日本原子能機(jī)構(gòu)和QST開發(fā)出重離子治療全身輻射量評估系統(tǒng)

日本原子能機(jī)構(gòu)和日本量子科學(xué)技術(shù)研究所(簡稱“QST”)共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于8月25日宣布開發(fā)出了對重離子放射治療后患者全身輻射量進(jìn)行評估的“RT-PHITS for CIRT”系統(tǒng)，以用于研究放射治療后發(fā)生繼發(fā)性癌癥等不良反應(yīng)的原因。

日本QST醫(yī)院(日本國立研究開發(fā)法人-量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu))  >>http://www.yzcclt.com/hosp/24.html

該系統(tǒng)結(jié)合日本原子能機(jī)構(gòu)擁有的放射行為分析技術(shù)和擁有世界最大重離子放療記錄的QST的病例數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)每位患者各不相同的復(fù)雜的照射系統(tǒng)，通過模擬試驗(yàn)，對患者全身的照射劑量進(jìn)行高度精準(zhǔn)評估。研究者們將闡明放療后副作用(如繼發(fā)性癌癥)與暴露劑量之間的相關(guān)性。有望通過研究重離子放療繼發(fā)性癌癥發(fā)生率低的原因及放療副作用的機(jī)制，以用于研究未來降低放療劑量的新放療方案。該研究成果于7月4日在線發(fā)表在國際科學(xué)期刊《醫(yī)學(xué)與生物學(xué)物理學(xué)》上。

(圖1)：RT-PHITS for CIRT概念圖

研發(fā)背景及目的

放射治療，與手術(shù)和藥物治療并列為癌癥治療的三大治療方法。根據(jù)JROD(日本國家放射治療病例登記處)2020 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，日本每年進(jìn)行超過50,000次放射治療。

放射線治療不能完全消除對要治療的腫瘤區(qū)域以外的正常組織的照射，并且存在在正常組織中發(fā)生癌癥(繼發(fā)性癌癥)等副作用的風(fēng)險(xiǎn)。為了調(diào)查以極低概率發(fā)生的遲發(fā)性副作用(如繼發(fā)性癌癥)的原因，有必要根據(jù)患者體內(nèi)詳細(xì)的暴露劑量分布來確定每個(gè)器官的暴露程度，有必要調(diào)查大量患者發(fā)生副作用的頻率。雖然說，重離子放療的繼發(fā)性癌癥發(fā)病率明顯低于使用X射線和伽馬射線的治療，但沒有一個(gè)系統(tǒng)可以對照足夠的病例數(shù)據(jù)來檢查遠(yuǎn)離治療部位的正常組織的暴露劑量，也沒有進(jìn)行定量評價(jià)。

因此，在本研究中，研究者使用了蒙特卡洛輻射行為分析代碼PHITS，它可以準(zhǔn)確地模擬患者體內(nèi)和輻照設(shè)備中核反應(yīng)產(chǎn)生的中子等次級粒子的行為，重現(xiàn)重離子放療。旨在開發(fā)一種系統(tǒng)，即使在低劑量下也可以評估包括遠(yuǎn)離腫瘤的正常組織在內(nèi)的廣泛區(qū)域的劑量分布。

開發(fā)過程

對晚期副作用原因的調(diào)查，屬于隨機(jī)效應(yīng)，數(shù)據(jù)數(shù)量越多越準(zhǔn)確。QST的寬束法是重離子放療最廣泛的實(shí)踐形式，擁有世界上最多的病例(大約超過9000名病人)。該系統(tǒng)就是針對這些歷史案例數(shù)據(jù)開發(fā)的。病例數(shù)據(jù)使用DICOM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括治療過程中病人的CT圖像數(shù)據(jù)，以及根據(jù)每個(gè)病人的腫瘤形狀調(diào)整重離子束的照射設(shè)備(移距器和準(zhǔn)直器)的設(shè)置。原則上，這些數(shù)據(jù)可以用來真實(shí)重現(xiàn)過去重離子放療的輻照系統(tǒng)，但由于這些輻照系統(tǒng)因病人而異，一直無法手工處理大量的病人數(shù)據(jù)。

