热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

李左峰教授:质子放疗的技术挑战与机遇

2021-08-04 11:31     来源:质子中国     核技术质子治疗
6月25日,中国(国际)核技术应用产业发展论坛期间,苏州大学医学部放射医学与防护学院客座教授、泰和诚控股首席质子物理师李左峰教授做了题为《质子放疗的技术挑战与机遇》的演讲,下面将演讲内容整理后与大家分享。

李教授介绍,当前质子治疗面临的主要挑战有以下几点:

高成本;

• 系统(包括辅助系统)成本;

• 建筑(占地面积与屏蔽)成本;

• 运营(维保、水电、设备更新等)成本;

• 建筑、安装、验收、调试及审批耗时成本。

治疗效率较低;

• 临床、生物及物理的不确定性;

• 对临床及技术专业资源的更高、更大需求。


降低成本的努力

加速器和机架设计

• (单治疗室)紧凑型系统;

• 超导机架;

• 固定束治疗室+坐立式治疗椅。


新型设备的优劣

• 降低机房建筑成本;

• 降低入场门槛;

• 与多室系统相比,单室系统每室设备成本增加;

• 坐立式治疗椅需配置垂直轨道式CT或适用锥形束CT(Cone-beam CT,CBCT)系统。


质子控制系统的优化

• 提高治疗效率;

• 提高治疗可用开机率,减少宕机时间;

• 提供模块式升级与维修功能(多室系统可在保证不影响正常治疗的前提下为各室单独升级与维修)。


提高治疗效率

弧形治疗在光子放疗中已被证明是高效率的治疗手段,目前质子弧形治疗正在进行研究,现有研究主要关注计划优化以减少照射时间。

质子弧形治疗的优点:增加靶区处方剂量适形度;可期待增加治疗对摆位误差、射程及器官运动的鲁棒性;可能不显著增加出束时间。

质子弧形治疗的缺点(临床影响或为有限):导致略高的低剂量照射体积;略高的积分剂量。


克服临床、生物及物理的不确定性

临床不确定性

临床不确定性主要来自疗程中患者摆位及解剖结构的改变,需进行的研究:自适应计划修改的应用及研究;鲁棒性最优及评估的应用及研究。


放射生物学不确定性

质子放射生物学不确定性主要是由于束流尾端的相对生物学效应(Relative biological effectiveness, RBE)增大,需进行的研究:放射生物学的研究;基于线性能量传递(Linear energy transfer, LET)及RBE剂量计算的计划最优化研究;积累疗效数据及质子特异的肿瘤控制概率(Tumour control probability, TCP)、正常组织损伤概率(Normal-tissue complication probabilities, NTCP)模型研究。


物理不确定性

物理不确定性来自CT值到质子阻止本领率的转换,需进行的研究:严谨、精准的转换曲线调试及质控;双能CT设备的应用;质子成像技术的研发及应用。

接下来,李教授分别对临床中的自适应治疗、图像引导系统的完善与研发、计划系统功能的完善及研发、运动对剂量照射精度的影响、放射生物学效应的不确定性分别进行了介绍。


自适应计划

疗程中患者肿瘤及其他体形发生变化,包括肿瘤体积缩小、体重减轻引起肿瘤变化等,因此需要在治疗过程中修改计划。


 

来自美国诺克斯维尔一个质子治疗中心的统计,临床治疗中,90%的头颈部肿瘤、乳腺癌及肺癌患者需要监测,40%患者需要修改计划。

现行离线自适应质子治疗

李教授表示,一些质子中心报道,约60%~80%的笔形束质子放疗患者在疗程中需要计划修改(鼻咽癌,肺癌,乳腺癌等)。现行的离线自适应质子放疗流程如下图。患者需进行重复CT模拟,目前重复CT模拟时间的选择基于临床治疗的经验,不同肿瘤重复CT模拟时间如下。还需研发更便利、高速、精准的自适应质子放疗决策及执行技术。

• 鼻咽癌:多为放疗开始后3周中重复放疗模拟;

• 肺癌:多为放疗开始后每2周重复一次放疗模拟;

• 其他:根据患者临床反应及图像引导摆位误差决定重复放疗模拟。

未来实时在线自适应治疗

未来实时在线自适应治疗流程的研究方向如下图,目前可实现高准确度、高可信度的图像获取手段只有室内轨道CT,未来需开发基于质子本身的图像获取手段,从而直接进行计划修改、审批和执行。


