麻省总医院卢晓明教授：如何应对头颈部肿瘤质子治疗的不确定性
11月17日，首届合肥国际质子重离子放疗论坛上，来自麻省总医院质子中心的卢晓明教授做了题为《头颈部肿瘤质子束放疗的物理问题》的演讲，分析了目前头颈部肿瘤质子治疗的不确定性及影响因素。
卢晓明教授
从剂量分布对照中可以看出，质子治疗的剂量分布显著优于光子治疗，但实际操作中质子治疗存在诸多不确定性，如何解决治疗的不确定性是临床应用质子治疗的重点。当前可以通过患者固定、图像引导和治疗计划制定来应对这个问题，本次重点讨论在治疗计划制定过程中，如何应对质子治疗的不确定性。
质子治疗有被动散射和笔形束扫描（PBS）两种治疗模式，被动散射使用正向计划（forward planning），通过使用摆位边界（set up margin）和射程边界（range margin）来应对治疗的不确定性。PBS则使用逆向计划（inverse planning），即通过鲁棒性优化和鲁棒性测试（robust test）来应对治疗计划的不确定性。
由于质子带电，与路径上的所有原子都相互作用，因此质子对穿透深度特别敏感，深度增加1cm，就损失1cm的能量，因此射程不确定性对质子治疗的影响非常大。临床应用过程中，将CT值换算成质子阻止本领（stopping power）的过程中存在一定的误差，由于这类误差的存在，在做质子治疗计划时，需要增加射程边界，确保质子束覆盖靶区。
射程不确定性在头颈部质子治疗中尤为重要。头颈部解剖结构特别复杂，存在诸多空腔结构及骨骼，组织密度变化非常大，不同的照射角度质子束穿过的解剖结构也不同，因此治疗的不确定性就会不同。在选择照射角度时应当考虑这些因素。可以通过人工设定亨氏单位（HU）来消除CT伪影导致的射程不确定性。
由于多库伦散射，质子在治疗过程中与原子核相互作用，在原子核电场中发生偏移，在束流传递路径上偏移逐渐累积，导致剂量半影迅速增大，在束流的末端半影增加更快。
头颈部治疗时由于肿瘤深度较小， 因此质子束半影一般小于光子，仍具有半影优势。但是摆位不准确会导致剂量变化增大，摆位误差为4mm时，光子束具有5%的剂量损失，质子束则高达20%，因此摆位的精确对于头颈部质子治疗来说更加重要。
为了确保治疗的准确性，被动散射治疗中需要使用补偿器、准直器，还要增加射程边界。而在制定PBS治疗计划时，首先要明确束点位置（spot placement），之后确定照射的分层，通常为布拉格峰宽度的80%；下一步进行束点强度（spot intensity）的优化，根据临床靶体积（CTV）或优化靶体积（OTV）进行优化，之后进行鲁棒性测试，或者直接对CTV进行鲁棒性优化，在优化的过程中，解决所有的不确定性问题。
进行鲁棒性测试的目的是为了明确进行优化后，治疗计划是否真的具有了鲁棒性。鲁棒性检测的一种方法是使用治疗计划制定系统模拟最大不确定度的治疗计划，并针对每一种可能性重新计算剂量分布，与原始治疗计划进行对比。
光子放疗通常使用计划靶体积（PTV）的概念来应对治疗的不确定性，因为主要的不确定因素来自于摆位。但在质子治疗中，除了摆位不确定性，还有水等效深度的不确定性。如果按照摆位边界设定PTV，那么就无法覆盖或者超过射程边界，如果按照射程边界的不确定度设定PTV，那么就会无法覆盖或者超过侧面边界。所以即使被动散射质子治疗计划的制定也通常不采用PTV， 而是分别处理这两种不确定性。如实在要用PTV，也应当采用束流特异性PTV（beam specific PTV）。扫描式治疗(PBS)计划的制定绝对不应当使用PTV，而是通过鲁棒性优化或鲁棒性检测来处理剂量的不确定性。
需要指出的是，PTV是一个正向计划的概念，而扫描式治疗是逆向计划方法，两者并不相合。鲁棒性优化在理论上更适合逆向计划。原则上，使用逆向计划方法的光子调强（IMRT）也应当使用鲁棒性优化，而非PTV。有的放疗计划系统已有这个功能。当然，基于光子束物理性质，一般情况下两种方法差别不会太大。
对于头颈部治疗来说，什么样的束点大小最合适？原则上束点越小越好，与小束点IMPT相比，大束点IMPT的低剂量区明显增多。一项对照了10名头颈部患者治疗计划的研究结果表明，束点大小从8mm降至5mm时剂量分布显著改善，但由5mm降到3mm时差异不大。在由于机器原因无法将束点大小调整到更小的情况下，通过在扫描治疗时应用挡块的办法可以减少低剂量区，效果比较理想。
制定治疗计划时，往往需要考虑剂量适形性、靶区覆盖、避开正常组织、剂量分布不均匀性以及各种不确定性，因此多级优化（multi-criteria optimization，MCO）是最好的方法。使用MCO可以同时计算出多个治疗计划，这些治疗计划的线性组合又可以组成多种计划，这些计划可以形成多维曲面（Pareto surface），可以在曲面上快速寻找到最佳治疗计划。该技术已在光子调强治疗上得到广泛运用。由于PBS技术每个点都可以进行调强，比光子调强具有更大的自由度，因此更需要这种方法。
目前大部分治疗计划计算系统都应用模型进行剂量计算，但实际剂量计算是存在偏差的，更好的办法是蒙特-卡罗（MC）算法。有些商用计划系统已有此功能。
其他的优化方式包括适应性治疗计划、基于LET的剂量优化、生物剂量优化等。（质子中国 现场报道）
特别鸣谢：卢晓明教授审校本文
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