简单的操作，但我们意识到几乎每个治疗计划都是手动完成的。能够创建自己的工具来提高流程效率，这真的令人振奋。”
在像 Castle Hill 这样的治疗中心正在应对 COVID-19 大流行的影响时，这种效率节约尤为重要。由于患者大量涌入，医疗专业人员短缺，可以自动化至少部分治疗计划流程的智能工具正在帮助持续努力解决积压问题。“在 COVID 之前，我们的产能是每周制定 40 个计划，现在整个团队正在努力将其增加到 50 个，”霍斯菲尔德说。“通过自动化流程实现的每一项效率都在帮助我们在恢复计划方面取得进展，同时还确保我们继续为治疗的每位患者制定高质量的计划。”

由 西门子医疗赞助

PRT000198 Intelligent solutions streamline radiotherapy treatment planning – Physics World

芬兰库奥皮奥大学医院 (KUH) 正在使用切向 VMAT 治疗乳腺癌患者，从而降低疾病复发率并提高总体生存率
使用 Monaco 治疗计划系统 优化结果 KUH 医学物理团队使用 Monaco 治疗计划系统在 tVMAT 乳腺照射期间将心脏、冠状动脉和同侧肺的剂量降至最低。 （图片来源：KUH）

2024年4月16日 辅助乳腺放射治疗：KUH 解锁切向 VMAT 的临床优势 Elekta 赞助

芬兰东部库奥皮奥大学医院 (KUH) 的放射肿瘤科十多年来一直使用容积调强弧治疗 (VMAT) 和每日低剂量锥形束 CT 进行图像引导的成熟组合治疗绝大多数 (>98%) 不同疾病适应症的癌症患者。再放大一点，很明显，VMAT 主题的创新变体——称为切向 VMAT (tVMAT)——同样被确立为 KUH 辅助乳腺放射治疗的首选治疗方式。
对 tVMAT 的依赖，它采用与胸壁曲率切向（而不是垂直）的光束角度，其根源在于沿多个坐标的临床优势。这些优势包括高度适形的剂量分布，以增强对目标体积的覆盖；减少对正常健康组织和邻近危及器官 (OAR) 的附带损害；以及与固定机架调强放射治疗 (IMRT) 相比，治疗效率得到提高——考虑简化的治疗时间和降低对身体其他部位的总体剂量。

使能技术，临床疗效
如果这是标题，那么背景故事是什么？ 2013 年，KUH 放射肿瘤学团队接收了三台 Elekta Infinity 直线加速器，同时安装了 Elekta 的 Monaco 治疗计划系统（六个工作站），从此开始转向使用 tVMAT 进行乳腺放射治疗。 KUH 治疗套件还包括一台 Accuray CyberKnife 机器（用于立体定向放射外科和立体定向体部放射治疗）和一台 Flexitron 近距离放射治疗装置（主要用于妇科癌症）。 KUH 放射治疗项目覆盖的区域人口为 25 万，每年接诊约 1500 名新患者，乳腺癌辅助放射治疗约占部门病例的五分之一。在推出 Elekta 直线加速器产品组合之前，KUH 使用 3D 适形放射治疗 (3D CRT) 场中场技术（治疗机上集成了平面 MV 成像用于图像引导）进行乳腺照射。然而，在全乳照射 (WBI) 方面，3D CRT 的使用并非没有问题。“使用场中场技术，WBI 的规划限制与规划目标体积 [PTV] 中的热点和冷点有关，”KUH 首席物理学家 Jan Seppälä 解释道，他领导着一个由六名医学物理学家组成的团队。“在某些情况下，”他补充道，“由于心脏或肺部剂量限制，目标覆盖范围也受到影响。”
快进，很明显，全面转向每日锥形束 CT 成像的 tVMAT 已经改变了 KUH 的辅助乳腺放射治疗。虽然传统 VMAT 技术的临床和工作流程优势也适用于前列腺、头颈部、肺部和其他常见疾病，但 Seppälä 及其同事在为 VMAT 的临床疗效建立证据基础时，已将乳腺癌治疗作为长期研究领域。
Seppälä 解释道：“我们发现，通过 Monaco 治疗计划系统中适当的优化约束和光束设置，tVMAT 可以减少心脏、冠状动脉和同侧肺的剂量。”“该技术还大大增强了剂量分布 - 减少热点，改善靶体积剂量覆盖，同时避免健康组织的高剂量照射以及低剂量照射。”所有这些都意味着更少的副作用，包括乳房纤维化、乳房外观变化以及晚期肺部和心血管并发症。
从操作上讲，乳房 tVMAT 的总治疗时间（包括患者设置、锥形束 CT 成像、图像匹配和治疗实施）约为 10 分钟（不屏住呼吸）和 15 分钟（屏住呼吸）。平均光束照射时间不到两分钟。

