Best-in-Physics|首次人体质子治疗瞬发伽马射线谱测量及FLASH剂量测定
2020 AAPM|COMP线上会议最佳物理(Best-in-Physics)主题海报的获奖研究中，来自来自麻省总医院(MGH)和哈佛医学院的研究团队展示了用于体内验证质子射程的瞬发伽马射线谱仪(prompt gamma-ray spectroscopy)，并首次探测到患者质子治疗过程中的瞬发伽马射线谱；来自密歇根大学的研究人员展示了使用电离辐射声学成像进行体内FLASH剂量研究的项目。
质子治疗相较于光子放疗有着更好的剂量学优势，在向靶区提供相同的照射剂量的同时，可以将总照射剂量减少两倍或三倍。利用布拉格峰尖锐的末端边缘也能够生成高度适形于靶区的高剂量区。“但是，我们目前尚不能这样做，因为我们并不能准确知道质子束流停下的位置。”来自麻省总医院(MGH)和哈佛医学院的Joost Verburg(医学物理学家，质子剂量验证实验室主任，助理教授)解释说。
为了解决这个问题，Verburg主任和他的同事正在开发用于体内验证质子射程的瞬发伽马射线谱仪。当治疗用的质子束与内部原子核相互作用时，就会产生瞬时伽马射线。这种方法通过测量获取治疗过程中质子束产生的能量和时间分辨的瞬发伽马射线谱得到每一束质子笔型束的射程信息。这些射线谱通过与核反应模型作比较从而得到与治疗计划相比实际的质子束射程歧离大小。
最佳物理展示者Joost Verburg(后排靠近探测器)及其同事，图片中间为他们研发的放置在定位机器人上面的瞬发伽马射线探测系统。
Verburg主任描述了他的团队开发的原型机系统并展示了在患者治疗过程中他们测量到的第一个瞬发伽马射线谱。
MGH和哈佛医学院团队已经制作完成了一个全尺寸的瞬发伽马射线谱仪原型机系统，该套系统由快速闪烁体探测器准直矩阵组成，这些探测器嵌套在一个患者摆位用的7轴机器定位系统上面。初步的模体测试显示典型的射程误差小于1 mm。Verburg主任解释说：“在模体测试中如果我们确实知道介质材料和质子停止的位置，那么我们测量的的确是我们所期望的结果。”
第一个参与临床研究的是复杂的颅底脑膜瘤患者。研究人员在患者接受质子治疗的5周内，每周测量一次其中的一个治疗野的瞬发伽马射线谱。每周测量的结果显示出了与治疗计划和实际传输质子射程偏差之间较好的一致性。
平均射程误差只有1~2 mm，但Verburg指出，并不是所有的质子笔形束都精确地停在计划的位置。他们的结果显示有一个3 mm的标准差，最大的射程偏差在8 mm左右。与传统的质子射程边缘范围(3.5% +1 mm，这个例子中是6.6 mm)相比，这些误差在传统的边缘范围以内。
Verburg主任总结道：“我们首次成功地在患者身上进行了瞬发伽马射线谱分析。我们测量的射程偏差在分次间基本一致，而且都在目前已经应用于临床质子治疗的传统射程边缘范围以内。在模体内的测试结果显示，我们的瞬发伽马射线谱仪系统能够非常精确的将质子束定位在1 mm以内。这个结果有巨大的应用潜能—如果我们能够在病人体内测量以及精确的调整质子束流的射程，那么我们将会减少射程边缘的范围并且将来能够设计出更好的质子治疗计划。”
更多关于瞬发伽马成像的信息请见质子中国往期报道《质子治疗体内成像技术最新进展(三)：瞬发伽马成像》、《瞬发伽马成像技术的应用能够解决质子治疗误差问题，优化质子治疗疗效》、《IBA瞬发伽马线照相机可以应用于临床笔形束质子治疗》。
FLASH治疗是一种新兴的放射治疗方式，它使用超高剂量率(40 Gy/s以上)来保护正常组织，与常规放射治疗相比能够提高治疗率。然而，高剂量率的瞬时传输增加了对可靠的质子束定位和剂量监测工具的需求，特别是在处理深部肿瘤的情况下。目前的剂量计无法为安全传输提供足够有效的读数。
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来自密歇根大学核工程与放射科学的Noora Ba Sunbul正在研究使用电离辐射声学成像(iRAI)进行体内FLASH治疗的剂量测定。她解释说：“这项工作的主要目的是全面开发一个完整的模拟工作流程，以测试在FLASH治疗中，iRAI作为可靠的实时剂量测定工具的可行性。”
当放射治疗的脉冲束进入到组织中，会引起局部剂量沉积和热膨胀，从而产生声波。iRAI的工作原理是用超声波换能器探测这些波，并利用它们实时构建剂量相关的图像。
为了测试他们的方法，Ba Sunbul和他的同事使用了一种改良的直线加速器，在FLASH模式下向一个凝胶模体照射6兆电子伏的电子束。射野准直大小为1×1 cm，理想的换能器放置在距射束中心10 cm处。他们还用蒙特卡罗和k波模拟了FLASH出束后诱导声波的探测。这包括在模体中模拟完整的三维剂量分布，使用剂量分布来定义初始压力源，模拟声波传播，然后重建一幅图像。
Ba Sunbul说：“将不同深度的剂量分布与胶片测量结果进行比较，结果显示测量结果和模拟结果之间的一致性可以接受，在深度小于2 cm 时误差小于6%。”
该团队还利用瞬时压力信号来确定束流的边缘，这是由模体入口和出口之间压力信号的变化决定的。iRAI识别的中心束流边缘位置与胶片测量值相差在4%以内。
用于确定剂量率的直线加速器脉冲持续时间和重复率被认为与瞬时压力信号振幅以及剂量成反比。Ba Sunbul解释说，脉冲持续时间会影响重建的2D iRAI图像的空间和时间分辨率，较长的脉冲会产生较低分辨率的图像。她指出，这对iRAI的波束定位能力产生了负面影响。
Ba Sunbul总结说：“我们已经开发了一个完整的模拟工作流程，用于测试使用理想点源超声换能器在FLASH治疗中的可行性。下一步将是模拟iRAI的图像重建过程。”她指出，iRAI用来检测射束边缘的能力已经在实验中得到验证，这种实验是在兔子体内和肝脏假体中进行的，并且使用的是常规放射治疗。(质子中国 编辑报道)