肿瘤放疗文献综述 (质子放疗新技术的进展)

[文献编译]放疗技术的发展、质子放疗及广泛临床应用的途径综述(2)

原创 2017-02-07 粒子线第一新媒体 CPTN重离子质子

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CPTN编者按，我们译成中文的《质子放射治疗及广泛临床应用的途径综述》分五篇，今日继续发布第二篇《放射治疗技术的发展、质子放疗及广泛临床应用的途径综述》，供读者参考和讨论。

主讲专家：

Niek Schreuder医生简历

Niek Schreuder医生是美国Provision质子中心首席物理师，从1993年开始参与质子治疗，参与7家质子中心的的建立和初期设备调试以及患者治疗，为6家新成立的质子中心的肿瘤放疗医生、物理师、药剂师和理疗师提供培训；曾经组织CAMPEP认证的物理培训课程并授课；目前担任PTCOG教育委员会的副主席，该教育委员会组织PTCOG每年的培训讨论会。

Niek Schreuder医生在粒子治疗领域拥有25年的丰富经验，目前就职于美国Provision质子治疗中心并担任副总裁及首席医疗物理师。Niek Schreuder医生是美国放射学委员会（ABR）认证的医疗物理学家，他在放射疗法的所有领域，以及医疗物理学团队管理和放射疗法专业医疗人员培训方面都有着深厚的经验。

Niek Schreuder医生曾在美国ProCure质子治疗中心（ProCure Treatment Centers）担任首席医疗物理师，并参与美国中西部质子放射学院（MPRI）的设计建造及运营，他也曾在南非iThemba实验室（前国家加速器中心）负责质子治疗，中子治疗及X光治疗的设备运营。Niek Schreuder医生曾著作及合著40余篇同行评审刊物，并在国内外大会上发表60余次演讲。

Niek Schreuder医生加入并积极参与以下专业机构的工作：

美国医学物理学家协会（AAPM）

美国放射治疗及肿瘤学会（ASTRO）

北美肿瘤质子治疗协作组（PTCOG-NA）

肿瘤质子治疗协作组（PTCOG）

以下是Niek Schreuder医生《质子放射治疗及广泛临床应用的途径综述》第二篇，英文原文PPT由Niek Schreuder医生本人提供并授权CPTN编译中文和发布。

四、放射治疗技术的发展

质子治疗行业的最新进展不断促使着放射治疗技术的改进。束流传输、治疗计划及图像引导方面的新技术不断提高着当前患者体内治疗靶点的疗效，同时也正在开创之前质子在患者体内未曾治疗过的靶点位置。如前所述，放射治疗技术近年来最显著的进步是笔形扫描技术（PBS）的广泛使用。而早期的质子治疗系统主要依靠于展开的束流来传输，然后通过对每一个患者采用的专门孔径和补偿器的使用来最后形成束流，PBS严格的把控着小的束流，进而让其输送剂量到患者的靶部位内。

早期的质子束流输送方法是采用双散射（DS）或“均匀”磁扫描（US）技术把束流输送到比实际靶点体积大的位置，同时需要孔径和补偿器来形成横向和远侧的束流。能够调节的束流参数仅为扩展的布拉格峰（SOBP)的范围、幅度或宽度。由束流传递距离的远近，用补偿器调节靶区远端剂量到最佳，且决定回到高剂量区域的大小程度。近端高剂量区的形状将模仿远端剂量区形状，因为剂量只能是均匀的进行调节调制，或拉回到原来水平。因此，这种物理存在将会在靶区外为每一束单独束流产生形成非计划内的近端高剂量区。通过多个束流的使用——类似于3D光子技术，缓和了上述效应的产生。

同样，由于不能对给定的束流做出改变的光圈能提供所有需要的束流，所以在不同的深度，束流的宽度不能任意的做出调整。这些之前的束流输送技术的确得益于质子物理学的发展，其中包括了降低入射剂量及零出射剂量，但这些技术由于在患者体内不能有效的形成要求的剂量分布而限制了其发展。图2说明了传统质子治疗的束流设计。

