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MR引导质子治疗的回顾与展望(二):治疗工作流程-在线自适应

2021/1/13 作者:质子中国

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磁共振成像(MRI)能够在没有电离辐射、提供高软组织对比度的情况下实现快速实时成像。随着MRI结合钴-60源和直线加速器在临床上的应用,MRI结合质子治疗(MRiPT)越来越受到人们的关注。

将MRI和质子治疗(PT)整合到一个系统中,相比X射线,更有潜力提高粒子治疗的靶区精度,在MRiPT应用于临床之前,需解决以下问题: 

1.MRI与PT系统之间电磁的相互作用会降低MRI成像质量和质子束质量。

2.MRiPT需要快速和精确的工作流程,用于治疗监控、自适应和患者特异性质量保证(QA)。

3.在剂量计算、优化及传输过程中,需要考虑磁场对束流传输和剂量畸变的影响。

4.对于在线治疗计划,需要仅通过MR图像计算质子束流路径上的剂量累积。


日前,德国OncoRay–国家肿瘤放射研究中心(OncoRay–National Center for Radiation Research in Oncology)的研究人员回顾并展望了MR引导的质子治疗。


上一期为大家带来了《MR引导质子治疗的回顾与展望(一):实验研究、模型及未来硬件需求》,本期为大家带来治疗MRiPT与临床设施整合中的工作流程:在线自适应。

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与临床设施整合


在将MRiPT整合到临床设施之前,需要解决许多技术方面的问题,以确保完全整合的系统性能满足临床期望。整合MR和PT的目的是能够进行在线自适应治疗,因此,需要建立一个可靠的工作流程,部署快速、准确的剂量计算和计划方法,并对整合的MR图像进行快速处理。每天对患者进行自然成像(基于MR)会带来进一步的复杂性,尤其是对于PT而言。然而,仅基于MRI的方法是有利的,以下部分将详述这些因素。


治疗工作流程:在线自适应


与2014年(ViewRay的MRIdian)和2018年(Elekta的Unity)的MRiXT临床初次引入相似,对于MRiPT系统,治疗中心需要一个新的专门的工作流程。简而言之,就是将患者在预分割成像时的解剖结构与其治疗计划的解剖结构进行评估和比较,默认治疗计划根据患者最新的数据进行计算并评估剂量差异。如果满足最初的剂量限制,那么治疗将继续正常进行。如果出现问题,将启动自适应再计划。对于自适应再计划,方法与MRiXT基本相同,然而有几个部分明显更为复杂,可能对治疗的整体准确性更为敏感。其中包括,质子束在磁场中的剂量计算和仅使用MR成像进行计划。


治疗计划自适应方法


在线自适应治疗的过程将通过全计划再优化来最精确地完成。包括为新的病人解剖结构计算一系列小射束,并优化这些小射束的分布和权重,以达到所需的剂量限制。然而,由于每个小射束都独立于另一个,计算小射束是一个可并行处理的过程,因此将直接受益于多线程处理。一旦生成,优化程序将生成计划,并且可评估其鲁棒性。磁场作用下质子射束的计算将在后面章节中详述。


门控治疗实施


门控治疗可以作为病人默认的治疗方式。在这种情况下,实时的MR信息可以用来确认病人的位置没有明显的变化,束流可以继续正常照射。为此,需要在垂直于束流方向的平面上进行快速时间分辨的2D磁共振电影成像(2D-cine MRI),MR图像采集、重建和后处理必须快速(即>4帧/秒)并无缝整合到混合MRiPT系统的软件中。目前MRiXT系统报告此过程可行,速度高达4帧/秒。


动态治疗实施


对于移动肿瘤,实时运动缓解可以通过将动态MR图像与束流控制系统同步,从而实现肿瘤的实时追踪。借助于运动预测模型,可以使系统延迟时间最小化。对于MRiPT,简单的横向肿瘤运动(相对于束流方向)原则上可以通过改变PBS束流传输模式来动态追踪。这需要一个改进的PBS控制器,当扫描电流被设置时可以叠加一个偏移。然而,根据横向解剖的变化,在更真实的三维肿瘤运动情况下,由于剂量覆盖范围的降低,动态追踪可能不可行。这是质子治疗特有的问题,因为Bragg峰的位置取决于辐射深度,因此除了要求调整束流的横向位置外,还需要调整束流的能量。详细的建模和治疗计划研究将有助于确定动态治疗对于给定的病人解剖结构和肿瘤运动是否可行。


自适应再计划质量保证


对新的自适应患者治疗计划的完整性进行独立检查将是一项关键要求。当病人在治疗床上等待时,这个过程需要尽可能快。实现这一目标的方法是通过专门独立的二次剂量计算。目前,MRiXT治疗通过使用具有不同计算算法的替代软件重新计算新治疗计划中的剂量来实现。结果与最初的治疗计划系统(TPS)预测结果进行了比较,并对匹配的准确性进行了评估。MRiPT很有可能也会采用这种方法。最大限度地实现工作流自动化可以提高准确性、缩短治疗时间和增加患者容纳量。


最近,人工智能(AI)通过基于卷积神经网络(CNN)校正网络的MRI自动分割的方法,为MRiXT再计划提供了帮助。由于在线自适应工作流程的这些步骤在MRiXT和MRiPT之间是相同的,我们希望此类AI方法也适用于MRiPT。


接下来,小编将为大家带来MRiPT与临床设施整合中的磁场中的剂量计算算法与基于MR的质子治疗计划,敬请期待。


参考文献:Hoffmann A, Oborn B, Moteabbed M, et al. MR-guided proton therapy: a review and a preview. Radiat Oncol. 2020;15(1):129. Published 2020 May 29. doi:10.1186/s13014-020-01571-x.


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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MR引导的质子放疗

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