日前，德國癌癥研究中心(DKFZ)的研究人員使用瞬發(fā)伽馬能譜監(jiān)測前列腺癌質(zhì)子治療期間的直腸輻射暴露，研究在前列腺體模中植入水填充和二氧化硅/水填充的直腸內(nèi)球囊的瞬發(fā)伽馬能譜。原文發(fā)表于雜志Scientific Reports。
實(shí)驗(yàn)背景
PGS的工作原理是分析當(dāng)帶電粒子(如質(zhì)子)照射人體內(nèi)的原子核時(shí)發(fā)出的瞬發(fā)伽馬射線的能譜。這些伽馬射線具有反映被照射組織的元素組成的特征能量線。研究人員確定，質(zhì)子撞擊直腸內(nèi)球囊(ERB)中的硅原子時(shí)，會(huì)以1.78 MeV的獨(dú)特能量發(fā)出瞬發(fā)伽馬射線，與組織光譜不同。這一發(fā)現(xiàn)表明，在常規(guī)分次2 Gy質(zhì)子治療期間，使用二氧化硅/充滿水的球囊可以作為實(shí)時(shí)射程驗(yàn)證探針。
實(shí)驗(yàn)方法
研究團(tuán)隊(duì)最初用單束斑質(zhì)子束照射各種水溶液和混合物，將束流能量增加到適用于前列腺癌治療的水平。基于他們的發(fā)現(xiàn)及其沒有毒性作用，研究人員繼續(xù)使用水和二氧化硅(來自硅藻土)的混合物進(jìn)行研究。
接下來，研究人員用水平單束斑質(zhì)子束在不同位置照射含有二氧化硅/充滿水球囊的前列腺體模。為了復(fù)制具有旋轉(zhuǎn)機(jī)架的臨床治療場景，他們在0°、90°和270°的機(jī)架角度將體模在橫向旋轉(zhuǎn)了90°。為了監(jiān)測離子束引發(fā)的瞬發(fā)伽馬射線，他們使用了溴化鈰閃爍探測器，可以測量整個(gè)瞬發(fā)伽馬發(fā)射光譜。
圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置。(a)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，包括一個(gè)照射噴嘴、一個(gè)靶區(qū)和兩個(gè)CeBr3探測器。(b)類似實(shí)驗(yàn)設(shè)置，靶區(qū)放置在光束路徑的兩個(gè)水燒瓶后面。(c)在靶區(qū)兩側(cè)各放兩瓶水。在每個(gè)探測器的波束方向上放置兩個(gè)鎢準(zhǔn)直器。(d)帶有商業(yè)硅膠植入物的前列腺體模的相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。
研究團(tuán)隊(duì)還為體模實(shí)施了類似治療的計(jì)劃，用前野束流以適形或與ERB重疊的方式照射前列腺。適形計(jì)劃旨在以常規(guī)分次2 Gy照射時(shí)，使最大直腸劑量低于0.3 Gy，并防止任何布拉格峰定位在球囊內(nèi)。重疊計(jì)劃覆蓋了靶區(qū)擴(kuò)展，包括前列腺和向球囊延伸1.5 cm。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
下圖顯示了三個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)架角度的體模：0°、90°和270°。及單束斑束流在三個(gè)位置照射前列腺和ERB所得到的光譜。ERB照射可見1.78 MeV硅線，前列腺照射不可見。對(duì)于側(cè)向束流，ERB離探測器越近，1.78 MeV瞬發(fā)伽馬提示信號(hào)越好。探測器1為90°角度收集更高的信號(hào)，而探測器2為270°角度收集更高的信號(hào)。為了在0°的角度增加信號(hào)，研究人員使用了放置在噴嘴和靶區(qū)之間的閃爍纖維提供質(zhì)子束到達(dá)的時(shí)間信息。由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的強(qiáng)烈影響和強(qiáng)度限制，沒有在治療計(jì)劃中進(jìn)一步使用該觸發(fā)器。
圖2. 不同角度照射前列腺體模。(a-c)前列腺體模，用二氧化硅填充ERB，放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，以0°、90°和270°三個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)架角度照射。(d-f)三個(gè)角度照射前列腺和直腸球囊的能譜。在ERB光譜中，可以清楚地看到1.78 MeV的硅峰。
研究人員還證明，PGS可以識(shí)別穿過球囊的等能量層，以及每個(gè)等能量層內(nèi)與球囊平行的列。他們還使用具有279°旋轉(zhuǎn)角度的前斜野驗(yàn)證了相同的方法。這種實(shí)時(shí)反饋將使臨床醫(yī)生能夠決定是否進(jìn)行自適應(yīng)治療還是繼續(xù)治療。
研究團(tuán)隊(duì)隨后開發(fā)了一個(gè)PGS數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是在用插入的ERB(充滿水或二氧化硅/水混合物)用43個(gè)確定質(zhì)子能量的單束斑前野照射前列腺體模后獲得。這些測量的數(shù)據(jù)以及上述數(shù)據(jù)提供了足夠的證據(jù)來確定在一定束流能量以上的束流路徑中硅的存在。
未來發(fā)展
研究人員表示：“這些證據(jù)對(duì)于監(jiān)測直腸前野的照射至關(guān)重要，并可能為未來的控制或預(yù)防開辟新的可能性。無論是被動(dòng)散射還是主動(dòng)掃描遞送，使用的能量在大多數(shù)質(zhì)子中心可用的能量范圍內(nèi)。”
在這兩個(gè)測量實(shí)驗(yàn)中，研究人員用單束斑照射體模的不同區(qū)域，將質(zhì)子束的能量依次從86.72 MeV提高到134.06 MeV，并獲得每個(gè)能量束流的PGS。
研究人員已將數(shù)據(jù)集提供給figshare存儲(chǔ)庫中的研究人員。他們希望該數(shù)據(jù)集能夠?yàn)槠渌芯咳藛T提供工具，以重現(xiàn)他們的研究結(jié)果，并評(píng)估可替代的幾何形狀、束流種類和體模。
