강하게 집중된 양성자 빔을 사용한 고정밀 양성자 치료를 위한 선명한 선량 프로파일

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18919(2022) 이 기사 인용

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방사선 치료의 주요 목적은 건강한 조직과 민감한 기관에 방사선으로 인한 손상을 최소화하면서 이온화 방사선의 치료 가능성을 활용하는 것입니다. 양성자빔 치료는 기존의 X선 조사에 비해 더 높은 정밀도와 선량 적합성을 가지고 종양에 방사선을 조사하기 위해 개발되었습니다. 더 좁은 양성자 빔을 사용하면 이 치료 방식의 선량 적합성이 더욱 향상될 수 있습니다. 그러나 이는 조직을 통한 양성자의 다중 쿨롱 산란에 의해 제한됩니다. 이 연구의 주요 목적은 좁은 양성자빔을 생성하고 결과적인 선량 프로파일을 조사하는 기술을 개발하는 것이었습니다. 우리는 (1) 금속 콜리메이터(100/150 MeV), (2) 기존의 집속(100/150 MeV), (3) 고에너지 집속(350 MeV)의 세 가지 양성자 빔 성형 기술을 소개하고 평가했습니다. 총격) 양성자 빔. 포커싱은 트위스 매개변수 \(\alpha\) (\(\alpha _0\))의 초기 값에 의해 제어되었으며 자성 입자 가속기 광학으로 구현될 수 있습니다. 수중 선량 분포는 Geant4를 사용하여 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 계산되었으며, 표적의 횡빔 크기(\(\sigma _T\)) 외에 표적 대 표면 선량비(TSDR)로 평가되었습니다. 목표는 브래그 피크 또는 초점의 위치로 정의되었습니다. 서로 다른 기술은 크게 다른 선량 프로파일을 보여 주었는데, 초점을 맞추면 상대적으로 더 높은 상대적 목표 선량과 1차 양성자의 효율적인 사용이 가능해졌습니다. 반경 \(<\,2~\mathrm{mm}\)을 갖는 금속 콜리메이터는 낮은 TSDR(\(<~0.7\))과 큰 \(\sigma _T\)(\(>~3.6~\hbox {mm)을 제공했습니다. }\)). 대조적으로, 기존의(\(150~\hbox {MeV}\)) 에너지의 집속된 빔은 시준된 빔과 유사한 \(\sigma _T\)를 갖는 매우 높은 TSDR(\(>~80\))을 생성했습니다. 고에너지 집속 빔은 약 1.5mm의 TSDR \(>~100\) 및 \(\sigma _T\)를 생성할 수 있었습니다. 이 연구에서 위험에 처한 건강한 장기에 가까운 작은 병변이나 종양의 방사선 치료에 자기 집중 양성자 빔을 구현하는 것이 매우 매력적인 것으로 나타났습니다. 이는 또한 공간 분할 방사선 치료의 패러다임 변화로 이어질 수 있습니다. 자기 포커싱은 1차 양성자의 손실이 적기 때문에 FLASH 조사를 촉진합니다.

방사선 요법(RT)은 완치 및 완화 암 치료에 가장 일반적으로 사용되는 방식 중 하나입니다1. 외부빔 방사선치료(EBRT)의 경우 고에너지 X선이 가장 일반적으로 사용됩니다. 또는 전자, 양성자 및 중이온과 같은 하전 입자가 뚜렷한 선량 프로파일로 인해 사용될 수 있습니다. 양성자나 중이온은 범위의 마지막 몇 밀리미터 내에 많은 양을 축적합니다. 이 피크 선량 영역은 브래그 피크2로 알려져 있습니다. 무거운 하전 입자의 이러한 특징은 X선에 비해 EBRT의 선량 적합성을 향상시켜 정상 조직을 더 잘 보호합니다3. 따라서 양성자는 소아암, 부피가 큰 저산소 종양 및 위험 기관(OAR) 근처의 병변을 치료하는 데 특히 유익합니다4,5. 암 치료에 양성자를 사용하는 것은 새로운 개념이 아닙니다. 1946년에 로버트 R. 윌슨(Robert R. Wilson)은 처음으로 치료를 위해 고에너지 양성자 빔 사용을 제안했으며6, 첫 번째 환자는 1954년 버클리 방사선 연구소(Berkeley Radiation Laboratory7)에서 치료를 받았습니다. 그러나 양성자 치료는 지난 20년 동안 상당한 관심을 받아왔습니다.

EBRT 중 건강한 조직의 노출은 불가피합니다. 미니빔8, 마이크로빔9, GRID10 및 FLASH11과 같은 다양한 방사선 치료 접근법이 지난 몇 년 동안 도입 및 연구되었으며, 양성자 빔을 사용하여 이러한 실험적 치료법의 효능을 높였습니다. 현재 양성자 스폿 스캐닝 기술은 자기 초점을 활용하여 빔을 일반적으로 가로 반경 5mm의 연필 빔으로 형성하고 자기 스위핑을 통해 대상을 덮습니다. 개선된 빔 전달 시스템을 사용하는 보다 진보된 빔 성형 기술은 EBRT의 부작용을 줄이기 위해 깊은 표적에 작은 방사선량 지점을 생성하는 것이 보장됩니다. 그러나 주변의 건강한 조직에 상당한 선량을 조사하지 않고 작은 심부 종양에 방사선을 조사하는 것은 다중 쿨롱 산란(MCS)으로 인해 빔이 넓어지고 1차 양성자의 손실이 발생하기 때문에 여전히 어려운 일입니다. 좁은 빔은 또한 정상 조직 합병증을 줄이기 위해 선량-체적 효과를 활용하는 것을 목표로 하는 공간 분할 방사선 치료(SFRT, GRID라고도 함)의 필수 요소입니다12.

~350~\mathrm{MeV}\), shoot-through14 or transmission mode15) have the potential to reduce the entrance dose, while simultaneously achieving a smaller spot size at a deep-seated target than what is currently available with conventional spot scanning. The characteristics of magnetically focused beams of very high energy electrons (VHEE) have recently been assessed for therapeutic applications16,17,18, and high energy focused protons have similar properties but scatter less due to the higher proton mass./p> 0\). For all \(\alpha _0 > 0\), the beam at the target is always smaller than the initial beam, so that \(\sigma _T / \sigma _0 \le 1\), i.e. the beam is de-magnified./p>

40 Gy/s) has been recommended to achieve a FLASH effect11. Moreover, a high dose rate can be utilized to overcome the loss of precision caused by tumor motion. The CEFP technique can utilize a larger fraction of accelerated protons to deposit a dose at the target compared to CECP, facilitating proton FLASH therapy. However, for HEFP the ultimate dose rate is reduced since much of the beam energy is deposited outside of the patient. This is however partially compensated at low \(d_T\) since no lossy energy degrading system is needed, increasing the technically achievable beam current. Even though focused beams can reduce the entrance dose for small targets, the irradiation of large targets with a homogeneous dose requires several beams. These beams will overlap near the entrance, reducing the TSDR advantage of the focused beams./p>