质子治疗体内成像技术最新进展(一)：质子发射成像
离子治疗由于其特有的物理和生物学优势，已在多个国家和地区广泛开展，目前全球已运营的离子治疗中心超过90家，其中大部分为质子治疗中心。尽管过去数十年间加速器技术和医学物理学等领域取得了巨大进展，但对离子束优势的全面探索仍具有挑战性，尤其是治疗期间束流在患者体内的射程不确定性。
日前，德国慕尼黑大学医学物理系主任Katia Parodi教授回顾了质子治疗体内成像技术的最新技术进展及其临床应用，包括质子发射成像以及体内射程(剂量)验证技术。原文发表于2019年12月的《British Journal of Radiology》杂志上。如需获取全文请联系质子中国小编(微信号：ProtonCN)。本期将与大家分享质子发射成像技术的最新进展。
研究人员于20世纪60年代即提出了应用离子束开展放射成像的设想，以获得比X线具有更高分辨率的肿瘤位置及摆位验证图像。随着质子治疗在90年代逐渐普及，研究人员很快意识到离子发射成像(ion transmission imaging)可获得治疗前患者特异性阻止本领相关信息，用于优化CT-SPR (阻止本领比值)校准曲线；或直接重建用于治疗计划的3D SPR图谱。事实上，离子治疗(再)计划的物理学定量，即SPR，是一个依赖于离子能量甚至离子类型的近似值。因此，发射成像技术需要更高能量，以将布拉格峰位置调整至探测器上，并且在低能量时仍可用于治疗计划制定(将布拉格峰位置调整在靶区处)。但鉴于产生能够穿过患者身体的足够高能量的离子束非常复杂，并且需要相应的探测技术及数据采集技术，这种成像技术的发展大幅减缓。
近年来，离子发射成像重新获得了全球研究人员的关注，并且多种不同的探测器技术正在研发阶段，包括由ProtonVDA公司研发的首台质子CT原型机。详情请见质子中国往期报道《临床用质子CT成像系统成功采集生物图像》。事实上，由现代旋转机架质子治疗系统产生的230 MeV质子束最大能量(相当于在水中30 cm的穿透深度)足以用于大多数解剖结构的成像，尤其是颅内和上腹部。目前商用质子治疗系统可产生最高330 MeV的质子束用于成像，相当于60 cm水穿透深度。
探测器需要完全接收发射的质子，以明确质子束穿过成像对象后的残留射程或能量。这可通过测量射程望远镜(range telescope)中的质子终止位置实现，如与闪烁板或位置敏感固态传感器相似的一簇探测器通道；或测量质子束在由塑料闪烁体或无机晶体制成的热量计(calorimeter)中沉积的残留能量。对于动态射程有限的探测器，如上述的原型机，在束流路径上还需要额外的吸收器，以应对过小的成像面积(需要提前获得成像物体的信息)。为了克服患者体内或空气中多重库伦散射不可避免的局限性，目前最先进的探测器技术结合了每个质子的残留射程/能量信息和沿物体的轨迹，这些数据通过追踪板入射与出射束流坐标(甚至方向)的测量值估算获得，追踪板置于成像物体前端和后端。当前的探测技术多应用了位置敏感的闪烁光纤测热仪、硅条探测器或基于气体的解决方案。
应用适当的能量和角度，后处理技术(post-processing)可进一步协助消除由原子核相互作用或大角度散射导致的问题，减少SPR值的不确定性，但这种单粒子探测系统的造价高。一种更经济的方式应用的是由整个束流中产生的积分信号(integral signal)。对于被动能量模式，目前研发的系统包括薄型位置敏感探测器，如相机闪烁屏和2D二极管阵列。对于主动扫描束流，单能束流的整合布拉格曲线可被多层剂量系统获取，如与被动吸收器(passive absorbers)交错的大面积平行平面电离室。尽管获得了理想的实验结果，但与单粒子追踪方式相比，由于物体内的散射问题以及积分信号的射程混杂效应，这种模式通常会出现成像性能降低，并且需要复杂的数据处理技术及前期信息收集。
基于上述探测系统，放射投影(radiographic projections)可提供目标物体外发射离子平均残留射程的2D图谱。应用适当的校准扫描(如应用已知深度的特定水模体或水等效模体)，可将投射数据转化为成像物体的水等效深度(WET)。通过比较实验数值与WET的推断值(由转化为SPR的X线计划CT光线追踪数据获得，校准曲线因中心而异)，可针对不同患者优化SPR校准。此外，放射离子成像可实现治疗前患者摆位验证的低剂量成像。对于物体内质子最可能的曲线路径，不同角度多重投射的断层成像以及先进的图像重建方法还可直接提供容积SPR值信息。近期，不同研究小组通过模体实验获得了理想的结果，多数是小规模的原型机，并且旋转的是成像物体而非束流。值得注意的是，探测器(尤其是单粒子追踪功能)和数据处理(包括图像重建过程中更优的离子轨迹和能量损失估算能力)技术的发展能够大致克服上世纪早期研究面临的局限性，并减少由图像重建伪影导致的残留问题。
日前，慕尼黑大学研发出了针对颅脑解剖位置的第二代质子CT原型机。实验显示，与最新双能CT (DECT)扫描仪(平均绝对百分比误差, MAPE, 0.67%)相比，原型机可小幅提高模体成像的SPR精确度(MAPE, 0.55%)，并且成像剂量显著降低，仅为1.5 mGy。其他减少剂量而不降低成像部位图像质量的方法是应用笔形束扫描成像设置，即利用其调节质子束流的独特的灵活性。此外，近期的研究显示，相较于低能量X线成像，应用布拉格曲线的平台期可减少正常组织的生物学照射损伤。因此，离子发射成像与X线相比具有剂量学优势，为自适应治疗的等中心点日常图像引导开辟了新的途径。