标记物如何影响碳离子治疗的剂量分布？
精确的患者定位是任何放疗技术实施过程中非常重要的阶段，对于粒子治疗尤为重要，因为粒子治疗对范围的不确定性非常敏感。如果预期有较大的肿瘤运动，可以在放疗前将基准标记植入肿瘤以验证目标位置。这些标记通常由高原子序数材料制成，以确保它们在X射线图像中可见。然而，它们可以在治疗计划CT上产生影像伪影，也可以在治疗过程中由于边缘散射引起剂量干扰。
为了研究后者的影响，一个研究小组在GSI Helmholtz重离子研究中心(GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research)评估了四种不同几何形状和材料的商业标记物对剂量扰动的严重程度。研究小组在马尔堡离子治疗中心(Marburg Ion Therapy Center)用三种不同能量的碳离子束进行了实验。点击“阅读原文”获取详情。
GSI生物物理系空间辐射物理组(从左至右):Francesca Luoni、Daria Boscolo、Felix Horst、Christoph Schuy、组长Uli Weber和Claire Anne Reidel。
以往使用模拟计算和放射胶片测量的研究表明，较大的标记物和较重的材料会造成较大的边缘散射效应。通过胶片测量则很难通过预测放置胶片的位置来准确地发现最大的剂量扰动。
该系统测量每个粒子的轨迹并重建每个单独的轨迹，然后用来生成一个三维的通量分布。在此基础上，可以提取二维通量图来确定最大剂量扰动的位置。最大扰动的大小可以通过比较此位置处的束流轮廓和无标记物扰动的束流轮廓得到。
Reidel解释说：“与使用放射胶片相比，这种CMOS技术提供了一个连续的通量分布(map)，其中最大的扰动可以很容易地确定，可以提取比胶片多得多的信息。”
为了验证径迹系统，该团队使用MIMOSA28传感器测量了一个294.97 MeV/u碳离子束，该离子束穿过一个小水箱和/或一个模拟组织的聚乙烯块。将MIMOSA28传感器的束流轮廓与用放射性胶片测量的束流轮廓进行比较，结果显示出良好的一致性。
接下来，研究人员将基准标记物插入到位于等中心的水箱中并将MIMOSA28传感器的轮廓与胶片进行对比。他们研究了目前在离子束治疗中用于图像引导的四种基准标记，包括三种小的(直径小于0.5 mm)金标记(Visicoil、金锚1号和金锚2号)和一种直径为1 mm的碳涂层ZrO2标记。结果证实了用CMOS传感器进行通量扰动测量的有效性。例如，在294.97 MeV/u碳离子束中，放置了金锚1号后，CMOS传感器测量到的冷点为2.4%，胶片测量到的冷点为2.5%。
最大冷点及其在基准标记下游的位置随束流能量的变化而变化，并且能量越小，影响越大。具有更高密度和原子序数的标记会产生更强、更大的冷点。例如，在278.84 MeV/u时，ZrO2、金锚1号和Visicoil标记的最大冷点分别为2.8%、6.6%和9.2%，分别位于基准标记点下游23、12和15 mm。
左：穿过Visicoil(上图)和ZrO2(下图)基准点的278.84 MeV/u碳离子束的注量图(0、0)。右：最大冷点位置处的对应光束轮廓(通量图上的垂直线)。
该团队还分析了金锚2号标记，这是更复杂的标记物，因为它折叠成一个随机的形状。对于310.61 MeV/u碳离子，金锚2号产生的冷点约为4.4%，相比之下，金锚1号产生的冷点为4.2%，Visicoil产生的冷点为7.3%。
Reidel解释说：“在粒子治疗中，每次照射通常使用两个方向相反的射野来减少任何冷点的影响，并且治疗的分割也会抹去相关影响。如果医生开出的处方中分次的剂量很高，或者使用单场照射进行分次较少的治疗，那么冷点会严重得多。”
尽管ZrO2标记物的直径最大，但由于其密度和原子序数较低，因此与金标记物相比，碳涂层ZrO2标记物引起的扰动较小(所有能量均＜3%)。这可能使ZrO2标记成为碳离子治疗中图像引导的首选，尽管其较低的密度可能使其很难在X射线图像上看到。
研究人员得出结论，MIMOSA28像素传感器可以评估在离子束治疗中使用的小基准标记的边缘散射效应所造成的影响。他们指出，径迹系统可以确定最大的冷点位置，而不需要事先知道它们在射束轴上的位置，这比放射胶片有明显的优势。
Reidel说：“未来，这些测量可以在不同的离子束，比如质子——它应该对标记物的扰动更敏感——或者氦离子束，以及一个更像人类的模体上进行。”(质子中国 编辑报道)