Seppälä 指出：“我们每天使用锥形束 CT 图像引导每位患者，并将成像剂量优化到尽可能低的水平。”锥形束 CT 可突出显示治疗过程中的任何乳房变形或解剖变化，如果患者表面出现可能影响剂量分布的较大 [>1 cm] 系统性变化，团队可以重新规划。

一切都与结果有关
同时，很明显，在过去十年中，KUH 的乳房放疗后的毒性和美容效果得到了极大改善——Seppälä 团队和东芬兰大学同事的一项小规模研究证明了这一点。他们的数据在去年的 ESTRO 年会上的海报展示中展示，提供了 239 名左侧或右侧乳腺癌患者的比较毒性分析，其中一组接受 tVMAT 治疗（2018 年），另一组接受 3D CRT 治疗（2011 年）。
综上所述，与 2011 年接受 3D CRT 治疗的患者相比，2018 年接受 tVMAT 技术治疗的患者表现出的急性毒性（皮肤发红、皮炎和感觉减退（麻木）症状）较少。2018 年患者组的晚期总体毒性也较低，晚期美容效果更好。Seppälä 说：“使用 tVMAT，我们的皮肤毒性比以前使用 3D CRT 技术时要小得多。然而，我们仍然缺乏系统和细致地捕捉患者报告的结果或每次治疗后患者皮肤的每日图像。”
对于 Seppälä 来说，对患者报告的生活质量指标进行全面分析是“拼图中缺失的一块”，最终是 KUH 持续改进 tVMAT 治疗计划的基础。一个典型的例子是乳腺放射治疗正在转向超低分割治疗方案，一些 KUH 患者现在只接受 5 次分割（x5.2 Gy），而迄今为止的标准是 15 次分割（x2.67 Gy）。
为了支持这项工作，目前正在开展工作以评估由 Kaiku Health 提供支持的 Elekta ONE Patient Companion 的临床实施，该系统为癌症诊所提供患者报告结果监测和智能症状跟踪。 “这个软件工具将使我们能够直接从患者那里获取真实世界的结果数据，”Seppälä 说。 “这些数据是量化成功的关键，例如美容结果与分割方案变化之间的相关性。”
同时，机器学习创新是 KUH tVMAT 开发路线图的另一个优先事项，医学物理团队正在实施基于 AI 的剂量预测，以根据个性化患者情况制定治疗计划。这里的驱动力是推动更统一、标准化的剂量分布以及工作流程效率，以简化患者吞吐量。
“我们正在进行一些治疗计划自动化——主要是在优化方面，”Seppälä 总结道。“挑战在于将优化系统推向极限，以确保对心脏和同侧肺等关键结构进行低剂量照射。通过这样做，我们可以大规模地提高我们在摩纳哥的治疗计划的整体质量和一致性。”

阅读更多 Elekta Unity：CMM 创新为实时跟踪、在线计划调整开辟了道路

PRT000197 Adjuvant breast radiotherapy KUH unlocks the clinical upsides of tangential VMAT – Physics World

