畅想十年后的质子治疗医学物理学(二)：缩小半影区
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。上期与大家分享了质子治疗在缩短治疗时间方面的可能进展，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》。本期将为大家介绍缩小质子治疗半影区方面的可能进展。点击“阅读原文”获取全文。
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
缩小半影区
质子主要通过多次库仑散射(MCS)向外侧散射，即使是狭窄的笔形束，也会根据入射深度出现不同程度的散射。例如，能量为170MeV的无限小的质子笔形束射入水中，布拉格峰处的半峰宽度(full width at half maximum, FWHM)接近于1cm，在80~20%剂量跌落区间内束流宽度增加至4.5mm(单由MCS导致的散射)。若束流大小在空气中为3mm(束斑)，布拉格峰处的FWHM将接近1.1cm，在80~20%剂量跌落区间内束流宽度增加至5.5mm。此外，当束流在患者体内的剩余射程约为4cm或更少时，治疗头中需要安装前置吸收器(pre-absorbing material)(射程位移器)以输送浅表的布拉格峰，这也使半影问题更加复杂——这种设置会使束流散射，并且如果距患者的距离达不到足够小，可导致笔形束明显增宽。
可通过一些方法缩小浅表照射野的外侧半影区。首先，或许也是最难的，是减小治疗设备中的最低能量。尽管某些同步加速器(可生成约40MeV的质子束)可以做到这点，但对于大多数治疗机构来说，尤其是应用回旋加速器的机构，实现这点非常困难。更实际的方法是优化前置吸收器(pre-absorber)的位置与控制以及应用照射野特异性准直。
尽管对深部布拉格峰的束流宽度影响很小，优化前置吸收器可缩小浅表照射野的外侧半影区。例如，多数质子治疗解决方案可在治疗头中插入前置吸收器作为照射野特异性原件。但安装前置吸收器不仅会增宽所需的浅表布拉格峰，同时会额外增加深部布拉格峰的散射，影响整个照射野的半影区。PSI研究所既往开展的一项研究显示，在1000多个笔形束扫描(PBS)照射野中，超过30%的布拉格峰的射程在5cm或以下，需要前置吸收器。因此，由前置吸收器导致的外侧半影区增大是一个临床上需要解决的问题。
那么如何解决这个问题呢？首先，可以只针对照射野内的笔形束/布拉格峰安装前置吸收器(如射程≤4~5cm)。PSI研究所2号旋转机架应用的即是这种方法，4.1cm碳离子前置吸收器安装在旋转机架治疗头的滑轨上，可实现照射野内外的全自动移动。尽管移动过程需要数秒的时间，但可以实现只针对低能量/浅表布拉格峰的调节，输送更深的布拉格峰时可将其移除。当然，这需要治疗计划系统的支持，PSI研究所已经将前置吸收器完全整合进治疗计划系统中。
另一种方法是尽量缩短前置吸收器与患者的距离。尽管听上去很简单，但由于所需前置吸收器的体积以及在邻近患者处安装又大又重的装置所带来的安全问题，这种方法实施起来并非易事。因此，另一种可行的方法是将前置吸收器安装在治疗床上，作为固定/患者特异性的装置，或者通过机器人系统自动安装并移除。
缩小外侧半影区最显而易见的方法可能是在PBS输送系统中添加准直器。尽管PBS的优势之一是无需准直器，但并不意味应用准直器会使PBS失去优势——缩小浅表照射野的外侧半影区就属于这类情况。为了充分利用PBS准直，还需要结合边缘增强效应(edge enhancement effect)考虑。PSI研究所早期的研究表明，增加外侧笔形束的权重能够尽量缩小PBS照射野的外侧半影区，并且更接近单一笔形束的半影区，PSI研究所于2004年发表的研究将边缘增强与准直联合应用称为“边缘增强准直”。既往研究显示，准直器可使照射野边缘的笔形束更加锐利，使束流形状出现不对称性。这种“准直的”笔形束能够在治疗计划系统中模拟，系统的优化程序可优先处理这些锐利的、位于边缘的笔形束。此外，这种方法也可以与轮廓扫描(contour scanning)联合应用，根据不同能量级的靶区轮廓输送笔形束。大量研究已经从几何学角度证实了这种方法的优势，未来还将有更多的研究进展，使浅表肿瘤治疗的照射野更加清晰。（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. Med Phys.2018;45(11):e984-e993.
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