聚焦 | 質(zhì)子成像臨床應(yīng)用只差一步之遙?

質(zhì)子治療臨床應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是質(zhì)子束穿過身體各種組織和器官的照射范圍存在不確定性。為了解決這個(gè)問題，美國研究人員開發(fā)了質(zhì)子CT成像系統(tǒng)，用于臨床質(zhì)子治療的圖像引導(dǎo)和質(zhì)子束作用范圍估算。當(dāng)前他們展示了用該系統(tǒng)拍攝的首張質(zhì)子放射圖像，還包括第一張真正的生物材料質(zhì)子圖像。

當(dāng)前，質(zhì)子治療計(jì)劃的制定主要基于X射線的CT數(shù)據(jù)。通過將數(shù)字重建圖像（DRR）與治療前即刻記錄的X射線圖像比較，CT數(shù)據(jù)還可用于為患者日常治療計(jì)劃創(chuàng)建DRR。然而，由于需要將CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成質(zhì)子的相對(duì)阻止本領(lǐng)（stopping power），這一過程本身存在不確定性，從而導(dǎo)致計(jì)算質(zhì)子束的照射范圍出現(xiàn)誤差或錯(cuò)誤。

由芝加哥洛約拉大學(xué)（Loyola University）、Proton VDA、芝加哥質(zhì)子中心（Chicago Proton Center）和北伊利諾伊大學(xué)（Northern Illinois University）組成的研究團(tuán)隊(duì)，提出使用質(zhì)子CT進(jìn)行治療計(jì)劃。質(zhì)子CT可直接測量質(zhì)子的阻止本領(lǐng)，因而可顯著降低治療計(jì)劃中質(zhì)子束照射范圍的不準(zhǔn)確性。

與DRR創(chuàng)建過程類似，質(zhì)子CT數(shù)據(jù)也可用來生成質(zhì)子DRR（pDRR）。pDRR不僅能夠有朝一日替代X射線圖像用于日常圖像引導(dǎo)時(shí)高精度的病患對(duì)位，還能提供質(zhì)子束的照射范圍信息。值得注意的是，患者質(zhì)子治療需要的放射劑量只有X射線方案的1%左右。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種緊湊型質(zhì)子成像裝置，該裝置包括基于塑料快速閃爍體的2D追蹤探測器（可以在二維平面檢測單個(gè)質(zhì)子）和基于光電倍增管的余能探測器。2D質(zhì)子探測器分別置于患者的近端和遠(yuǎn)端，余能探測器位于遠(yuǎn)端追蹤探測器之外。

為評(píng)估他們的系統(tǒng)，研究人員通過使用Geant 4蒙特卡羅算法，從患者的X射線CT數(shù)據(jù)中創(chuàng)建了一系列pDRR。隨后，由三位醫(yī)生對(duì)這些理想化pDRR的圖像質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估。三個(gè)人都認(rèn)為pDRR能夠?yàn)榛颊叨ㄎ惶峁┳銐虻慕馄蕦W(xué)細(xì)節(jié)。

該系統(tǒng)的主要發(fā)明人James Welsh解釋說：“如果pDRR是根據(jù)質(zhì)子CT數(shù)據(jù)推演而來，那么治療的結(jié)果只是非常近似，但如果pDRR是直接取自于質(zhì)子CT數(shù)據(jù)，由于可以直接測量質(zhì)子的阻止本領(lǐng)，那么治療的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確?！?/p>

左圖：人類頭顱模型的數(shù)字化重建質(zhì)子圖像；右圖：冷凍羅非魚的質(zhì)子圖像

研究人員還利用他們的系統(tǒng)獲得了第一張生物標(biāo)本的質(zhì)子放射圖像。這張冷凍羅非魚圖像清晰地顯示了魚內(nèi)部骨骼的解剖結(jié)構(gòu)。高水平的圖像細(xì)節(jié)也預(yù)示著使用該系統(tǒng)可以同樣顯現(xiàn)人類骨骼的解剖結(jié)構(gòu)，圖像可用于日常質(zhì)子治療的圖像引導(dǎo)。Welsh透露，該團(tuán)隊(duì)最近還獲得了第一張質(zhì)子CT圖像。

圖像重建

在另一篇發(fā)表的論文中，Welsh及其同事提出了用于質(zhì)子放射成像原型系統(tǒng)的圖像重建系統(tǒng)。他們使用Geant 4來模擬設(shè)備檢測到的原始數(shù)據(jù)，并編寫了專用軟件pRad來處理這些數(shù)據(jù)和重建質(zhì)子放射圖像。

James Welsh（左邊）和他的研究小組合影

研究人員模擬了對(duì)兒童頭部模型進(jìn)行質(zhì)子筆形束照射的過程。他們使用pRad軟件來重建質(zhì)子放射圖像，以顯示水當(dāng)量路徑長度（WEPL）值的2D分布。該軟件使用一臺(tái)配有單核CPU和單個(gè)圖像處理單元的臺(tái)式電腦，運(yùn)行大約11秒的時(shí)間就能由760萬個(gè)質(zhì)子完成圖像重建。

研究人員主要通過迭代重建算法來重建質(zhì)子圖像，還有兩種快速非迭代方法——直線投影（SLP）分箱法和最可能路徑（MLP）分箱法，并將圖像結(jié)果與“真實(shí)標(biāo)記”圖像進(jìn)行比較。他們還對(duì)比了三種外殼（成像物體表面）定義的方法：一種使用已知的物體幾何形狀，另兩種使用WEPL估算外殼。

“真實(shí)標(biāo)記”圖像的大部分特征都能夠在重建圖像中顯現(xiàn)，誤差偏離主要發(fā)生在物體的外表邊緣附近。利用現(xiàn)有外殼定義方法，重建圖像可以顯示出更清晰的輪廓，不過無論使用哪種方法，簡單的SLP分箱法表現(xiàn)結(jié)果都是最差的。在所有迭代重建和MLP分箱法應(yīng)用案例中，頭部模型質(zhì)子放射圖像的平均WEPL誤差小于1mm。

研究人員還模擬了有意錯(cuò)位（橫向移位或旋轉(zhuǎn)）對(duì)質(zhì)子成像的影響，并分別在校正和不校正的情況下重建模擬數(shù)據(jù)。后者驗(yàn)證了未校正的數(shù)據(jù)將導(dǎo)致糟糕的重建，而前者則證明了對(duì)齊校正算法的有效性。

Welsh最后表示：“雖然在硬件和軟件方面還面臨許多挑戰(zhàn)，我們的原型機(jī)已具有足夠的臨床實(shí)用性，我們已經(jīng)能夠與感興趣的行業(yè)伙伴（Cosylab）建立合作關(guān)系，共同努力實(shí)現(xiàn)其與質(zhì)子治療室的整合。我們現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)臨床版本，并將自動(dòng)圖像重建擴(kuò)展到質(zhì)子CT以及質(zhì)子放射成像?！?/p>