放射治疗技术参考文献,质子放疗新技术的进展

图2. 利用双散射或者均匀扫描的传统质子治疗仪。用光圈来形成束流，且利用补偿器使得远端剂量与靶形状一致；用于校正靶的远端束流形状的补偿器（1），倾斜入射的束流（2）以及在束流传输过程中的不均匀性（3）。

放射治疗技术参考文献,质子放疗新技术的进展

图3.PBS是采用独立控制的加速的质子的小的笔形束流在三维空间来覆盖靶目标。用快速扫描电磁铁来使的笔形束扫描技术离轴扫描。直到每个点受到所需剂量的扫描后，束流才被固定在扫描点上。

笔形扫描技术的问世已经克服了上述缺点。PBS技术可以积极引导束流到患者体内给定的深度和横向偏移量的离散的“点”的剂量。见图3。

PBS技术可以对治疗计划中每一束流如何沉积及沉积的部位进行完全控制。选择的照射点允许各能量层束流宽度的变化。使用这种技术，靶部位的近端和远端的剂量分布就能达到一致，或者允许在束流的边缘形成一个凹形。相比于三维质子治疗，PBS技术对靶部位近端的进行保护避免受到大剂量照射而不需要光圈和补偿器就能做到。PBS技术的唯一缺点是每一个照射部位仍然沉积了入射剂量。PBS技术靶部位近端保护的有利临床应用是在本文第六部位中乳腺癌的治疗过程中。在DS/US与PBS技术对脑部肿瘤的单光束治疗的比较如图4。

放射治疗技术参考文献,质子放疗新技术的进展

图4. 使用DS/US与PBS单质子治疗剂量的差异比较。底部右图显示的是使用DS/US技术对靶部位外面的非需要剂量。

PBS技术所带来的优点和灵活性为其他先进的计划技术的发展开了先河。早期的束流传输方法是每一束流只能传输一个均匀的束流，且由于束流会在病人的解剖结构或补偿器中的散射而产生的意外热点和冷点。但PBS技术就可能充分的达到治疗要求的技术，即为靶的每一个部位提供均匀剂量，然而，这已不是一个必备的要求。如果需要，对每一个束流可进行优化后才给靶输送相应束流，这是在精确的束流输送基础上形成的。例如，如果一个临床靶体积（CTV）环绕着一个重要的危险器官（OAR），右侧束流可能更多的投射到CTV右侧附近，同时远离右侧的靶的其它部位则投射较少的剂量，则剂量就会通过这个重要的危险器官进行剂量的输送。但这种偏倚的情况可以被放射治疗计划者调整到任意程度。

除了新的束流传输技术外，质子治疗计划技术也在不断进步中。以蒙特卡罗为基础的剂量计算将很快成为主要的研究手段，为不规则的靶体提供更准确的剂量数值，以便为治疗计划者提供更多的信息。质子的笔形束流计算算法一直难以成为上游的散射，如通过一个厚的补偿器。对于大多数质子治疗系统，存在一个较低的能量界限，通常是75MeV，或者约水下4cm范围。如果输出能量低于这个界限值的话，则需要在束流传输途中增加额外的降解材料，但这却降低了剂量率和增加了光斑大小。为了减少上述问题，需要安装一个范围移出器。范围移出器是放置于束流中的丙烯做成的材料，靠近病人，可以进一步降低束流的能量以便于治疗患者浅表部位的肿瘤，如乳腺癌。范围移出器通常置于束流传输系统真空范围之外，因为质子会在空气中发生散射。气隙被定义为范围移出器与患者之间的距离，且气隙越短，散射的束流越少。对于带有范围移出器的大的气隙，该算法可能高估了浅表部位的剂量。蒙特卡罗算法将极大的提高带有上游散射剂量值的准确性，同时也在非均匀性物质如气囊、肺以及金属移植物中出现。