肺泡组织的计算模型 模拟肺泡段 肺泡组织的计算模型由 18 个肺泡（肺内的微小气囊）组成。 （由©萨里大学/GSI 提供）。

2024年3月12日 肺细胞建模有助于个性化放射治疗

一种新型计算机模型可以揭示细胞水平的辐射损伤，可以改善肺癌患者的放射治疗结果。
英国萨里大学的计算神经科学家 Roman Bauer 与德国 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 的 Marco Durante 和 Nicolò Cogno 合作创建了该模型，该模型模拟辐射如何逐个细胞地与肺部相互作用 基础。
超过一半的肺癌患者接受放射治疗。 尽管这种方法很有效，但仍有高达 30% 的接受者遭受辐射损伤。 这些可能会引发影响呼吸的严重疾病，例如纤维化（肺泡内壁增厚和僵硬）和肺炎（当肺泡壁发炎时）。
为了限制辐射对健康组织的损害，同时仍然杀死癌细胞，放射治疗分为几个单独的“部分”进行。 这使得整体给药剂量更高（因此更有效），因为一些受损的健康细胞可以在每个部分之间进行自我修复。
目前，放疗分割方案是根据过去的经验和广义统计模型来选择的，因此并未针对个体患者进行优化。 相比之下，个性化医疗可以通过这种新模型来实现，正如 GSI 生物物理学系主任 Durante 所解释的那样，该模型着眼于“从基本细胞反应开始的组织毒性，因此能够预测发生的情况”。 当选择不同的分割方案时，任何患者”。
该团队开发了一种“基于代理”的模型（ABM），由独立的相互作用单元或代理组成（在本例中模拟肺细胞），并配有蒙特卡罗模拟器。 《Communications Medicine》中描述的 ABM 构建了肺泡段的表示，该肺泡段由 18 个肺泡组成，每个肺泡直径为 260 µm。 接下来，在微观和纳米尺度上对这些肺泡的照射进行蒙特卡罗模拟，并将有关传递到每个细胞的辐射剂量及其分布的信息反馈到 ABM。
ABM 利用这些信息计算出每个细胞的生存或死亡，并以 3D 图像的形式输出最终结果。 至关重要的是，耦合模型可以模拟时间的推移，从而显示辐射损伤的严重程度，以及治疗后数小时、数天、数月甚至数年可能导致的医疗状况的进展。
“我发现非常令人兴奋的是，这些计算模拟实际上提供了与不同团体、实验室和医院的各种实验观察相匹配的结果。 因此，我们的计算方法原则上可以在临床环境中使用，”国际 BioDynaMo 合作组织的发言人鲍尔说，该合作组织旨在通过用于构建该模型的软件套件将新的计算方法引入医疗保健领域。
在一位年仅 34 岁的好友因癌症去世后，鲍尔开始研究计算癌症模型。“每种癌症都是不同的，每个人都是不同的，具有不同的形状器官、遗传倾向和生活方式，”他解释道。 他希望来自扫描、活组织检查和其他测试的信息可以被输入到新模型中，以提供每个人的图片。 然后可以创建人工智能辅助治疗方案，输出量身定制的治疗计划，提高患者的生存机会。

阅读更多 放射治疗患者---针对患者的具体计划可以改善放射治疗结果

鲍尔目前正在寻找包括物理学在内的其他学科的合作者，以帮助进行数年的肺癌患者临床试验。 与此同时，该团队打算将该模型的用途扩展到其他医学领域。
例如，杜兰特希望用这种肺部模型研究病毒感染，因为它“可以预测由 COVID-19 感染引起的肺炎”。 与此同时，鲍尔已经开始模拟早产儿大脑回路的发育，目的是更好地了解“在什么时间点进行干预以及如何干预”。

PRT000196 Modelling lung cells could help personalize radiotherapy – Physics World

