1、基于能量分辨的质子成像系统基于能量分辨的质子成像系统Engelsman M,et al.Semin Radiat Oncol(2013)Yang M,et al.Phys Med Biol(2012)解决方法解决方法质子成像质子成像:有望达到有望达到1%1%的射程不确定的射程不确定直接测量等效水深度直接测量等效水深度(WEPL)(WEPL)降低射程不确定性降低射程不确定性在线体内质子射程验证在线体内质子射程验证Poludniowski G,et al.Br J Radiol(2015)2 2背景介绍背景介绍问题问题质子的质子的BraggBragg峰和体内有限的射程峰和体内有限的射程对射程不确定
2、性非常敏感对射程不确定性非常敏感X X射线射线CTCT:在肺部在肺部5%5%的射程不确定的射程不确定TOPASTOPAS一个新的针对质子放疗的蒙特卡洛软件一个新的针对质子放疗的蒙特卡洛软件由由MGHMGH开发，基于开发，基于Geant4Geant4几何，粒子源，计数，几何，粒子源，计数，DICOMDICOM，时间特性，时间特性3 3蒙特卡洛蒙特卡洛方法方法基于概率和统计理论的数值计算方法基于概率和统计理论的数值计算方法放射医学剂量计算的黄金标准放射医学剂量计算的黄金标准计算计算所需时间太所需时间太长长用于临床计划的验证用于临床计划的验证背景介绍背景介绍一个新的主动扫描质子一个新的主动扫描质子系
3、统系统快速的能量变换快速的能量变换适合运动肿瘤的治疗适合运动肿瘤的治疗第一个第一个HYPERSCANHYPERSCAN蒙特卡洛模型蒙特卡洛模型4 4材料与材料与方法方法:HYPERSCAN:HYPERSCAN质子笔形束扫描系统质子笔形束扫描系统HYERSCANHYERSCAN能量变换系统能量变换系统TOPASTOPAS模型示意图模型示意图 肺癌肺癌4DCT4DCT 1010个呼吸相位个呼吸相位 1010个计算人体模型个计算人体模型 基于病人的计算人体模型基于病人的计算人体模型 0.82 mm0.82 mm*0.82 mm0.82 mm*2.5 2.5 mmmm Schneider Schnei
4、der HUHU到到材料元素材料元素和密度转换因子和密度转换因子 2525种不同的材料种不同的材料4D4D体体模横断面模横断面4D4D体体模矢断面模矢断面4DCT4DCT冠断面冠断面4D4D体模冠断面体模冠断面5 5材料与方法：材料与方法：4DCT4DCT和和4D4D计算人体模型计算人体模型材料与材料与方法方法:Energy Resolved Dose Function(ERDF):Energy Resolved Dose Function(ERDF)不同不同能量的质子束照射水体模能量的质子束照射水体模 所有质子束沉积在特定水深度的剂量组成一个所有质子束沉积在特定水深度的剂量组成一个ERDFE
5、RDF 每个每个ERDFERDF对应于一个特定的水等效深度对应于一个特定的水等效深度(WET)(WET)ERDFERDF曲线类似于曲线类似于BraggBragg峰曲线但是在峰曲线但是在X X轴上反转轴上反转6 6材料与方法材料与方法:WEPLWEPL计算计算体素化体模体素化体模模拟的模拟的剂量剂量曲线拟合曲线拟合标准数据库标准数据库最小二乘法拟合最小二乘法拟合7 78 8 A:A:前胸壁前胸壁 B:B:肺肺 C:C:肿瘤肿瘤 D:D:后胸壁后胸壁材料与材料与方法方法:照射区域照射区域探测器探测器照射野照射野X-ray CT X-ray CT 的横断面的横断面9 93535种能量的质子束照射图中
6、红色方框种能量的质子束照射图中红色方框内内的区域的区域紧紧挨混着模拟一个平行板探测器来探测质子剂量挨混着模拟一个平行板探测器来探测质子剂量1 mm1 mm空间分辨率空间分辨率X-ray CTX-ray CT矢断面矢断面体素体模体素体模质子影像质子影像结果结果:质子成像质子成像1010X X射线影像射线影像结果结果:单能质子成像单能质子成像不同能量的质子对不同的区域进行成像不同能量的质子对不同的区域进行成像合适合适的质子能量能够探测到肿瘤运动的质子能量能够探测到肿瘤运动边界很模糊没有边界很模糊没有WEPLWEPL信息信息139 MeV139 MeV179 MeV179 MeV1111结果结果:4
7、DCT:4DCT和和4D4D质子影像质子影像一个运动肿瘤边界清晰的一个运动肿瘤边界清晰的4D4D质子影像质子影像很容易判断肿瘤位置很容易判断肿瘤位置反映了肿瘤的运动和反映了肿瘤的运动和WEPLWEPL的变化的变化肿瘤的位置和肿瘤的位置和WEPLWEPL值都随着呼吸在变化值都随着呼吸在变化X-ray 4DCT X-ray 4DCT 4D4D质子影像质子影像1212沿红线从上到下的沿红线从上到下的WEPLWEPL值分布值分布WEPLWEPL分布图上肿瘤位置明显分布图上肿瘤位置明显清晰的肿瘤边界清晰的肿瘤边界红线上的红线上的WEPLWEPL分布分布Phase0Phase0的质子成像的质子成像结果结果
8、:phase0:phase0的质子影像的质子影像1313系列1,1,88系列1,2,88系列1,3,88系列1,4,88系列1,5,88系列1,6,88系列1,7,88系列1,8,92系列1,9,92系列1,10,92系列1,11,92系列1,12,93系列1,13,93系列1,14,93系列1,15,93系列1,16,93系列1,17,93系列1,18,93系列1,19,93系列1,20,93系列1,21,93系列1,22,93系列1,23,93系列1,24,93系列1,25,93系列1,26,93系列1,27,93系列1,28,93系列1,29,93系列1,30,94系列1,31,96系列
