利用模拟、射频和电磁学快速靶向癌症

虽然每个癌症病例都是个别的，但有一个共同的事实:时间至关重要。我们经常听说时间在诊断或早期发现中是至关重要的，但它对治疗也是必不可少的。

医疗技术制造商的工程师和射频(RF)专家TibaRay正在开发一种突破性的放射治疗(RT)系统，该系统的放射肿瘤的速度比目前的传统放射治疗快400倍。因此，加速治疗有望解决阻碍个别患者治愈治疗的问题，并在与现有方法相同的时间内使更多的患者受益。

作为一名成员万博Ansys启动程序这家总部位于加州的公司正在开发下一代RT技术，通过应用Ansys的电磁(EM)求解器和计算流体动力学(CFD)仿真软件，实现更快、更准确、更经济的解决方案。万博更重要的是，TibaRay正在利用模拟技术，希望最终为治疗癌症做出重要贡献，并将这种治疗方法——他们称之为癌症治疗的“圣杯”——在2020年之前推向市场。

Ansys开创性解决方案万博

TibaRay成立于2014年，当时一群扎根于斯坦福大学社区的放射肿瘤学、射频和工程学专家汇集了他们的知识和资源，为癌症治疗创造了革命性的解决方案。

斯坦福癌症研究所(Stanford Cancer Institute)的放射肿瘤学家比尔·卢(Bill Loo)博士在使用放射治疗肺部肿瘤方面有着丰富的经验，他认识到在呼吸引起的肿瘤运动与在不辐射周围健康组织的情况下更准确、快速、有效地提供放射之间存在一个反复出现的问题。在寻找解决方案时，他找到了萨米·坦塔维(Sami Tantawi)。坦塔维是SLAC国家加速器实验室的微波射频专家和电气工程师，该实验室是斯坦福大学(Stanford University)运营的美国能源部国家实验室。

坦塔维和他的团队刚刚在开发最先进的粒子加速器方面取得了突破性的发现，这远远超过了现有技术的能力。粒子加速器是一种利用电磁场推动带电粒子以极高的速度和能量通过精心形成的光束的机器。换句话说，他们正在开发线性粒子加速器，也被称为直线加速器，可以解决Loo的主要挑战。

Loo和Tantawi立即合作，通过将粒子物理学的最新发展与癌症治疗相结合，改造了目前的RT系统。为了装备最新的仿真工具，两人通过Ansys的精英渠道合作伙伴了解了Ansys启动计划。万博Ozen Engineering, Inc。，并于2016年成为会员。该计划通过为早期创业公司提供经济实惠的Ansys仿真解决方案以及技术支持来鼓励他们发展业务。万博

如今，TibaRay拥有大约15名全职员工和少数兼职员工，他们依靠Ansys的模拟和预测准确性开发了一种首创的RT系统，他们称之为PHASER，这是多向、高能、敏捷扫描电子放疗的首字万博母缩略词。

PHASER将线性加速器与射频源和组件相结合，创造出一种非线性、全电子的放射治疗方法，从不同角度以破纪录的速度提供运动冻结精度，从而更好地摧毁肿瘤，而无需在患者周围移动沉重的机械部件。

“我们正在努力做的是一件非常繁重的工作。就设计和我们正在建模的许多组件而言，它非常密集万博Ansys基于TibaRay首席运营官兼首席技术官阿伦•甘古利(Arun Ganguly)表示。“这不是一个典型的创业公司，只有几年的时间，然后你的产品就准备好了，一年左右的创业计划会有所帮助。我们很长一段时间都需要启动帮助，我们非常感谢Ansys启动程序对我们的帮助。”万博

除了HFSS 3D高频电磁仿真软件，TibaRay使用万博Ansys麦克斯韦用于低频电磁机械建模;万博Ansys流利用于CFD分析，以及万博Ansys机械用于应力分析。

为了理解相位器的宽度，想象一只章鱼并将其乘以2。PHASER配备了16个加速器——或者说是肢体——从不同的侧面和角度攻击肿瘤。但由于所有部件都是电子的，所以16个部件中的任何一个都不需要移动。

让我们倒回去看看。首先，为了给相位器提供动力，TibaRay设计了一种高效的速调管——一种线性电子束电子管——它使用周期性的永磁体聚焦，比典型的速调管需要更低的高压电源来运行。

通过将这种高效速调管与射频组合技术相结合，TibaRay工程师能够产生几乎可以无限制缩放的峰值功率。这为加速器创造了更紧凑和高效的射频源，由速调管源-微波发生器提供燃料。

电子被注入粒子加速器，与微波相互作用产生x射线，然后用于放射治疗。值得注意的是，用于治疗目的的x射线比用于诊断成像的x射线辐射剂量高得多。

由于PHASER的设计模拟了电子操作，所以加速器不需要移动。相反，微波功率在每个加速器之间以电子方式切换，这使得研究小组能够以前所未有的速度在没有任何干扰的情况下转移光束的焦点。

