用模拟、射频和电磁学在一瞬间瞄准癌症

虽然每个癌症病例都是个别的，但有一个共同的真理:时间是关键。我们经常听到时间在诊断或早期发现中是多么重要，但它对治疗同样重要。

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，该系统将以比现在的传统RT快400倍的速度对肿瘤进行放射治疗。因此，这种加速治疗有望解决个别患者无法治愈的问题，并在与现有方法相同的时间内使更多的患者受益。

作为一个成员Ansys启动程序目前，该公司正在利用Ansys的电磁(EM)求解器和计算流体动力学(CFD)模拟软件开发新一代RT技术，以实现更快、更准确、更低成本的解决方案。更重要的是，TibaRay正在使用模拟技术，希望最终为治愈癌症提供必要的贡献，并将这种治疗方法——他们称之为癌症治疗的“圣杯”——在这个十年结束前推向市场。

利用Ansys开拓解决方案

TibaRay成立于2014年，当时一群根植于斯坦福大学社区的放射肿瘤学、射频和工程领域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辐射周围健康组织的情况下更准确、快速和有效地提供放射之间的挑战。为了寻找解决方案，他找到了萨米·坦塔维(Sami Tantawi)。坦塔维是斯坦福大学(Stanford University)运营的美国能源部SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的微波射频专家和电气工程师。

Tantawi和他的团队刚刚在研发最先进的粒子加速器方面取得了突破性的发现——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，也被称为直线加速器，可以解决Loo的主要挑战。

Loo和Tantawi立即将粒子物理学的最新发展与癌症治疗结合起来，改造了当前的RT系统。为了装备最新的仿真工具，两人通过Ansys的Elite Channel Partner学习了Ansys Startup Program，孩于工程有限公司，并于2016年成为会员。该项目通过提供合理的Ansys模拟解决方案和技术支持来鼓励早期创业公司，以帮助推进他们的业务。

如今，TibaRay大约有15名全职员工和少数兼职员工，他们依靠Ansys的模拟和预测精度来开发一种他们称之为PHASER的首个RT系统，PHASER是多向、高能、敏捷扫描电子放射治疗的首字母缩写。

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，以破纪录的速度从各个角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沉重的事情。这是非常密集的设计和我们建模的许多组件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，一年左右的创业项目会有帮助。我们很长一段时间都需要启动帮助，非常感谢Ansys startup Program的帮助。”

除了HFSS三维高频电磁仿真软件，TibaRay还使用了HFSS三维高频电磁仿真软件Ansys麦克斯韦低频电磁机器建模，Ansys流利CFD分析，以及Ansys机械应力分析。

要了解PHASER的宽度，可以把它想象成一只章鱼，然后乘以2。PHASER配备了16个加速器——或称四肢——从不同的侧面和角度攻击肿瘤。但由于一切都是电子的，所以不需要移动16个部件中的任何一个。

让我们回顾一下。首先，为了给PHASER供电，TibaRay设计了一种高效速调管——一种线性电子束真空管——它使用了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。

通过将这种高效率速调管与射频组合技术相结合，TibaRay工程师能够产生几乎不受限制的峰值功率。这为加速器创造了更紧凑和有效的射频源，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，然后用于辐射治疗。值得注意的是，用于治疗的x射线比用于诊断成像的x射线的辐射剂量要高得多。

而且由于PHASER的设计是模拟电子操作的，所以加速器不需要移动。相反，微波功率是通过电子方式在每个加速器之间切换的，这使得研究团队可以在没有任何干扰的情况下以前所未有的速度转移光束的焦点。

放射治疗通常需要几分钟——3分钟、10分钟或20分钟，具体取决于治疗方案——现在缩短到1秒以下。

模拟电学结果

模拟是TibaRay运营中不可或缺的一部分，以至于Ganguly将HFSS称为PHASER设计中的“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共振腔，由速调管发出的微波提供动力。当电子通过这些空腔时，它们与内部的微波功率相互作用，在每个空腔中获得动量并增加能量。动量是多少?在2英尺内，电子能量从大约1万电子伏的能量发展到10兆电子伏的能量。

在这个能量积累过程中，Ganguly和她的团队研究了沿光束路径的共振腔。然后将这些包含精确位置的数据输入HFSS，确定每个腔体的谐振频率，包括每个腔体内的相位角和场分布，并在Ansys力学软件中进行应力分析。基于这些结果，该团队修改和操纵了腔的形状，以实现充电能量和后续辐射的理想方向。

不同的设备被设计用于不同的共振频率- PHASER配备的x波段频率为9.3 GHz。一些流行的设备在类似的x波段频率运行，包括用于空中交通管制的机器，警察雷达和军事空中交通管制。

通过调整HFSS中的参数，TibaRay能够设计并影响微波通过光束的流动。最终的目标是让微波从速调管源流向加速器，通过电子束，没有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个监测诊断工具来测量光束本身。

虽然HFSS的EM模拟能力在PHASER的系统设计中发挥着不可或缺的作用，但Fluent允许团队监测和调整加速器内的热活动。

在如此大的功率通过束流的情况下，必须确保加速器内的温度保持热稳定性，并通过循环水进行冷却。热模拟还影响了在设计过程中如何排列空腔，以保持最一致的流动相对于其方向和温度。

由于该团队将HFSS视为PHASER设计的面包和黄油，Ansys Maxwell可以被视为其储备充足的储藏室。TibaRay使用其低频电磁模拟来设计速调管——PHASER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建模，Maxwell使团队能够在速调管内实现所需的电磁功率，并了解其性能。

Ganguly说:“在高能物理领域还有其他工具，但我想说的是，Ansys的模拟是最友好、最合理、最准确的方式，可以在切割金属之前模拟我们所有的系统。”“在你真正去做之前，你会把自己想做的事情想象出来。”

快速标记治疗

PHASER的一个显著特点是它的全电子操作，它不需要机械运动，显著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PHASER的相关性。在常规放疗中，当针对肿瘤时，周围健康组织在不经意间受到损伤是常见的。然而，科学家们最近发现了一种生物效应，通常被称为“闪光效应”，它通过在更短的时间内释放相同剂量的辐射来消除这个问题。由于这种惊人的效果，闪光瞄准已经证明，周围的健康组织被辐射接触恢复而没有瘢痕或损伤。

虽然这一突破是单独曝光的，但Ganguly解释说，这本质上就是PHASER设计的初衷。然而，FLASH效应的研究是在完全不同的情况下使用质子进行的，这需要耗资约1亿美元的机器和设备。

另外，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RT机器的成本一致，后者的价格是质子FLASH机器的十分之一，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。phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase phase。一旦通过成像确定肿瘤的位置，在它移动之前治疗就结束了。

强大的完美需要时间

开发PHASER的第一个工程原型需要时间，但没有您想象的那么长。

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速度。虽然团队将继续在本地确定个别参数，但Ganguly打算优化和加速云中的大型、全系统计算。

按照这个速度，TibaRay预计将在四年内完成PHASER原型，并向FDA申请510(k)许可，这将允许它作为安全有效的放疗产品上市。一旦确保了这一点，TibaRay将与领先的放疗肿瘤中心协调，在现场放置PHASER机器，以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。