為了支持放療的模擬，PHITS提供了一個(gè)軟件包(基于PHITS的RadioTherapy軟件包：RT-PHITS)，從病人的CT圖像中構(gòu)建病人的整個(gè)身體系統(tǒng)，并分析病人體內(nèi)的輻射行為。 研究者開發(fā)了一個(gè)功能，通過從DICOM數(shù)據(jù)中提取再現(xiàn)輻照系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)的虛擬空間中自動(dòng)構(gòu)建一個(gè)輻照系統(tǒng)，作為該功能的補(bǔ)充。這些功能結(jié)合在一起，可以構(gòu)建一個(gè)用于重離子放射治療的輻照系統(tǒng)，并在PHITS模擬中忠實(shí)地再現(xiàn)過去的重離子放射治療。 具有這種新功能的重離子放療劑量測定系統(tǒng)被稱為RT-PHITS for CIRT12。

圖2顯示了所開發(fā)的RT-PHITS for CIRT系統(tǒng)概況。該系統(tǒng)還具有將PHITS計(jì)算得出的劑量分布轉(zhuǎn)換為DICOM數(shù)據(jù)的功能，因此它可以與一般的治療計(jì)劃支持設(shè)備一起使用，在患者CT圖像上繪制劑量分布圖，并與治療計(jì)劃系統(tǒng)的劑量分布進(jìn)行比較。這樣就可以進(jìn)行詳細(xì)的分析。RT-PHITS for CIRT有自己的圖形用戶界面(GUI)，通過直觀的操作、對輻照裝置和病人系統(tǒng)的視覺確認(rèn)以及對劑量分布的評估，使配置變得簡單。(圖3)

(圖 2)RT-PHITS for CIRT系統(tǒng)概述

(圖 3)RT-PHITS for CIRT圖形用戶界面

未來部署

日本原子能機(jī)構(gòu)的古田琢哉干事表示：“今后將使用該系統(tǒng)，對量研(QST)保存的重粒子射線治療病例重新進(jìn)行評估。QST擁有世界最多的病例數(shù)據(jù)。通過對每個(gè)患者的治療輻射量進(jìn)行評估和跟蹤調(diào)查，可以對病人是否發(fā)生了繼發(fā)性癌癥、以及是否發(fā)生了副作用等進(jìn)行比較，以明確在什么條件下會(huì)發(fā)生繼發(fā)性癌癥，以及為什么重粒子射線治療不容易引起繼發(fā)性癌癥。首先將對接受X射線治療后的約200個(gè)前列腺癌病例進(jìn)行分析。通過闡明機(jī)理，相信在未來將有助于提高放射治療的安全性。今后，將會(huì)在重新分析QST積累的治療數(shù)據(jù)的同時(shí)，與其他研究機(jī)構(gòu)合作，共同評估接受X射線治療患者的輻射量并與重粒子射線治療進(jìn)行比較分析，明確發(fā)生繼發(fā)性癌癥的原因。”

該系統(tǒng)將被進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)大，以支持使用快速三維掃描照射方法的重離子放射治療。該系統(tǒng)將在日本國內(nèi)和國際上發(fā)布，預(yù)計(jì)將在其他重離子放療機(jī)構(gòu)使用，并發(fā)展為新的應(yīng)用研究。

論文信息

期刊名稱：Physics in Medicine and Biology

論文題目：Development of the DICOM-based Monte Carlo dose reconstruction system for a retrospective study on the secondary cancer risk in carbon ion radiotherapy

作者： T. Furuta、Y. Koba、S. Hashimoto、W. Chang、S. Yona、S. Matsumoto、A. Ishikawa 和 T. Sato

出版日期：2022年7月4日

DOI：https ://doi.org/10.1088/1361-6560/ac7998