盡職調(diào)查：在不同場景中逐步驗證 DirectSPR，例如在擬人化頭部模型中，是將軟件成功轉(zhuǎn)化為臨床工作流程的基本步驟。即使在 DirectSPR 算法開發(fā)的形成階段，OncoRay 的 Christian Richter(右)與研究員 Patrick Wohlfahrt 在這里展示，也專注于轉(zhuǎn)化結(jié)果。(提供：HZDR/Rainer Weisflog)
合作帶來創(chuàng)新：這無疑是一項雄心勃勃的、多中心的德國研發(fā)計劃的口頭禪，該計劃利用學(xué)術(shù)研究人員、臨床醫(yī)生和行業(yè)的跨學(xué)科專業(yè)知識，在放射腫瘤學(xué)診所提供顛覆性的進(jìn)步——提高準(zhǔn)確性、安全性和質(zhì)子治療系統(tǒng)在此過程中的組織保留能力。有問題的突破源于用于質(zhì)子治療計劃的雙能 CT (DECT) 的臨床部署和所謂的DirectSPR 軟件的應(yīng)用1,2用于更準(zhǔn)確地預(yù)測患者體內(nèi)的質(zhì)子范圍。統(tǒng)一愿景的所有部分——認(rèn)為轉(zhuǎn)化研究滿足臨床應(yīng)用——重新構(gòu)想質(zhì)子治療的規(guī)劃、交付和管理，以滿足個體癌癥患者的獨特需求。
DirectSPR 的臨床推廣由位于德累斯頓的OncoRay 的Christian Richter 領(lǐng)導(dǎo)的轉(zhuǎn)化團(tuán)隊率先推出。OncoRay 研究人員與海德堡德國癌癥研究中心(DKFZ)的同事密切合作進(jìn)行算法開發(fā)和驗證——這兩個研究所共同組成了國家腫瘤放射研究中心 (NCRO)——而工業(yè)支持來自癌癥治療業(yè)務(wù)線在西門子Healthineers。
OncoRay本身是一個政府資助的研究中心，專注于輻射的新技術(shù)和治療方法翻譯成腫瘤的臨床應(yīng)用，匯集了三個創(chuàng)始機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢：卡爾·古斯塔夫·卡魯斯大學(xué)醫(yī)院德累斯頓，德累斯頓工業(yè)大學(xué)和亥姆霍茲Dresden-羅森多夫。“雖然 OncoRay 的主要驅(qū)動力是提高治療效果和患者結(jié)果，”Richter 解釋說，“我們還尋求與領(lǐng)先的醫(yī)療技術(shù)制造商的合作伙伴關(guān)系，以確保我們的研發(fā)能夠覆蓋更廣泛的放射腫瘤學(xué)界——基于 DECT 的 DirectSPR 在兩方面。”
創(chuàng)新開箱
如果這是背景故事，那么在質(zhì)子治療計劃中支持這種新范式的具體細(xì)節(jié)是什么?特別是，更準(zhǔn)確地預(yù)測不同組織類型中的質(zhì)子范圍和停止行為的基礎(chǔ)是什么?成功的關(guān)鍵是 DECT 技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用及其光譜成像能力，用于預(yù)測治療計劃的質(zhì)子范圍。與傳統(tǒng) CT 不同，這種成像方式涉及獲取兩個單獨的 X 射線能譜——這種方法反過來又允許表征在不同能量下表現(xiàn)出不同衰減特性的組織(但至關(guān)重要的是，無需將患者暴露于更高-射線劑量)。
與此同時，DirectSPR 是一種用于 DECT 圖像后處理的算法——特別是確定不同組織類型中質(zhì)子的個體停止行為。同時，DirectSPR 通過使用復(fù)雜的降噪和根據(jù)掃描的身體感興趣區(qū)域定制應(yīng)用程序，最大限度地提高了停止信息的定量質(zhì)量。通過這種方式，DirectSPR 使醫(yī)學(xué)物理學(xué)家能夠更好地解決給定患者群體以及同一患者中組織成分的差異，并在治療計劃中考慮這些差異。(為完整起見，SPR 是停止能力比，表示質(zhì)子的能量損失與穿過患者的距離相對于水中能量損失的關(guān)系。)
