Høj kontrast billeddannelse til kræftbehandling med protoner

Medicinsk fysiker Dr. Aswin Hoffmann og hans team fra Institute of Radiooncology — OncoRay ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har kombineret magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) med en protonstråle, for første gang at demonstrere, at i princippet denne almindeligt anvendte billeddannelsesmetode kan arbejde med behandling af partikelstrålekræft. Dette åbner nye muligheder for målrettede, sund vævsbesparende kræftbehandling. Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Fysik i medicin og biologi .

Strålebehandling har længe været en del af standard onkologisk behandling. En bestemt mængde energi afsættes i tumorvævet, hvor det skader kræftcellernes arvemateriale, forhindrer dem i at dele sig, og ideelt set ødelægge dem. Den mest almindeligt anvendte form for strålebehandling i dag kaldes fotonterapi, som bruger røntgenstråler med høj energi. Her, en væsentlig del af strålen trænger ind i patientens krop, deponering af en skadelig dosis i sundt væv, der omgiver tumoren.

Atomkerner som våben mod kræft

Et alternativ er strålebehandling med ladede atomkerner såsom protoner. Indtrængningsdybden af ​​disse partikler afhænger af deres oprindelige energi. De frigiver deres maksimale dosis i slutningen af ​​deres bane. Ingen dosis vil blive deponeret ud over denne såkaldte "Bragg-top". Udfordringen for læger, der administrerer denne form for terapi, er at styre protonstrålen nøjagtigt, så den matcher tumorvævets form og dermed spare så meget af det omgivende normale væv som muligt. Inden behandlingen, de foretager en røntgenbaseret computertomografi (CT) -scanning for at vælge deres målvolumen.

"Det har forskellige ulemper, "Siger Hoffmann." Først og fremmest, bløddelsvævskontrasten ved CT-scanninger er dårlig, og for det andet, dosen aflejres i sundt væv uden for målvolumen. "Oven i dette, protonterapi er mere modtagelig for organbevægelser og anatomiske ændringer end strålebehandling med røntgenstråler, hvilket forringer målretningspræcisionen ved behandling af mobile tumorer. På nuværende tidspunkt, der er ingen direkte måde at visualisere tumorbevægelse under bestråling. Det er den største hindring, når det kommer til at bruge protonterapi. "Vi ved ikke præcist, om protonstrålen vil ramme tumoren som planlagt, "Forklarer Hoffmann. Derfor, læger i dag skal bruge store sikkerhedsmargener omkring tumoren. "Men det skader mere af det sunde væv, end det ville være nødvendigt, hvis stråling var mere målrettet. Det betyder, at vi endnu ikke udnytter det fulde potentiale ved protonterapi."

Første prototype til MR-guidet partikelterapi

Det vil Hoffmann og hans team ændre på. I samarbejde med den belgiske producent af protonterapiudstyr IBA (Ion Beam Applications SA), hans forskningsgruppes mål er at integrere protonterapi og realtids MR-billeddannelse. I modsætning til røntgen- eller CT-billeddannelse, MR leverer fremragende bløddels-kontrast og muliggør kontinuerlig billeddannelse under bestråling. "Der er allerede to sådanne hybridenheder til klinisk brug i MR-guidet fotonbehandling, men der findes ingen til partikelterapi."

Dette skyldes hovedsageligt elektromagnetiske interaktioner mellem MR -scanneren og protonterapiudstyret. På den ene side, MR -scannere har brug for meget homogene magnetfelter for at generere geometrisk nøjagtige billeder. Protonstrålen, på den anden side, genereres i en cyclotron, en cirkulær accelerator, hvor elektromagnetiske felter tvinger ladede partikler ind på en cirkulær bane og fremskynder dem. Protonstrålen styres og formes også af magneter, hvis magnetfelter kan forstyrre MR -scannerens homogene magnetfelt.

”Da vi startede projektet for tre og et halvt år siden, mange internationale kolleger var skeptiske. De troede, at det var umuligt at betjene en MR -scanner i en protonstråle på grund af alle de elektromagnetiske forstyrrelser, "Forklarer Hoffmann." Alligevel kunne vi i vores forsøg vise, at en MR -scanner faktisk kan fungere i en protonstråle. Højkontrast-realtidsbilleder og præcis protonstrålestyring udelukker ikke gensidigt hinanden. "Mange eksperter forudsagde en anden vanskelighed ved protonstråleadfærd:når elektrisk ladede partikler bevæger sig i magnetfeltet på en MR-scanner, Lorentz -kræfter vil aflede strålen fra dens lige bane. Imidlertid, forskerne var i stand til at demonstrere, at denne afbøjning kan forudses og dermed korrigeres for.

For at udforske disse indbyrdes interaktioner, Hoffmann og hans team brugte det eksperimentelle værelse på National Center for Radiation Research in Oncology — OncoRay.

"Vores mission er at individualisere protonterapi biologisk og at optimere det teknologisk mod dets fysiske grænser, "siger Hoffmann, leder af forskningsgruppen om MR-guidet strålebehandling ved HZDR. OncoRay har sin egen cyclotron til at levere protonstrålen ind i terapirummet såvel som i forsøgsrummet. Hoffmann og hans kolleger brugte sidstnævnte til deres forskningsaktiviteter. Med støtte fra IBA og Paramed MRI Unit of ASG Superconductors SpA, de installerede en åben MR -scanner i stien til protonstrålen, realisering af verdens første prototype af MR-guidet partikelterapi. "Vi er heldige at have et eksperimentelt rum, der er stort nok til at rumme en MR -scanner. Det er en af ​​OncoRays unikke træk."

Knæ fantom, blandet pølse og forudsigelig afledning

Til deres eksperimenter med denne første prototype, de brugte oprindeligt det, der kaldes et knæfantom, en lille plastcylinder fyldt med en vandig kontrastvæske og en række forskellige formede plaststykker. Hoffmann og hans team brugte det til at udføre kvantitative analyser af billedkvalitet. I en anden række eksperimenter, forskerne brugte et stykke Dresden blandet pølse. "Da den hollandske forskningsgruppe undersøgte billeddannelse til deres MR-guidede fototerapiapparat i 2009, de brugte svinekoteletter, "Siger Hoffmann." I 2016, Australske forskere demonstrerede deres MR-foton terapiapparat på en kænguru bøf. Da vi også ønskede at gå regionalt til vores prototype inden for MR-guidet partikelterapi, Vi brugte Dresden blandet pølse. "Både rækken af ​​eksperimenter med fantomet og med pølsen viste, at magnetfelterne fra protonterapi ikke forvrængede billedet. De forårsagede kun mindre forskydninger i MR -billedet, som kan rettes for.

Projektet er i øjeblikket ved at gå ind i sin næste fase. Målet er at udvikle verdens første prototype til MR-guidet partikelterapi, der kan anvendes til klinisk brug.