Elekta 最先进的制造工厂 医科达位于英国克劳利的最先进的制造工厂是按订单建造的，向全球客户运送放射治疗系统。 （由医科达提供）

2024年2月29日 增加放射治疗的机会：打持久战

全球在获得放射治疗服务方面的不平等是系统性的、根深蒂固的，并且不会很快消失。 数据不会说谎，放射治疗“富人”和“穷人”之间的差距在很大程度上取决于各个民族国家的经济影响力。
据致力于促进和平利用核能的政府间组织国际原子能机构 (IAEA) 称，高收入国家几乎所有癌症患者都能接受放射治疗，而中等收入国家这一比例不到 60% 国家。 更糟糕的是，在低收入国家，只有十分之一的人能够获得挽救生命的放射治疗。
这种获取机会的差异是一个医疗保健定时炸弹。 癌症几乎不可避免地给低收入和中等收入国家 (LMIC) 带来最沉重的负担，预计这些国家 70% 以上的癌症死亡将发生在未来 20 年内。 原子能机构于 2022 年世界癌症日发起的“希望之光：全民癌症护理”倡议是加速中低收入国家放射治疗服务建立和扩大的集体努力的先锋。
迄今为止，作为原子能机构倡议的一部分，七个“第一波”国家——贝宁、乍得、刚果民主共和国、肯尼亚、马拉维、尼日尔和塞内加尔——已经接收了放射治疗和医学成像设备（专家培训计划也是原子能机构倡议的一部分）。 参与诊断和治疗服务的临床人员的组合）。 尽管现在还为时过早，但此后又有 67 个原子能机构成员国请求在国家层面加入“希望之光”计划，这表明实现高质量放射治疗的民主化需要长期思考。

公私合作伙伴关系
与此同时，私营部门在市场份额和盈利能力等商业需求的驱动下，越来越多地将注意力转向中低收入国家的放射治疗获取问题。 这方面的一个案例研究是医科达（Elekta），这是一家精准放射医学领域的专业设备提供商，该公司将放射治疗服务置于其长期增长战略的前沿和中心位置，以在中低收入国家医疗保健系统内开辟放射治疗设备的新市场。
医科达在全球拥有约 5000 名员工，在发展中国家推广先进放射治疗基础设施方面，无论是短期还是大规模，都能够发挥重要作用。 Elekta 医疗事务和临床研究高级副总裁（兼兼职副教授）John Christodouleas 解释道：“我们正在寻求通过一系列您可能期望的增长举措以及一些您可能意想不到的举措来改善放射治疗的可及性。” 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院放射肿瘤学博士）。
值得注意的是，医科达董事会自上而下推动了对增强医疗服务的承诺，该设备制造商的战略里程碑之一（到 2025 年底）与“医疗服务的可用性”相关，目标是让超过 3 亿人获得医疗服务 通过在服务不足的市场额外部署 800-1000 台 Elekta 直线加速器来提供放射治疗服务。
补充战略目标涉及“提高护理水平”（将 Elekta 客户中短程大分割治疗的临床使用量增加一倍，同时将适应性放射治疗的使用量增加四倍）和“参与护理”（目标是让患者的 20% 以上） 患者积极参与自己的护理旅程，而如今这一比例还不到 1%）。
Christodouleas 指出：“在操作上，我们致力于改善放射治疗的可及性，主要遵循三个主要途径：支持癌症公共卫生倡议； 获得人力资本； 并获得先进的放射治疗解决方案，这些解决方案可提高自动化程度并降低资本和服务成本。”
以癌症公共卫生为例。 去年9月，医科达和国际原子能机构宣布建立正式合作伙伴关系，向服务欠缺地区的卫生部宣传放射治疗的价值，同时还投资健康教育项目，以提高公众对癌症的认识。
沿着同一坐标，Elekta 基金会（一家独立于 Elekta 主要企业集团的瑞典慈善组织）正在资助卢旺达北部 Gicumbi 地区的一项宫颈癌试点筛查项目——自 2022 年 8 月以来对 40,000 多名女性进行了筛查，并治疗了 1000 多名患者 用于癌前病变。

技术创新，临床影响
Christodouleas 认为，推而广之，“对于中低收入国家来说，获得放射肿瘤学方面的熟练人力资本与获得金融资本一样是一个大问题。” 为了解决这种不平衡问题，医科达投资了开放式在线教育项目，例如 BrachyAcademy，这是一个面向放射肿瘤学团队的点对点医疗信息平台。
虽然门户网站预先提供有关医科达近距离放射治疗产品和服务的信息，但该计划还涵盖供应商中立的信息和临床应用的前沿研究。 “我非常喜欢这些最佳实践举措，因为它们的扩展非常有效，”Christodouleas 补充道。
访问难题的最后一部分是医科达的“面包和黄油”：向世界各地的临床客户提供先进的放射治疗系统。 当然，在美国销售放射治疗系统（美国拥有成熟的医疗保健提供者网络和强大的医科达支持服务）与在基础设施可能有限的服务欠缺地区运营是一个非常不同的主张。
Christodouleas 认为，无论市场在哪里，关键在于对临床客户需求的细致了解，并指出过去十年中 Elekta 放射治疗系统的推出是摩洛哥国家癌症计划的核心组成部分。 该项目的推出从 2013 年的初始直线加速器订单开始，随后逐步发展为近距离放射治疗装置 (2014-16)、Leksell 伽玛刀立体定向放射外科系统 (2017-19)，以及最近 (2020) 的订单，其中包括 Elekta Unity、Elekta 最先进的设备 先进的直线加速器集成到高场 MRI 系统中。