9、1,32,96系列1,33,96系列1,34,96系列1,35,96系列1,36,96系列1,37,96系列1,38,96系列1,39,97系列1,40,97系列1,41,97系列1,42,97系列1,43,96系列1,44,97系列1,45,96系列1,46,96系列1,47,97系列1,48,100系列1,49,100系列1,50,101系列1,51,105系列1,52,113系列1,53,113系列1,54,113系列1,55,117系列1,56,117系列1,57,117系列1,58,117系列1,59,117系列1,60,117系列1,61,113系列1,62,105系列1,63,1
10、05系列1,64,105系列1,65,105系列1,66,105系列1,67,105系列1,68,105系列1,69,105系列1,70,105系列1,71,104系列1,72,104系列1,73,104系列1,74,101系列1,75,101系列1,76,101系列1,77,101系列1,78,101系列1,79,101系列1,80,101系列1,81,101系列1,82,101系列1,83,101系列1,84,101系列1,85,101系列1,86,101系列1,87,101系列1,88,101系列1,89,101系列1,90,1018085909510010511011512016 11
11、 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86WEPL(mm)Y axis valume in WEPL map(mm)结果结果:不同相位的不同相位的WEPLWEPL变化变化 不同相位之间的不同相位之间的WEPLWEPL变化不可忽视变化不可忽视 剧烈剧烈的的WEPLWEPL变化主要由肿瘤运动引起变化主要由肿瘤运动引起 由呼吸和心跳引起的由呼吸和心跳引起的WEPLWEPL变化值得关注变化值得关注4D4D质子影像质子影像4D WEPL4D WEPL变化图变化图:phase0-phaseX:phase0-phaseX1414结果结果:身体不同评估部位的身体
12、不同评估部位的WEPLWEPL变化变化Chest Wall,phase0,0Chest Wall,phase1,-0.2Chest Wall,phase2,0.36Chest Wall,phase3,1.08Chest Wall,phase4,0.88Chest Wall,phase5,1.2Chest Wall,phase6,1.24Chest Wall,phase7,2Chest Wall,phase8,0.52Chest Wall,phase9,0Tumor,phase0,0Tumor,phase1,0.96Tumor,phase2,7.2Tumor,phase3,11.52Tumor,
13、phase4,12Tumor,phase5,12Tumor,phase6,10.4Tumor,phase7,11.36Tumor,phase8,2.88Tumor,phase9,0.32Lungs 1,phase0,0Lungs 1,phase1,-0.2Lungs 1,phase2,-4.84Lungs 1,phase3,-13.64Lungs 1,phase4,-15.4Lungs 1,phase5,-16.04Lungs 1,phase6,-15.48Lungs 1,phase7,-12.04Lungs 1,phase8,-4.04Lungs 1,phase9,-0.04Lungs 2,
14、phase0,0Lungs 2,phase1,0Lungs 2,phase2,-0.04Lungs 2,phase3,-3.6Lungs 2,phase4,-4Lungs 2,phase5,-4Lungs 2,phase6,-4Lungs 2,phase7,-3.2Lungs 2,phase8,0Lungs 2,phase9,0-20-15-10-5051015phase0 phase1 phase2 phase3 phase4 phase5 phase6 phase7 phase8 phase9WEPL Change(mm)Chest WallTumorLungs 1Lungs 2 肿瘤和肿
15、瘤附近区域有剧烈的肿瘤和肿瘤附近区域有剧烈的WEPLWEPL变化变化 WEPLWEPL变化最大变化最大值值超过了超过了15 mm15 mm 肺部的肺部的WEPLWEPL也也会随着呼吸而变化会随着呼吸而变化不同相位的不同相位的WEPLWEPL变化变化取样区域示意图取样区域示意图1515结果结果:ERDFsERDFs和射程混杂和射程混杂ERDFsERDFs剧烈射程混杂剧烈射程混杂轻微射程混杂轻微射程混杂抽样点示意图抽样点示意图1616结论结论一个基于能量分辨的质子成像系统蒙特卡洛模型一个基于能量分辨的质子成像系统蒙特卡洛模型使用使用4DCT4DCT模拟了模拟了4D4D质子影像质子影像质子影像上的肺部肿瘤比质子影像上的肺部肿瘤比X X光影像上的光影像上的清晰清晰由肿瘤运动引起了剧烈的由肿瘤运动引起了剧烈的WEPLWEPL变化变化在质子影像上测量了射程混杂在质子影像上测量了射程混杂该系统能用于该系统能用于4D4D质子成像质子成像可可用于用于4D4D图像引导质子放疗图像引导质子放疗1717
