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质子治疗的图像引导技术(一):治疗计划的成像技术

2020/1/8 作者:质子中国

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日前,来自英国Christie NHS信托基金会的R.I. MacKay教授发表了一篇题为《质子治疗的图像引导技术》的综述,总结了质子治疗图像引导技术的应用现状,区分了与高能X线放疗图像引导技术的差异,并对其今后的进展进行了展望。原文发表在2018年2月的《Clinical Oncology》上。


英国NHS质子治疗中心的图像引导技术

英国NHS(National Health Service)质子治疗中心正在安装一系列图像引导设备。目前治疗楼层已经安装了CT和MRI成像系统,工作人员可在治疗前的计划制定阶段为接受质子治疗的患者进行成像。中心还将引进双能CT设备,但在治疗患者前需要首先安装标准化学当量校准装置。

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在治疗室内,旋转机架上安装了两套千伏级成像系统,以同时实现治疗部位的2D平面成像和3D锥形束成像。治疗室内锥形束CT将用于患者摆位和需要进行再适应治疗计划时的提示。治疗计划如需重大修改,则要重新进行治疗前CT成像,中心已经将在治疗过程中进行一次诊断性CT扫描纳入工作流程中。目前两家NHS质子治疗中心均开展了放疗图像引导技术的科研项目。


治疗计划的成像技术

用于质子治疗计划的很多成像方式都与传统放疗相同,在治疗计划制定过程中(如靶区勾画等)步骤也大体一致,如使用CT、MRI和PET等成像系统用于质子治疗的计划制定。但质子治疗与传统放疗在制定治疗计划时图像的使用方法并不相同。


最初用于放疗的成像技术是CT扫描。CT扫描可以提供患者的解剖学信息以及剂量计算所需的原始图像。应用CT影像进行剂量计算时,首先需要应用亨氏单位(Hounsfield units, HU)生成其他参数。高能X线放疗中,HU与电子或物理密度相关,应用这两个参数就可以计算出兆伏级光子剂量。但在进行质子治疗剂量计算前,需要先将HU值转换成质子阻止本领(proton stopping power)。这个转换过程相当复杂,因为需要依据一种粒子(用于千瓦级CT成像的无质量、无电荷的光子)的特性预测另一种完全不同粒子(带正电的质子)的特性。因此,在将HU值转换成质子阻止本领的过程中会出现不确定性,也会使剂量计算产生不确定性。


校准质子治疗CT扫描的传统方法是两步化学当量法。首先,需要扫描已知成分的组织替代材料,并对测量的HU值与材料性质之间的关系进行参数化。此后,将生成的参数代入一系列公开的参考组织成分中,以生成质子阻止本领(由组织成分中计算得出)和HU值(由第一步获得的参数关系中计算得出)之间的关系。需要注意的是,质子治疗的校准过程比高能X线放疗复杂得多,并且根据患者体型不同可能需要多个校准曲线。由于射程对于质子治疗来说非常重要,因此通常还会用动物组织的CT成像进行最后一次质子射程检验。


尽管操作非常仔细,化学当量校准法仍会产生质子剂量计算的不确定性,导致出现射程偏差。鉴于这个原因,很多人更看好双能CT。尽管质子治疗并不是双能CT商业化发展的最初动机,但双能CT能够更好分辨组织特征,更加准确地计算质子阻止本领。目前的研究大多针对双能CT可在多大程度上提高质子阻止本领的预估能力。这种程度取决于几方面的因素,如双能扫描设备的设计、由双能CT影像计算阻止本领的方法以及双能扫描设备在治疗计划系统内的应用情况。研究人员认为,将双能CT整合进治疗计划系统可真正在临床中显著减小射程的不确定性。在第57届PTCOG年会上,专家也就双能CT等成像技术进行了激烈的辩论,详情请见往期报道《第57届PTCOG学术会议开幕,物理场辩论成亮点》。


参考文献:MacKay RI. Image Guidancefor Proton Therapy. Clin Oncol. 2018;30(5):293-298.


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