«Исторически радиация была тупым инструментом», — сказал Мэтт Вон, директор отдела медико-биологических вычислений Техасского центра современных вычислений. «Однако он стал еще более точным, потому что мы понимаем физику и биологию систем, в которые мы стреляем радиацией, и улучшили нашу способность нацеливать доставку этого излучения».Наука о вычислении и оценке дозы облучения, полученной человеческим телом, известна как дозиметрия — и здесь, как и во многих областях науки, важную роль играют передовые вычисления.Улучшение лучевой терапии с помощью визуализации в реальном времени
Современные методы лучевой терапии основаны на изображениях, полученных с помощью компьютерной томографии (КТ), сделанной до лечения, для определения местоположения опухоли. Это хорошо работает, если опухоль находится в легко обнаруживаемом и неподвижном месте, но в меньшей степени, если область движется, как в случае рака легких.В онкологическом центре доктора медицины Андерсона Техасского университета ученые решают проблему точного поражения опухолей с помощью новой технологии, известной как МР-линейный ускоритель, сочетающей магнитно-резонансную (МР) визуализацию с линейными ускорителями (линейными ускорителями). MR-линейный ускоритель, разработанный компанией Elekta в сотрудничестве с UMC Utrecht и Philips, в компании MD Anderson является первым в своем роде в США.
MR-линейные ускорители могут отображать анатомию пациента во время доставки луча излучения. Это позволяет врачам обнаруживать и визуализировать любые анатомические изменения у пациента во время лечения. В отличие от КТ или других методов визуализации на основе рентгеновских лучей, которые обеспечивают дополнительное ионизирующее излучение, МРТ безвредна для здоровых тканей.
Метод MR-linac предлагает потенциально значительное улучшение по сравнению с существующей технологией лечения рака под визуальным контролем. Однако, чтобы обеспечить безопасное лечение пациентов, ученые должны сначала скорректировать влияние магнитного поля МРТ на измерения, используемые для калибровки доставляемой дозы излучения.Исследователи используют программное обеспечение под названием Geant4 для имитации излучения в детекторах.
Первоначально разработанный ЦЕРНом для моделирования экспериментов по физике частиц высоких энергий, команда MD Anderson адаптировала Geant4 для включения магнитных полей в свою компьютерную дозиметрическую модель.«Поскольку конечной целью MR-линейного ускорителя является лечение пациентов, важно, чтобы наши модели были очень точными, а результаты — очень точными», — сказал Дэниел О’Брайен, научный сотрудник по радиационной физике в MD Anderson. «Изначально Geant4 был разработан для изучения излучения при гораздо более высоких энергиях, чем то, что используется для лечения пациентов.
Нам пришлось провести тесты, чтобы убедиться, что у нас есть необходимая точность».Используя суперкомпьютер Lonestar в Техасском вычислительном центре (TACC), исследовательская группа смоделировала почти 17 миллиардов частиц излучения на каждый детектор, чтобы получить точность, необходимую для их исследования.
В августе 2016 года они опубликовали в журнале «Медицинская физика» поправочные коэффициенты магнитного поля для шести наиболее часто используемых детекторов ионизационных камер (газонаполненных камер, которые используются для обеспечения правильности дозы, поступающей от терапевтического блока). Сейчас они работают над экспериментальной проверкой этих результатов.
«MR-линейный ускоритель — очень многообещающая технология, но она также создает множество уникальных проблем с точки зрения дозиметрии», — сказал О’Брайен. «Со временем наше понимание этих эффектов значительно улучшилось, но еще предстоит проделать работу, и такие ресурсы, как TACC, являются бесценным активом в обеспечении безопасности и надежности этих новых технологий».«Наше компьютерное моделирование важно, потому что его результаты послужат основой для расширения существующих национальных и международных протоколов для выполнения калибровки обычных линейных ускорителей до MR-линейных ускорителей», — сказал Габриэль Савакучи, доцент кафедры радиационной физики в MD Anderson. «Однако важно, чтобы наши результаты были подтверждены измерениями и независимым моделированием, выполненным другими группами, прежде чем они будут использованы в клинической практике».(Проект частично финансировалась шведской компанией Elekta, которая предоставляет оборудование для лучевой терапии и клиническое лечение для лечения рака и заболеваний головного мозга.)Планирование протонной терапии
Рентгеновское излучение является наиболее часто используемой формой высокоэнергетического лечения, но появляется новое лечение, в котором используется пучок протонов для доставки энергии непосредственно к опухоли с минимальным повреждением окружающих тканей и без побочных эффектов рентгеновского излучения. терапия.Подобно рентгеновскому излучению, протонная терапия поражает опухоли пучками частиц. Но в то время как традиционное излучение использует фотоны или сфокусированные световые лучи, протонная терапия использует ионы — атомы водорода, потерявшие электрон.
