清华博士研究播报：探索提高质子治疗准确性的新技术

清华大学唐劲天教授的博士研究生武建安（现供职于中日友好医院质子中心）在博士期间，赴麻省总医院质子中心学习，在卢晓明教授指导下，对质子治疗的质量控制进行了研究，该研究有助于进一步明确质子治疗中的不确定度，缩小靶区体积，提高治疗精准性。研究结果在2016年NEAAPM YIS （New England American Association of Physicists in Medicine  Young Investigators’Symposium, 美国医学物理师协会新英格兰分会青年研究者论坛）进行口头报告，研究摘要在2017年第59届AAPM年会发表[1]。

01  引言

质子治疗在不断发展的同时，对治疗计划中的剂量计算精度也提出了更高的要求。蒙特卡洛方法是目前计算质子治疗剂量最可靠的方法，但其在实际治疗中与真实照射剂量分布的对应关系还没有被充分验证。以往的研究限于使用水或者等效模体进行测量对比，并未实现在真实组织中验证蒙特卡洛方法的计算结果与实际测量结果的符合程度。本研究采用真实动物组织进行质子照射实验，同时应用蒙特卡洛方法建模计算，研究有助于进一步提高质子治疗处方的精准性。

02 研究内容及结果

质子束在组织内的射程存在不确定度，影像、病人摆位、射线传输和剂量计算都可能是影响因素。不确定度越小，则治疗靶区的体积越小，治疗效果越好。目前麻省总医院在质子治疗中采用的靶区外扩为3.5%射程+1 mm，以保证治疗靶区的覆盖，但这会导致射束末端的正常组织接收不必要的剂量，例如20 cm射程的质子束在软组织中存在8 mm的不确定度。麻省总医院的Harald研究了蒙特卡洛方法的理论不确定度，认为大多质子治疗机构的剂量处方偏保守[2]。如果蒙特卡洛方法对于质子束在真实组织内射程的计算精度可以得到实验验证，那么就可以减小临床使用的射程不确定度，从而减少靶区在射程末端的外扩，降低正常组织受照剂量，使病人获益。
    【蒙特卡洛计算方法】
本研究采用的蒙特卡洛模拟方法通过TOPAS2.0软件（基于Geant4-10.01-patch-02）实现。TOPAS是基于Geant4仿真工具包的工具软件，方便医学物理研究人员开展放射治疗的蒙特卡洛仿真。TOPAS支持x射线治疗和粒子治疗，可以基于CT进行病人建模，计算照射剂量、辐射通量等。TOPAS预置了许多组件，如治疗头、病人组织、剂量沉积、成像等，用户只需为其配置参数，无需掌握底层编程细节，大大降低了使用难度。
    【生物组织受照剂量的验证】
      为了研究蒙特卡洛方法在复杂生物组织中计算剂量沉积的精度，本研究设计了两种实验，并在麻省总医院的质子治疗中心实施。两种实验的装置基本相同（图1），实验装置从上往下依次为治疗头、水箱、动物组织、平板电离室剂量仪。通过调整水箱中的水位并不断采集平板电离室接收到的剂量，可以得到不同水位下的电离室剂量分布，并换算动物组织在不同位置的水等效长度。

 图 1  采用真实动物组织的装置（上）及其在TOPAS软件中的模型（下）。实验装置从上往下依次为治疗头、水箱、动物组织、平板电离室剂量仪。通过调整水箱中的水位并不断采集平板电离室接收到的剂量，可以得到不同水位下的电离室剂量分布，并换算动物组织在不同位置的水等效长度。在TOPAS软件中也建立相同的模型并基于蒙特卡洛方法计算平板电离室接收到的剂量。
实验1：将8种不同的生物组织装在独立的容器中（图2），通过调整水位来测量质子束在生物组织中的剂量沉积曲线，以及不同生物组织样本的水等效长度。

图 2  不同动物组织样本（实验 1）
实验结果表明，质子束在不同生物组织样本中的剂量沉积曲线与实测结果高度相似（图 3），水等效长度仿真结果在软组织和骨头中的平均相对偏差分别为0.5%和1.24%以内。

图 3   质子束在不同生物组织样本中的剂量沉积曲线与实测结果对比（以肌肉与股骨为例）。在两种组织中的仿真与实验结果均高度符合。与肌肉组织(上图) 相比，骨骼组织 (下图)中 的剂量沉积曲线斜度较大拖尾较长，仿真结果的偏差也较大。
实验 2：将不同生物组织混合装在大容器中，调整水箱中的水位，并通过容器底部的探测器测量剂量分布情况（图 4）。在50 mm、60 mm和65 mm水位处，两幅图像的Gamma通过率（3%/3 mm）分别为99.31%、96.18%和88.02%，表明实验中剂量沉积的蒙特卡洛计算结果准确，主要误差出现在质子束末端、剂量沉积急剧下降时。 

    图 4 实验2 中蒙特卡洛仿真（左）与实际测量（右）得到的剂量沉积二维图像（图为65 mm水位处）。在50 mm、60 mm和65 mm水位处，两幅图像的Gamma通过率（3%/3 mm）分别为99.31%、96.18%和88.02%。实验中剂量沉积的蒙特卡洛计算结果准确，主要误差出现在质子束末端、剂量沉积急剧下降时（蓝色部分）。

上述两组实验与蒙特卡洛模拟的结果偏差均很小，从而验证了蒙特卡洛方法的精度。
03 小结
      本研究通过真实动物组织的质子束照射实验，验证了蒙特卡洛方法用于计算质子治疗中剂量分布与水等效长度的可行性与精度。该研究有助于进一步明确质子治疗中的不确定度，缩小靶区体积，提高治疗精准性。