质子治疗的图像引导技术(三)：射程验证的成像技术
日前，来自英国Christie NHS信托基金会的R.I. MacKay教授发表了一篇题为《质子治疗的图像引导技术》的综述，总结了质子治疗图像引导技术的应用现状，区分了与高能X线放疗图像引导技术的差异，并对其今后的进展进行了展望。原文发表在2018年2月的《Clinical Oncology》上。前两期中，质子中国与大家分享了治疗计划制定的成像技术以及患者摆位的千伏级成像技术和治疗室内的容积成像技术，详情请见《质子治疗的图像引导技术(一)：治疗计划的成像技术》、《质子治疗的图像引导技术(二)：患者摆位的千伏级成像技术和治疗室内的容积成像技术》。本期中，小编将继续为大家介绍射程验证的成像技术。
射程验证的成像技术
X线放疗中，解剖结构成像和剂量模拟是确定患者照射剂量的最好方式，但无法对X线的剂量沉积进行直接成像。质子治疗可通过更直接的方式对沉积在患者体内的照射剂量进行成像。目前有两种广泛研究的治疗中剂量沉积成像方式。
质子束与患者组织间的非弹性相互作用会产生不稳定同位素，不稳定同位素可引起正电子湮灭，PET则可以检测正电子湮灭散射出来的一对伽马光子。传统的PET扫描设备可检测半衰期各异的不同同位素的正电子散射。成像的PET信号无法直接检测剂量，因此PET图像不能同治疗计划中预测的3D剂量分布直接比较，但可与正电子散射分布预测的蒙特卡罗模拟进行比较。
是否可将PET作为一种有效的质子治疗验证工具取决于下列因素。当商用PET扫描设备与治疗室有一定距离时，将患者从治疗床移动到PET扫描仪并还原治疗体位进行成像需要一定的时间，由于存在放射性同位素半衰期以及PET活性的生物洗脱效应(biological washout)，在这段时间内PET信号会减弱。PET信号衰减导致需要延长扫描时间来获取可用的PET图像。照射不同的质子治疗照射野可能间隔数分钟，因此成像时PET的活性取决于束流输送的顺序。成像与治疗的时间间隔越长，越难应用蒙特卡罗模拟预测PET的分布。
上述限制促使了治疗室内PET扫描的开展，无论是治疗室内独立的PET扫描设备或将PET扫描系统与旋转机架相整合。实用性研究显示治疗室内的独立扫描设备可将治疗和成像的时间间隔缩短至2.5分钟，扫描时间缩短至5分钟，而在治疗室以外进行扫描的时间预计为30分钟。但尽管可显著缩短时间，生物洗脱效应模型仍显示了许多不确定性，并且成像可大幅影响繁忙的治疗中心的患者量。
为了进一步简化成像流程，科研人员已经研发出了“在束”PET("in beam" PET)，PET探测器置于束流周围，这样可以在治疗体位对患者进行成像。将平面的PET探测器与旋转机架整合，可对等中心点体位进行成像。“在束”PET系统可在束流输送结束后立即对患者进行成像，采集时间为200秒，将后续分次的图像与第一个分次的图像比较，同时可以观察肿瘤移动相关的时间序列(time trends)，而不是将平面图像与预测的PET分布比较。相关信息请见质子中国往期文章《Beam-On PET能够实时追踪质子剂量》。
射程验证的另一种成像方式是测量质子与靶核间非弹性相互作用产生的瞬发伽马散射，伽马散射是激发核回归基态的结果。与正电子衰变相比，瞬发伽马相互作用产生的伽马散射更加直接，并与剂量直接相关。有多种方法可以测量瞬发伽马信号，包括单闪烁体、刃口狭缝伽马相机、多狭缝探测器以及康普顿照相机。
目前只有一种商业化并且经临床测试的瞬发伽马信号测量系统。由Oncoray(德累斯顿，德国)和IBA公司(鲁汶，比利时)研发的一款刃口狭缝照相机原型被用于测量被动散射质子治疗的交互射程(interactional range)，精确度为±2mm。这个系统后续还用于点扫描质子治疗的射程验证，每个独立能量层的射程可精确到1.3mm或更小，表明这种基于推车(trolley-based)的系统原型可在临床中用于瞬发伽马的测量。更多详情请见质子中国往期文章《瞬发伽马成像技术的应用能够解决质子治疗误差问题，优化质子治疗疗效》、《IBA瞬发伽马线照相机可以应用于临床笔形束质子治疗》、《瞬发γ成像进入临床》、《第57届PTCOG学术会议开幕，物理场辩论成亮点》。
鉴于质子治疗固有的射程不确定性及其可能导致的临床后果，研究人员对应用PET和瞬发伽马方法进行射程验证均给予了广泛关注，但研发出有效的成像系统进行质子治疗射程验证仍有很多工作要做。PET验证的固有同位素衰减和生物洗脱效应近年来阻碍了这项技术的发展。目前已经研发出了瞬发伽马商用原型机，并且可能更具临床应用潜力。对于广泛的临床应用，还需要进行大量的硬件开发来研制出完整的、便于应用的测量系统。作为临床工具，射程成像技术可提供有价值的反馈，降低治疗计划制定过程中的系统不确定性，标示出患者摆位偏差以及需进行计划适应的解剖结构改变。（质子中国 编译报道）
参考文献：MacKay RI. Image Guidance for Proton Therapy. Clin Oncol. 2018;30(5):293-298.