用於超高劑量率質子束掃描治療期間體內監測的新型閃爍體陣列的設計與表徵

核心概念

本文介紹了一種新型的體內劑量測定系統，用於在超高劑量率質子治療期間監測表面劑量分佈，該系統採用柔性閃爍體陣列，結合立體視覺成像和高速相機，實現高時空解析度的劑量測量和驗證。

摘要

Vasyltsiv, R., Harms, J., Clark, M., Gladstone, D. J., Pogue, B. W., Zhang, R., & Bruza, P. (2024). Design and Characterization of a Novel Scintillator Array for In Vivo Monitoring During UHDR PBS Proton Therapy. Medical Physics, 51(12), 6412–6422. https://doi.org/10.1002/mp.16814

本研究旨在開發和評估一種用於超高劑量率 (UHDR) 質子束掃描 (PBS) 治療的新型 3D 表面劑量測定方法，該方法使用閃爍體陣列的高速成像，並結合立體視覺技術，在治療期間提供實時、高解析度的表面劑量監測。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Design and Characterization of a Novel Scintillator Array for In Vivo Monitoring During UHDR PBS Proton Therapy

by Roman Vasylt... 於 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.06598.pdf

深入探究

這項技術如何應用於體積較大、形狀更複雜的腫瘤的治療？

目前，該技術主要應用於體表劑量監測，對於體積較大、形狀更複雜的深層腫瘤，其應用存在以下挑戰：

視野限制: 目前的閃爍體陣列設計用於體表劑量監測，其視野有限，難以覆蓋整個腫瘤區域，特別是對於體積較大的腫瘤。
組織衰減: 閃爍體陣列測量的是體表劑量，而射束在穿透組織過程中會發生衰減，因此需要發展相應的算法來精確計算深層腫瘤的劑量分佈。
器官運動: 體內器官運動，如呼吸和心跳，會影響腫瘤的位置和形狀，進而影響劑量傳遞的準確性。實時追蹤器官運動並調整治療方案是必要的。

為了解決這些挑戰，可以考慮以下改進方向：

開發更大、可彎曲的閃爍體陣列: 設計更大、更靈活的陣列，使其能夠更好地貼合患者體表，並覆蓋更大範圍的治療區域。
結合其他成像技術: 可以將閃爍體陣列與其他成像技術（如錐形束CT、超聲波）相結合，以獲取腫瘤的實時位置信息，並根據器官運動進行劑量修正。
發展基於蒙特卡洛的劑量計算算法: 利用蒙特卡洛方法模擬射束在組織中的傳輸過程，並結合閃爍體陣列測量的體表劑量信息，更精確地重建深層腫瘤的劑量分佈。
總之，要將該技術應用於體積較大、形狀更複雜的腫瘤治療，需要克服視野限制、組織衰減和器官運動等挑戰。通過技術改進和算法優化，該技術有望在未來應用於更廣泛的臨床場景。

如果患者在治療過程中移動，該系統如何確保準確的劑量監測？

患者在治療過程中的移動會嚴重影響放射治療的精度，而這套系統正是為了解決這個問題而設計的。以下幾點說明了該系統如何確保準確的劑量監測：

實時立體視覺追蹤: 系統配備的立體視覺模組可以持續追蹤閃爍體陣列上每個元素的三維位置變化。即使患者移動，系統也能精確地知道每個元素在空間中的位置，並據此調整劑量計算。
高幀率成像: 系統使用高達1000 赫茲的幀率進行成像，可以捕捉到極短時間內的劑量變化。即使患者在治療過程中發生微小的移動，系統也能及時地反映出來，並進行相應的調整。
動態劑量計算: 系統可以根據患者的實時位置信息和閃爍體陣列的劑量測量結果，動態地計算出實際傳遞到腫瘤的劑量。如果患者移動導致劑量偏差超過預設閾值，系統可以發出警報，甚至暫停治療，以確保治療安全。

然而，該系統也存在一定的局限性：

大範圍移動: 如果患者發生超出系統追蹤範圍的大範圍移動，系統可能無法及時調整劑量，需要重新進行擺位和治療計劃。
遮擋: 如果患者的移動導致部分閃爍體陣列被遮擋，系統可能會丢失部分劑量信息，影響劑量計算的準確性。
總之，該系統通過實時立體視覺追蹤、高幀率成像和動態劑量計算等技術手段，可以有效地應對患者在治療過程中的移動，提高劑量監測的準確性。但對於大範圍移動和遮擋等情況，系統仍需要進一步完善和優化。

這種實時劑量監測技術的發展如何促進個性化放療的進步？

實時劑量監測技術的發展為個性化放療帶來了革命性的進步，主要體現在以下幾個方面：

提高劑量精度: 傳統放療技術只能根據治療計劃預估劑量分佈，而無法實時監測和調整。實時劑量監測技術可以精確地測量治療過程中每個部位的實際劑量，並根據患者的個體差異和治療反應進行動態調整，從而提高劑量精度，更好地殺死腫瘤細胞。
減少副作用: 通過精確的劑量控制，可以最大限度地減少對周圍正常組織的損傷，降低放療的副作用，提高患者的生活質量。
實現自適應放療: 實時劑量監測技術為自適應放療提供了技術基礎。自適應放療可以根據患者的解剖結構、腫瘤大小和位置的變化，以及治療過程中身體狀況的改變，實時調整治療方案，實現個性化的治療目標。
縮短治療時間: 傳統放療需要多次治療才能達到預期劑量，而實時劑量監測技術可以精確控制每次治療的劑量，減少治療次數，縮短治療時間，減輕患者的經濟負擔和心理壓力。

總之，實時劑量監測技術的發展為個性化放療提供了強有力的技術支持，可以提高劑量精度、減少副作用、實現自適應放療、縮短治療時間，從而為患者提供更安全、更有效、更舒適的治療體驗。隨著技術的進步和臨床應用的推廣，實時劑量監測技術將在個性化放療領域發揮越來越重要的作用。