图像引导系统的完善与研发

现有成像系统:二维X射线成像、三维自动配准定位、三维(先进CBCT、轨道CT)、体表成像定位及监测(体表成像是降低患者摆位时间的重要手段)。

未来(束流)成像系统的研究方向:瞬发伽马射线、质子CT与平面成像、正电子成像、超声波成像等。


计划系统功能改善与研发

现有计划系统功能:基于蒙卡算法的高速剂量计算与优化(GPU)、生物效应剂量的计算和最优化。

未来计划系统的研究方向:考虑临床不确定性概率分布的鲁棒性最优算法和鲁棒性评估算法、高速自适应计划的(自动)制定、肿瘤疗程中体积和形态改变的预估建模等。


克服器官运动对剂量照射精度的影响

器官运动对剂量照射精度存在影响,移动器官与移动扫描的质子束流之间的相互运动误差可造成较大治疗剂量误差。2017年国际离子治疗联合会(Particle Therapy Co-Operative Group, PTCOG)发表共识,建议对受器官运动影响较大的肿瘤治疗的4D动态治疗流程。荷兰格罗宁根大学医学中心Arturs Meijers将此流程扩展到对患者全流程的剂量累积评估,如下图所示。该流程目前还未商业化,但在不久的将来,该流程应该可实现商业化。

放射生物学效应的不确定性

目前,临床质子放疗使用RBE矫正系数为1.1,质子放射生物学效应的不确定性主要为束流尾端RBE上升至1.25或更高 ,急需解决放射生物学效应的计算及在质子放疗计划制定中的应用。因放射生物学效应的不同,现有光子NTCP模型不适用于质子放疗,需根据质子放疗实际损伤数据重新进行计算,还需对不同病种、不同器官分别进行计算,来形成适用于质子放疗的NTCP模型。


质子放疗的临床与技术资源需求

美国放射学会与美国医学物理学会合格质子放疗物理师资质要求如下:

• 医学物理研究生毕业+2年(博士)或3年(硕士)临床规培+质子认证考试;

• 完成质子放疗特定培训;

• 物理师团队中需包括质子放疗各方面专家并有后备替换。

• 质子重离子对临床与技术资源的更高需求:

• 光子放疗:每位医生、物理师和剂量师每年可为约300位患者服务;

• 质子放疗:每位医生、物理师和剂量师每年可为约100位患者服务。


质子放疗的技术资源要求(人数)

2019年美国离子放疗协会对28个质子中心人员配置调研发现,平均每年每90位受治患者需1名物理师和1名剂量师,平均每年每124位受治患者需1名放疗医生。质子治疗的人数要求为光子放疗的3~4倍。

质子重离子的培训与教育

李教授介绍,目前,泰和诚控股与苏州大学放射医学学院开展合作,开设高年级学生课程,主要为质子重离子放疗基础;医生物理师质子放疗在职培训,医生共计45小时,物理师共计85小时。部分培训课程内容如下。


 

质子放疗云平台

最后,李教授介绍,泰和诚控股正在搭建质子放疗云平台,也是未来的发展方向。通过此平台可实现共享质子放疗技能、共享质子放疗质控设备、共享标准流程、共享研发资源和互为补充提供冗余治疗资源。另外,在意外宕机情况下,可将患者转至其他中心进行治疗。

 


推荐阅读

质子治疗与放射治疗结合以优化癌症治疗

质子治疗提供精确的肿瘤靶向,对正常组织的整体剂量较低。但在某些情况下,基于光子的放射治疗可能具有优势。 2021-08-05

印尼受益于和平利用核技术

在过去十年中,印度尼西亚得到了“和平利用倡议”的大力支持,取得了重要的具有里程碑意义的成就,例如通过原子能机构经常预算和技术合作资金以及“和平利用倡议”资助的项目,开发了新的大豆和水稻品种。 2021-08-05

质子扩展布拉格峰FLASH治疗

FLASH放疗是指应用极高剂量率(约≥50 Gy/s)照射的放疗方式。质子FLASH治疗能够降低正常组织损伤的同时保持其对肿瘤的杀伤力,质子治疗相较于光子或电子放疗能够提供更优异的空间剂量分布。 2021-08-05

核物理 | 核技术诞生风云(一)

核技术让人类得以利用原子内部极为丰富的能量,使摆脱化学能、走向更广阔的宇宙成为可能。其发展到现在只过了一个世纪多一点,这在整个科学史的尺度上来看是极为迅速的。 2021-08-04

核技术利用之核电池

核电池按放射性元素的不同可分为高电压型和低电压型。高电压型应用在航天与军事用途上。低电压型体积可以制造的很小,通常在医学领域应用。 2021-08-04

阅读排行榜