Sự hình thành, phát triển và thách thức trong tương lai của liệu pháp ion từ góc nhìn của nhà vật lý y khoa (phần 1). Giới thiệu và Chương 1. Hệ thống gia tốc và phân phối chùm ion

Radiological Physics and Technology - Tập 15 - Trang 271-290 - 2022
Masahiro Endo1
1Association for Nuclear Technology in Medicine, Tokyo, Japan

Tóm tắt

Liệu pháp bức xạ điều trị ung thư bằng cực Bragg của chùm ion đã có những bước tiến vững chắc sau khi được Robert Wilson đề xuất vào năm 1946. Đến cuối năm 2020, đã có 12 thiết bị điều trị chuyên dụng đang hoạt động trên toàn thế giới, và khoảng 40,000 bệnh nhân đã được điều trị bằng chùm ion (chủ yếu là ion carbon). Đến nay, liệu pháp chùm ion vượt trội hơn các phương pháp điều trị khác cho các loại ung thư hiếm gặp ở đầu và cổ cũng như xương và mô mềm; tuy nhiên, gần đây, các bằng chứng được nộp ở Nhật Bản cho việc sửa đổi bảo hiểm y tế công cộng năm 2022 cho thấy liệu pháp chùm ion vượt trội hơn liệu pháp photon cho các loại ung thư thường gặp không thể chữa trị như ung thư tuyến tụy và ung thư gan. Điều này có thể mở rộng đáng kể chỉ định của nó. Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley ở Hoa Kỳ bắt đầu nghiên cứu liệu pháp chùm ion, Viện Khoa học X-quang Nhật Bản đã xây dựng thiết bị chuyên dụng đầu tiên Heavy Ion Accelerator tại Chiba và bắt đầu nghiên cứu lâm sàng có hệ thống, và GSI ở Đức phát triển phương pháp chiếu xạ quét và định vị gantry lần đầu tiên. Bài báo này trình bày lịch sử và những thách thức trong tương lai của liệu pháp chùm ion trong ba lĩnh vực: hệ thống gia tốc và phân phối chùm, mô hình vật lý/sinh học và hệ thống lập kế hoạch điều trị, và nghiên cứu lâm sàng. Nghiên cứu này được chia thành ba phần mô tả những thành tựu và vai trò của ba phòng thí nghiệm.

Từ khóa

#liệu pháp chùm ion #bức xạ ung thư #cực Bragg #nghiên cứu lâm sàng #hệ thống gia tốc