在质子治疗当中一个普遍不清楚的内容是质子相对于光子的生物学效应（RBE）大小。不过1.1已经成为这个RBE的标准值来使用[12]，以便每位患者都是相等的。然而，我们知道RBE是和质子的传能线密度（LET）在与靶部位相互作用的过程中的任一点是相关联的，且LET随着能量大小的变化而变化。正是LET与能量的这种变化而产生了布拉格峰。通过蒙特卡洛模拟计算剂量，我们可以了解到LET-加权剂量的分布，这样就可以评估哪些地方可能是有升高的生物剂量的风险，并希望尽量减少这种影响，或至少确保它不会发生在敏感的关键结构中。因此只要对LET与RBE之间建立关系，则生物优化计划将不再遥不可及。

尽管质子治疗是一种先进的治疗手段，但其在图像和患者调节技术的发展中仍然跟随着光子步伐。呼吸门控技术是光子治疗过程中普遍使用的一个很好的例子，但在质子临床治疗实践过程中还没有发现其广泛使用。锥形束CT（CBCT）是另一个这样的技术，而且已经在目前市售的所有新的质子系统中，同时可能很快就会在现有的质子治疗室改造升级这种技术。多个供应商现在提供的CBCT作为一个选项，或作为主要的成像处理在他们治疗系统中的即将到来的迭代。目前的行业标准的成像方法，二维正交X射线图像，是在很大程度上限于设定的基于骨性解剖和基准标记。CBCT是一个近乎完美的选择技术，因为它可以根据患者的皮肤或软组织而提供更好的定位。在靶的定位和患者调节技术提高可以有效减少靶体积周围部分，以免使重要器官免收照射。

CBCT图像的另一个重要应用就是在一个验证治疗位置上计算患者的治疗计划剂量大小。CT扫描的质量保证通常是在质子治疗中进行的，但当前他们需要移动患者至轴向CT扫描仪，且在治疗位置实施一个单独的设置。如果能够计算出在治疗室获得的CBCT图像的剂量值，这将使得的结果更加可靠，同时也避免了患者所受到额外的摄片成像剂量[ 13 ]。从治疗室获得的CBCT图像所提供的信息对医生决定是否以及何时调整治疗计划有非常大的价值。对过程的进一步细化将是实时调整治疗计划。使用可调节的登记项目和快速治疗计划优化调整每天的治疗计划，目的是为了对靶达到最优化的覆盖及避免危险重要器官受到照射。然而，目前这种观点很可能在数年后才能在临床实施。

除了在患者设计方面的作用外，成像技术也可应用于对患者体内的剂量分布情况进行验证。当质子与患者体内的有机分子的原子核相互作用时，通过核的相互作用且形成了发射正电子的核素，包括C-11、O-15 [14]。如果对一个接受质子治疗后的患者立刻进行正电子发射断层扫描（PET）检查，在PET图像中可以看到质子在患者体内组织中的信号。把这种信号转变成真正的剂量值是一个挑战，但是按照束流行进的轨迹以及束流停止的地方可以获得有用的信息。这个正在研究当中，但是这种技术也呈现出有意义的机遇，就是可以在患者体内进行质子束流的质量保证。

实施质子治疗过程中另一项技术是实时γ射线的检测。在质子与患者体内原子核发生相互作用时产生瞬发性离散能量γ射线。由Jongen和Stichelbaut在医学范围内的质子范围验证中首次提出了瞬时γ射线成像的概念 [15]。

质子放射治疗是质子治疗领域另一个有前景的发展。X射线成像是利用光子通过组织时的衰减而获得的X射线图像。大量的这样的X射线图像在已知的各个角度内被用来重建一个三维CT图像。以类似的方式，一系列质子射线也可以用来重建一个质子CT（PCT）[16]。PCT将描述患者体内不同组织类型的每一个体素的相对阻止本领。患者体内质子阻止本领的精确图，今天难以用精确的方式计算其质子范围[17]。

CPTN特约编译：王孝娃译

放射治疗技术参考文献,质子放疗新技术的进展