Пучки протонов обладают уникальной физической характеристикой, известной как «пик Брэгга», которая позволяет передавать большую часть своей энергии в определенную область тела, где она оказывает максимальное разрушительное действие. С другой стороны, рентгеновское излучение выделяет энергию и убивает клетки по всей длине луча. Это может привести к непреднамеренному повреждению клеток и даже к вторичному раку, который может развиться спустя годы.По сравнению с современными лучевыми процедурами, протонная терапия сохраняет здоровые ткани перед опухолью и позади нее.
Поскольку пациента облучают со всех сторон, а интенсивность лучей можно хорошо модулировать, этот метод обеспечивает дальнейшее снижение побочных эффектов.Протонная терапия особенно эффективна при облучении опухолей около чувствительных органов — например, около шеи, позвоночника, головного мозга или легких — где паразитные лучи могут быть особенно опасными.Медицинские физики и онкологи-радиологи из клиники Мэйо в Фениксе, штат Аризона, в сотрудничестве с исследователями доктора медицины Андерсона недавно опубликовали серию статей, описывающих улучшенное планирование и использование протонной терапии.В статье для журнала «Медицинская физика» в январе 2017 года они показали, что в трех клинических случаях, включенных в это исследование, их модель с ограниченными шансами лучше сохраняла органы, подверженные риску, чем текущий метод.
Модель также предоставила пользователям гибкий инструмент для баланса между надежностью плана и качеством плана и оказалась намного быстрее, чем коммерческое решение.В исследовании использовался суперкомпьютер Stampede в TACC для проведения ресурсоемких исследований сотен факторов, которые влияют на максимизацию эффективности и минимизацию риска и неопределенностей, связанных с этими методами лечения.Протонная терапия была впервые разработана в 1950-х годах и стала широко использоваться в 1990-х годах. В настоящее время по всей стране существует 12 центров протонной терапии, и их число постоянно растет.
Однако стоимость устройств с протонным пучком — 200 миллионов долларов, что в 30-50 раз дороже традиционной рентгеновской системы — означает, что они все еще редки. Они применяются только в тех случаях, когда требуется дополнительная точность, и врачи должны максимально использовать их преимущества при их использовании.Клиника Мэйо и доктор медицины Андерсон используют самые современные версии этих устройств, которые выполняют протонную терапию со сканирующим лучом и способны регулировать интенсивность луча.
Вэй Лю, один из ведущих исследователей протонной терапии в клинике Майо, сравнивает этот процесс с трехмерной печатью, «окрашивая опухоль слой за слоем». Однако это достигается на расстоянии, с помощью протокола, который необходимо спланировать заранее.
Специфика протонного пучка, которая является его самым большим преимуществом, означает, что он должен быть точно откалиброван и что необходимо учитывать отклонения от идеала. Например, персонал больницы помещает пациентов на рабочую поверхность устройства, и даже размещение пациента на расстоянии нескольких миллиметров от центра может повлиять на успех лечения.Более того, тело каждого пациента имеет немного другой химический состав, из-за чего пучок протонов может останавливаться в положении, отличном от предполагаемого. Даже дыхание пациента может изменить расположение луча.
«Если у пациента опухоль находится рядом со спинным мозгом, и существует такой уровень неопределенности, то пучок протонов может вызвать передозировку и парализовать пациента», — сказал Лю.Решением этих проблем является надежная оптимизация, которая использует математические методы для создания плана, который может управлять неопределенностями и человеческими ошибками, которые могут возникнуть, и уменьшать их.«Каждый раз мы пытаемся математически составить хороший план», — сказал он. «Есть много неизвестных переменных.
Вы можете выбрать разные углы луча, энергию или интенсивность. Существует 25 000 или более переменных, поэтому создание плана, устойчивого к этим ошибкам и при этом позволяющего получить правильное распределение дозы на опухоль, является большой задачей. проблема оптимизации масштаба ".
