变革性癌症疗法可更大程度地降低对健康组织的损伤

大约90%的肿瘤治疗成功案例要归功于手术和放疗的成效。广为人知的非侵入式癌症疗法（化疗和放疗）会对人体造成严重影响，严重损伤健康细胞和肿瘤细胞。高速粒子束的应用，朝着开发更具靶向性和更有效的癌症疗法迈出了一大步，这种治疗方法可以使健康组织免受损伤，当癌症扩散到人体重要器官附近时，采用这种疗法尤为重要。

自上世纪50年代初期以来，许多治疗中心都采用了强子疗法，最新的技术发展加速了意大利国家肿瘤强子治疗中心(CNAO)对治疗技术的研究，该中心位于意大利帕维亚，由意大利卫生部创立并进行资助，致力于为意大利各地的患者提供治疗。根据不同肿瘤的形成方式，肿瘤学家必须频繁调整粒子束的物理特性，以优化疗效，这种优化的实现需要基于精准的控制系统。将高能电离粒子精确对准目标肿瘤后，就会有更少的能量沉积到目标组织周围的健康组织中。

技术

在选择控制系统相关技术时，CNAO管理层更倾向于投资欧洲公司开发的完整控制系统，最终选择与SIDeA合作。SIDeA是一家以技术为本的公司，以客户支持为导向，并以开发物理实验控制和数据采集系统方面的专业知识而闻名。

管理强子疗法非常复杂，需要互联近300台设备来控制机器的运行以及治疗室的进入。为了在核辐射放射期间安全地进入治疗室，SIDeA基于NILabVIEW FPGA模块和NI PXI硬件开发了安全联锁系统。用于创建并控制实际粒子束的系统需要将Windows用户界面连接至基于FPGA的实时设备，以便于控制。NI LabVIEW系统设计软件通过集成并简化单个开发环境中的多个异构计算设备，让问题不再复杂。

定时和同步是安全创建和控制粒子束的关键需求。为满足严苛的100 µs分辨率要求，利用LabVIEW Real-Time模块和PXI开发了一种基于以太网的独特消息传输协议。对于更严格的50 ns分辨率要求，我们采用了基于专用PXI模块的光纤网络。

将粒子束靶向肿瘤需要系统准备粒子束，然后测量并控制粒子束的强度和位置，同时将其均匀地发射到肿瘤上。此类系统使用LabVIEW和实时NI PXI以及基于NI CompactRIO FPGA的硬件开发而成，每微秒测量一次粒子束强度，每100 µs测量一次粒子束位置，精度为100到200微米，具体视需要而定。该粒子束控制系统可提供科学家操作粒子束所需的精确测量、实时控制和数据可视化功能。

使用NI硬件和软件开发开放式架构意味着，基于商用现成产品的项目可能遇到的挑战将得到妥善解决。PXI架构的灵活性，再加上LabVIEW的强大功能以及基于LabVIEW RIO架构的NI硬件的可靠性能，有助于通过灵活和创新的解决方案快速满足客户的要求。

在完成质子束的剂量和放射生物测试之后，CNAO获得了治疗患者的授权。根据意大利放射治疗和肿瘤协会的统计数据，估计将有超过3%的意大利放疗病人（每年新增3,000多名患者）会接受强子疗法，且该数字将稳步增加。

作者信息：

Luigi Tremolada
SIDeA
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