混合离子束可提高粒子治疗精度的研究荣获《物理世界》2020年度十大科研突破
离子束放射治疗提供了精确的剂量沉积，这种技术拥有较低的入射剂量，并且沉积剂量在布拉格峰区域增加到最大，然后急剧下降。然而，这种陡峭的剂量梯度使碳离子治疗对射程的不确定性高度敏感。因此临床上仍需要研究如何改进治疗射程监测技术。
近来有研究人员提出可将少量的氦离子添加到碳离子治疗束中，以便在治疗过程中进行在线的射程监测。完全剥离的氦离子和碳离子表现出大致相同的质量/电荷比，这种性质允许它们在同步加速器中能够同时加速到相同的每核子能量。由于氦离子的射程大约是碳离子的三倍(同样的速度情况下)，它们可以直接穿过患者，并可以在碳离子束提供治疗的同时用于成像。
为了评估氦/碳离子束混合这一方法，由德国癌症研究中心(DKFZ)的Joao Seco和伦敦大学学院(UCL)的Simon Jolly领导的团队在海德堡离子治疗中心(HIT)用氦和碳离子束对模体进行了照射实验。
文章的第一作者Lennart Volz博士与伦敦大学学院的Laurent Kelleter进行了密切地合作，他解释说：“我们想研究粒子成像的优势是否也可以用于在线射程验证。”射程的不确定性是粒子治疗的关键挑战，准确的在线治疗射程验证方法可以极大地造福患者。混合离子束照射是一种理想的方法，因为它可以让你看到你治疗的是什么。”
由于HIT同步加速器并不是用来传送混合离子束的，所以研究人员按10：1的碳氦比，用相同能量(每核子)的氦和碳离子束按顺序依次照射到模体上。为了监测氦离子束和碳离子的射程，他们使用了伦敦大学学院开发的一种新型射程探测装置，该装置由一组薄的塑料闪烁片组成，由一个平面CMOS传感器读出。
将每个薄塑料闪烁片的闪烁光产量相加，并将其归因于薄片中心的水等效厚度，从而得到了深度-光产量曲线。碳离子束和氦离子束的曲线被缩放到10:1，然后相加产生一个“混合离子束”信号。
研究人员使用包含不同大小空气狭缝的PMMA模体来评估系统的灵敏度。他们利用测量到的光输出信号和参考测量值之间的差异来量化射程变化。在剩余束流射程范围内，照射模体中存在厚度为2 mm、宽度为5 mm和2 mm的空隙所产生的相对差异分别为40%和17%(与实体模体相比)，这个结果是在预测范围内的。另外，该方法也能观察到即使是1 mm厚、2 mm宽的狭缝，相对差异为8%。
临床情形
为了实验这种方法能否适用于一个更贴近临床的场景，该团队使用ADAM骨盆模体来研究肠道气体运动对氦离子束射程的影响。他们制定了一个前列腺癌治疗计划，并使用计划中的三个束斑点(以相同的能量)照射该模体，这三个点分别是：肿瘤等中心，直肠附近和两者之间的一个点。并且他们还在模体内给直肠气球充气，使其容积分别为30 ml、45 ml和60 ml。
对于直肠附近的点，即使是气球中最小的空气量也会引起明显的氦气射程的变化。对于更大的充气体积，研究小组发现当离子束穿过直肠和直肠气体时，探测到的氦的含量会急剧增加。类似地，对于中间点，两个较大的充气膨胀产生了实验上可观察到的信号变化。在等中心处，研究小组没有看到气球膨胀带来的显著变化。然而，在蒙特卡罗模拟实验中，两个较大的充气量会引起很小的变化。
最后，为了研究患者小幅度旋转对观察到的信号的影响，研究小组使用了ADAM-PETer骨盆模体。他们分别以绕其垂直轴2°和4°旋转的角度照射模体。与非旋转状态相比，两种旋转都导致了测量到的混合射束信号有明显的变化，蒙特卡罗模拟结果与此相似，但变化反应要略大一些。
这一研究表明了使用氦/碳混合离子束监测治疗分次内解剖变化的潜力。对于更接近临床情形的病例，混合离子束方法可以帮助探测肠道气体运动和患者的小旋转所带来的影响。
研究人员建议，对于处于缓慢或非周期运动的解剖部位，如果离子源或离子束能量的快速切换在技术上可行的话，连续束照射可以提供有用的信息。但当治疗运动距离变化较大的移动目标时，如肺部肿瘤，利用混合氦/碳离子束方法将更加有利。
“考虑到氦/碳混合离子束的应用潜力，下一步工作将是如何产生一个真正的混合束，我们正在与GSI亥姆霍兹重离子研究中心合作进行研究，”Lennart Volz博士说道。“长期而言，我们将要研究如何利用混合离子束生成高分辨率的在线氦射线照片。”(质子中国 编辑报道)