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质子治疗体内成像技术最新进展(二):PET成像

2020/1/7 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。上期小编与大家分享了质子发射成像技术的最新进展,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》。本期将为大家带来PET成像在离子治疗中的应用。


体内射程(剂量)验证

尽管目前先进的治疗前成像技术可在每个分次前提供精确SPR (阻止本领比值)估算的患者容积模型,但临床中仍希望能够监测并记录实际的治疗情况。理想情况是实现实时监测,并及时干预出现的错误或至少在后续的分次中进行误差补偿。本文将总结目前广泛研究的监测技术,这些技术主要是基于放射诱导核反应产生的高能光子。


正电子放射断层造影术(PET)


自20世纪60年代开展早期研究以来,PET依然是临床离子治疗中非侵入性3D在体监测的唯一方法,尤其是对于患者体内离子束射程监测来说。这种广泛应用的核医学技术应用的是由入射质子与组织间的核反应产生的β+活化靶片段(active target fragments) (如半衰期为2~20分钟的15O和11C)。正电子(由β+衰减中散射出来)湮灭产生的511 keV光子信号能够在照射期间或治疗后立即被剂量输送系统(在束, in-beam;机载, on-board)整合的定制探测器获取或在传统PET (治疗室内或邻近治疗室)扫描后短时间/较长时间内获取。其中在束技术最具吸引力,但需要近乎于实时监测的解决方案。因此,需要考虑束流、治疗床和其他医用设备间的几何学因素限制,主要是由于非常规的成像几何学会影响图像重建过程,如双头扫描仪等。此外,根据连续(回旋加速器)或脉冲(同步加速器)照射方式,对数据获取有更高的要求,以屏蔽或至少减小开束状态(beam-on)的放射背景(如瞬发伽马)。


另一方面,在束工作流可避免照射和成像过程间不必要的信息丢失,这主要是由于物理学衰减(尤其是半衰期短的辐射源,如15O)以及生理性洗脱过程,如扩散和灌注。此外,这种工作流还可避免由患者摆位改变产生的不确定性,尤其对于患者在治疗和成像过程中移动的情况。


鉴于能量沉积的根本差异——主要是离子与原子核电子间的库伦非弹性相互作用,以及PET激活过程中入射离子与组织原子核间的核相互作用,可测量的β+活动(activity)与剂量有相关性但并非与剂量完全一致。因此,需通过比较测量的PET信号与参考值进行治疗验证,这可基于以往的测量(重复性检验),或通过详细的解析算法或蒙特卡罗计算(精确性检验),后者需考虑到治疗计划(包括同一患者的SPR模型)、照射及成像时间以及探测器响应等因素。对于选定情况或整体分布,除视觉检验和定量分析外,射程信息可由不同方法中获得,以实现束流视角(BEV)的远端衰减测量值与参考活动分布的定量自动比较。


在早期的在束(扫描碳离子束)和机载(被动散射质子束)研究中,这种比较可获得及时的患者摆位或分次间解剖位置变化信息,在某些情况下需要进行纠正(如新的CT成像或再计划)。近年来,对于不同中心的被动散射及主动扫描质子治疗的治疗室内及离线PET(/CT)监测,定量射程分析的可重复性多优于1 mm,精确度多限于1~5 mm。这反映出PET预测的精确度仍面临挑战,这是由于模型和截面数据(cross section data)存在大量不确定性,并且对于患者构成和洗脱过程的认识也有限,后者会显著影响质子在靶区内的分布。此外,结果还受到仪器及工作流的影响,导致影像配准问题以及成像的统计噪声。应用其他治疗前影像信息(如双能CT或MRI)及最新的在束PET扫描可进一步优化结果。

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CNAO的在束PET扫描仪原型机正在检测位置(a)和相应的动态重建活动(b)。

 

意大利国家肿瘤强子治疗中心(CNAO)日前整合了双头PET系统与水平束治疗系统,目前正在开展临床试验。系统可针对特定事件进行动态重建,时间分辨率为10 s (获取足够统计信息),束流输送和成像间的平均延迟为6 s。长期来看,整套系统应可在脉冲照射的开束时间内探测到可用的信号。


随着重合时间分辨率(coincidence time resolution)为10 ps的超快探测器的研发,在束PET成像技术未来将有进一步发展,为无需重建的实时成像提供了新的方向,同时将大幅减少非传统角度几何结构的成像伪影。其他准实时成像技术主要应用的是半衰期在毫秒范围内的半衰期短的辐射源,如12N,这些辐射源的产物与组织构成密切相关,并且其成像受空间分辨率降低(通常由于高正电子终点剂量)的影响。事实上,未来短期内的设备和工作流优化也将进一步改进基于PET的剂量重建,目前研究人员已提出了多种设想,但均会受到成像噪声及洗脱效应的影响。


随后小编将继续与大家分享瞬发伽马成像技术的最新进展。更多精彩,敬请期待。


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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关键词

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