来自清华博士在MGH的研究:质子成像助力质子精准治疗

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本文作者是清华大学博士生,导师唐劲天教授,2018年去美国麻省总医院(Massachusetts General Hospital)质子中心卢晓明教授的研究团队做了一年的交换生,不久前学成回来。以下介绍的质子成像技术和相关资料均为最新研究成果,暂未发表。

背  景     用于携带杀伤癌细胞所需的能量的光子,无法定位到指定位置再释放这种能量,导致浅层的正常组织往往受到更多伤害,这限制了传统放射治疗的应用。质子治疗,利用能量载体质子的特殊性质,也就是它们能够在走过一定路程之后集中释放能量这一性质,能够较好地将这种杀伤力集中到恶性肿瘤所在区域。本文介绍的质子成像,是在治疗过程中,减少光子成像带来的系统误差的一种手段。
关于质子治疗
质子治疗中的质子,是指发送回旋加速器或同步加速器产生的高能质子颗粒。相比于以光子为基础的治疗,质子治疗可减少周围正常组织的过量照射暴露。
质子治疗,也就是用“质子”这种拥有“实体”的粒子,代替光子,来帮助我们杀伤恶性肿瘤。与光子类似,质子也能够携带足以杀死恶性肿瘤细胞的能量。但与光子不同的是,质子比光子更加“团结”。光子会在整个“路上”相对缓慢地消耗“数量”,但质子中的大部分,都会在走过相近的“路程”之后,一起释放出它们携带的能量,在那里与细胞“同归于尽”。这就带来了一个美妙的好处——这种性质使得质子可被用来定向打击特定深度的恶性肿瘤。质子的这种“团结”属性,使得质子治疗中,对恶性肿瘤区域以外的区域伤害更小。但是,也不能让质子都杀伤同一个“路程”后,也就是同一深度处的细胞,因为恶性肿瘤都是有一定厚度的。所以人们就想了一个办法,设计一些金属(或塑料)片,让质子在进入人体前,先在金属片里“跑”一段路程,再进入人体,就可以让质子在更浅一些的地方“自爆”。如果有一系列不同厚度的金属片,就可以实现让质子在整个恶性肿瘤内部“自爆”从而杀伤恶性肿瘤的目的。而当我们把这些金属片“粘”成一个环,再让这个环不停转动,我们就可以得到一个能自动让质子在人体不同深度“自爆”的装置。(示意图见图1)

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图1 转动的金属环示意图,随着虚线为质子“走过”的地方。随着金属轮的转动,质子在进入人体前将“走过”不同的“路程”,也就会在人体中不同深度处释放能量,杀灭细胞[1]。
但这里就出现了一个不容忽视的问题。在传统放疗中,使用的“武器”是光子。虽然这些光子的能量会不同,但它们在经过的路径上释放能量的规律是相似的。但质子与光子不同,因此,需要首先用光子作为媒介对恶性肿瘤进行成像,然后再将这些影像通过计算转化为质子图像,来指导治疗。这种转换会带来一些新的误差,导致实际操作中,在光子成像转换而来的质子影像基础上,需要再扩大约3.5%来保证恶性肿瘤全部被包含在目标区域内。
这里的3.5%一般是指这种质子“全射程”的3.5%。全射程是指,质子只穿过金属环最薄处情况下,仍能前进的“距离”。这种距离在不同的物质中有所不同,我们说的这个射程通常是指在水中可以行进的距离。将物质针对质子的厚度等效为可以造成相同结果的水的厚度也是常见的方法,我们将这个等效成水的厚度称为水当量厚度(WET),或者水当量路径长度(WEPL)。 
优化WEPL值有两个办法:一是将从光子影像到质子影像的转化产生的误差尽可能减小,二是直接利用质子作为媒介对人体进行成像。减小转化误差的主流办法是建立更合适的模型,进行更高精度的测量等。以下主要介绍第二种办法,即质子成像。
二、质子成像
前面提到,为了让质子杀伤具有一定厚度的,分布在一个深度范围内的恶性肿瘤,我们需要一个旋转的金属轮对它进行调节。经过这种调节,质子所走的距离事实上是随着金属轮的转动而变化的,也就是说,它是随着时间变化的。简化来说,时间为1的时候,大多数质子在20cm深的地方“自爆”,时间为2的时候,大多数质子在深度为19cm的地方“自爆”,以此类推,在时间等于15的时候,质子则将大量杀伤深度为6cm的细胞。但如果只看深度为10cm的地方,有从1到15的这段时间内,每段时间有多少质子在这里“自爆”呢?可以想象,在1-10,这个数量并不太多,而在11这个时间达到一个极大的数量,随后在12-15这段时间则会几乎没有任何质子在这里“自爆”。那么深度为5cm的地方呢?15cm的地方呢?

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图2 质子“自爆”数量的变化(作者原创)
(左侧每条曲线代表一个不同的时间下,“自爆”数量随着质子走过深度的变化;右侧代表,当我们只观察某一特定深度d0时,“自爆”的质子数量随时间的变化。将红色虚线换一个位置会如何呢?没错,右侧对应的曲线也会发生变化。)
那么,如果我们想要测量一个未知厚度的物体,例如人体的WEPL值应该如何测量呢?没错,就是利用上面这个原理,把原本的空间上的信息,转化为随时间变化的信息。如此,我们只需要在需要测量的物体背后放置一个“录像机”,将这个随时间变化的曲线“录制”下来,再经过一系列计算和处理,就可以得到这个物体的WEPL值,也就是前面所说的“厚度”分布了。

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图 3 一个人体头部模型所成的质子WEPL影像(作者原创)
小结 虽然质子治疗已经在美国、日本等发达国家广泛应用,但在中国,质子治疗还不太普及,处于发展阶段,各地的质子治疗中心也在建设中。本文中所介绍的质子成像技术还存在着各种各样的问题,需要不断探索和完善,包括成像速度、分辨率、成本、计算软件等各方面。目前质子治疗中使用的仍然是光子成像。而质子治疗也大多用于难以使用传统放疗的情况。
参考文献 
[1] Jee K W , Zhang R , Bentefour E H , et al. Investigation of timeresolvedproton radiography using x-ray flatpanel imaging system[J]. Physics inMedicine and Biology, 2017, 62(5):1905-1919.

 

2019年5月29日 10:37