通常需要几分钟的放射治疗——根据治疗方案的不同，是3分钟、10分钟还是20分钟——现在减少到一秒钟以下。

模拟电学结果

模拟是TibaRay操作的一个组成部分，以至于Ganguly将HFSS称为相位器设计的“面包和黄油”。

每个粒子加速器都注入了低压电子。此外，每个加速器都有一系列由速调管发出的微波驱动的谐振腔。当电子穿过这些空腔时，它们与内部的微波功率相互作用，在每个空腔中获得动量和增加能量。动量有多大?在2英尺内，电子能量从大约10,000电子伏特的能量发展到10兆电子伏特的能量。

在能量积累的过程中，Ganguly和她的团队研究了谐振腔沿着光束路径的位置。然后将这些包含精确位置的数据输入到HFSS中，以确定每个腔的谐振频率，包括每个腔内的相位角和场分布，同时在Ansys Mechanical中进行应力分析。万博基于这些结果，该团队修改和操纵空腔形状，以实现带电能量和随后辐射的理想方向。

不同的设备设计用于不同的谐振频率- PHASER配备了9.3 GHz的x波段频率。在类似的x波段频率上工作的一些流行设备包括用于空中交通管制、警察雷达和军事空中交通管制的机器。

通过调整HFSS的参数，TibaRay能够设计和影响微波通过光束的流动。最终目标是让微波从速调管源流向加速器，通过光束，没有任何能量滚转或反向流动，这可能会损坏速调管。HFSS还帮助该团队设计了一种监测诊断工具来测量光束本身。

HFSS的EM模拟技术在PHASER的系统设计中发挥着不可或缺的作用，而Fluent则允许团队监控和调整加速器内的热活动。

由于如此高的功率通过光束，必须确保加速器的温度保持热稳定性，并通过循环水进行冷却。在设计过程中，热模拟也会影响空腔的排列方式，以保持与其方向和温度相关的最一致的流动。

由于该团队将HFSS视为相位器设计的面包和黄油，因此Ansys Maxwell可以被视为其储备充足的食品储藏室。万博TibaRay使用其低频电磁仿真来设计速调管——相位器的主要电源——它需要一个特定的强磁场。通过自动自适应网格和先进的磁性建模，Maxwell使团队能够在速调管内实现所需的EM功率并了解其性能。

Ganguly说:“高能物理领域还有其他可用的工具，但我想说Ansys的模拟是最友好、最合理、最准确的方法，它能够在切割金属之前模拟我们所有的系统。”万博“在你真正去做之前，你想象你想做什么。”

快速进行标记处理

PHASER的一个显著特点是它的全电子操作，它消除了机械运动的需要，并显着提高了它的精度和速度。

但最近的一项科学发现进一步增加了相位器的相关性。在传统的放射治疗中，当靶向肿瘤时，周围的健康组织在无意中受损是很常见的。然而，科学家最近发现了一种生物效应，通常被称为“闪光效应”，通过在更短的时间内释放相同数量的辐射来消除这个问题。由于这种令人惊讶的效果，FLASH靶向已经证明，受辐射接触的周围健康组织在没有疤痕或损伤的情况下恢复。

虽然这一突破是单独出现的，但Ganguly解释说，这基本上是PHASER已经被设计来实现的。然而，FLASH效应正在以完全不同的方式使用质子进行研究，需要耗资约1亿美元的机器和设备。

或者，更有利的是，PHASER使用产生高能x射线的电子，其设备成本与传统的RT机器的成本一致，后者的价格明显更实惠，只有质子FLASH机器的十分之一。最重要的是，它可以提供相同的FLASH效果与相同的运动管理，速度和精度。

PHASER也是一台内置CT扫描仪的一体机，而典型的RT系统只有一个能够进行2D投影的平板探测器。PHASER将CT扫描仪直接集成到系统中，在治疗过程中产生实时高质量图像，达到即时精度。一旦肿瘤的位置被成像确定，治疗在它移动之前就结束了。

强大的完美需要时间

开发PHASER的第一个工程原型需要时间，但没有你想象的那么长。

由于本地计算只能处理一定数量的数据和计算，Ganguly计划利用Ansys的云计算能力来加快开发。万博虽然团队将继续在本地确定单个参数，但Ganguly打算在云中优化和加速更大的全系统计算。

按照这个速度，TibaRay预计PHASER原型将在四年内完成，并向FDA申请510(k)许可，这将允许它作为安全有效的放射治疗产品上市。一旦这一点得到保证，TibaRay将与领先的放射肿瘤学中心协调，将PHASER机器放置在现场治疗临床试验中的患者，并收集足够的数据来支持这项技术。