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        腫瘤防治科普平臺

        前列腺癌患者體內首次質子射程瞬發伽馬成像驗證

        2021/9/9 作者:質子中國

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        其他癌癥

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        質子治療存在臨床、生物和物理的不確定性,物理不確定性來自CT值到質子阻止本領比(SPR)的轉換。傳統上,質子治療計劃依賴于對患者體內粒子射程的估計,由將CT值轉換為SPR的Hounsfield查找表(HLUT)提供。然而,射程估計中的任何不確定性均可能導致實際遞送的劑量不能完全覆蓋靶區。因此,質子治療中射程增加2.5~3.5%的不確定度,靶區邊界需外擴1~3 mm,但對于前列腺等深層部位的腫瘤,外擴約10 mm。使用基于CT最先進的射程預測方法(例如DirectSPR,從雙能CT[DECT]直接確定SPR)可能會降低邊界外擴。體模和生物組織的初步驗證研究已證明其具有很高的準確性。然而,尚未通過任何方法實現對患者射程預測的完全驗證。


        日前,來自德國德累斯頓OncoRay中心的研究人員,使用瞬發伽馬成像分析射程預測方法的準確性,是臨床基于CT質子射程預測的首次系統驗證。原文發表于紅皮雜志International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics。點擊“閱讀原文”或聯系質子中國小編(微信號:ProtonCN)獲取全文。

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        瞬發伽馬成像(PGI)的工作原理是探測質子束與患者體內的原子核相互作用時產生的瞬發伽馬射線。質子束進入體內產生核反應,原子核進入高激發態,并瞬間退激時放出伽馬光子,瞬發伽馬即是瞬時發射的伽馬光子。伽馬光子的分布與質子束的位置密切相關,通過探測伽馬光子就可驗證質子束在體內的射程。


        研究人員使用PGI狹縫照相機,通過鎢刀刃狹縫準直器(tungsten knife-edge slit collimator)將瞬發伽馬輻射沿質子路徑的發射剖面投影到空間分辨探測器上。得到針對筆形束掃描治療每個束斑獲得的一維瞬發伽馬分布,包含患者體內質子射程的信息。在這項研究中,PGI狹縫照相機通過安裝在基于地面的對接系統(floor-based docking station)上進行升級,以提高定位精度?;颊呱涑填A測的準確性是根據對5例前列腺癌患者進行大分割治療期間的臨床PGI測量來確定,PGI測量使用室內CT共測量30次。


        對于每個筆形束束斑,射程偏移通過將PGI測量與基于控制CT的PGI模擬進行比較獲得。在模擬中應用了三種不同的SPR預測方法:標準CT值到SPR轉換(Hounsfield查找表[HLUT])、自適應HLUT(DECT優化)和DirectSPR。來自所有束斑的逐個束斑加權平均射程偏移用作衡量相應射程預測方法準確性的度量。


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        圖1. 左圖:PGI射程驗證的基本原理。質子的產生可以通過狹縫準直器投影在患者體內的誘導PG輻射在空間上分辨探測器??梢酝ㄟ^比較測量的剖面與參考(例如,模擬的)剖面來確定射程偏移。右圖:在患者照射期間以90°機架角度設置第二代狹縫相機,與270°的機架角度正對,兩者均能產生水平質子束流。攝像系統必須為不同的機架角度解除對接和重新定位。


        結果顯示,DirectSPR、自適應HLUT和標準HLUT的平均射程預測精度為0.0%±0.5%、0.3%±0.4%和1.8%±0.4%。對于所有方法,第二代PGI狹縫攝像機的整體驗證不確定性約為1 mm(2δ),小于深部腫瘤的射程預測不確定性。本研究為首次使用前列腺癌治療中的PGI射程驗證在臨床常規中評估范圍預測準確性。兩種DECT衍生的射程預測方法與PGI驗證中測量的質子射程一致,而對于標準HLUT方法則有所不同。


        研究人員指出,其研究證實了DECT衍生的SPR預測方法優于當前基于單能量CT最先進的HULT方法。其之所以選擇前列腺癌治療進行評估,因為包含高度均勻的靶區,并且在粒子治療中需要最高的穿透深度。本研究中,基于PGI整體驗證的不確定性約為1 mm,遠小于德累斯頓質子治療中心使用的基于HLUT的方法和DirectSPR的射程預測不確定性——這是臨床應用技術首次在體內射程驗證的重要先決條件。


        接下來,研究人員將把PGI的應用擴展到其他治療部位,例如頭頸癌。研究人員還計劃使用研究中獲得的PGI和室內CT數據系統地研究基于PGI的治療驗證在質子治療過程中檢測解剖結構變化的敏感性。(質子中國 編譯報道)


        同行點評


        汪金龍:中國原子能院博士,注冊核安全工程師,PMB審稿人;研究領域:質子重離子治療,在束伽馬譜學,輻射防護,醫學物理,蒙特卡洛應用等。


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        “經過最近十幾年的大力研究發展,臨床專家和物理學家們一起,把瞬發伽馬成像(PGI)技術成功應用于臨床治療,使得這項技術在不久的將來,就能像CBCT一樣成為質子重離子治療的一個標配技術。德國德累斯頓OncoRay中心的這項研究是意義重大的開局,他們開發的第二代PGI技術成功地驗證了基于CT的體內射程,并證明了雙能CT的優勢,為精準質子放療提供了嶄新的方法,也為真正的自適應質子放療提供了新的思路。很多年以前宇宙學家就用來自星空深處的伽馬射線探索太空奧秘,核物理學家也用它來研究原子原子核的微觀結構,而現在瞬發伽馬(PG)射線攜帶離子束流和組織信息,將逐漸成為質子重離子放療醫生和物理師手中的利器,為廣大患者的診療服務。我們期待將來,PGI不僅在射程驗證方面更加成功地走向臨床,在組織結構測量、劑量在線驗證方面也有長足進展。PGI是正在研發中的幾類技術之一,我們也期待這類技術(而不只是這一技術)盡快進入臨床使用?!?/p>


        質子專區介紹:
        相比傳統放療,質子治療作為“精準治療”的新一代代表,利用質子射線所具有的獨特物理特性,以極快的速度、很小的放射劑量進入人體,迅速到達腫瘤組織并釋放全部劑量,而腫瘤后方和側方的正常組織及器官受到的照射劑量幾乎為零,從而實現以最大的照射劑量殺傷腫瘤組織的同時又最大限度地避免了周圍組織及器官的損傷,實現更加精確的“精準治療”。
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        關鍵詞

        前列腺癌 質子射程瞬發伽馬成像驗證

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