查看差異：與用于治療計劃的傳統(tǒng) CT(左)相比，DirectSPR 提高的準(zhǔn)確性導(dǎo)致目標(biāo)體積周圍健康組織的劑量顯著減少(右，劑量差異圖中的藍(lán)色區(qū)域)。同時，還可以實現(xiàn)更好的腫瘤覆蓋(紅色區(qū)域)。(提供：OncoRay、尼爾斯·彼得斯、克里斯蒂安·哈恩)
2019 年春季，Richter 和他在 OncoRay 的同事成為第一個部署基于 DECT 的 DirectSPR 作為質(zhì)子治療常規(guī)臨床工作流程的一部分的團(tuán)隊——這是改進(jìn)德累斯頓大學(xué)質(zhì)子治療靜態(tài)腫瘤部位治療計劃的關(guān)鍵一步?？?middot;古斯塔夫·卡魯斯大學(xué)醫(yī)院的一部分)。從那時起，對于 300 多名患者，基于 DECT 的 DirectSPR 使德累斯頓診所——在持續(xù)和可重復(fù)的基礎(chǔ)上——將前列腺癌靶區(qū)周圍受照射的健康組織的體積(安全界限)減少了大約 35%和腦腫瘤治療。
當(dāng)然，臨床影響是根據(jù)多個坐標(biāo)定義的，尤其是 SPR 計算和相關(guān)質(zhì)子范圍預(yù)測的準(zhǔn)確性——這兩者都決定了腫瘤周圍的安全范圍，進(jìn)而決定了組織保留的程度。由于基于 DECT 的 DirectSPR 的臨床引入，OncoRay 實現(xiàn)了質(zhì)子范圍計算的不確定性(現(xiàn)在 <2%)與傳統(tǒng)的基于 CT 的規(guī)劃方法(其中不確定性已設(shè)置為總質(zhì)子的 3.5%過去 30 年的范圍)。結(jié)果：骨盆治療的質(zhì)子射程平均減少 3.6 毫米，頭部治療平均減少 2.6 毫米。“對于個體腦腫瘤治療，”Richter 說，“因此，我們能夠?qū)⒛X干等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的劑量減少 16%，視交叉和視神經(jīng)的劑量減少 7%，大腦的平均劑量總體減少 4%，如代表性患者病例所示。這是將患者治療后副作用風(fēng)險降至最低的相關(guān)進(jìn)展。”
翻譯在行動
DirectSPR 轉(zhuǎn)化為臨床產(chǎn)品的時間表可以追溯到 2015 年初，當(dāng)時來自 OncoRay 和 DKFZ 的科學(xué)家開始致力于 DirectSPR 方法的開發(fā)和優(yōu)化。他們的目標(biāo)是：最大限度地減少與患者組織中質(zhì)子范圍預(yù)測相關(guān)的不確定性，從而提高質(zhì)子治療的靶向精度和劑量分布精度。這個由 NCRO 資助的為期四年的項目 - 與 Siemens Healthineers 密切合作 - 始于 2015 年在德累斯頓大學(xué)質(zhì)子治療中心引入 DECT 用于臨床質(zhì)子治療計劃 - 這是世界上第一個可以回顧性評估DirectSPR 方法用于不斷增長的治療性 DECT 患者掃描數(shù)據(jù)庫(而不僅僅是使用體模或計算機(jī)模擬)。
“即使在 DirectSPR 算法開發(fā)的形成階段，OncoRay 和 DKFZ 也專注于轉(zhuǎn)化結(jié)果，”Richter 說。早期對復(fù)雜算法的定義——尤其是隨后在不同場景(包括擬人模型和生物組織)中全面逐步驗證的重點——是成功翻譯的基礎(chǔ)。“這讓我們、社區(qū)和負(fù)責(zé)任的臨床醫(yī)生相信該方法的優(yōu)越性，”Richter 補(bǔ)充道。“Siemens Healthineers 于 2016 年加入，早期的對話圍繞我們共同的臨床和研究目標(biāo)建立了信任和理解。”
正是在這一點上，合作進(jìn)入了臨床前產(chǎn)品開發(fā)階段，OncoRay、DKFZ 和 Siemens Healthineers 共同致力于 DirectSPR 算法的優(yōu)化和校準(zhǔn)。隨著 DirectSPR 軟件于 2019 年春季的商業(yè)發(fā)布，Siemens Healthineers 現(xiàn)在確保 DirectSPR 在其整個 DECT 掃描儀產(chǎn)品組合中的兼容性，并為每個 CT 模型進(jìn)行專門校準(zhǔn)。
