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质子治疗体内成像技术最新进展(三):瞬发伽马成像

2020/1/9 作者:质子中国

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离子治疗由于其特有的物理和生物学优势,已在多个国家和地区广泛开展,目前全球已运营的离子治疗中心超过90家,其中大部分为质子治疗中心。尽管过去数十年间加速器技术和医学物理学等领域取得了巨大进展,但对离子束优势的全面探索仍具有挑战性,尤其是治疗期间束流在患者体内的射程不确定性。


日前,德国慕尼黑大学医学物理系主任Katia Parodi教授回顾了质子治疗体内成像技术的最新技术进展及其临床应用,包括质子发射成像以及体内射程(剂量)验证技术。原文发表于2019年12月的《British Journal of Radiology》杂志上。前两期小编与大家分享了质子发射成像技术以及PET成像的最新进展,详情请见《质子治疗体内成像技术最新进展(一):质子发射成像》、《质子治疗体内成像技术最新进展(二):PET成像》。本期将为大家带来瞬发伽马成像的最新进展。


体内射程(剂量)验证

瞬发伽马成像


瞬发伽马由组织原子核去激活过程中释放出来。在研究人员发现原子核非弹性相互作用是离子治疗验证过程中的次级发射源后,瞬发伽马照射最初用于影响开束状态下PET数据的背景辐射研究。尤其是其产物几乎与照射同步(纳秒或更短时间内),为真正意义上的实时监测提供了新的方向,以消除PET成像中遇到的延迟和洗脱效应问题。但瞬发伽马面临2~7 MeV高能量问题,能量来源包括每个特定的原子核以及额外的背景辐射,主要来自中子。在过去十年内,研究人员开展了多种探测器的研发,旨在充分利用瞬发伽马信号的特性,如传入方向、能量以及飞行时间(TOF)。对于PET成像,射程验证可基于解析算法或蒙特卡罗算法,根据信号与参考值的对比推断得出,理想情况是在扫描束流输送的过程中,在单一笔形束水平提供快速反馈。


近期正在进行临床测试的首台瞬发伽马探测器基于的是脊形单一裂隙准直器,主要针对远端成像区域,垂直于主束流方向,在位置敏感的闪烁体探测器上投射相应的瞬发伽马散射。详情请见质子中国往期报道《瞬发伽马成像技术的应用能够解决质子治疗误差问题,优化质子治疗疗效》。系统在束流路径上形成了一维成像,鉴于反应截面通常较低的能量阈值,相较于PET成像,能量跌落与束流射程更加相符。在应用于被动散射质子治疗系统后,首次脑肿瘤笔形束扫描临床实验显示,邻近笔形束的信号积累到足够进行统计学分析后,布拉格峰位置的精确度约为2 mm。实验结果主要受限于相机支撑推车的摆位精确性,目前研究人员正在进行一系列改进以进一步优化该系统。

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准直瞬发伽马相机原理图

 

麻省总医院即将开展另一套系统的临床测试,系统结合了机械准直与位置敏感的无机闪烁体探测器,将定向瞬发伽马探测与空间分辨(加速器射频信号)光谱信息相结合,并将核散射与其他背景辐射相区分。通过复杂的蒙特卡罗计算模型,这种方法不仅能够提取射程信息,还可提取主要原子核在组织中的构成信息(如12C和16O)。临床剂量的模体实验显示,系统可在毫米级准确度(precision) (95%置信区间)及亚毫米级精确度(accuracy)水平还原束流射程。剂量重建实验表明,计算模型与测量的数据可完美匹配,目前研究团队基于已有的研究成果正在筹备临床试验并招募患者。


其他正在研发的系统包括机械准直概念的延伸,通过增加多狭缝(multislit)或多狭缝准直器后侧光子探测器的数量,以收集所有束流穿透深度散射的信号;或完全移除大型准直系统。前者尤其将收集束流入射部位的信息,可能会检测到摆位或解剖结构的改变。但这种方法仍会面临计数统计减少以及准直系统次级辐射的问题,并需要非常精准的时间测定系统,尤其是束流起始信号。非准直方法可应用所检测光子的飞行时间或者在更复杂的康普顿相机条件下应用重建的康普顿散射动力学。康普顿相机系统可实现3D成像,但临床束流在探测器中的重建过程非常复杂。日前,马里兰大学医学院将康普顿相机系统与质子治疗床相整合。笔形束实验显示,系统可生成3D瞬发伽马成像并可在模体上检测出大约3 mm的射程变化。

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应用上图探测器的瞬发伽马射程监测

 

总体来说,用于质子治疗体内射程验证的瞬发伽马成像研究仍处于起步阶段,但具有光明的研究前景。首例准直相机的临床试验正在筹备阶段,同时正在开展应用不同瞬发伽马特征的探测器设计工作。


总结

随着近年来束流输送技术和治疗计划制定的发展,质子治疗室内图像引导及体内治疗验证技术受到了越来越多的关注,研发动力也持续增加。近期在质子发射成像方面的进展也为更高SPR (阻止本领比值)精确度的治疗前患者模型以及更低的成像剂量提供了新的思路。对于体内射程验证,目前正在开展多项关于次发物理学散射的研究,以提供实际治疗及所用剂量的间接信息。尽管存在“延迟”散射及生物学洗脱效应,PET仍是可用于临床的最成熟的3D成像技术,并且最新一代的在束PET扫描仪也即将进入临床测试。瞬发伽马在实时射程(甚至剂量)监测方面的应用同样受到了诸多关注,首套准直系统正在进行临床评估,并且多个团队正在开展其他探测器的设计研发。


成像最终可达到的精确度取决于临床条件下收集的信号数据,因此需要高度敏感的探测器设计。此外,用于参考信号及测量信号对比的计算模型在最终评估中也非常关键,需要进行大量实验对比及模型研发。值得注意的是,将计算系统整合入治疗计划系统可在计划制定阶段即考虑到数据监测问题。根据不同解剖位置,还需要时间分辨的4D监测以实现运动靶区的更安全照射。可以预见的是,在不久的将来,治疗室内外不同成像方法的协同应用会在全面探索质子治疗剂量学优势方面发挥至关重要的作用。


参考文献:Parodi K. Latest developments in in-vivo imaging for proton therapy. Br J Radiol. 2019.doi:10.1259/bjr.20190787.


质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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