هیبرید Linac-MR برای رادیوتراپی با هدایت تصویر در زمان واقعی

تیمی از فیزیکدانان پزشکی در مؤسسه Cross Cancer در آلبرتا، کانادا، رویکردی نوآورانه برای درمان سرطان ارائه کرده اند. در ارتباط با پروژه Linac-MR، تیمی که توسط Gino Fallone رهبری می‌شود، با کاهش آسیب به بافت‌های سالم اطراف محل تومور، و در عین حال اطمینان از دریافت دوز تابش مورد نظر، دقت درمان سرطان را بهبود می‌بخشد. آنها این کار را از طریق توسعه یک شتاب دهنده ذرات خطی ترکیبی (Linac) یکپارچه با تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) انجام می دهند. سیستم هیبریدی Linac-MR برای ردیابی تومور با هدایت تصویر در زمان واقعی طراحی شده است که می تواند حرکت بدن را در طول درمان شناسایی و جبران کند. بدیهی است که این ایده فوق‌العاده‌ای است زیرا اثربخشی درمان را برای بیماران بسیار بهبود می‌بخشد. چگونه آن را به کار می اندازند؟

چالش های طراحی برای تیم پروژه Linac-MR

توسعه سیستم هیبریدی Linac-MR با مجموعه ای بسیار منحصر به فرد از چالش ها همراه است که توسط Fallone در مقاله “درمان سرطان با ردیابی تومور MRI” در صفحه 18 در نسخه 2013 COMSOL News توضیح داده شد . به منظور دستیابی به اهداف خود، تیم یک سیستم MRI، یک Linac برای رادیوتراپی طراحی کردند و سپس پیکربندی هیبرید شده بهینه را تعیین کردند. طراحی اتاقی که سیستم هیبریدی Linac-MR را در خود جای داده است نیز یک ملاحظات مهم بود زیرا باید از اپراتورها و سایر تجهیزات در برابر اشعه ایکس و میدان های الکترومغناطیسی ناشی از سیستم های Linac و MRI محافظت کند.

فالونه در مقاله COMSOL News می‌گوید: «اغراق کردن مسائل مختلف مهندسی و فیزیک در پروژه Linac-MR دشوار است . ادغام این دو سیستم مستلزم درک عمیق این است که چگونه یک سیستم بر عملکرد سیستم دیگر تأثیر می گذارد. Linac دارای یک موجبر RF است که الکترون ها را به سمت هدفی با عدد اتمی بالا شتاب می دهد تا اشعه ایکس مورد نیاز برای از بین بردن سلول های تومور را تولید کند. RF تولید شده توسط Linac با تشخیص سیگنال های ضعیف RF مورد نیاز سیستم MRI برای ساخت یک تصویر 3 بعدی با کنتراست عالی بافت نرم تداخل می کند. علاوه بر این، میدان مغناطیسی حاصل از MRI ​​قوی است و با انحراف پرتو الکترونی در عملکرد Linac اختلال ایجاد می‌کند و باعث می‌شود که هدف را از دست بدهد.

شبیه سازی مغناطیسی و الکترومغناطیسی

برای غلبه بر این چالش ها، تیم از COMSOL Multiphysics برای درک بهتر اثرات فیزیکی که عملکرد سیستم Linac-MR را کاهش می دهد، استفاده کرده است. شبیه‌سازی‌های مغناطیسی در طراحی محافظ برای محافظت از Linac و جلوگیری از کاهش کیفیت تصویر از MRI ​​مهم بودند. در ابتدا سپر یک صفحه فولادی به ضخامت 5 سانتی متر بود که ابعاد آن 200 سانتی متر در 200 سانتی متر بود. با استفاده از شبیه‌سازی، آن‌ها توانستند سپر را به شعاع 30 سانتی‌متر و ضخامت 6 سانتی‌متر کاهش دهند و در نتیجه وزنی تقریباً یک‌سوم مقدار اولیه ایجاد کنند.

شبیه سازی در بهینه سازی هندسه سیستم هیبرید Linac-MR بسیار ارزشمند بود. طرح هایی که در آن اسکنر MR می تواند در جهت عرضی و طولی حرکت کند، که در شکل های زیر نشان داده شده است، پیشنهاد و ارزیابی شد.

هندسه دوسطحی چرخشی عرضی.	هندسه دوسطحی دوار طولی.

در ابتدا، هندسه عرضی کامل با سپر دایره ای ساخته شد و مطابق تصاویر زیر مورد آزمایش قرار گرفت.

نمای جلوی سیستم Linac.	نمای جانبی سیستم Linac.

شبیه‌سازی و آزمایش‌ها برای بررسی تغییرات میدان مخصوص زاویه که می‌تواند کیفیت تصویر را کاهش دهد، انجام شد. برای انجام این کار، سیستم Linac به دور اسکنر MR چرخانده شد. فالون و تیمش دریافتند که نصب سیستم Linac و اسکنر MR روی یک دروازه به آنها امکان می‌دهد با هم حرکت کنند و اعوجاج را در میدان کاهش دهند. این پیکربندی یکپارچه به عنوان یک هندسه دوسطحی دوار نامیده می شود.

با این حال، تغییر هندسه طولی به سوراخی در مرکز آهنربا برای عبور اشعه ایکس نیاز دارد. این می تواند منجر به ناهمگنی میدان شود که با استفاده از شبیه سازی ارزیابی و بهینه شد.

یکی دیگر از جزئیات جالب و مهمی که آنها باید در نظر می گرفتند طراحی سیستم Linac بود. طرح آنها مستلزم سیستمی است که قادر به تولید پرتو الکترونی 10 مگا ولت باشد. در ابتدا، آنها تخمین زدند که یک موجبر به طول 70 سانتی متر مورد نیاز است. با این حال، نتایج شبیه سازی (در شکل های زیر نشان داده شده است) نشان داد که یک موجبر 30 سانتی متری کافی است. موجبر کوچکتر به این معنی است که آنها می توانند اتاق کوچکتری برای Linac-MR بسازند و هزینه های محافظت از اتاق را بیشتر کاهش دهند.

نمای بریده از موجبر سیستم Linac با حفره های RF.

توزیع میدان الکترومغناطیسی در یک موجبر کوتاه 10 مگا ولت.

نقاط عطف برای پروژه Linac-MR

تیم پروژه Linac-MR قبلاً ملاقات کرده است و در راه رسیدن به برخی نقاط عطف بسیار مهم است. این پروژه در سال 2005 آغاز شد و تنها پس از سه سال آنها اولین نمونه اولیه Linac-MR عرضی را ارائه کردند. تا سال 2016، آنها انتظار دارند که یک Linac-MR تمام بدن در استفاده عمومی داشته باشند.

بیشتر خواندن

• مقاله کامل را در صفحه 18 COMSOL News 2013 ، “درمان سرطان با ردیابی تومور MRI” ببینید