與X射線相比，質(zhì)子可以更精準(zhǔn)地殺死癌細(xì)胞，并在健康組織中沉積更少的劑量。能否通過某種方式，驗(yàn)證治療計(jì)劃并改善患者擺位配準(zhǔn)?

美國(guó)北伊利諾伊大學(xué)的Christina Sarosiek博士正在研究這個(gè)問題。她解釋說：“我們項(xiàng)目的目標(biāo)是使用質(zhì)子成像的方式，使質(zhì)子治療更安全、更有效。在治療之前直接拍攝腫瘤的照片，可以知道正在照射的是腫瘤而非健康組織。”

 
質(zhì)子成像系統(tǒng)原型，可拍攝質(zhì)量足夠的圖像，以在質(zhì)子治療之前進(jìn)行射程驗(yàn)證和患者擺位。

像所有的醫(yī)學(xué)治療方法一樣，質(zhì)子治療也有一些不確定性。例如，治療分次之間的患者解剖結(jié)構(gòu)變化、患者擺位的微小錯(cuò)位或從計(jì)劃的CT掃描到質(zhì)子治療計(jì)劃的校準(zhǔn)錯(cuò)誤，都可能導(dǎo)致腫瘤劑量不足或向健康組織遞送劑量，而這兩者都不是最佳的治療結(jié)果。

Sarosiek博士是跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的一份子，該團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)和表征原型質(zhì)子射線成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以改進(jìn)現(xiàn)今使用的方法，而且還可以幫助科學(xué)家和臨床醫(yī)生應(yīng)對(duì)其它的挑戰(zhàn)。

例如，瑞士PSI研究所的研究人員提出，可以使用射程探針(range probe)在體內(nèi)驗(yàn)證質(zhì)子射程，射程探針將低劑量、高能量的質(zhì)子筆形束(一種非常細(xì)的質(zhì)子束)穿過患者，然后將測(cè)得的積分布拉格峰與從計(jì)劃CT獲取的積分布拉格峰進(jìn)行比較。但是，由于射程探針無法提供任何空間信息，也無法改善患者的對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，射程探針的實(shí)用性有限。

另一方面，質(zhì)子成像的工作原理是向患者發(fā)送高能量但強(qiáng)度低的質(zhì)子，然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)重建圖像。該數(shù)據(jù)將逐像素地表示為水等效厚度(即假設(shè)質(zhì)子在水中，它將移動(dòng)多遠(yuǎn))。質(zhì)子成像中圖像對(duì)比度的來源是所傳輸質(zhì)子的能量損失(患者體內(nèi)質(zhì)子阻止本領(lǐng)積分)。

Sarosiek博士說：“我們正在獲取患者身上的積分能量圖像。如果質(zhì)子在遞送到腫瘤的過程中，患者的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或電子密度發(fā)生變化，我們會(huì)在患者完整的積分能量圖像中看到不同。”

換句話說，一旦與所計(jì)劃的不同，通過質(zhì)子成像，醫(yī)學(xué)物理師或臨床醫(yī)生就能知曉，但不能精確地知道變化發(fā)生在何處。

Sarosiek博士解釋說：“質(zhì)子成像可以提醒我們?cè)诖怪庇谏涫钠矫鎯?nèi)的射程差異，但是單有質(zhì)子成像無法準(zhǔn)確告知我們沿質(zhì)子束路徑上(即腫瘤的近端或遠(yuǎn)端)發(fā)生變化的確切位置。”

Sarosiek博士和團(tuán)隊(duì)使用幾種不同的模體對(duì)他們的質(zhì)子成像系統(tǒng)進(jìn)行了表征。研究結(jié)果發(fā)表于雜志Medical Physics。

質(zhì)子成像系統(tǒng)結(jié)合研究小組的重建算法所產(chǎn)生的圖像具有足夠高的空間分辨率和圖像質(zhì)量，可幫助在質(zhì)子治療開始之前更好地靶向?qū)?zhǔn)患者。

 

帶有各種插入物的小兒頭部模體的質(zhì)子成像。較高密度的插入物(例如皮質(zhì)骨)具有較高的水等效厚度(WET)，因此在射線照片上顯得更亮。較低密度的插入物(例如空氣)的WET較低，顯得較暗。(圖片來源：Med. Phys. 10.1002/mp.14801)

結(jié)果還表明，該系統(tǒng)可用于檢測(cè)因治療計(jì)劃CT和質(zhì)子治療計(jì)劃之間患者密度變化而導(dǎo)致的治療計(jì)劃錯(cuò)誤，從而幫助臨床醫(yī)生確保治療質(zhì)量。這些應(yīng)用最終可以幫助臨床醫(yī)生和醫(yī)學(xué)物理師在治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)減少靶區(qū)外放。

Sarosiek博士表示，與其它依賴于定制的質(zhì)子成像系統(tǒng)的研究結(jié)果相比，團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果具有可比性，而且該系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，目前正在由產(chǎn)業(yè)合伙人對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和商業(yè)化。

Sarosiek博士說：“從短期來看，我們的質(zhì)子成像系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)。我認(rèn)為，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，我們應(yīng)當(dāng)可以使用同一套設(shè)備用于成像和治療。”

CT圖像以Hounsfield單位顯示，表示X射線衰減系數(shù)的轉(zhuǎn)換，但質(zhì)子與組織的相互作用和劑量的沉積方式不同。當(dāng)前，質(zhì)子放射治療計(jì)劃是使用基于X射線的CT掃描進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)的，這可能導(dǎo)致質(zhì)子治療的一定誤差。

研究人員也在努力限制這些誤差。幾張質(zhì)子射線照片可以用來創(chuàng)建患者特定的曲線，將CT劑量與相對(duì)質(zhì)子阻止本領(lǐng)(RSP)進(jìn)行比較。不過，Sarosiek博士說，到目前為止，不利的一面是，研究還停留在模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。

團(tuán)隊(duì)研究人員著眼的另一個(gè)項(xiàng)目是質(zhì)子CT。質(zhì)子CT可以讓醫(yī)學(xué)物理師和臨床醫(yī)生直接使用質(zhì)子CT制定治療計(jì)劃，而無需像其他研究小組那樣，生成并檢驗(yàn)一個(gè)從CT到RSP曲線的校準(zhǔn)曲線。未來，Sarosiek博士的合作伙伴將對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)研。

不過，目前，在將質(zhì)子成像術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榕R床用途之前，Sarosiek表示和其他研究小組將重點(diǎn)放在質(zhì)子成像最直接的一個(gè)局限性上。

“該方法的主要限制之一便是對(duì)于質(zhì)子成像，我們需要高能量、低強(qiáng)度的質(zhì)子束。但是臨床質(zhì)子治療束具有更高的強(qiáng)度和更低的能量，”Sarosiek表示說道，“這意味著任何集成的質(zhì)子成像和治療遞送系統(tǒng)都將需要機(jī)載束流監(jiān)控系統(tǒng)來分析低強(qiáng)度成像束，以確保對(duì)患者的劑量保持較低水平。一旦解決了這個(gè)問題，質(zhì)子成像就可以進(jìn)入臨床實(shí)踐階段。”