Чтобы решить эти проблемы, Лю и его команда используют суперкомпьютеры Техасского центра передовых вычислений.«Создание плана в разумные сроки требует больших вычислительных затрат», — продолжил он. «Без суперкомпьютера мы ничего не можем сделать».
Лю работал над разработкой протоколов планирования пучка протонов в течение многих лет. Ведущие коммерческие компании приняли методы, аналогичные тем, которые разработали Лю и его сотрудники, в качестве основы для своих решений по планированию радиации.
Недавно Лю и его сотрудники расширили свои исследования, включив в них неопределенности, представляемые пациентами с дыханием, которые они называют «4D робастной оптимизацией», поскольку она учитывает временную составляющую, а не только пространственную ориентацию.В майском выпуске Международного журнала радиационной онкологии за 2016 год они показали, что по сравнению со своим 3D-аналогом, надежная оптимизация 4D для лечения рака легких обеспечивает более надежное распределение целевой дозы и лучшее покрытие цели, при этом обеспечивая нормальную защиту тканей.«Мы пытаемся предоставить пациенту наиболее эффективную, надежную и наиболее эффективную протонную терапию», — сказал Лю. «Поскольку это так дорого, мы должны сделать все возможное, чтобы воспользоваться преимуществами этой новой технологии».
(Работа Лю поддерживается грантами Национального института рака при Национальном институте здравоохранения и недавно получила поддержку от штата Аризона.)Раскрытие квантовой основы протонной терапии ракаКак и многие другие методы лечения рака, врачи знают, что протонная терапия работает, но как именно она работает, остается загадкой.Основной принцип не подвергается сомнению: ионы протонов сталкиваются с молекулами воды, которые составляют 70 процентов клеток, вызывая высвобождение электронов и свободных радикалов, которые повреждают ДНК раковых клеток.
Ионы протонов также сталкиваются с ДНК напрямую, разрывая связи и нарушая способность ДНК к репликации.Из-за высокой скорости деления и пониженной способности восстанавливать поврежденную ДНК раковые клетки гораздо более уязвимы для атак ДНК, чем нормальные клетки, и погибают с большей скоростью. Кроме того, пучок протонов может быть сфокусирован на область опухоли, что приведет к максимальному повреждению раковых клеток и минимальному повреждению окружающих здоровых клеток.
Однако, помимо этой общей микроскопической картины, трудно определить механику процесса.«Как и в случае с терапией рака, они эмпирически знают, что это работает, но не знают почему», — сказал Хорхе А. Моралес, профессор химии Техасского технологического университета и ведущий сторонник компьютерного анализа протонной терапии. «Проводить эксперименты с людьми опасно, поэтому лучший способ — это компьютерное моделирование».Моралес проводил компьютерное моделирование химических реакций протонных клеток с использованием моделей квантовой динамики на суперкомпьютере TACC Stampede, чтобы исследовать основы этого процесса.
Вычислительные эксперименты могут имитировать динамику взаимодействий протон-клетка, не причиняя вреда пациенту, и могут показать, что происходит, когда протонный пучок и клетки сталкиваются от начала до конца, с точностью до атомного уровня.Квантовое моделирование необходимо, потому что электроны и атомы, лежащие в основе эффективности протонной терапии рака, не действуют в соответствии с законами классической физики.
Скорее они руководствуются законами квантовой механики, которые включают вероятности местоположения, скорости и возникновения реакций, а не точно определенные версии этих трех переменных.Исследования Моралеса по Stampede, опубликованные в PLOS One в марте 2017 года, а также в журналах Molecular Physics и Chemical Physics Letters (оба в 2014 году), определили основные побочные продукты столкновения протонов с водой внутри клетки, а также с нуклеотидами и кластерами Основания ДНК — основные единицы ДНК.
Исследования пролили свет на то, как протоны и их продукты радиолиза воды повреждают ДНК.Результаты вычислительных экспериментов Моралеса совпадают с ограниченными данными физико-химических экспериментов, что приводит к большей уверенности в их способности фиксировать квантовое поведение в действии.
Несмотря на фундаментальный характер, идеи и данные, полученные с помощью моделирования Моралеса, помогают исследователям понять терапию протонного рака на микромасштабе и помогают модулировать такие факторы, как дозировка и направление луча.«Все результаты очень многообещающие, и мы рады продолжить наши исследования», — сказал Моралес. «Эти симуляции дадут уникальный способ понять и контролировать протонную терапию рака, что при очень низких затратах поможет радикально улучшить лечение больных раком, не подвергая риску людей».