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畅想十年后的质子治疗医学物理学(四):生物相关剂量学

2019年03月19日 作者:质子中国

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近年来质子治疗发展迅速,但关于质子治疗的医学物理学仍有很多工作需要做。瑞士PSI研究所首席医学物理师Antony Lomax教授畅想了未来十年内质子治疗医学物理学的发展趋势。作者认为,从医学物理学角度出发,质子治疗在治疗时间、半影区、照射边界、生物相关剂量学、不确定性以及个体化计算机模体等领域将有较大发展。原文发表于《Medical Physics》杂志上。点击“阅读原文”获取全文。


前三期与大家分享了质子治疗在缩短治疗时间、缩小半影区以及减小照射边界方面的可能进展,详情请见质子中国往期报道《畅想十年后的质子治疗医学物理学(一):缩短治疗时间》《畅想十年后的质子治疗医学物理学(二):缩小半影区》《畅想十年后的质子治疗医学物理学(三):减小照射边界》。本期将为大家介绍有关质子治疗生物相关剂量学(biologically relevant dosimetry)的可能进展。


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Lomax教授畅想的未来十年内质子治疗医学物理学的36个发展趋势


生物相关剂量学

质子与物质之间的相互作用与光子截然不同,由此推想,质子导致的生物学损伤也大不相同;这也是应用“相对生物学效应(RBE)”这一概念的理论基础。但是RBE的可变性很大,并且受多种物理及生物变量的影响。已经明确的是,生物学效应与局部电离密度(local ionization density)有关,因此也与线性能量传递(LET)相关——LET是代表介质中能量沉积率的物理概念(单位为keV/μm)。然而,麻省总医院的研究显示,生物学效应还受多种因素的影响,包括细胞/组织类型、生物学终点以及患者特异性放射敏感性等。因此,研究的作者倾向应用LET的概念代替易变的生物学效应,这有两个优势。


首先,LET并不能真正预测生物学效应。尽管这听上去不像是优势,但是鉴于在微观或宏观尺度上预测真正生物学效应的巨大不确定性,直接应用LET的概念反而会使结果更加真实。生物模型中的生物等效均衡剂量(EUD)已经成功用于生物学相关剂量分布的比较中,但并非生物学相关剂量的绝对值(EUD本身不能预测生物学效应的真正量级);LET可作为度量单位,其数值只表示生物学效应有可能增强,但并不预测具体的增强程度。作为参数,LET通过优化过程能够使剂量避开重要组织结构或更集中于肿瘤靶区。这种方法并没有假设LET与生物学效应的关系,而只是表明更高的LET可能与更强的生物学效应有关,但增强的程度不得而知。


这引出了第二个,可能也是更重要的优势——LET是一个物理学参数,有明确的单位(keV/μm),因此能够直接通过实验验证。


我们习惯于测定在实施放疗时应用的“成分”,即物理剂量。全面的QA流程旨在准确地理解设备位置及绝对剂量的输出数据,我们通常还直接测定患者特异性计划的剂量(绝对的及相对的)。那么除了(直接)代表临床治疗效果以外,测定剂量的意义是什么呢?事实上,直接测定治疗的“成分”是实施安全有效放疗的核心。由此而论,如果作为计划制定过程中的一个参数,LET可看作是另一个能调整的“成分”,并作为运转、QA或计划特异性参数进行测量。目前,科研人员正在研发能够在微观和宏观水平上直接测定LET的设备,这可使我们更全面地理解质子相互作用的生物学效应,获得更明确的、基于临床的、局限于肿瘤靶区的质子剂量及LET,减少RBE的不确定性。(质子中国 编译报道)


参考文献:Lomax A. What will the medical physics of proton therapy look like 10 yr from now? A personal view.MedPhys.2018;45(11):e984-e993.

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关键词

质子治疗 医学物理学 生物相关剂量学 肿瘤

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