Partikelfysik erbjuder nya synpunkter på FLASH protonterapi – Physics World

<a href="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-3.jpg" data-caption="Mot bildstyrd FLASH En PET-skanner utvecklad av Karol Lang och hans kollegor kan visualisera och mäta effekterna av protonterapi medan strålen levereras. (Med tillstånd: Marek Proga, University of Texas i Austin)”>

Banbrytande teknologier som ursprungligen skapades för de mest ambitiösa experimenten inom partikelfysik har ofta utlöst innovationer inom medicinsk behandling och diagnos. Framsteg inom acceleratorer och strållinjeteknik har hjälpt utvecklingen av mycket effektiva strategier för behandling av cancer, medan detektorer utformade för att fånga de mest svårfångade partiklarna har erbjudit nya sätt att se människokroppens inre funktioner.

I en ny utveckling har ett USA-baserat forskarlag ledd av Karol Lang, en experimentell partikelfysiker vid University of Texas i Austin, för första gången uppnått realtidsavbildning av effekterna av FLASH protonterapi före, under och efter leveransen av strålen. Dessa nya FLASH-behandlingar administrerar ultrahöga doser under extremt korta tidsskalor, vilket effektivt kan utrota cancerceller samtidigt som de orsakar mindre skada på frisk vävnad. FLASH-behandlingar kräver färre bestrålningar under kortare behandlingscykler, vilket skulle tillåta fler patienter att dra nytta av protonterapi och avsevärt minska risken för strålningsrelaterade biverkningar.

Forskargruppen, som också involverar medicinska fysiker vid MD Anderson Proton Therapy Center i Houston, producerade bilderna med en specialdesignad skanner för positron-emissionstomografi (PET), en teknik som i sig uppstod från banbrytande experiment vid CERN på 1970-talet . Med hjälp av fem olika fantomer som fungerar som surrogat för en mänsklig patient, utnyttjade teamet sitt skräddarsydda PET-instrument för att avbilda både den snabba uppkomsten av protonstrålen och dess effekter upp till 20 minuter efter bestrålning.

"Bestrålning av protoner producerar kortlivade isotoper i kroppen som i många fall är positronemitter", förklarar Lang. "Med FLASH protonterapi genererar strålen en högre positronintensitet, vilket ökar signalens styrka. Även med små PET-detektormatriser kunde vi producera bilder och mäta både mängden av isotoper och deras utveckling över tiden."

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-1.jpg" data-caption="Liten men kraftfull Detektormatriserna som används i PET-skannern är relativt små, men intensiteten hos FLASH-strålen gör det möjligt att producera bilder och mäta mängden av isotoperna. (Med tillstånd: Marek Proga, University of Texas i Austin)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers- new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-1.jpg">

Mätningarna som registrerades under dessa proof-of-princip-experiment tyder på att en in-beam PET-skanner kan ge realtidsbild och dosimetri för protonterapibehandlingar. Teamet kunde till och med bestämma intensiteten av protonstrålen genom att detektera snabba gamma - så kallade för att de produceras av sönderfallet av kärnor under mycket korta tidsskalor - som produceras under utvinningen av protonstrålen. Med bara en liten modifiering av apparaten, tror Lang att prompt gamma kan mätas för att erhålla en ögonblicksbild av protonstrålen, med PET som sedan används för att följa utvecklingen av isotoperna efter att strålen har levererats.

"Dessa resultat visar att det bara skulle vara en fråga om att förbättra den experimentella uppställningen för tekniken för att ge användbara mätningar i en klinisk miljö", säger han. "Självklart vet vi att det fortfarande skulle behövas en hel del prekliniska tester, men i det här skedet är det klart att det inte finns några stopp för tekniken."

Lang och hans kollegor beskriver sitt tillvägagångssätt och resultat i två artiklar publicerade i Fysik i medicin och biologi (PMB), som båda är gratis att använda. Forskarna gynnades också av en framväxande publiceringsmodell, kallad ett transformativt avtal, som gjorde det möjligt för dem att publicera båda artiklarna med öppen tillgång utan att behöva betala de vanliga avgifterna för artikelpublicering.

Enligt dessa så kallade transformativa avtal, i det här fallet mellan IOP Publishing och University of Texas System, kan forskare vid vilken institution som helst inom den akademiska gruppen både få tillgång till forskningsinnehåll och publicera sitt eget arbete kostnadsfritt. Faktum är att IOP Publishing – som publicerar PMB på uppdrag av Institutet för fysik och teknik i medicin – nu har transformativa avtal på plats med mer än 900 institutioner i 33 olika länder, vilket ger fri tillgång och publicering i de flesta om inte hela portföljen av vetenskapliga tidskrifter.