Tài liệu tham khảo

World Health Organization. Global health estimates 2020: Deaths by cause, age, sex, by country and by region, 2000-2019. https://www.who.int/data/gho/data/themes/mortality-and-global-health-estimates/ghe-leading-causes-of-death (Accessed 20 Jun 2022) Endo M. History of medical physics. Radiol Phys Technol. 2021;14:345–57. Wilson RR. Radiological use of fast protons. Radiology. 1946;47:487–91. International Commission on Radiation Units and Measurements. ICRU Report 93. Prescribing, recording, and reporting light ion beam therapy. Journal of ICRU. 2019; Vol 16: No 1–2. https://www.icru.org/report/icru-report-93-prescribing-recording-and-reporting-light-ion-beam-therapy/ (Accessed 16 Aug 2022) Tobias CA, Anger HO, Lawrence JH. Radiological use of high energy deuterons and alpha particles. Am J Roentgenol Radiat Ther Nucl Med. 1952;67:1–27. Particle therapy cooperation group (PTCOG). Patient statistics. https://www.ptcog.ch/images/patientstatistics/Patientstatistics-updateDec2020_Apr2022_final.pdf (Accessed 20 Jun 2022) Endo M. Construction of Heavy Ion Accelerator in Chiba (HIMAC) and its consequences—From medical physics viewpoint: Part 1. Period until treatment start (1975–1994). Jpn J Med Phys. 2021;40:61–7 (in Japanese). Endo M. Construction of heavy ion accelerator in Chiba (HIMAC) and its consequences—From medical physics viewpoint: Part 2. Advancement of broad beam irradiation and development of a new compact-sized therapy accelerator (1994–2010). Jpn J Med Phys. 2020;40:97–105 (in Japanese). Endo M. Construction of heavy ion accelerator in Chiba (HIMAC) and its consequences—From medical physics viewpoint: Part 3. Development of scanning irradiation and construction of new facility (2006–). Jpn J Med Phys. 2020;40:126–38 (in Japanese). Endo M. Construction of heavy ion accelerator in Chiba (HIMAC) and its consequences—From medical physics viewpoint: Part 4. Outline of clinical research and future prospects. Jpn J Med Phys. 2021;41:10–21 (in Japanese). Endo M. Robert R. Wilson (1914–2000): the first scientist to propose particle therapy-use of particle beam for cancer treatment. Radiol Phys Technol. 2018;11:1–6. Boone ML, Lawrence JH, Connor WG, et al. Introduction to the use of protons and heavy ions in radiation therapy: historical perspective. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1977;3:65–9. Jose R. Alonso JR, Castro JR. Light-ion therapy in the US: From the Bevalac to ??. XVI Congress of Health Econometrics of the IAEA, Ajaccio, France, 9–11 Oct 2002. https://www.osti.gov/servlets/purl/803872 (Accessed 20 Jun 2022) Ghiorso A, Grunder H, Hartsough W, et al. The Bevalac—an economical facility for very high energetic heavy particle research. IEEE Trans Nucl Sci. 1973;NS20:155–8. Linstadt DE, Castro JR, Philips T. Neon ion radiotherapy: results of the phase I/II clinical trial. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1991;20:761–9. Chu WT, Ludewigt BA, Renner TR. Instrumentation for treatment of cancer using proton and light ion beams. Rev Sci Instrument. 1993;64:2055–122. NIRS Committee for Particle Therapy Research: Medical heavy particle accelerator. In: Progress report 1980 on the medical use of particle accelerators. 1980. p. 206–41. http://id.nii.ac.jp/1657/00073539/(in Japanese). Accessed 20 June 2022. Kawachi K, Kanai T, Endo M, et al. Radiation oncological facilities of HIMAC. J Jastro. 1989;1:19–29. Hirao Y, Ogawa H, Yamada S, et al. Heavy ion synchrotron for medical use-HIMAC project at NIRS, Japan-. Nucl Phys. 1992;A538:541c–50c. Noda K, Furukawa T, Fujimoto T, et al. Recent progress and future plans of heavy-ion cancer radiotherapy with HIMAC. Nucl Instr Meth Phys Res. 2017;B406:374–8. Minohara S, Kanai T, Endo M, et al. Respiratory gated irradiation system for heavy-ion radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2000;47:1097–103. Ohara K, Okumura T, Akisada M, et al. Irradiation synchronized with respiration gate. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1989;17:853–7. Noda K, Kanazawa M, Itano M, et al. Slow beam extraction by a transverse RF filed with AM and FM. Nucl Instrum Methods Phys Res A. 1996;374:269–77. Iwata Y, Furukawa T, Noda K, et al. Update of an accelerator control system for the new treatment facility at HIMAC. Proceedings of EPAC08, pp1800–1802, 2008. Kanai T, Kawachi K, Matsuzawa H, et al. Broad beam three-dimensional irradiation for proton radiotherapy. Med Phys. 1983;10:344–6. Futami Y, Kanai T, Fujita M, et al. Broad-beam three-dimensional irradiation system for heavy-ion radiotherapy at HIMAC. Nucl Instrum Methods Phys Res. 1999;A430:143–53. Kanematsu N, Endo M, Futami Y, et al. Treatment planning for the layer-stacking