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报道:谢庆国团队最新研究成果有望解决治癌利器在线监测世界级难题

新闻网讯 质子放疗是最尖端的癌症放疗技术之一,人称“治癌利器”。近日,武汉光电国家研究中心谢庆国教授团队运用自主研发的平板全数字PET,首次监测到了质子束打到人体组织上产生的氧15,说明数字PET极有可能实现对质子束β+衰变产生的正电子发射核分布情况的精准监测,从而追踪到质子束的投递剂量和作用范围。该发现意味着质子束在线监测这一世界级难题有望得到解决,从而有效提升质子刀对肿瘤治疗的效果,提高患者的治愈率和存活率。相关研究成果于9月8日发表在国际权威期刊《Sensors》上,题目为《一种用于质子治疗监测的正电子发射断层成像系统的即插即成像传感器》。

质子放疗室里的全数字平板PET系统

数字PET团队和台湾长庚医院研究人员合影

与传统疗法相比,质子治疗突破了传统放疗、化疗“杀敌一千、自损八百”的困境,利用质子射线的“布拉格峰”特性,在放射线抵达特定组织深度后再释放能量,实现了对肿瘤的“立体定向爆破”。由于质子治疗具有穿透性能强、剂量分布好、局部剂量高等特征,尤其对于治疗有重要组织器官包绕的肿瘤显示出较大优越性。同时,它也以“天价手术”著称,国内做一次质子放疗一般要20多万,美国的质子放疗费用高达11万至14万美元不等。

另一方面,布拉格峰特性意味着峰区与放疗规划的细微偏差都将造成严重后果。因此,质子束在人体内的作用范围和投递剂量亟需精准的监测方法与手段。由于质子束入射人体会产生正电子核素,进而湮灭产生伽马光子,利用PET技术可以探测到伽马光子反演出正电子的位置和数量,从而获知质子束的投递剂量和作用范围。因此,PET是被认为是最具潜力来监测质子治疗的有效手段。但质子束产生的正电子核素半衰期极短、背景散射伽马光子极多,如何从噪声大、时间短的信号中提取正电子湮灭的空间和时间信息,实现快速成像,定量估计质子束的投递剂量和作用范围是一个巨大的挑战。

自上世纪90年代以来,不论是在质子束医用化起源的美国,还是建立起质子治癌网络的欧洲,全球科学家一直在努力探索将PET用于质子监测的可行性。然而,传统PET由于“模数混合”的特性,一方面系统复杂度高难以与质子治疗系统相结合,另一方面模拟信号导致的低计数率也无法满足质子束入射对系统探测效率的要求。因而,传统PET无法对质子束射入人体内情况进行实时精准监测。

论文合作作者之一、林口长庚纪念医院副院长洪志宏介绍,质子治疗如果无法实现对肿瘤病灶定点打击的绝对精准度,往往会导致治疗不彻底、肿瘤复发等后果。具体地说,有监测系统的质子治疗相当于把“理论完美”变成“实际完美”,能真正充分地发挥质子治疗的效果。这正是质子放疗临床应用面临的核心问题。 

2016年至今,谢庆国团队多次赴林口长庚纪念医院开展实验研究。去年11月,两岸科学家在林口长庚纪念医院将全数字平板PET用于质子束在线监测,获得重大发现。数字PET发明人、华中科技大学谢庆国教授说,实验过程中,运用平板全数字PET首次监测到了质子束打到人体组织上产生的氧15,说明数字PET极有可能实现对质子束β+衰变产生的正电子发射核分布情况的精准监测,从而追踪到质子束的投递剂量和作用范围。

论文第一作者、团队核心成员、华中科技大学全职教授尼古拉(Nicola Dascenzo)表示,氧15的半衰期仅有2分钟,因此将PET用于质子束在线监测氧15,对系统的空间分辨率、时间分辨率等方面性能有着极为苛刻的要求。尼古拉表示:“这次实验充分验证了数字PET卓越的性能。利用数字PET可以采集到质子束进入活体内的大量原始数据,从而监测到质子束在人体内的轨迹及作用过程,这在全球尚无先例。这意味着质子刀在线监测难题有望就此破解,可能极大程度改善质子对癌症的治疗效果。”

《Sensors》期刊是工程技术领域的权威学科杂志,尼古拉对记者透露,将数字PET应用于质子治疗监测具备强烈优势,尤其体现在数字PET系统具备超高探测效率,能够满足质子束入射对探测效率的统计要求。而正是这个特性,让期刊审稿专家在初审时觉得系统探测计数率太高,“Too good to be true(因为太好而不真实)”。在团队又提供了更为详实的实验证明材料以后,专家才表示信服。

论文第二作者、博士生高敏介绍,质子放疗的费用昂贵,所以占用治疗室的实验时间也是“一寸光阴一寸金”。她和尼古拉两人连拖带扛把将80多公斤的设备运到长庚医院后,就昼夜不分地工作,系统搭建、设备调试、实验采集到拆卸清场,整个过程只花了96个小时。“有一种搭建乐高积木的感觉,传统PET搭建时间都是以月甚至年为单位计算的,而我们是以小时为单位。这让我真正体验到数字PET模块化、开放性和灵活性带来的革命性变化。”

据国际粒子治疗协作组(PTCOG)网站最新数据显示(截至2017年6月):目前全球在运行的质子中心有62家,预计到2020年全球将有131家粒子治疗中心运营。目前中国在运行的质子中心有3家,分别为淄博万杰质子治疗中心、上海市质子重离子医院和林口长庚纪念医院;另有14家在建,50多家拟建。洪志宏介绍,根据世界卫生组织(WHO)国际癌症研究署(IARC)发布的来看,全球每年新增癌症病例1400万,质子放疗适应症病例保守估计可达100万,即使发展迅猛也仍远远无法满足医疗需求。 

谢庆国介绍,目前的数字PET主要致力于全数字成像的实现方法。未来,团队还将致力于从数字影像中进一步获取精确、定量的数据信息,打造数字PET2.0。数字PET 2.0期望发挥和利用PET在绝对定量方面的潜力,为医生提供详实确切的数值依据,而不仅仅是对比信息,将其应用于质子刀在线监测中,可进一步提升治疗精准度。

“前景虽广阔,不过现阶段阻碍质子治疗与数字PET进一步融合研究的难题仍然突出。”谢庆国说,首先,相关研究需要完备的基础设施支持和不菲的资金投入。其次,质子治疗和数字PET分属于两个领域,从设备、人才、技术、项目等各方面科研资源需要整合。第三,数字PET在与质子治疗联合研究已经进入科学“无人区”,在全球无经验先例可循。 “希望国家有关部门能尽快规划质子精准放疗技术攻关,统筹相关科研资源,抓住我国数字PET在此领域的战略先机,助力人类早日降伏癌症病魔。”

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