佛罗里达大学李左峰教授：质子治疗技术的进展

11月11日，在第15届全国肿瘤放疗年会(CSTRO)离子射线放疗专场上，来自佛罗里达大学质子治疗中心(UFHPTI)的李左峰教授做了题为《质子治疗技术的进展》的演讲，总结了质子治疗的技术进展，并着重介绍了笔形束扫描(PBS)准直、弧形质子治疗以及质子治疗自动计划。

李左峰教授

李教授表示，质子治疗面临的挑战包括较高的成本以及需要进一步提高束流输送的准确性和鲁棒性。质子治疗的成本包括质子治疗系统和建筑成本以及运营成本，如较高的设备维护成本、对物理师的需求量大、对物理师的经验要求高以及治疗效率相对较低等。

质子治疗技术的进展
质子治疗系统硬件和软件的进展

  • PBS的准直方式

  • 弧形质子治疗

  • 基于日志文件(log-file based)的系统及患者特异的QA流程

  • 紧凑型治疗系统

  • 坐位的垂直CT成像

  • MR引导的质子治疗

治疗计划的进展

  • 质子治疗自动计划

  • 蒙特卡罗剂量计算和优化

  • 基于线性能量传递(LET)/相对生物学效应(RBE)的优化

  • 运动相互作用效应模拟系统及减少器官运动的技术

  • 鲁棒性优化/鲁棒性评估

成像技术的进展

  • 基于锥形束CT (CBCT)/4D CBCT成像的自适应质子治疗

  • 实现更快患者摆位及器官运动监测/控制的成像工具和技术

  • 双/多能CT、质子CT/放射成像技术、正电子激活成像和/或瞬发伽马成像，用以减少射程的不确定性

PBS准直
PBS准直的优势——半影

缩小照射野半影可在增加靶区剂量的同时减少对周围危及器官(OAR)的照射。以往研究表明，在质子治疗中应用挡块可缩小半影范围。麻省总医院2008年的研究显示，在14cm深度或更浅的部位，经准直的双散射束(DS)的半影小于未准直的PBS半影。

PBS准直的优势——照射野外的剂量

澳大利亚卧龙岗大学(University of Wollongong)2016年的研究显示，应用患者特异准直孔径(patient-specific aperture)的PBS治疗能够在4.72cm、18.88cm和28.32cm深度位置减少距离照射野2.5cm处的照射剂量。

PBS准直的不足

由于需要手动更换挡块，进行PBS准直增加了治疗时间，降低了治疗效率；若治疗时忘记放置挡块还会影响治疗的安全性；PBS准直同时会增加中心的运营成本，UFHPTI每年的挡块和补偿器的花销超过200万美元；中心需要设立储存挡块的空间，并且在处理挡块之前需要一段时间使其放射性降至安全范围。

PBS自动准直

爱荷华大学的研究人员于2014年基于束点大小和束点间距研发了一套针对点扫描质子治疗的自动准直系统(dynamic collimation system, DCS)。结果表明，与未经准直的治疗计划相比，DCS计划在3-9mm束点大小时可减少26.2-40.6%的周围正常组织平均剂量。后续研究显示，这种准直方式的效果与PBS加准直器的效果相当。

UFHPTI目前也基于设备情况启动了质子多叶准直器(MLC)的研究，目的是研究紧凑型的MLC，并可在小照射野和大照射野间转换。初步的计算结果显示，应用MLC的PBS计划具有更好的颞叶保护作用。

弧形质子治疗

弧形质子治疗的优势在于提高靶区处方剂量的适形性；针对摆位误差、束流水等效深度(WET)变化和器官运动提高治疗计划的鲁棒性；不显著增加开束(beam-on)时间。但弧形质子治疗的低剂量浴和累积剂量更高。

Beaumont质子治疗中心于2018年发表的一项研究为9例接受容积弧形调强放疗(VMAT)的早期前列腺癌患者制定了点扫描弧形质子治疗(SPArc)及鲁棒性优化的双侧照射野调强质子治疗(ro-IMPT)计划，并对剂量分布进行比较。结果显示，弧形质子治疗具有更好的高剂量区剂量分布，直肠、膀胱及股骨头等OAR的照射剂量更低。

质子治疗自动计划

质子治疗计划的复杂性高、工作量大、计算所需时间长、不同物理师或剂量师制定计划的方法不同，并且目前缺乏针对鲁棒性优化方式或评估的共识，因此可通过实施质子治疗自动计划获得更高质量的PBS治疗计划。

质子治疗自动计划分为基于经验(experience-based)的自动计划、基于知识(knowledge-based)的自动计划以及两者的联合。基于经验的自动计划依赖于以往“经验”的质量，如基于AI的自动计划，但首先需要有“训练”的过程。基于知识的自动计划依赖于已有的“知识”模型。目前尚没有成熟的质子治疗自动计划。

UFHPTI目前正在进行基于知识的自动计划研究，今后将加入基于AI的自动计划。UFHPTI制定自动计划利用束流特征以及靶区和OAR的几何关系，预测理想的靶区和OAR的剂量体积直方图(DVH)，之后对DVH进行再优化，但对于不同患者仍需要进行人工调整。

研究结果显示，对于头颈部肿瘤患者，自动计划中脑干、右眼球和右颞叶的照射剂量均显著降低，自动计划的DVH结果大多情况下介于人工计划和理想计划之间；前列腺癌的自动计划也优于手动计划；对于乳腺癌患者，自动计划相较于人工计划的主要优势在于臂丛神经和食管的照射剂量显著降低。（质子中国 现场报道）

佛罗里达大学质子治疗中心(UFHPTI)于2006年8月14日治疗第1例患者。2017年5月，中心为第2间治疗室安装了通用治疗头，并可实施笔形束(PBS)治疗；中心正在安装一套IBA ProteusONE单室质子治疗系统，在新系统投入使用后，将把第2间治疗室的通用治疗头换为专用治疗头；2019年第3间治疗室升级后将专用于PBS治疗。目前中心安装了锥形束CT(CBCT)、RayStation治疗计划系统、MOSAIQ信息系统以及瓦里安TrueBeam和Eleckta Synergy直线加速器。

感谢李左峰教授审校本文

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