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粒子疗法

粒子疗法

即时伽玛射线可以在粒子疗法中测量人体成分

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实验装置显示了组织替代插入物将受到氦离子束的照射。 (礼貌:CC BY 4.0 / 科学 代表 10.1038 / s41598-020-63215-0)

即时伽马成像可通过检测当治疗束与患者体内的原子核相互作用时产生的即时伽马射线,从而在粒子治疗期间进行实时射束距离测量。这样 体内 范围验证应提高质子和离子束疗法的准确性和有效性,这对即使很小的靶向误差都非常敏感。

这项技术的最新变体,即瞬发伽马能谱(PGS),使用时间和能量分辨的瞬发伽马射线检测来进行范围验证。而且由于PGS可以测量所发射的瞬发伽马的能量,因此它也可以用于确定受辐照组织的元素浓度。衡量治疗目标组成的能力 体内 例如,它可以评估多个粒子治疗方案中的肿瘤缺氧情况,或跟踪脑转移瘤中的钙化情况。

领导的研究小组 若奥·山高 在德国癌症研究中心( DKFZ )现已展示了一种使用PGS来确定受辐照组织的元素组成的技术。该方法称为质子和离子束光谱仪(PIBS),使用新一代CeBr3 闪烁探测器,用于测量离子束引起的即时伽马射线的整个光谱。

“ CeBr 3 闪烁探测器的性能与LaBr相似3 在马萨诸塞州总医院的PGS系统原型中使用的对等物。两者在能量和时间分辨率方面都表现出色,这对于PGS至关重要。”第一作者解释说 保罗·马丁斯 。 “ LaBr 3 探测器的能量分辨率略高。但是,它们本质上是放射性的。因此,对于低于3 MeV的瞬时伽马,CeBr3 闪烁体的性能可能优于LaBr3 闪烁体的噪音降低约50倍。”

氧气含量

Martins和合作者,同样来自海德堡离子束治疗中心( 击中 )和 马克斯·普朗克核物理研究所,在HIT处使用质子束,氦离子和碳离子来执行PIBS。他们首先研究了具有不同氧浓度的水包糖溶液,并用90.7 MeV质子辐照了样品。

在低能区,他们观察到在0.718 MeV处迅速出现的伽马发射,随着氧浓度的降低或碳浓度的增加,伽马发射也随之增加。该能量线是由碳核的激发随后迅速的伽马发射引起的。高能区在5.2和6.1 MeV处出现峰,由于氧核的激发,该峰随氧浓度的增加而增加。用92 MeV / u氦离子束照射样品产生类似的行为。

Energy spectra

为了确定被辐照的氧气量,研究人员将EBT剂量测定膜沿着光束方向放在目标内。他们观察到(如先前的研究所示),在5.2 MeV能量峰内检测到的总瞬变伽马随所辐照的氧气质量线性增加。

为了确认PGS能够测量水体模型中更深的氧气浓度的能力,他们还通过7厘米深的水(两个水瓶)辐照了5个水/糖样品,具有113.6 MeV质子。他们观察到氧气浓度增加与5.2和6.1 MeV的迅速伽马产生之间存在明显的关系。 PIBS设置可以检测样品中氧浓度的3%变化。

组织替代

接下来,研究小组用88.1 MeV / u氦离子和161.5 MeV / u碳离子束照射了六个水/糖样品和12个组织替代插入物。组织替代物包含不同浓度的氧气,碳和钙,并且包括五种钙浓度增加的骨替代物,以及钙浓度非常低的乳房,固体水,肌肉和肝脏替代物。

来自氧浓度较高的水/糖样品(67.1–88.9%)和氧浓度较低的组织替代插入物(14.9–36.5%)的数据显示,在5.2 MeV的瞬时伽马产生量和氧浓度之间呈对数趋势。

Prompt gamma production

研究人员还评估了这种关系是否对其他元素(例如钙)成立。在低能窗口中,用88.1 MeV / u氦离子束辐照组织替代物,由于钙反应,在1.66 MeV处产生了迅速的伽马峰。他们再次观察到钙浓度与迅速产生伽马之间有明确的关系。

研究小组报告说,PIBS可以清楚地识别出脂肪和乳房替代物之间的钙浓度变化为1%,各种组织替代物之间的氧浓度变化为2%。

“与PGS相反,PIBS的目的不是范围验证,而是确定辐照目标的物理和化学性质,” Martins告诉我们。 物理世界 。 “但是,此功能与患者的范围​​有关,因为身体成分最终会影响颗粒停止的位置,从而影响空间分辨率。”通过将PGS与PIBS结合使用,可以在将来的治疗计划中抑制其他模式,例如CT或PET,对治疗工作流程产生重大影响。”

马丁斯说,未来的研究将涉及  体内  在小鼠中进行测量,并与其他最新技术(例如双能CT,PET,核磁共振波谱和双能X射线吸收法)进行基准测试。 “这种结果可能是监测的关键 在治疗过程中出现肿瘤缺氧并检测钙化,”他补充说。

该研究发表在 科学报告.

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