“这种伙伴关系对于摩洛哥卫生部和 Elekta 来说是双赢的，”Christodouleas 说。 “我们努力工作，让我们的处理系统就位，同时也让必要的供应商基础设施就位。 现场服务工程师、设备供应链、应用专家、区域经销商——所有这些对于在全国范围内建立和发展可持续的放射治疗计划都至关重要。”

阅读更多 降低放射治疗费用---物理学家创新缩小全球放射治疗差距

更广泛地说，改善中低收入国家放射治疗的前景如何？ Christodouleas 乐观地认为，放射治疗界面临的两个基本挑战——提高治疗质量（通过不断提高放射治疗的精确度）和大幅增加服务欠缺地区的治疗机会——或许可以同时解决。
“我用简单的术语来思考放射治疗的获取方程，”他总结道。 “大分割加自动化等于增加获取机会。 大分割和自动化都可以通过更好的机载成像来实现。 因此，我们具有最佳成像效果的最佳直线加速器将是解决访问方程并为患者提供最高质量护理的关键，无论他们生活在哪里。”

PRT000195 Increasing access to radiotherapy playing the long game – Physics World

Nolan Esplen 在 TRIUMF FLASH 辐照研究站 第一个光束线实验第一作者 Nolan Esplen 在 TRIUMF FLASH 辐照研究站。 （由卢卡·埃戈里蒂提供）

2024年2月23日 超高剂量率 X 射线平台用于 FLASH 放射生物学研究

加拿大的研究人员开发了一个用于 FLASH 放射治疗放射生物学研究的 X 射线照射平台，这是一种使用超高剂量率 (UHDR) 照射的新兴癌症治疗技术。 该平台被称为 TRIUMF FLASH 辐照研究站或“FIRST”，可以以超过 100 Gy/s 的剂量率发射 10 MV X 射线束。
FIRST 位于加拿大粒子加速器中心 TRIUMF 的 ARIEL 光束线，是目前北美唯一的此类辐照平台。 全球范围内，有两条实验性 UHDR 兆伏 X 射线束线：一条位于温哥华 TRIUMF，另一条位于成都中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光器。
研究人员表示，与用于治疗深部肿瘤的其他方式相比，兆伏 X 射线需要适度的加速器规格，而 FIRST 可以在公共光束线上提供 UHDR 和传统兆伏电压照射。
“超高剂量率 X 射线源的可用性存在差距； MD 安德森癌症中心的博士后研究员诺兰·埃斯普伦 (Nolan Esplen) 解释说：“这是该领域未满足的需求，并且没有商业平台可以常规提供此类辐射。” “这个[与 TRIUMF] 的多年合作项目……是一个机会，可以利用这个独特的实验室，使用高能超导电子直线加速器来产生我们想要用于 FLASH 放射生物学研究的辐射类型。”
Esplen 在维多利亚大学 XCITE 实验室攻读研究生期间进行了 FIRST 表征实验。 该研究小组的最新研究发表在《自然科学报告》上，全面描述了 FIRST 和初步临床前实验的特征。 模拟工作发表于 2022 年《Physics in Medicine & Biology》。
“我们参与超高剂量率辐照已经有一段时间了，”XCITE 实验室主任 Magdalena Bazalova-Carter 说道。 “我们开始与 TRIUMF 的人员讨论 ARIEL 光束线，以及如果我们为该光束线建立目标，我们会得到什么样的 X 射线剂量率。 一切就是这样开始的。”

FIRST 的第一
研究人员探索了可用且临床相关的射束参数的子集，以表征 UHDR 和传统剂量率操作下的 FIRST。 他们将电子束能量固定在 10 MeV，以最大限度地提高剂量率和目标寿命，并将束流（峰值电流）设置在 95 至 105 µA 之间。 使用胶片剂量测定法计算剂量率。
对于 1 厘米的射野尺寸，在 4.1 厘米深度处可实现高于 40 戈瑞/秒的剂量率。 与临床 10 MV 光束相比，FIRST 减少了表面剂量累积。 相对于低能电子源，FIRST 提供了超过 dmax（最大剂量深度）的更渐进的剂量下降。 研究小组指出，陡峭的表面深度剂量梯度的存在导致剂量异质性问题，目前限制了其在临床前工作中的应用。 源稳定性限制导致电流和剂量的变化。
根据表征研究的信息，研究人员随后使用 FIRST 对健康小鼠的肺部进行 UHDR（高于 80 Gy/s）和低剂量率常规 X 射线照射。 他们成功地在 1 厘米深度处将 15 和 30 Gy 的剂量传递到处方的 10% 以内。 肺组织不均匀性的影响没有得到纠正（该小组的设计研究指出兆伏束能量的扰动可以忽略不计）。 电子源输出和胶片剂量测定方差主导了治疗前剂量测量的不确定性。

得到教训
FIRST 所在的物理空间最初的用途是——现在仍然用作——束流收集器（带电粒子束可以被安全地吸收）。 这给 FIRST 带来了一些独特的设计挑战。
“我们所做的事情没有任何基础，这也是TRIUMF的一个发展机会。 很多人了解了这个系统，了解了这种交付方式的细微差别，了解了我们做得很好的事情，以及我们未来可以做得更好的地方，”Esplen 说。 “事实上，这是一个正在开发的设施，我们是第一个科学机会——这是一个非常动态的环境。 我们有一些非常有才华的合作者和光束物理学家，他们致力于设置光束线的所有光学参数，以便我们能够在目标处提供正确尺寸的最小色散光束。”

在研究人员进行实验时，考虑到平台设置、交付和关闭后，每 45 分钟只能照射一对模型或一只小鼠。 每次对光束线和光束本身进行调整后，研究人员都必须重新调整光束以确认其输出和剂量测定。

阅读更多 传统 X 射线管能否提供 FLASH 剂量率？

“这与临床医学物理学不同。 当你在医院的直线加速器上进行实验时，一个人就可以处理整个实验……这是一种非常不同的情况，”Bazalova-Carter 说。 “[为了这些实验]需要五个人运行光束线来监控所有屏幕——虽然到目前为止，我们的实验并未使用所有屏幕，但我想我数了一下控制室里有 113 个屏幕……这非常有趣，我们 考虑到这些实验的挑战性，蒙特卡罗模拟和实验之间可以得到非常好的剂量一致性。”
尽管存在这些障碍，FIRST 平台的优势包括对关键源参数的控制，包括脉冲重复频率、峰值电流、束能量和平均功率。
“我们是 ARIEL 光束线的第一个用户，”Bazalova-Carter 回忆道。 “在这个项目上工作了多年之后，能够真正进行小鼠辐照实验是非常令人满意的。”
放射生物学后续研究即将进行。

PRT000194 Ultrahigh-dose rate X-ray platform lines up for FLASH radiobiological research – Physics World

ReflexXion X1 放射治疗系统 机器内部RefleXion X1 放射治疗系统的关键部件： 1) 6 MeV 电子束直线加速器； 2）多叶准直器； 3）16排扇束kVCT； 4）双90度PET圆弧； 5) 环形龙门架，转速为 60 RPM； 6）兆伏电压探测器。 （由RefleXion Medical 提供）

