电离辐射声学与超声双模态成像技术实现放疗中解剖结构剂量分布实时可视化

为解决放疗(RT)中剂量沉积与解剖结构实时匹配的难题，研究人员开发了电离辐射声学成像(iRAI)与超声(US)双模态系统。该研究通过体模实验验证了系统精度（SSIM提升0.51，Gamma通过率提升74.6%），并在兔肝模型中实现首次活体剂量-解剖结构同步成像，为精准放疗提供闭环反馈新工具。

　　

在癌症治疗领域，放射治疗(RT)如同"隐形手术刀"，却面临一个世纪难题：如何实时"看见"高能射线在患者体内的分布？尽管50%的癌症患者需要放疗，但呼吸运动和器官位移常导致靶区偏离计划位置，造成健康组织损伤。传统影像引导放疗(IGRT)虽能追踪肿瘤位置，却无法监测剂量沉积过程；而点式剂量计仅能表面测量，缺乏三维信息。这种"盲打"状态迫使临床在疗效与副作用间艰难平衡，尤其对肝脏等运动敏感器官（耐受剂量TD_5/5
仅30-35 Gy）。

美国密歇根大学团队在《Photoacoustics》发表的研究，如同为放疗装上了"动态透视眼"。他们创新性地将电离辐射声学成像(iRAI)与超声(US)技术融合：当放疗脉冲被组织吸收时，产生的热膨胀声波由0.35 MHz矩阵阵列换能器捕获，同步3.5 MHz超声则绘制解剖结构。这种双模态设计攻克了传统技术无法同步获取剂量与解剖信息的瓶颈。

关键技术包括：定制0.35 MHz二维矩阵阵列换能器(MAT)匹配4μs辐射脉冲声谱，配合256通道前置放大器；Verasonics超声系统驱动3.5 MHz商用MAT实现10 Hz帧率解剖成像；通过延迟发生器实现与直线加速器(LINAC)的亚毫秒级同步。实验采用运动体模模拟呼吸（速度0.5-4 cm/s，范围0.5-4 cm），并通过兔肝活体验证（3.8 Gy临床计划）。

研究结果

1. 系统校准：iRAI轴向分辨率稳定在2 mm，超声达0.5 mm，剂量-解剖配准误差仅0.45 mm。
2. 体模验证：US校正使剂量映射结构相似性(SSIM)最高提升0.51，Gamma通过率(GPR_3%/3mm
   )提升74.6%，满足临床>90%标准。
3. 运动影响：相同速度下，4 cm运动范围比1 cm的SSIM提高32.7%；而4 cm/s运动比1 cm/s使GPR降低66.6%。
4. 活体实验：成功在兔肝呼吸周期中捕捉剂量漂移，3 Hz帧率显示剂量沉积与CT解剖结构的动态偏差。

结论与意义
这项研究首次实现放疗中"剂量落点"与"解剖靶标"的实时电影式呈现，相当于为放疗医师提供了动态导航仪。其突破性在于：① 通过iRAI的被动声学检测原理，将剂量测量深度拓展至体内28 cm；② 双频MAT设计兼顾剂量灵敏度（0.35 MHz）与解剖分辨率（3.5 MHz）；③ 临床级Verasonics平台加速转化进程。尽管仍需解决组织异质性校准等问题，但该技术为自适应放疗(ART)提供了关键拼图——未来或能像"导弹制导"般动态调整射线轨迹，使肝脏等器官的放疗剂量突破现有安全阈值。正如作者Xueding Wang强调，这项跨物理、工程与肿瘤学的创新，标志着放疗从"几何定位"迈入"生物剂量导航"新时代。