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瞬发伽马能谱可实现质子射程实时监测

2022/1/20 作者:质子中国

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其他癌症

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瞬发伽马能谱(PGS) 是一种很有前途的技术,用于监测质子治疗过程中的质子射程。PGS能够测量治疗过程中的绝对射程偏差并提供实时反馈,若在治疗过程中发现器官运动,可以立即改变。对于前列腺癌的质子治疗,使用PGS实时监测直肠辐射暴露可能会降低胃肠道毒性的风险。


日前,德国癌症研究中心(DKFZ)的研究人员使用瞬发伽马能谱监测前列腺癌质子治疗期间的直肠辐射暴露,研究在前列腺体模中植入水填充和二氧化硅/水填充的直肠内球囊的瞬发伽马能谱。原文发表于杂志Scientific Reports。

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实验背景

PGS的工作原理是分析当带电粒子(如质子)照射人体内的原子核时发出的瞬发伽马射线的能谱。这些伽马射线具有反映被照射组织的元素组成的特征能量线。研究人员确定,质子撞击直肠内球囊(ERB)中的硅原子时,会以1.78 MeV的独特能量发出瞬发伽马射线,与组织光谱不同。这一发现表明,在常规分次2 Gy质子治疗期间,使用二氧化硅/充满水的球囊可以作为实时射程验证探针。


实验方法

研究团队最初用单束斑质子束照射各种水溶液和混合物,将束流能量增加到适用于前列腺癌治疗的水平。基于他们的发现及其没有毒性作用,研究人员继续使用水和二氧化硅(来自硅藻土)的混合物进行研究。


接下来,研究人员用水平单束斑质子束在不同位置照射含有二氧化硅/充满水球囊的前列腺体模。为了复制具有旋转机架的临床治疗场景,他们在0°、90°和270°的机架角度将体模在横向旋转了90°。为了监测离子束引发的瞬发伽马射线,他们使用了溴化铈闪烁探测器,可以测量整个瞬发伽马发射光谱。

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图1. 实验设置。(a)实验设置,包括一个照射喷嘴、一个靶区和两个CeBr3探测器。(b)类似实验设置,靶区放置在光束路径的两个水烧瓶后面。(c)在靶区两侧各放两瓶水。在每个探测器的波束方向上放置两个钨准直器。(d)带有商业硅胶植入物的前列腺体模的相同的实验设置。


研究团队还为体模实施了类似治疗的计划,用前野束流以适形或与ERB重叠的方式照射前列腺。适形计划旨在以常规分次2 Gy照射时,使最大直肠剂量低于0.3 Gy,并防止任何布拉格峰定位在球囊内。重叠计划覆盖了靶区扩展,包括前列腺和向球囊延伸1.5 cm。


实验结果

下图显示了三个旋转机架角度的体模:0°、90°和270°。及单束斑束流在三个位置照射前列腺和ERB所得到的光谱。ERB照射可见1.78 MeV硅线,前列腺照射不可见。对于侧向束流,ERB离探测器越近,1.78 MeV瞬发伽马提示信号越好。探测器1为90°角度收集更高的信号,而探测器2为270°角度收集更高的信号。为了在0°的角度增加信号,研究人员使用了放置在喷嘴和靶区之间的闪烁纤维提供质子束到达的时间信息。由于统计数据中的强烈影响和强度限制,没有在治疗计划中进一步使用该触发器。

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图2. 不同角度照射前列腺体模。(a-c)前列腺体模,用二氧化硅填充ERB,放置在旋转平台上,以0°、90°和270°三个旋转机架角度照射。(d-f)三个角度照射前列腺和直肠球囊的能谱。在ERB光谱中,可以清楚地看到1.78 MeV的硅峰。


研究人员还证明,PGS可以识别穿过球囊的等能量层,以及每个等能量层内与球囊平行的列。他们还使用具有279°旋转角度的前斜野验证了相同的方法。这种实时反馈将使临床医生能够决定是否进行自适应治疗还是继续治疗。


研究团队随后开发了一个PGS数据集,该数据集是在用插入的ERB(充满水或二氧化硅/水混合物)用43个确定质子能量的单束斑前野照射前列腺体模后获得。这些测量的数据以及上述数据提供了足够的证据来确定在一定束流能量以上的束流路径中硅的存在。


未来发展

研究人员表示:“这些证据对于监测直肠前野的照射至关重要,并可能为未来的控制或预防开辟新的可能性。无论是被动散射还是主动扫描递送,使用的能量在大多数质子中心可用的能量范围内。”


在这两个测量实验中,研究人员用单束斑照射体模的不同区域,将质子束的能量依次从86.72 MeV提高到134.06 MeV,并获得每个能量束流的PGS。


研究人员已将数据集提供给figshare存储库中的研究人员。他们希望该数据集能够为其他研究人员提供工具,以重现他们的研究结果,并评估可替代的几何形状、束流种类和体模。


信息来源:Physics Word、Scientific Reports


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瞬发伽马

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