Syftet med dessa läs-och-publiceringsavtal är att påskynda övergången till öppen publicering, eftersom det undviker behovet för forskare att skaffa egen finansiering för publiceringsavgifter. För Lang kommer varje rörelse som öppnar upp vetenskapen och gör det möjligt för olika samhällen att samarbeta att bidra till att trigga nya idéer från andra discipliner som kommer att driva framtida innovation. "Om jag stöter på ett intressant dokument som jag inte kan komma åt, särskilt om det är inom ett annat område, saknar jag information som kan hjälpa mig i mitt arbete", säger han. "Öppen och fri information är avgörande för att vi ska kunna göra framsteg."

Från sina egna erfarenheter inom partikelfysik har Lang sett de fördelar som kan uppstå från en öppen och samarbetande forskningskultur. "Inom partikelfysik delar alla sina bästa tankar och prestationer, och människor vill engagera sig i att hitta olika sätt att utveckla och utnyttja nya idéer", säger han. "Utan det samarbetstänkandet skulle de genombrott vi har sett på CERN, Fermilab och på andra håll helt enkelt inte ha hänt."

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-2.jpg" data-caption="Specialdesignad Karol Lang (mitten) med ingenjör Marek Proga (till vänster) och post-doc forskaren John Cesar och den specialbyggda PET-skannern som utvecklats av teamet. Konfigurationen av skannern ger in-beam mätningar medan patienten behandlas. (Med tillstånd: Michael Gajda, University of Texas i Austin)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2024/01/particle-physics-offers- new-views-on-flash-proton-therapy-physics-world-2.jpg">

Det är dock tydligt att Lang är frustrerad över att vissa människor i det medicinska samfundet verkar vara mindre öppna för nya idéer, särskilt från en fysiker som inte har någon tidigare klinisk erfarenhet. "Vi vet att många av de bästa teknologierna inom medicinsk fysik och kärnavbildning kommer från framsteg inom partikel- och kärnfysik, men det är svårt att ta med de senaste nya idéerna till medicinen", säger han. "Jag förstår nu bättre varför det är - att ändra beprövade medicinska procedurer och formella behandlingsprotokoll är mycket mer komplicerat än att bara byta in en bättre detektor - men jag är fortfarande besviken över hur svårt det är att penetrera sektorn och engagera mig i forskningssamarbete.”

Medan Lang har försökt bygga medicinska detektorer tidigare, erkänner han att han och andra partikelfysiker kan göra sig skyldiga till naivitet eller till och med arrogans när det gäller att introducera ny teknik i den hårt kontrollerade sjukhusmiljön. För detta nya arbete bad dock en grupp medicinska fysiker honom att ta ledningen för ett forskningsprojekt som krävde hans expertis i att bygga partikeldetektorer. "Jag fortsätter fortfarande med min forskning inom neutrinofysik, men jag tror att det vi kan erbjuda är så unikt och värdefullt att jag ville engagera mig", säger Lang. "När jag lärde mig mer blev jag mer fascinerad och fastnade verkligen för tanken på FLASH-behandlingar."

Även om mer arbete kommer att behövas för att optimera in-beam avbildningstekniken för klinisk användning, tror Lang att den på kort sikt skulle kunna erbjuda ett värdefullt forskningsverktyg för att förstå FLASH-effekten. "Ingen vet riktigt varför FLASH fungerar, eller exakt vilka strålparametrar som ska användas för att uppnå bästa resultat", säger han. "Det tyder på mig ganska djupt att vi inte helt förstår hur strålning interagerar med vare sig frisk eller cancerös vävnad."

Med detta nya instrument, hävdar Lang, skulle det vara möjligt att utforska de fysiska mekanismerna som spelar under en FLASH-behandling. "Den här tekniken kan hjälpa oss att förstå hur människokroppen reagerar efter att den har bestrålats med så intensiva energiutbrott", säger han. "Det erbjuder ett sätt att utforska de tidsberoende effekterna av bestrålningen, vilket jag inte verkar ha gjort systematiskt tidigare."

På längre sikt är syftet dock att skapa en bildstyrd behandlingsmodalitet som skulle mäta effekterna av varje bestrålning för att informera och uppdatera efterföljande behandlingar. Sådana adaptiva tillvägagångssätt är opraktiska med konventionella behandlingsprotokoll, där mindre doser levereras på cirka 30 dagliga sessioner, men kan vara mer genomförbara med FLASH-behandlingar som kanske bara kräver några få doser för att leverera tillräckligt med energi för att utrota cancern.

"Att kontrollera effekterna av varje bestrålning skulle helt förändra dynamiken, logistiken och resultatet av behandlingen", säger Lang. "Kombinerat med en bättre förståelse av interaktionerna mellan energiska protoner och människokroppen, kan sådana adaptiva FLASH-protokoll ha en revolutionerande inverkan på patientens resultat."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/particle-physics-offers-new-views-on-flash-proton-therapy/