臨床路線圖
就下一步而言，OncoRay 的 Richter 和同事——以及他們在 Siemens Healthineers 的行業(yè)同行——都專注于加速質(zhì)子治療社區(qū)對 DirectSPR 的臨床接受(參見“質(zhì)子觀點：DirectSPR 機(jī)會”)。就 OncoRay 而言，它與許多歐洲質(zhì)子治療中心保持雙邊合作，并且在歐洲粒子治療網(wǎng)絡(luò)(歐洲放射治療和腫瘤學(xué)會的一個小組)中也很活躍(ESTRO)。“正在準(zhǔn)備一份共識文件，為質(zhì)子治療診所中 DirectSPR 的臨床實施定義最佳實踐指南和標(biāo)準(zhǔn)化，”Richter 解釋說。他希望該文件將在即將舉行的 ESTRO放射腫瘤學(xué) CT 創(chuàng)新臨床轉(zhuǎn)化研討會的討論中提出。
與此同時，OncoRay 和 DKFZ 團(tuán)隊已經(jīng)與 Siemens Healthineers 合作探索新的轉(zhuǎn)化途徑，包括使用基于 DECT 的 DirectSPR 對移動目標(biāo)(例如肺和腹部的腫瘤部位)進(jìn)行質(zhì)子治療規(guī)劃。“我們在 OncoRay 和 DKFZ 的任務(wù)是支持進(jìn)一步改進(jìn)用于放射治療環(huán)境中的下一代 CT 掃描儀的 DirectSPR，”Richter 總結(jié)道。
Proton 觀點：基于 DECT 的 DirectSPR 機(jī)會
越來越多的臨床興趣將 DirectSPR 部署為質(zhì)子治療工作流程的核心組件。在這里，Physics World與一些早期采用質(zhì)子設(shè)施的醫(yī)學(xué)物理學(xué)家交談，以評估進(jìn)展、下一步和預(yù)期的臨床優(yōu)勢。
趙天宇，密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院
我們正在招募患者參加美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH) 贊助的研究，使用 DECT 掃描儀收集數(shù)據(jù)，以提高對腫瘤部位和周圍器官組織成分準(zhǔn)確性的估計。目標(biāo)：減少質(zhì)子治療中實際遞送劑量與計劃劑量之間的差異。我們計劃通過使用臨床協(xié)議掃描的體模來量化 DirectSPR 對質(zhì)量密度和質(zhì)子 SPR 預(yù)測的準(zhǔn)確性。此特定于站點的準(zhǔn)確性信息將用于調(diào)整使用 DECT 掃描的質(zhì)子患者的穩(wěn)健性優(yōu)化中的不確定性設(shè)置。最終，希望我們的工作將減少質(zhì)子的范圍不確定性，并在質(zhì)子治療中實現(xiàn)更好的規(guī)劃質(zhì)量和更少的劑量預(yù)測錯誤。
Ming Yang ，德克薩斯州休斯頓MD 安德森癌癥中心
我們目前正在將我們的機(jī)構(gòu) syngo.via 服務(wù)器(來自 Siemens Healthineers)升級到 VB40——這是實施 DirectSPR 的先決條件。完成后，我們將在 DirectSPR 可用時立即開始調(diào)試過程。最初的優(yōu)先事項是測試 DirectSPR 與我們現(xiàn)有治療計劃系統(tǒng)的兼容性，并評估與軟件對質(zhì)子停止能力的估計相關(guān)的不確定性。就我個人而言，我相信 DirectSPR 將以多種方式使我們的患者群體受益。一個直接的影響將是減少接受接近處方劑量的高劑量的正常組織——從而減少正常組織的毒性。較小范圍的不確定性參數(shù)也將更容易實現(xiàn)滿足計劃目標(biāo)的穩(wěn)健治療計劃。最后，
Benjamin Ackermann，海德堡離子束治療中心(HIT) 和 Friderike Longarino，海德堡大學(xué)醫(yī)院
