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#癌症#
放射治疗(Radiation Therapy) 作为癌症治疗的主要方法之一，可以改善癌症患者的预后，并缓解相关症状。成功的放射治疗取决于在保护周围正常组织的情况下向肿瘤提供足够的辐射剂量。要达到这样一个理想的治疗比，即最大限度地控制肿瘤，同时最小化毒性，需要精确地提供计划的辐射剂量。尽管先进的放疗技术，如调强放疗 (IMRT) 和旋转容积调强放射治疗 (VMAT) ，和图像引导放疗（IGRT）一定程度上提高的放射治疗的精准性【1,2】，治疗实时移动的病灶依然具有很大的挑战。治疗计划和实际放疗之间的差距也会进一步影响放疗的预后，特别是这些差距受到设置错误、器官运动以及解剖变形而加剧。现有的图像引导放疗无法提供三维实时剂量在解剖学结构上的积累。因此，临床长期需要更有效的成像技术，能够在放疗期间进行实时的在体三维剂量监测，以进行反馈指导。
2023年1月2日，密歇根大学Biomedical Engineering的Xueding Wang，Radiation Oncology的Kyle Cuneo和Moffit Cancer Center的Issam EI Naqa团队联合在Nature Biotechnology期刊在线发表了题为Real-time, volumetric imaging of radiation dose delivery deep into the liver during cancer treatment的研究论文，报道了一种基于电离辐射诱发声成像 (Ionizing radiation acoustic imaging，iRAI) 的非侵入性成像技术及其在动物模型和肝癌病人上首次实现放疗过程中的实时三维成像。
电离辐射声成像是一种非侵入性成像技术，利用软组织中脉冲电离辐射束吸收产生的声波重建辐射剂量。该技术可以在放疗过程中实时监测深度解剖结构的剂量累积。与其他剂量绘制方法相比，iRAI与靶组织吸收的辐射剂量成正比。通过对Grüneisen参数、介质密度、脉冲时间剖面和传感器灵敏度的预校准，吸收剂量和沉积剂量之间的线性关系可以使该技术在放疗过程中对射线进行定位和量化绝对剂量沉积。该团队一直致力于电离辐射诱导声成像的研究，先后开发了3代成像系统，并在之前的研究中实现了软组织成像和动物在体成像【3,4】和在Flash模式下放疗剂量成像【5】。此次报道中，该团队设计了一种具有1024个阵元和和内置多通道放大器的电离辐射诱发声成像，该系统可以在临床上实现高灵敏度和高分辨率的实时三维成像。其基于2维超声探头的第三代成像系统首次对临床放疗计划进行成像，在软组织模型上实现了3维射线剂量的累积成像，兔子肝脏模型上的在体剂量量化和肝转移患者的三维辐射剂量可视化。
图 1系统及实验示意图
研究人员依据临床放疗流程对一个模拟人体的圆柱形的软组织仿体建立了一个包含23个射野的C型剂量分布的一个放疗计划。通过第三代的电离辐射诱发声成像系统对放疗过程的成像，该放疗计划通过瓦里安TrueBeam治疗系统照射的剂量分布可以实现三维可视化。通过百分之60和百分之80的等剂量线分析可以看出成像的剂量分布和计划的剂量分布之间具有高度一致性。与此同时，通过3.3帧每秒的成像速率，放疗过程中的射线剂量沉积随时间的变化可以被动态观察到。
图2 C型放疗剂量分布的成像及动态剂量积累
在Moffit cancer center的动物实验中，研究者通过对新西兰白兔进行CT成像之后，建立了一个由四个射野组成的肝脏剂量照射计划。实验过程中，2维超声探头和兔子的腹部通过充水的气球进行声耦合。成像结果分别通过百分之60和百分之80的等剂量线和区域剂量直方图与治疗计划进行了相对量化对比。在体剂量分布的前后边界与治疗计划在等剂量线上均具有高度的一致性。区域剂量直方图显示了电离辐射声成像的结果和治疗计划具有相同的变化趋势。
最后，研究人员在密歇根大学Radiation Oncology进行的首例病人实验中首次实现了放疗过程中的人体在体剂量分布的可视化，同时不干扰放疗过程。通过百分之50和百分之90的等剂量线对比可以看到电离辐射声成像和放疗计划之间的一致性。
图3 放疗过程中人体在体剂量可视化
综上所述，这项研究描述了一种实时放疗剂量容积成像系统，该系统可以直接绘制接受放射治疗的患者体内深处的剂量沉积，而不会干扰治疗过程。尽管其成像的灵敏度和空间分辨率都需要进一步提高，但目前在仿体、动物，特别是人体研究上进行这些验证实验，通过绘制每个疗程的剂量沉积，证明了电离辐射声成像在放疗中临床应用的可行性。这项工作中也可以应用于其他先进的放疗方式，实现在线监测和量化辐射剂量沉积，如实时自适应放疗，FLASH放疗和质子重离子放疗。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01593-8
密歇根大学光学成像实验室：https://opticimage.engin.umich.edu/
参考文献
1. Bucci, M. K., Bevan, A. & Roach, M. 3rd Advances in radiation therapy: conventional to 3D, to IMRT, to 4D, and beyond. CA Cancer J. Clin.55, 117–134 (2005).
2. Ling, C. C., Yorke, E. & Fuks, Z. From IMRT to IGRT: frontierland or neverland? Radiother. Oncol.78, 119–122 (2006).
3. Lei, H. et al. Toward in vivo dosimetry in external beam radiotherapy using X-ray acoustic computed tomography: a soft-tissue phantom study validation. Med. Phys.https://doi.org/10.1002/mp.13070 (2018).
4. Zhang, W. et al. Dual-Modality X-Ray-induced radiation acoustic and ultrasound imaging for real-time monitoring of radiotherapy. BME Frontiers2020, 9853609 (2020).
5. Oraiqat, I. et al. An ionizing radiation acoustic imaging (iRAI) technique for real-time dosimetric measurements for FLASH radiotherapy. Med. Phys. 47, 5090–5101 (2020).
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