临床用质子CT成像设备研发新进展

当前质子治疗过程中,质子照射范围和准确性都存在不确定性,由于质子治疗的治疗计划是在临床靶目标的X射线成像基础上制定的,在制定质子治疗计划的过程中计算剂量需要将CT亨氏单位转换为当量长度(WEL),而这一过程存在不确定性,从而导致计算照射范围出现误差或错误,进而如何提高癌症质子治疗计划制定和实施过程中的准确性已迫在眉睫。

据悉,质子CT能够通过直接计算质子束能量损失来解决癌症质子治疗的准确性问题。如果使用X射线CT图像进行治疗计划制定,那么束流实际到达和释放能量的位置会与计划有3%-5%的误差,从而很难避免损伤正常细胞;而使用质子CT,其误差则可以降低至1%。于患者而言,若体内肿瘤为20cmX射线CT图像产生的误差达到1.5cm,而质子CT则可以避免此误差的出现。

质子CT的研发始于20世纪60年代,随着可用于质子CT的硅探测器、二极管阵列等的研发突围,质子CT的问世不再遥不可及。近来,由美国加州大学牵头的研究以及由英国林肯大学(University of Lincoln)领衔的研究均取得突破性进展。

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质子CT原理图

行在前——世界首台质子CT问世

英国林肯大学图像工程学特聘教授Nigel Allinson带领的质子放射治疗验证和剂量学应用(Proton Radiotherapy Verification and Dosimetry ApplicationsPRaVDA)项目由来自世界各地的科学家组成的国际专家团队倾力合作以成功研发了世界首台质子CT

“这是一项意义非凡的工程学成就,整个项目有6所大学、4NSH信托基金会、南非国家科研实验室、2个专业分包商和众多英国以及欧洲的赞助方参与” Allinson教授表示,“新研发的系统包括用于大型强子对撞机(Large Hadron Collidar)和CMOS探测器,这种探测器与智能电话中应用的探测器相似,但是比智能电话中应用的探测器大约大500倍,且工作速度快20倍,所使用的硅片也足可以制造超过25000iPhone相机,整个系统输出的数据相当于300余个HDTV频道输出的数据。”

研究人员将质子CT与传统X射线CT图像进行了比较,虽然质子CT图像比X射线CT图像模糊,但质子CT图像可清晰显示质子与组织之间的相互作用,通过使用多种组织代替物对质子进行测试并记录质子相对阻止本领(Relative stopping power)的最低误差值。

Allinson教授解释道:“只有在成像和治疗时使用同一种质子放射线才能避免在预估质子释放能量杀伤肿瘤的位置时出现误差。目前,我们仅使用研发出的质子CT为一块羊排拍摄了影像,即意味着我们很快就可以在肿瘤治疗过程中使用质子CT了。”

值得关注的是,研究人员还发现,在使用质子CT的过程中,可以测量多个参数,从而获得患者完整的解剖学和肿瘤CT图像,进而助力医生更加精确地瞄准肿瘤,在高效杀伤肿瘤的过程中保护肿瘤周围的健康组织,以进一步扩大质子治疗的适应证范围。

路漫漫——质子CT真正应用于临床

美国加州大学(University of California)粒子物理学家Robert Johnson牵头,由Loma Linda 大学(Loma Linda University)、北伊利诺伊大学(Northern Lllinois University)、澳大利亚卧龙岗大学(University of Wollongong)和美国贝勒大学(Baylor University)的研究人员组成的研究团队成功研发出了能够扫描人头颅模型的质子CT原型机。

通常情况下,物理师通过为患者采集CT图像,并根据图像分析出患者治疗相关部位3D X射线吸收曲线来明确质子束从哪一层组织开始减速。然而,由于特定组织的X射线吸收和质子能量衰减曲线不能完全重合而影响其准确性。为保证治疗中束流精准地到达靶区以解决其准确性问题,美国团队的研究思路为:将新研发的探测器(NASA费米伽玛射线太空望远镜的硅探测器,仅6min即可产生质子阻止本领曲线)放置在质子束传输路径上,其中一个探测器放置在需要扫描的头颅模型前,其余的放置于头颅模型后,用于捕捉质子束通过模型时的轨迹。

当研究人员将探测器布置好后,在第二个探测器后放置一系列塑料闪烁晶体(plastic scintillators),用已知入射束流能量减去通过闪烁晶体后的出射束流能量,得出质子束沿特定束流轨迹通过头颅模型时头颅模型吸收的能量。研究人员通过逐渐旋转头颅模型并重复上述过程,进而得到了详细的头颅模型质子阻止能量3D影像。

研究人员通过在芝加哥西北医学院质子中心使用不同材质的头颅模型测试此套设备,发现目前没有任何数据能够帮助研究团队判断传统CT能否准确计算质子阻止能量,但他们相信对于某些阻止而言,质子CT比X射线CT更准确。Johnson教授解释说:“我们认为,如果成像组织是软组织且密度均匀,那么X射线CT和质子CT准确性一致;如果扫描部位是高密度组织,那么质子CT的成像效果会更好,我们正在竭力证实这点假设”;此外,研究人员还发现,质子CT所需要的放射线剂量远低于传统X射线CT(1.4mGy vs. 30-50mGy)。

目前,Johnson教授团队正全力申请研发资金以研发体积更小、使用速度更快的电子紧凑型探测器来实现扫描时间缩短至1min左右的愿景。

然而,据了解,同样的模型,质子CT图像的空间分辨率与传统X射线CT相比差距仍然较大,质子CT真正应用于临床的路还很漫长。Allinson教授表示,Johnson教授的团队为其他研究团队设定了一个“标准”,同时强调临床试验结果验证是技术成功应用的关键,而技术成本以及技术应用是否符合放射治疗工作流程的要求也不容忽视。

虽前路漫漫,但质子CT研究势头如火如荼,科研人员秉承匠心上下探索,相信质子CT应用于临床势在必得!(信息源自:medicalphysicweb、 phsyoeg、PRaVDA官网)

 

 

 


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