畅想十年后的质子治疗医学物理学(六)：个体化计算机模体
近年来质子治疗发展迅速，但关于质子治疗的医学物理学仍有很多工作需要做。瑞士PSI研究所首席医学物理师Antony Lomax教授畅想了未来十年内质子治疗医学物理学的发展趋势。作者认为，从医学物理学角度出发，质子治疗在治疗时间、半影区、照射边界、生物相关剂量学、不确定性以及个体化计算机模体等领域将有较大发展。原文发表于《Medical Physics》杂志上。点击“阅读原文”获取全文。
前五期与大家分享了质子治疗在缩短治疗时间、缩小半影区、减小照射边界、生物相关剂量学以及不确定性方面的可能进展，详情请见质子中国往期报道《畅想十年后的质子治疗医学物理学(一)：缩短治疗时间》、《畅想十年后的质子治疗医学物理学(二)：缩小半影区》、《畅想十年后的质子治疗医学物理学(三)：减小照射边界》、《畅想十年后的质子治疗医学物理学(四)：生物相关剂量学》、《畅想十年后的质子治疗医学物理学(五)：重视不确定性》。作为“畅想”系列的最后一期，本期将为大家介绍个体化计算机模体在质子治疗中的可能应用。
Lomax教授畅想的未来十年内质子治疗医学物理学的36个发展趋势
医学计算机模体(computational phantom)领域的发展迅速，这主要得益于放射物理学以及对能够估算X线及CT成像等效剂量的仿真模体的需求。虽然这类数字化模体能够代表不同身高、体重甚至体重指数的男性或女性患者，同时还有针对儿童及妊娠女性的模体，包括不同发育阶段的胎儿，但以上这些均不能称得上“个体化”。
在放疗领域，个体化的计算机模体研究其实已经有数十年了。例如，如果不属于个体化计算机模体，那么针对某一患者的3D计划CT又是什么呢？这能够提供精确剂量计算所需的内部密度(internal density)信息，同时是针对肿瘤及多种重要结构进行剂量呈现及评估的基础(其他“个体化”计算机模体如MRI、PET等)。事实上，应用4D-CT技术，个体化计算机模体甚至可以扩展至四维空间。
那么，能否通过结合放射诊断学计算机模体的概念与模型，增强患者特异性3/4D计划成像质量呢？作者认为这完全可以实现。
计算机模体在应对解剖结构改变中的应用
导致质子治疗射程不确定性的主要原因是患者解剖结构的改变。然而，在进行治疗前鲁棒性分析或鲁棒性优化时却很少考虑到这种改变，尽管这种改变产生的影响远大于CT数据导致的摆位或射程不确定性以及对质子阻止本领的校准。解剖结构的改变很难预测，这也是由计算机模体衍生的解剖模型概念的意义所在。
PSI研究所近期针对颅底脊索瘤的质子治疗开展了一项研究，比较自动化鲁棒性优化与日常自适应治疗在应对复杂鼻腔填充(filling of nasal cavities)方面的能力。研究首先应用了患者特异性CT数据——应用逐层填充模型模拟不同的鼻腔填充，能够自动模拟鼻腔从无填充至完全填充的5种不同程度。研究人员接下来进行了鲁棒性优化，将极少(无填充)和极端填充作为输入数据。假设每个分次治疗时为随机填充的情况，自动化鲁棒性优化的有效性可以通过计划再计算进行检测，总剂量随分次数增多逐渐累积。日常的自适应治疗方式则直接根据选定的填充程度进行计划的再优化，总剂量同样在整个治疗过程中逐渐累积。研究人员将两种方法得到的结果进行比较，与预期一致，日常的自适应治疗具有最优的总体剂量适形性；但研究同时显示，解剖结构的鲁棒性优化能够保证靶区的覆盖，并且具有高度的总剂量适形性。尽管鼻腔填充模型用于临床仍存在诸多问题，但研究结果表明个体化计算机模体能够作为相对初级的评估鲁棒性计划的工具。
当然，针对这个领域可以进行进一步的探索。例如，美国伦斯勒理工大学(RPI)研发的方法能够模拟脂肪组织的皮下/深部改变，因此可以预估体重改变对解剖结构的影响。如果这种模型能够用于调整患者的计划CT，那么就可能预先知晓这些改变对剂量学产生的影响，并且这些影响可以用于治疗前的计划鲁棒性检验。事实上，通过将这些改变纳入鲁棒性优化过程，能够将改变导致的影响降至最小。这类模型至少可以用于进行理论研究，检验应对解剖结构改变的不同策略的有效性。
计算机模体在应对器官运动中的应用
器官运动非常复杂，并且与患者甚至是呼吸周期密切相关。4D-CT主要基于的是多个呼吸周期，并且至多只能获得多个呼吸周期平均后的器官运动情况，因此单单进行4D-CT对于预测器官运动相当有限，通常无法代表某个呼吸周期，也无法获得大多数患者器官运动的主要变化特征。但是器官运动对于质子治疗的影响很大，并且质子治疗对患者运动的细节非常敏感；这时可以应用计算机模体。例如，4D计算机模体(XCAT)近期被用于研究不同4D-CT的成像质量及采集时间，并且同一个模体可以用于研究器官运动产生的影响及其在不同治疗条件下的变化特征，但XCAT并非是个体化的模体，4D-CT(MRI)才是患者特异的方式。
4D-CT(MRI)已经广泛用于笔形束扫描(PBS)质子治疗的器官运动研究。4D-CT首先需要单相CT的数据集，通过在初始数据中加入4D-MRI的运动向量而生成4D-CT。作为无辐射的成像方式，4D-MRI能够获得患者及健康志愿者的多呼吸周期运动数据，因此可以创建器官运动的数据库。器官啮合(organ meshing)方法可以确保CT及MR运动数据库的几何学连续性，每例患者的4D-CT图像可以通过这个数据库生成，因此可以针对多种可能的器官运动建立模型。这种数据集在多种运动模式下能够用于检验及预测计划的鲁棒性或某种特定的减少器官运动的方式。将这种方法与替代运动模型(surrogate driven motion model)结合，至少在 理论上，能够生成患者及呼吸周期特异的计算机模体。
Lomax教授最后总结说，计算机模体的潜力巨大，当前只是这一领域研究的开始。（质子中国 编译报道）
参考文献：Lomax A. What will the medical physics of proton therapy look like 10 yr from now? A personal view.MedPhys.2018;45(11):e984-e993.