irradiation system for three-dimensional conformal heavy ion radiotherapy. Med Phys. 2002;29:2823–9. Itano A. Accelerator facility PATRO for hadrontherapy at Hyogo Ion Beam Medical Center. The 13th Symposium on Accelerator Science and Technology, Suita, Osaka, Japan, October 2001 pp.160–164 Noda K, Furukawa T, Fujisawa T, et al. New accelerator facility for carbon-ion cancer-therapy. J Radiat Res. 2007;48:A43–54. Iwata Y, Yamada S, Murakami T, et al. Performance of a compact injector for heavy-ion medical accelerators. Nucl Instrum Methods Phys Res. 2007;A572:1007–21. Kanazawa M, Misu T, Sugiura A, et al. RF cavity with Co-based amorphous core. Nucl Instrum Methods Phys Res. 2006;A566:195–204. Yonai S, Kanematsu N, Komori M, et al. Evaluation of beam wobbling methods for heavy ion radiotherapy. Med Phys. 2008;35:927–38. Haberer T, Becher W, Schardt D, et al. Magnetic scanning system for heavy ion therapy. Nucl Instr Meth Phys Res. 1993;A330:296–305. Eickhoff H, Haberer T, Kraft G et.al. The GSI cancer therapy project. Proceedings of the 1997 IEEE Particle Accelerator Conference pp.3801–3803, 1997. Pedroni E, Bacher R, Blattmann H, et al. The 200-MeV proton therapy project at the Paul Scherrer Institute: conceptual design and practical realization. Med Phys. 1995;22:37–53. Krämer M, Jäkel O, Haberer T, et al. Treatment planning for heavy-ion radiotherapy: physical beam model and dose optimization. Phys Med Biol. 2000;45:3299–317. Eickhoff H, Haberer T, Schlitt B, et al. HICAT—the German hospital-based light ion cancer therapy project. Proc EPAC. 2004;2004:290–4. Jensen AD, Münter MW, Debus J. Review of clinical experience with ion beam radiotherapy. Br J Radiol. 2011. https://doi.org/10.1259/bjr/71511359. Ondreka D, Weinrich U. THE Heidelberg ion therapy (HIT) accelerator coming into operation. Proceedings of EPAC08, pp.979–981, 2008. Fuchs R, Weinrich U, Sust E. Assembly of the carbon beam gantry at the Heidelberg ion therapy (HIT) accelerator. Proceedings of EPAC08, pp.1839–1841, 2008. Inaniwa T, Furukawa T, Kanematsu N, et al. Evaluation of hybrid depth scanning for carbon-ion radiotherapy. Med Phys. 2012;39:2820–5. Furukawa T, Inaniwa T, Sato S, et al. Moving target irradiation with fast rescanning and gating in particle therapy. Med Phys. 2010;37:4874–9. Furukawa T, Inaniwa T, Sato S, et al. Performance of the NIRS fast scanning system for heavy-ion radiotherapy. Med Phys. 2010;37:5672–82. Furukawa T, Hara Y, Mizushima K, et al. Development of NIRS pencil beam scanning system for carbon ion radiotherapy. Nucl Instr Meth Phys Res. 2017;B404:361–7. Sato S, Furukawa T, Noda K. Dynamic intensity control system with RF-knockout slow-extraction in the HIMAC synchrotron. Nucl Instr Meth Phys Res. 2007;A574:226–31. Furukawa T, Hara Y, Mizushima K, et al. Commissioning of scanning system on rotating gantry at NIRS-HIMAC. In: Proceedings of the 13th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan. 2016. p. 758–62 (in Japanese). Iwata Y, Noda K, Shirai T, et al. Design of a superconducting rotating gantry for heavy-ion therapy. Phys Rev ST Accel Beams. 2012;15: 044701. Iwata Y, Fujimoto T, Matsubara T, et al. Beam commissioning of a superconducting rotating-gantry for carbon-ion radiotherapy. Nucl Instr Meth Phys Res. 2016;A834:71–80. Badziak J. Laser-driven ion acceleration: methods, challenges and prospects. J Phys. 2018;959: 012001. https://doi.org/10.1088/1742-6596/959/1/012001. Takayama S, Orikasa T, Yoshiyuki T, et al. Development of a superconducting magnet for synchrotron of heavy-ion radiotherapy system. In: Proceedings of the 15th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagaoka, Japan, Aug 8–10. 2018 (in Japanese). Fujimoto T, Iwata Y, Mizushima K, et al. Design of the superconducting magnet for compact heavy-ion synchrotron. In: Proceedings of the 16th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Sapporo, Japan, July 31–Aug. 3. 2019. p. 642–4 (in Japanese). Mizushima K, Shirai T, Iwata Y, et al. Design of a superconducting magnet for synchrotron of heavy-ion radiotherapy. In: Proceedings of the 14th annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Sapporo, Japan, August 1–3. 2017. p. 1243–5 (in Japanese). National Institute for Quantum Science and Technology. ‘Quantum Scalpel’ research project. https://www.qst.go.jp/site/qst-kakushin/39695.html (in Japanese). Accessed 20 June 2022. Brobeck WM. Design and construction of the Bevatron. UCRL-3912 1957. https://www.osti.gov/biblio/876733-design-construction-bevatron Itano A, Kumada M, Sato K, et al. Bending magnet of the HIMAC heavy-ion synchrotron. Proceedings of the 8th Symposium on Accelerator Science and Technology, 1991, pp. 202–204