离子声学法测量质子射程可精确到亚毫米
得益于优越的剂量分布优势，质子束治疗能用最大的剂量精确照射患者病灶部位。但由于体内质子射程受到不确定性的影响，质子射程实时测量非常必要。基于这个需求，研究人员正针对多种质子射程验证方法进行研究，其中就包括离子声学（ionoacoustics）法。
离子束穿过组织会产生离子声学信号，引起局部热扩散，并与布拉格峰位置密切相关，是一种性价比较高的描述剂量分布的方法。慕尼黑大学（LMU Munich）的研究团队使用临床质子治疗系统证实，在质子束能量达到临床需求，且经过优化后，可以应用离子声学法测量质子射程。点击“阅读原文”，获取研究全文。
LMU Munich 研究人员
“之前使用临床系统进行离子声学测量的是日本研究人员，他们使用的是同步加速器，但实验的辐射条件并不理想，导致得出的结论是无法进行精确测量。”本研究的通信作者Walter Assman 表示，“最近的一次尝试是美国研究人员使用传统的IBA等时回旋加速器加人造脉冲源进行的。但是由于脉冲宽度过大，精度仅为几毫米。”
LMU团队与IBA和法国Antoine-Lacassagne中心合作，使用法国Nice的新型紧凑ProteusONE超导同步回旋加速器进行了研究。同步回旋加速器可以传输1KHz的高强度微秒短质子脉冲，非常适合离子声学测量，因为这种方法受空间剂量分布和脉冲长度影响。
“离子脉冲宽度应该小于声波穿过布拉格峰的时间，对于最低的临床用质子束能量来说，这个值大约为5微秒，”第一作者Sebastian Lehrack解释说，“只有满足这个条件离子声学信号传输时间信息才能达到亚毫米射程范围。”
Lehrack, Assmann和他们的同事在一个水箱内使用145MeV-227MeV的质子束进行了离子声学测量质子射程的实验，超声探测器放置于质子束传输轴上，在布拉格峰的远端。为了获得最大精度，他们采用两个触发信号：一个源于决定同步回旋加速器RF频率的旋转电容（rotco），用来触发数据获取；另一个源于质子激发瞬发伽马射线。
“第一个触发信号有大约1微秒的跳动，会影响测量精度，”第二作者Katia Parodi表示“用于获得布拉格峰位置的飞行时间测量法需要一个更加稳定的触发，使用瞬发伽马射线快速闪烁体探测器可以解决这个问题。”
通过计算瞬发伽马触发信号和声学压缩脉冲信号的时间差可以得到Bragg峰的位置。用探测器和水面之间的距离减去Bragg峰位置，得到绝对质子射程。
闪烁体和水中声波器信号例子
研究人员对比了他们利用离子声学方法测得的射程值和此前使用Stingray平板电离室记录的射程数据。射程值匹配度很好，最大误差646微米。对于200MeV质子束，他们在离子声学实验中重复进行了Stingray 测量，结果仅相差27μm。在5次离子声学测量中（质子能量为200,219,220MeV）平均差异小于400μm，显示了很好的可重复性。
离子声学测量与Stingray数据对比
研究团队还进行了相对射程变化测量，直接分析了仅使用totco触发得到的离子声学波。实验中他们将能量由227MeV变到226MeV和145MeV，结果与相应的Stingray值比较。两个射程变化的平均离子声学波值符合Stingray值，误差在1mm以内。
“没有精确的起始触发信号时，无法得到绝对射程。但尽管存在管触发信号跳动不确定性，不同能量的相对射程变化的测量仍然可精确到亚毫米。”Assmann表示，“因此，如果只考虑射程变化的话，可以在不需要任何探测器或触发条件的情况下使用RF触发。”
研究人员指出，离子声学法的临床应用存在的主要挑战是如何在减小剂量的同时提高信噪比。“我们正在想办法，比如研发更灵敏的探测器，了解非均匀介质中离子声学信号的特性，一级频域中的信号处理。”Lehrack说。
“另一个目标是关于离子声学信号与肿瘤超声图像的配准，我们认为这是离子声学法的一个主要优势。”Parodi表示，“由于存在常见的潜在声学波，在专用探测器阵列中的将两者结合能够避免组织不均匀问题。在解剖学和射程方面，离子声学法的应用能为图像引导离子放射治疗提供实时运动补偿。”
信息来源：medicalphysicsweb