粒子物理学为FLASH质子治疗提供了新观点 – 物理世界

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-11.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-11.jpg" data-caption="迈向图像引导 FLASH Karol Lang 及其同事开发的 PET 扫描仪可以在发射光束时可视化并测量质子治疗的效果。 （由德克萨斯大学奥斯汀分校 Marek Proga 提供）”>

最初为粒子物理学中最雄心勃勃的实验而创造的突破性技术常常引发医疗和诊断领域的创新。加速器和光束线工程的进步有助于开发高效的癌症治疗策略，而旨在捕获最难以捉摸的粒子的探测器则提供了观察人体内部运作的新方法。

在最近的一项进展中，由德克萨斯大学奥斯汀分校实验粒子物理学家 Karol Lang 领导的美国研究小组首次实现了 FLASH质子治疗效果的实时成像 在光束传输之前、期间和之后。这些新兴的 FLASH 疗法在极短的时间内给予超高剂量，可以有效地根除癌细胞，同时对健康组织造成的损害较小。 FLASH 治疗需要更少的照射，治疗周期更短，这将使更多的患者受益于质子治疗，并显着降低放射相关副作用的风险。

该研究团队还包括休斯顿 MD 安德森质子治疗中心的医学物理学家，他们使用专门设计的正电子发射断层扫描 (PET) 扫描仪生成了这些图像，这项技术本身是在 1970 世纪 20 年代欧洲核子研究中心 (CERN) 的开创性实验中诞生的。 。该团队使用五种不同的模型作为人类患者的替代品，利用他们定制的 PET 仪器对质子束的快速启动及其照射后 XNUMX 分钟内的影响进行成像。

“质子照射会在体内产生短寿命的同位素，在许多情况下是正电子发射体，”朗解释道。 “通过闪光质子治疗，光束会产生更高的正电子强度，从而增强信号强度。即使使用小型 PET 探测器阵列，我们也能够生成图像并测量同位素的丰度及其随时间的演变。”

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/01/detector-web.jpg" data-caption="小而强大 PET 扫描仪中使用的探测器阵列相对较小，但闪光光束的强度使其能够生成图像并测量同位素的丰度。 （由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Marek Proga 提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://physicalworld.com/wp-content/uploads/2024/01/ detector-web.jpg” >

这些原理验证实验期间记录的测量结果表明，束内 PET 扫描仪可以为质子治疗提供实时成像和剂量测定。该团队甚至能够通过检测瞬发伽马射线来确定质子束的强度。瞬发伽马射线是在质子束提取过程中产生的，因为它们是由原子核在很短的时间内衰变产生的。 Lang 认为，只需对设备稍作修改，就可以测量瞬发伽马以获得质子束的快照，然后使用 PET 来跟踪束流发射后同位素的演化。

“这些结果表明，只需改进该技术的实验设置即可在临床环境中提供有用的测量，”他说。 “当然，我们知道仍然需要进行大量的临床前测试，但在现阶段，很明显该技术还没有什么突破性的进展。”

朗和他的同事在发表于《自然》杂志上的两篇论文中描述了他们的方法和结果 医学与生物学物理学（PMB），两者均可免费访问。研究人员还受益于一种称为变革性协议的新兴出版模式，该模式使他们能够以开放获取方式出版两篇文章，而无需支付通常的文章出版费用。

根据这些所谓的变革性协议，在这种情况下，IOP Publishing 和德克萨斯大学系统之间达成了协议，学术团体内任何机构的研究人员都可以免费访问研究内容并出版自己的作品。事实上，IOP Publishing（代表医学物理与工程研究所出版 PMB）现在 已制定变革性协议 与 900 个不同国家的 33 多个机构合作，提供大部分（如果不是全部）科学期刊组合的免费访问和出版。

这些阅读和出版协议的目的是加速向开放获取出版的过渡，因为它避免了研究人员需要自己筹集出版费用的资金。对于郎来说，任何开放科学并使不同社区能够合作的举措都将有助于激发其他学科的新想法，从而推动未来的创新。 “如果我遇到一篇我无法访问的有趣论文，特别是如果它属于不同的领域，我就会错过一些可能对我的工作有帮助的信息，”他说。 “开放和免费的信息对于我们取得进步至关重要。”

从他自己在粒子物理学方面的经验来看，朗看到了开放和协作的研究文化可以带来的好处。 “在粒子物理学中，每个人都会分享他们最好的想法和成就，人们希望参与寻找不同的方法来开发和利用新想法，”他说。 “如果没有这种协作思维，我们在欧洲核子研究中心、费米实验室和其他地方所看到的突破就不会发生。”

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-9.jpg" data-caption="定制设计 Karol Lang（中）与工程师 Marek Proga（左）和博士后研究员 John Cesar 以及该团队开发的专用 PET 扫描仪。扫描仪的配置可在患者接受治疗时提供光束内测量。 （由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Michael Gajda 提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/article-physicals-offers- new-views-on-flash-proton-therapy-physical-world-9.jpg”>

然而，很明显，朗对医学界的一些人似乎对新想法不太开放感到沮丧，尤其是来自没有临床经验的物理学家的新想法。 “我们知道医学物理和核成像领域的许多最佳技术都来自粒子和核物理的进步，但很难将最新的想法引入医学，”他说。 “我现在更好地理解了其中的原因——改变久经考验的医疗程序和正式的治疗方案比仅仅更换更好的探测器要复杂得多——但我仍然对渗透该领域并参与其中的难度感到失望。在合作研究中。”

虽然朗以前曾尝试建造医疗探测器，但他承认，在将新技术引入严格控制的医院环境时，他和其他粒子物理学家可能会犯天真甚至傲慢的错误。然而，对于这项新工作，一群医学物理学家要求他领导一个研究项目，该项目需要他在建造粒子探测器方面的专业知识。 “我仍在继续我的中微子物理学研究，但我相信我们能提供的东西是如此独特和有价值，所以我想参与其中，”朗说。 “随着了解的越多，我变得更加感兴趣，并真正迷上了 FLASH 治疗的想法。”

虽然需要做更多的工作来优化临床使用的光束内成像技术，但 Lang 相信，在短期内它可以提供一个有价值的研究工具来帮助了解 FLASH 效应。 “没有人真正知道 FLASH 为何有效，或者到底应该使用哪些光束参数才能获得最佳结果，”他说。 “这对我来说深刻地表明，我们并不完全了解辐射如何与健康组织或癌组织相互作用。”

Lang 认为，有了这种新仪器，就有可能探索 FLASH 治疗过程中起作用的物理机制。 “这项技术可以帮助我们了解人体在受到如此强烈的能量爆发后会如何反应，”他说。 “它提供了一种探索辐射随时间变化的影响的方法，在我看来，以前还没有系统地进行过这种研究。”

然而，从长远来看，我们的目标是创建一种图像引导的治疗方式，测量每次照射的效果，以通知和更新后续治疗。这种适应性方法对于传统治疗方案来说是不切实际的，传统治疗方案需要每天大约 30 次疗程提供较小的剂量，但对于 FLASH 治疗来说可能更可行，可能只需要少量剂量即可提供足够的能量来根除癌症。

“检查每次照射的效果将彻底改变治疗的动态、后勤和结果，”朗说。 “结合对高能质子与人体之间相互作用的更好理解，这种自适应 FLASH 协议可能会对患者的治疗结果产生革命性的影响。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy/