用模拟、射频和电磁在一瞬间瞄准癌症

虽然每个癌症病例都是个体的，但有一个共同的真理:时间很关键。我们经常听到时间在诊断或早期发现中至关重要，但对治疗来说也是必不可少的。

医疗技术制造商的工程师和射频(RF)专家TibaRay正在开发一种开创性的放射治疗(RT)系统，该系统对肿瘤的照射速度将比目前的传统放射治疗快400倍。因此，这种加速治疗有望解决阻碍对个别患者进行治愈性治疗的问题，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)模拟软件，实现更快、更准确、更经济的解决方案。万博更重要的是，TibaRay正在使用模拟技术，希望最终能够为治疗癌症做出重要贡献，并在2020年之前将这种被他们称为癌症治疗“圣杯”的治疗方法推向市场。

使用Ansys的开创性解决方案万博

TibaRay成立于2014年，当时一群在斯坦福大学社区扎根的放射肿瘤学、射频和工程方面的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丰富的经验，他认识到一个反复出现的问题，即呼吸引起的肿瘤运动与在不照射周围健康组织的情况下更准确、更快速、更有效地进行放射治疗之间存在挑战。在寻找解决方案时，他找到了萨米·坦塔维(Sami Tantawi)。坦塔维是斯坦福大学运营的美国能源部国家实验室SLAC国家加速器实验室的微波射频专家和电气工程师。

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，这种机器利用电磁场推动带电粒子以非常高的速度和能量通过精心形成的光束，这远远超过了现有技术的能力。换句话说，他们正在开发线性粒子加速器，也被称为线性加速器，这可以解决Loo的主要挑战。

Loo和Tantawi立即合作，将粒子物理学的最新进展与癌症治疗结合起来，改造了目前的RT系统。为了装备最新的仿真工具，这对搭档通过Ansys的精英频道合作伙伴了解了Ansys启动计划，万博Ozen工程公司并于2016年成为会员。该计划通过提供可负担得起的Ansys模拟解决方案以及技术支持来鼓励早期创业公司，以帮助他们发展业务。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的模拟和预测精度开发了一种首创的RT系统，他们称之为PHASER，这是多向、高能、敏捷扫描电子放射治疗的首万博字母缩写。

PHASER将线性加速器与射频源和组件相结合，创建了一种非线性的、全电子的放射治疗方法，从各个角度以破纪录的速度提供运动冻结精度，从而更好地破坏肿瘤，而无需在患者周围移动沉重的机械部件。

“我们要做的是一件非常沉重的事情。就设计和我们建模的许多组件而言，这是非常密集的万博Ansys基于TibaRay首席运营官兼首席技术官阿伦•刚古利表示。“这不是一个典型的创业公司，它只需要几年的时间，然后你就准备好了你的产品，一年左右的创业计划会有所帮助。我们在很长一段时间内都需要启动帮助，我们非常感谢Ansys启动计划提供的帮助。”万博

除HFSS三维高频电磁仿真软件外，TibaRay使用万博Ansys麦克斯韦用于低频电磁机器建模，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(或肢体)，从不同的角度攻击肿瘤。但是因为所有的东西都是电子的，所以不需要移动16个部件中的任何一个。

但是让我们往回看。首先，为了给相位器供电，TibaRay设计了一个高效的速调管——一个线性束电子真空管——它使用周期性的永磁体聚焦，并且需要比典型速调管低得多的高压电源来运行。

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没有限制的峰值功率。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射线具有更高的辐射剂量。

而且因为相位器是通过模拟电子操作设计的，加速器不需要移动。相反，微波功率在每个加速器之间通过电子方式切换，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，可以是3分钟、10分钟或20分钟——现在减少到一秒钟以内。

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谐振腔，这些谐振腔由速调管发出的微波供电。当电子通过这些空腔时，它们与它们内部的微波功率相互作用，在每个空腔中获得动量并增加能量。有多少动量?在2英尺内，电子功率从大约10,000电子伏特的能量发展到10兆电子伏特的能量。

在能量积聚的过程中，Ganguly和她的团队研究了谐振腔沿光束路径的位置。这些数据包括精确的位置，然后输入HFSS，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，研究小组修改和操纵腔的形状，以实现电荷能量和后续辐射的理想方向。

不同的器件设计用于不同的谐振频率-相位器配备的x波段频率为9.3 GHz。使用类似x波段频率的一些流行设备包括用于空中交通管制、警用雷达和军事空中交通管制的机器。

通过调整HFSS中的参数，TibaRay能够设计并影响微波在光束中的流动。最终的目标是让微波从速调管源流向加速器，通过光束，而不产生任何能量滚动或反向流动，否则可能会损坏速调管。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的电磁模拟能力在PHASER的系统设计中扮演着不可或缺的角色，Fluent允许团队监测和调整加速器内的热活动。

有如此高的功率通过光束泵送，必须确保加速器内的温度保持热稳定，并由循环水冷却。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，Ansys Maxwell可以被认为是其库存丰富的储藏室。万博TibaRay使用低频电磁模拟来设计速调管——相位器的主要电源——这需要一个特定的强磁场。通过自动自适应网格划分和先进的磁建模，Maxwell使团队能够在速调管中实现所需的EM功率，并了解其性能。

Ganguly说:“对于高能物理世界，还有其他可用的工具，但我想说Ansys的模拟是最友好、最合理准确的方式，可以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，你会想象你想做什么。”

即时治疗

相位器的一个独特的特点是它的完全电子操作，这消除了机械运动的需要，并显著提高其精度和速度。

但最近的一项科学发现进一步增加了相位器的相关性。在常规放疗中，当靶向肿瘤时，周围的健康组织无意中受损是一种常见现象。然而，科学家们最近发现了一种通常被称为“FLASH效应”的生物效应，它通过在更短的时间内提供等量的辐射来解决这个问题。FLASH靶向已经证明，由于这种令人惊讶的效果，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，这本质上是相位器已经被设计用来实现的。然而，FLASH效应是在一个完全不同的机制下使用质子进行研究的，需要花费约1亿美元的机器和设备。

或者，更有利的是，相位器使用电子产生高能x射线，其设备成本与传统RT机器的成本一致，这是质子FLASH机器价格的十分之一，明显更实惠。最重要的是，它可以提供相同的FLASH效果，具有相同的运动管理，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。通过将CT扫描仪直接集成到系统中，PHASER可以在治疗过程中产生实时高质量的图像，达到即时的准确性。一旦通过影像学确定了肿瘤的位置，在它移动之前就完成了治疗。

强大的完美需要时间

开发相位器的第一个工程原型需要时间，但并不像你想象的那么长。

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的云计算能力来加速开发。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。

按照这样的速度，TibaRay公司预计将在四年内完成PHASER原型机，并向FDA申请510(k)许可，这将使其能够作为安全有效的放射治疗推向市场。一旦这一点得到保障，TibaRay将与领先的放射肿瘤中心协调，在现场放置相位机，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。