HIT 使用免費測試許可證完成了 DirectSPR 的臨床驗證——對于有興趣了解更多信息的診所來說，這是一個方便且風(fēng)險低的選擇。驗證過程包括完整的放射治療工作流程和擬人模型的劑量學(xué)測試，由多種不同的組織等效材料組成。我們現(xiàn)在正在安裝購買的軟件許可證，并期待使用 DirectSPR 執(zhí)行第一次患者掃描，從表現(xiàn)出很少或沒有分次內(nèi)運動的頭部和骨盆等身體區(qū)域開始。通過 DECT 掃描和 DirectSPR 圖像處理，與 SECT 相比，我們希望在離子束治療中實現(xiàn)更好的 SPR 預(yù)測，進(jìn)而實現(xiàn)更好的范圍預(yù)測。
美國馬里蘭州質(zhì)子治療中心Sina Mossahebi
在我們最初的 DirectSPR 研究中，我們的目標(biāo)是量化常規(guī) SECT 和 DECT在體內(nèi)和患者計劃之間的劑量計算差異，目的是減少強(qiáng)度調(diào)制質(zhì)子治療 (IMPT) 計劃中的范圍不確定性。SECT 和 DECT 掃描均來自同一患者，用于評估在每個圖像集上生成的治療計劃之間的劑量學(xué)差異。該研究的主要目標(biāo)是量化和比較風(fēng)險器官 (OAR) 的靶覆蓋范圍和劑量，以及為接受 IMPT 的患者獲得的 SECT 和 DECT 掃描之間的計劃穩(wěn)健性。此外，我們將使用患者特定的 QA 驗證 SECT 和 DECT 劑量計算，同時探索 DECT 在目標(biāo)描繪和植入方面的實際優(yōu)勢。
Gabriel Fonseca 和 Frank Verhaegen，荷蘭Maastro 診所
我們對 DirectSPR 的評估正在多個方面進(jìn)行。通過廣泛的體模測試，我們研究了 TPS 用于劑量計算的 SPR 信息，比較了通過基于 DECT 的 DirectSPR 和 SECT 方法獲得的 SPR 預(yù)測。前者更準(zhǔn)確，其差異不到 SECT 所得結(jié)果的一半。另一個重點是校準(zhǔn)程序，這可能需要一系列體模尺寸來匹配患者體型的變化——即診所的額外工作。雖然 DirectSPR 可以提供更準(zhǔn)確的 SPR 值，但治療計劃的不確定性取決于幾個因素。因此，Maastro 團(tuán)隊正在評估改進(jìn)的 SPR 地圖對 50 多名患者隊列的穩(wěn)健優(yōu)化計劃的影響?？傊弘m然我們預(yù)計 DirectSPR 能夠?qū)①|(zhì)子范圍精度從 1 毫米提高到幾毫米(對于一些深部腫瘤)，但很明顯，在常規(guī)臨床部署之前，需要徹底量化所有不確定性和風(fēng)險來源。從長遠(yuǎn)來看，嚴(yán)格的質(zhì)量保證程序?qū)⑿枰С峙R床工作流程。
Ole Nørrevang，丹麥奧胡斯大學(xué)醫(yī)院丹麥粒子治療中心
我們正在采取分階段的方法在奧胡斯推出基于 DECT 的 DirectSPR。我們首先實施虛擬單能圖像并優(yōu)化器官和目標(biāo)勾畫以及停止能力估計的使用。現(xiàn)在我們可以使用 DirectSPR 軟件，我們的調(diào)查正在三個方面進(jìn)行：驗證 DirectSPR 產(chǎn)生的 SPR 值;研究減少范圍不確定性對減少大腦中 OAR 劑量的影響;并了解與在腦腫瘤治療計劃中使用 SPR 圖像相關(guān)的工作流程、患者安全和過渡問題。我們現(xiàn)在的重點是治療腦腫瘤，因為我們可以排除 DECT 圖像中運動偽影的影響。不過，隨著時間的推移，我們將制定計劃，將 DirectSPR 應(yīng)用于其他治療部位。
Koen Salvo ，比利時魯汶粒子質(zhì)子治療中心
我們目前正在定義我們的 DECT 模擬協(xié)議，成人協(xié)議已經(jīng)完成，并且正在與 Siemens Healthineers 就兒童協(xié)議進(jìn)行對話。一旦這些協(xié)議最終確定，我們將激活我們的 DirectSPR 軟件并使用動物體模上的質(zhì)子射線照相術(shù)對其進(jìn)行驗證。使用 DirectSPR，我們希望更準(zhǔn)確地計算質(zhì)子范圍。如果是這樣，我們可以減少目標(biāo)邊緣，進(jìn)而減少目標(biāo)附近 OAR 的劑量——這是治療腦干附近脊索瘤的重大進(jìn)步。
