近物所李强：HIMM的技术特点和重离子治疗新技术
质子重离子医院综合网讯：12月27日，第二届全国重离子治疗高端学术论坛暨近代物理所重离子治疗前期临床十周年学术研讨会上，中科院近代物理研究所医学物理研究室主任李强教授对武威重离子医院使用的医用重离子治疗系统的技术特点和重离子治疗新技术进行了阐述。
专家简介
▲李强教授
中国科学院近代物理研究所研究员，现任中科院近代物理研究所医学物理研究室主任，甘肃省重离子束辐射医学应用基础重点实验室主任，兰州重离子加速器国家实验室学术委员会委员，国际粒子治疗合作组(PTCOG)指导委员会委员，中国物理学会医学物理专业委员会委员，中国生物物理学会辐射与环境专业委员会委员，中国电子学会生命电子学分会委员会委员。
重离子治疗的优势
重离子放疗兼有物理学及生物学效应两方面的优势：
倒转的深度剂量分布，Bragg峰与细胞的存活呈负相关
Bragg峰区高的相对生物学效应(RBE)
此外，在以上两大优势基础上，重离子治疗还具有一下几方面的优势：
武威重离子治疗装置的特点
HIMM装置由2个离子源作为注入器，同步加速器作为主加速器，共4间治疗室。目前武威安装了2间治疗室，一个是水平束治疗室，一个是水平+垂直束治疗室。同步环直径56.17米，是目前是国际上同类型装置中加速器直径最小的。
本装置可以实现点扫描技术、主动式束流配送和均匀扫描，治疗头的设计兼顾了主动式点扫描和被动式均匀扫描技术特点，未来还会对设备进行进一步的技术优化。
束流配送方式
束流配送是将重离子束从加速器输运到靶区进行照射治疗的过程，其目的是将束流的构形形成治疗需要的照射野，使患者靶区受到均匀且足够的剂量照射同时健康组织尽可能小的受到伤害。
系统共有两种束流传输系统：被动束流传输系统和点扫描束传输系统。被动束流传输系统中，笔形束通过X和Y扫描磁铁传输到等中心点，可以实现连续光栅扫描。
被动散射束传输系统
点扫描束流传输系统中的束流经过X、Y两个方向的扫描磁铁、电离室和滤波器后，实现对肿瘤的逐层扫描，实际测量到的剂量与计划剂量之间的误差不超过5%。
点扫描束流传输系统
照射模式
在研发的过程中科研人员开发了一种“交叉标定”的技术，通常在点扫描照射的过程中采用的标定方法非常耗时，新技术采用大面积电离室进行快速交叉标定，得到的标定结果精度也很高。
利用新技术可以实现不同的照射方式：
2D适形照射(SOBP宽度固定)
3D分层适形照射(逐层堆叠，layer-stacking)
2D分层适形照射技术(迷你SOBP)(2D plus layer-stacking)
点扫描适形照射(迷你SOBP)
两个分层照射技术主要的技术特点是通过改变多叶光栅的构形节省了照射的时间，另外还可以调节不同层的RBE值，让照射更准确。
在武威的装置上已经进行了设备基本性能的一些测试，比如束斑、照射的均匀性等，目前来说测试的结果比较理想。
脊形过滤器是碳离子放射治疗中的关键元器件之一，其加工工艺复杂，为保证治疗安全，需注意逐能量进行再束测试。
治疗头关键元器件——射程移位器(range shifter)的测试结果，将Bragg峰在水中的变化与最初设计进行对比，可以看出两个结果的吻合度很高。
重离子放射治疗计划系统(ciPlan)的特点
ciPlan使用三维笔形束算法
这是最精确的算法之一。
另外ciPlan治疗计划制定系统需要获得每一个CT值与WEPL之间的关系，前期使用不同的组织或组织等效材料测量了WEPL与CT值之间的关系，应用到治疗计划系统中，可以用于根据不同的靶区设定所需能量。当然对于每一套装置和配套CT设备都要进行相应的测量，获得治疗计划制定参数的配置。
ciPlan可以为不同辐射敏感性细胞设计不同的RBE值
我们的模型可以根据肿瘤的不同辐射敏感性计算RBE，RBE会因不同射线的深度而不同。
通过实验获得了不同辐射敏感性肿瘤细胞RBE与LET之间的变化关系。
由辐射敏感、中度敏感和辐射抗拒三类肿瘤细胞得到的LQ细胞存活模型中α和β系数与剂量平均LET之间的关系，得出基于肿瘤细胞辐射敏感性的重离子治疗计划设计方案：
Dbio=Dphys×RBE
根据处方剂量确定某一存活水平下的RBE
S=exp(-αD-βD2)(LQ模型)
α=f(LET)D)and β=g(LET)(D(细胞种类：辐射敏感，中度敏感，辐射抗拒)
由精确束流模型得到LETD
ciPlan能进行三维勾画及多模式计划设计
ciPlan能够进行三维勾画及多模式计划设计，包括2D、2DLS和3DSS。
ciPlan中不同照射方式制定的重离子治疗计划比较(垂直束、单野)。
ciPlan的剂量验证系统
为了配合治疗计划的实施，专门开发了剂量验证系统。该验证系统由电离室矩阵构成，对测量的和计划的剂量进行比对。对验证系统的实验测量结果表明验证系统的性能符合预期。
重离子治疗新技术
New生物视听反馈患者呼吸引导技术
我们知道同步加速器提供的束流是脉冲样束流，如果患者的呼吸运动曲线与束流不同步那么就会影响疗效。因此我们根据患者个体化呼吸频率设计引导患者呼吸，让引导后的呼吸周期与束流同步，提高照射效率。同时在门控窗内通过引导技术让残留运动减少，提高治疗精度。
在前期创建生物试听反馈患者呼吸引导技术和证实将其应用于被动式束流配送系统提高治疗效率和照射精度的基础上，本年度又进一步证实将其应用于主动式点扫描配送系统同样提高治疗效率和照射精度。在基于同步加速器提供脉冲束流的粒子治疗(质子及重离子)当中，生物试听反馈患者呼吸引导技术具有广阔的应用前景。
此外，呼吸引导技术还可以用于影像学领域，获得更高品质的图像，有利于治疗计划的制定。
New基于光学图像引导的放疗技术
利用3个光学摄像机获得患者体表信息，根据体表信息的变化，实时引导患者靶位和体位的验证。
对实验室体膜的测试结果显示，不论体膜平移还是旋转，系统均具有很好的识别能力，应用体膜取得了平移识别好于1mm和旋转识别好于1°的结果。未来需要在临床治疗当中验证基于光学图像引导的放疗技术，最终达到减少X射线成像摆位验证的频度，实现重离子治疗当中实时在线的患者摆位监控的目的。
