面向横断面磁场下磁共振集成质子治疗 (MRiPT) 的逐能量层束流偏转补偿方法的开发与实验验证

《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：Development and Experimental Validation of an Energy Layer-wise Beam Deflection Compensation Method for MR-integrated Proton Therapy with a Transverse Magnetic Field

　　

将磁共振成像与质子治疗相集成 (MRiPT) 具有提高其靶向精度的潜力。然而，机载磁共振扫描仪的磁场会引起质子束偏转，导致剂量分布发生畸变。在此项研究中，研究人员开发并验证了一种针对 MRiPT 的逐能量层束流偏转补偿方法。研究中使用了具备包含磁场效应能力的蒙特卡罗 (MC) 剂量计算引擎的 RayStation 治疗计划系统 (TPS) 研究版，以评估 100–220 MeV 能量范围下水模体几何结构中的横向布拉格峰 (Bragg peak) 偏移。通过分析这些结果，创建了一个参数化的、依赖于能量的束流偏转补偿模型，并将其集成到了 TPS 中。三个发散布拉格峰 (SOBP) 箱形野以及一个患者治疗计划均在针对每个能量层的偏转进行补偿后完成了优化。实验验证是在一台 0.32 T 机载 MR 扫描仪内部进行的，使用了三种剂量学设置：(1) 带有水等效板的电离室阵列，(2) 带有电离室的水模体，(3) 带有放射变色胶片插入模块的拟人头部模体。通过伽马分析 (γ) 以及绝对剂量和质子射程一致性，将测量结果与计算的剂量分布进行了比较。结果表明，所有 SOBP 箱形野在 10% 剂量阈值下采用 3%/3 mm 标准时，伽马通过率均超过 97%。根据能量范围的不同，绝对剂量精度在 1.2%-2.2% 之间。测量与计算的射程在 1.1 mm 范围内保持一致。拟人头部模体实验显示，计算与测量的剂量分布在空间上具有很强的一致性，所有区域的伽马通过率均大于 95%。本研究提出了首个适用于临床且经过实验验证的 MRiPT 质子束流偏转补偿方法，该方法已集成到商用 TPS 中。该方法能在 MR 磁场存在的情况下高效且准确地恢复剂量分布，已准备好应用于未来的 MRiPT 治疗。

在图像引导放疗的时代，虽然质子治疗在保护正常组织方面具有显著剂量学优势，但其对摆位误差、解剖变化及组织不均匀性极其敏感，因此对影像引导的精准度提出了更高要求。引入磁共振成像 (MRI) 被认为是解决上述瓶颈的理想方案，其提供了卓越的软组织对比度且无额外成像剂量，能够实时监控分次治疗内的器官运动。然而，将 MRI 与质子治疗相集成 (MRiPT) 面临着巨大的技术挑战：MR 扫描仪的横向主磁场 (B₀) 会引起质子束发生显著的横向偏转，导致靶区剂量不足且危机器官 (OAR) 受照过量。在此研究之前，尚未出现包含真实束流机上 MRI 特征且能整合于商用治疗计划系统 (TPS) 的实验验证补偿方法。

在此背景下，研究人员开展了旨在开发并验证一种逐能量层束流偏转补偿方法的研究，并将其成功整合到 RayStation TPS 研究版中。研究结论表明，该方法能够在 B₀ 磁场存在的条件下高精度地恢复靶区与 OAR 的剂量分布，其剂量计算与投照精度均符合严格的临床标准。该成果在国际权威期刊《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》上发表，首次证明了这种补偿方法在商用 TPS 平台上的可行性，为未来的 MRiPT 临床人体首试铺平了道路，具有推进自适应放疗临床转化的里程碑意义。

在主要技术方法上，研究人员基于配备蒙特卡罗 (MC) 剂量计算引擎的 RayStation TPS，量化了 100–220 MeV 质子在水模体中因磁场导致的横向布拉格峰偏移。据此构建了由二阶多项式组成的依赖能量和距离参数 z 的参数化束流偏转补偿模型，并通过脚本无缝集成至 TPS 中。验证实验依托于某临床质子治疗设施实验室内自主研发的 MRiPT 原型系统（配置 0.32 T 开放式永磁机载 MR 扫描仪与水平质子笔形束扫描 (PBS) 喷嘴）。剂量学验证使用三大样本队列与设置：带有水等效板的电离室阵列、自行开发的 MRI 兼容 3D 水模体（内附 Advanced Markus 电离室），以及基于双能计算机断层扫描 (DECT) 阻止本领比 (SPR) 图的拟人头部模体（内嵌 Gafchromic 放射变色胶片）。

验证实验 #1：SOBP 箱形野优化与投照
研究人员通过 RayStation TPS 计算了 100–130 MeV、120–162 MeV 和 160–220 MeV 三个能量段的质子发散布拉格峰 (SOBP) 箱形野。通过电离室阵列及水模体测量对比计算结果发现，在 10% 剂量阈值下采用 3%/3 mm 临床标准时，所有 2D 剂量测量的伽马通过率均大于 97%；在绝对剂量评估上，SOBP 中心的绝对剂量误差仅为 1.2%–2.2%。同时，测量的束流射程与计算射程高度一致，误差在 1.1 mm 以内。针对 2%/2 mm 的严苛标准，虽在高能远端测量点通过率略有下降，但大多维持在 90% 以上。这表明该偏转补偿方法能够在磁场中有效维持临床可接受的剂量分布，不损失剂量计算与投照精度。

验证实验 #2：头部模体治疗计划与投照实验
为验证真实解剖结构下的可行性，研究人员将既往胶质母细胞瘤患者的临床靶区 (CTV) 转移至拟人头部模体中，针对 60 Gy(RBE) 处方剂量制定并实施补偿治疗计划。在治疗规划中积分了深度微调的 z 值以处理组织非水等效性，剂量体积直方图 (DVH) 显示靶区覆盖良好 (D95%达58.1 Gy(RBE)) 且脑干等OAR受量低于限定值。使用 3%/3 mm 标准评估三个冠状层面插入胶片的 2D 剂量分布，通过率均超过 98%；采用更严苛的 2%/2 mm 标准时，平面1与2通过率仍保持 97% 以上。除位置较深端由于 LET 淬火效应及组织不均匀性导致效能略微衰减外，测得的空间一致性在 ±1.6 mm 误差范围内。研究确认该方法能有效补偿约 30 mm 的束流横向偏移，实现毫米级精度靶区照射。

讨论与结论
在与商用 TPS 整合和机载 MRI 验证中，该补偿方法表现出高效与高度独立的特性。尽管参数化依赖于水等效计算，但拟人模体验证证实其在异质组织中同样具备稳固精度。在讨论中，研究人员指出当前方法间接处理了因磁场造成的微小射程回缩效应，并为未来更高磁场强度系统的直接逆向优化留出了空间。基于 delta 电子的实际比率极小，该效应在当前算法中被合理省略。本研究总结得出，这是首个成功整合于商用质子治疗 TPS、并在真实跨磁场机载 MR 扫描仪中通过全面剂量学验证的质子束流偏转补偿方法。其在各种质子能量区间展现出的临床级剂量精度，以及与现有临床工作流的深度兼容性，为 MRiPT 从试验研发向真实人体常规临床治疗应用转化奠定了稳固基础。