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用于小动物研究的质子CT系统

2020/6/22 作者:质子中国

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小动物辐照研究是肿瘤研究的重要组成部分,它是连接细胞实验和实现新兴放疗技术临床应用的桥梁。虽然基于光子的临床前放射研究平台已经商业化了,但是对于质子治疗技术来说还尚未实现。


德国慕尼黑大学(Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU)的Katia Parodi创建的SIRMIO项目旨在将质子治疗技术和临床前的研究结合起来,他们开发了一套精细的小动物质子辐照平台。为了将布拉格峰以高精度投照到靶区内,该团队在平台上装备了一套质子CT(pCT)系统。

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SIRMIO质子CT系统的示意图。为了提高可见度,将组件的间距放大了。(图片来源于参考文献)


Parodi解释说:“目前为止,质子治疗系统采用了同光子放疗系统相同的影像导引方式,即使用X射线锥形束CT,但是X射线吸收和质子相对阻止本领(RSP)之间的关系存在不确定性。而且人体组织的校准曲线不能简单的应用到小鼠上面。因此,我们决定采用质子影像来提供治疗前的低剂量校准,同时利用断层影像得到更高精度的阻止本领信息。”


Parodi和他的同事们已经利用蒙特卡罗方法研究了他们的pCT系统,以此来评估该系统的可行性以及优化探测器组成部分的设计。


探测器设计


SIRMIO pCT是一个单粒子径迹系统,它由成像物体两侧的径迹探测器和后端的剩余射程探测器组成。径迹探测器探测粒子的径迹信息,每一个探测器包含一个双层的微网格平面气体探测器。剩余射程探测器用来测量每个质子的损失能量(以等效水深度,WEPL表示),它是一个微网格探测器(MicroMegas),有着垂直聚酯膜吸收体的时间投影腔室。


联合作者Jonathan Bortfeldt表示:“低能质子成像受限于探测器内的质子散射,但是,我们选择使用基于Micromegas的气体探测器,它既能兼顾材料预算价格,又能提供较高的空间分辨率,同时其计数率也相当高。这项技术是可扩展的,并在未来能够在临床上应用。”


重建的pCT图像的空间分辨率由质子径迹估算的精度决定。对于MicroMegas探测器来说,它依赖于两个固定因素,读出电极条的间距(500 μm)和探测器到成像对象的距离(4 cm);以及两个可调节参数,材料预算和每对探测平面间的距离。使用蒙特卡罗模拟75 MeV的扫描质子束流,研究人员可以利用它来优化后面两个可调参数。


传统的Micromegas探测器使用三层铜读出电极条。为了减少材料预算,第一作者Sebastian Meyer模拟计算了两种重新设计的情况:从灵敏区域移除掉读出电极条的最后一层;并且使用9 μm的铝条替代原来33 μm的铜条。模拟上述三层结构在水模体中的表现显示,对于铝条作为读出电极的设计,平均均方根路径估算偏离大概在0.29 mm左右,而对于第二和第三层铜条设计,其偏差在0.36和0.39 mm左右。


研究人员通过改变径迹探测器对之间的距离从1~10 cm不等,发现间隔至少要达到7 cm才能将评估的质子径迹精度最优化,平均的路径偏差在0.18 mm左右。为了避免空间分辨率变差,他们最终选择10 cm的距离间隔作为综合考虑后的选择。


通过扫描具有倾斜边缘的模体得到的pCT图像,对应两层,三层铜读出条和铝读出条设计,得到的空间分辨率分别为1.9、2.2和2.8 mm。研究团队指出,这种表现同用于临床研究的X射线锥形束CT在同一水平。


为了优化剩余射程探测器,研究人员通过模拟具有组织等效物的水模体的pCT图像,标定了聚酯膜吸收体的厚度从250~1000 μm不等的相对阻止本领精度。吸收体厚度在500~750 μm之间具有最佳的性能表现,可以兼具等效水深度分辨率和探测装置复杂度以及小于0.5%相对阻止本领精度等要求。


小动物实验


使用他们优化后的pCT设计装置即间距10 cm的铝探测器读出条以及具有500 μm厚吸收体的剩余射程探测器,研究人员模拟得到了一个小鼠头部的pCT图像。pCT图像非常类似于低噪声水平的参考解剖结构图像,但是由于其有限的空间分辨率,仍然会有些模糊不清的地方存在。

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在小鼠模型上做的肺部和脑部肿瘤的治疗计划。(图片来源于参考文献)


为了研究pCT图像是否适合用于治疗计划,他们使用了基于蒙特卡罗方法进行计算的质子治疗计划系统,设计了小鼠模型的脑部和肺部肿瘤治疗计划。通过比较优化过的参考计划和使用pCT图像重新计算的计划,pCT图像可以达到亚毫米的精度。平均相对射程误差对于肺部和脑部肿瘤来说分别为-0.02±1.42%和+0.87±0.98%;相应的绝对等效水射程偏差为-0.01±0.20 mm和+0.09±0.10 mm。


用于临床前质子研究

的小动物辐照平台


Parodi讲到所有的pCT探测器部分已经在制作和测试中,她表示:“我们已经成功制作出了使用铝做读出条的全尺寸Micromegas探测器以及一个使用聚酯膜做吸收体的减化版本的射程谱仪,并且也已在低能Munich串列加速器上使用质子束成功进行了系统调试。目前,他们正在制作更大尺寸的探测器,预计到2020年将会得到一整套全尺寸的pCT系统。”


参考文献:Meyer S, Bortfeldt J, Lämmer P, et al. Optimization and performance study of a proton CT system for pre-clinical small animal imaging [published online ahead of print, 2020 Apr 20]. Phys Med Biol. 2020;10.1088/1361-6560/ab8afc. doi:10.1088/1361-6560/ab8afc.


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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质子CT系统 质子CT

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