2024年2月16日 首次人体研究揭示了生物学引导放射治疗的潜力

SCINTIX 生物引导放射治疗 (BgRT) 在 ReflexXion X1 直线加速器上进行，是一种放射治疗方式，使用实时正电子发射断层扫描 (PET) 将放射治疗子束引导至放射性标记的肿瘤。 这种指导提供了补偿治疗期间运动、减少移动肿瘤的治疗量并提高分次内治疗准确性的潜力。 在一项首次人体研究中，美国研究人员现已证明，根据 PET 数据计算出的 SCINTIX 剂量分布是准确的，并且可递送至肺部或骨肿瘤。
由于毒性问题和与在一次治疗中进行多种治疗相关的工作流程问题，放射治疗通常不被认为是多发转移患者的选择。 未来，PET 引导放疗可能能够通过提高递送效率并减少与运动和设置不确定性相关的治疗裕度来治疗此类患者。
由斯坦福大学医学院和德克萨斯大学西南医学中心领导的研究小组确定了执行 SCINTIX 治疗所需的放射性示踪剂 18F-氟脱氧葡萄糖 (FDG) 的合适剂量，并验证了 SCINTIX 算法可提供准确的剂量测定。 该研究结果发表在《国际放射肿瘤学、生物学、物理学杂志》上，支持了 2023 年获得的 SCINTIX 提交给美国食品和药物管理局 (FDA) 审批的数据。
SCINTIX 疗法使用放射性标记的肿瘤作为其自身的基准标记来进行靶向。 BgRT 技术与放射治疗过程中其他类型的实时肿瘤跟踪的不同之处在于，它使肿瘤能够使用放射性示踪剂摄取作为生物基准，将其当前位置直接“传达”给直线加速器。
ReflexXion X1 是一种混合成像治疗系统，还提供调强放射治疗、立体定向放射治疗 (SBRT) 和立体定向放射外科治疗。 该系统的集成 PET 探测器（包括 64 个闪烁多像素计数器模块）在 BgRT 工作流程的三个点上使用：收集患者的 PET 数据以用于治疗计划； 在放射治疗之前立即评估肿瘤的 PET 亲和力是否与仅成像过程一致； 以及在 BgRT 传输期间引导治疗光束。
在进行初始患者设置的 CT 成像后，实时 PET 检测向外的肿瘤发射并将辐射束传送到肿瘤位置，响应延迟为 350-400 毫秒。 使辐射输送符合移动肿瘤的能力导致跟踪的剂量分布，其特征是高剂量衰减和正常组织的剂量减少。

首次人体研究
BIOGUIDE-X 研究由斯坦福大学的 Lucas Vitzthum 和 Murat Surucu 以及密歇根大学的 Daniel Chang 领导，包括两组连续的参与者，所有参与者的肺部或骨骼中至少有一个 FDG 亲和的靶向肿瘤。 队列 I 中的研究证实，注射 15 mCi 剂量的 FDG 提供了足够的活性浓度（中位数 5 kBq/ml）以实现 SCINTIX 治疗。
使用该剂量，研究人员为第二组创建了模拟治疗分数——五名患有肺肿瘤的患者和四名患有骨肿瘤的患者。 他们使用了一种模拟传送技术，其中在患者第一次和最后一次 SBRT 部分之前在 RefleXion X1 上收集的 PET 数据被离线转换为直线加速器机器指令，然后通过计算机“传送”到患者的 CT 解剖结构。 这会生成模拟剂量分布和剂量体积直方图 (DVH)，可以与批准的治疗计划进行比较。
研究人员制定了 SCINTIX 治疗计划，满足所有九名参与者的所有临床标准。 在 18 次模拟分娩中，有 17 次满足 PET 预扫描评估中的活性浓度、标准化目标信号和预测 DVH 要求。 17 次可评估的模拟分娩中，有 16 次的 SCINTIX 剂量分布与医生批准的治疗计划相当； 另一个则略低于 95% 的准确度阈值。 所有剂量分布，无论肿瘤位置或 SBRT 分数如何，均由机器硬件物理传递。

阅读更多 RefleXion 生物引导放射治疗系统---生物引导放射治疗系统保护重要器官

“通过规划 SCINTIX BgRT 的临床工作流程，并研究患者在 SBRT 方案开始和结束时的模拟 SCINTIX 给药，我们获得了有关 ReflexXion 系统如何响应每位患者通过放射治疗的 PET 发射的宝贵见解， “苏鲁库说。
Vitzthum 告诉《物理世界》，下一步“包括评估 SCINTIX 对于骨和肺以外肿瘤的性能。 这些部位包括淋巴结和软组织转移，例如肝脏或肾上腺转移。 我们还在使用替代放射性示踪剂（包括前列腺特异性膜抗原）评估 SCINTIX。”

PRT000193 First-in-human study reveals potential of biology-guided radiotherapy – Physics World