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武汉大学、中国科大利用声波信号在线监测质子治疗剂量

2021-11-15 11:06     来源:中国科学报     质子治疗
日前,武汉大学和中国科学技术大学医学物理研究团队利用质子治疗过程中发出的声波信号实现三维剂量的在线监测。该成果有望用于质子闪疗技术(FLASH)。相关论文发表在《生物医学物理与工程快报》上。

据项目负责人、武汉大学物理科学与技术学院教授彭浩介绍,相较于传统的放疗,质子治疗一个明显的优势是,“布拉格峰”的特性可以让大多数能量沉积在肿瘤靶区,减少对正常组织的损害。但是在临床治疗过程中,患者的解剖结构、质子束流、病人摆位等因素可能会造成射程和剂量的误差,导致“布拉格峰”沉积的位置发生改变,产生“打不准”的痛点。

寻找一种能实时监测质子束剂量沉积的方法非常有意义, 尤其是结合FLASH。一方面,FLASH的单束超高剂量率特性可显著提高声波信号的幅度;另一方面,对FLASH而言,一些影响治疗精度的随机不确定性,无法像传统方法那样通过多天治疗来平均,因而在线剂量验证更为重要。

为解决这一难点,研究人员采用了一种创新性的解决方案。他们在患者身上安装传感器,跟踪治疗过程中组织热膨胀(能量沉积)产生的声波信号,得到人体内部剂量沉积的情况。此前研究利用时间反演方法、借助GPU加速,重建耗时可压缩至分钟。在此基础上,最新研究通过机器学习方法,利用小波变换有效完成特征提取,进一步降低了所需传感器的数量和重建时间(秒钟量级),并且模型表现出很好的抗噪性。

通过在治疗前根据病人解剖信息和治疗方案训练出的个性化模型,以及在治疗过程中实时测量的声波信号,研究人员有望实时在线得到二维或三维剂量分布(2毫米左右验证精度)。不过,目前方案尚需解决两大难题:传感器和病人身体的接触,以及病人体内声波传播参数的准确获取。

彭浩还提到,虽然短脉冲的高能粒子束打出声波信号的原理在上世纪80年代首次被发现,但一直面临的挑战是信号幅度小、信噪比低。随着质子束技术的进步,包括FLASH以及低噪声传感器的发展,团队的研究成果有望用于临床。下一步,团队计划开展临床测试。

相关论文信息:https://doi.org/10.1088/2057-1976/ac396d

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