笔形束扫描质子治疗中微型脊形过滤器的应用：缩短照射时间并降低远端线性能量传递的临床价值

《Physics and Imaging in Radiation Oncology》：Reduced beam time and distal linear energy transfer with mini-ridge filters in pencil beam scanning proton therapy

为缩短笔形束扫描质子治疗照射时间，研究团队聚焦于微型脊形过滤器的作用。研究发现，该技术能显著减少单次照射时间（从96.7秒降至75.3秒），同时降低危及器官远端区域的LETd最大值，且未损害计划质量。这为提升治疗效率与安全性提供了新的解决方案。

　　

笔形束扫描质子治疗技术以其精准的剂量分布能力，已成为现代放射肿瘤学的重要武器。然而，追求“精准”有时需要付出“时间”的代价。传统的治疗方式为了覆盖肿瘤靶区，需要逐层切换能量，这个过程往往导致单次照射时间较长。对于患者而言，长时间保持固定体位意味着不适感的增加；对于因呼吸而移动的胸腹部肿瘤患者，治疗期间哪怕微小的位移也可能影响疗效。更令人困扰的是，质子在生物效应上并非完全“温和”，其在射线路径末端，即布拉格峰远端区域，会产生较高的线性能量传递值，这可能导致更高的相对生物有效剂量，从而增加周围正常组织的损伤风险。那么，能否找到一种两全其美的方法，在保证治疗计划质量的前提下，既加快治疗速度，又降低远端的潜在生物风险呢？

这正是发表于《Physics and Imaging in Radiation Oncology》期刊上的这项研究试图回答的核心问题。研究人员将目光投向了一种名为“微型脊形过滤器”的装置。该装置基于传统被动散射质子系统中用于调制能量、产生展宽布拉格峰的原理，但其设计更薄，旨在为笔形束扫描系统引入适度的射程调制。理论上，这可以通过拓宽布拉格峰宽度来减少覆盖靶区所需的能量层数，从而缩短照射时间。同时，这种调制也可能改变LET_d的分布，使其峰值远离物理剂量的远端边缘，从而降低危及器官的生物学风险。但这一切是否真的可行，并且不会以牺牲计划的适形性和均匀性为代价？本研究通过严谨的实验设计给出了答案。

为了验证微型脊形过滤器的效果，研究团队采用了以下关键技术方法：首先，他们基于蒙特卡洛方法建立了经先前研究验证的微型脊形过滤器束流模型。其次，研究选取了来自多个治疗部位（包括头颈部、胸壁/乳腺、胸廓、腹部以及全脑全脊髓照射）的20例患者计划，并特别包含了5例采用深吸气屏气技术的患者以考察其独特价值。所有原始临床计划均使用RayStation治疗计划系统进行蒙特卡洛优化。研究的关键步骤是，在不改变射束角度、限光筒位置等任何计划参数的前提下，使用微型脊形过滤器束流模型对这些计划进行重新优化。优化后的计划经由放射肿瘤学家审阅确认为临床可接受。最终，通过实际照射并记录控制台时间来比较照射时间，并计算和比较了一系列剂量学指标（如靶区均匀性指数、适形性指数）、危及器官剂量体积直方图参数，以及利用研究版软件计算的剂量平均线性能量传递值。所有比较均采用配对t检验进行统计学分析。

结果部分展示了微型脊形过滤器带来的多方面益处：

1. 照射时间显著减少

研究结果显示，使用微型脊形过滤器后，每个射野的平均照射时间从96.7±4.9秒显著减少至75.3±4.0秒，平均减少了21.4秒。这种减少在所有治疗部位和深吸气屏气患者亚组中均一致观察到。其中，胸壁/乳腺患者因靶区浅表、低能量射束使用比例高，获益最大，平均减少达32.4秒。对于深吸气屏气患者，平均时间从82.8秒降至70.4秒，这一缩短对于需要多次屏气的治疗流程具有重要临床意义。

2. 计划质量得以保持

尽管微型脊形过滤器会增大射束的半影，但重新优化的计划在关键质量指标上与原临床计划相比无显著差异。靶区的均匀性指数和适形性指数均未发生统计学上的显著变化。同时，对所有纳入分析的危及器官（如肺、心脏、食管、脊髓等）的剂量学指标进行对比，也未发现显著劣化。所有微型脊形过滤器计划均通过了针对射程和摆位不确定性的鲁棒性评估，满足临床要求。

3. 远端线性能量传递降低

这是本研究揭示的微型脊形过滤器的另一个关键益处。在水模体立方体计划中，随着射束射程的减小，微型脊形过滤器对远端LET_d的降低效果愈加明显。在患者计划中，对于位于500 cGy_RBE等剂量线内的所有危及器官，其平均LET_d和最大LET_d分别显著降低了0.18±0.03 keV/μm和0.43±0.06 keV/μm。具体到各个器官，如肺、食管、气管等的LET_d平均值或最大值也呈现显著下降。值得注意的是，靶区内部的LET_d则未发生显著变化。这种降低意味着在物理剂量较高的区域，潜在的相对生物有效剂量得以减少，从而可能降低对远端正常组织的毒性风险。

4. 技术适用范围与局限性

研究也指出了微型脊形过滤器的适用范围。其缩短照射时间的效果主要源于布拉格峰宽度的增加，因此对用于治疗浅表疾病的低能量射束效果最显著。对于深层肿瘤（如研究中纳入的一例肝脏患者），时间减少幅度较小。此外，研究观察到少数单射野计划（如淋巴瘤 mantle 野）在使用微型脊形过滤器后，由于所需 spot 数大幅增加，可能导致照射时间不减反增，因此可能不适用于此类单野计划。同时，该技术适用于拥有能量选择系统的同步加速器或回旋加速器系统，而对于仅使用简单能量衰减器的紧凑型回旋加速器系统则无效。

结论与讨论部分强调了本研究的重要贡献。 研究首次在包含多治疗部位的患者队列中，系统性地证实了在基于回旋加速器（配备能量选择系统）的笔形束扫描质子治疗中使用微型脊形过滤器，可以在不损害计划质量的前提下，实现照射时间和远端LET_d的显著且具有临床意义的降低。照射时间的缩短直接提升了患者舒适度，减少了分次内运动带来的不确定性，特别有利于深吸气屏气技术的实施和推广，使更多患者能从这种先进的运动管理技术中获益。同时，远端LET_d的降低为减少正常组织晚期毒性提供了潜在的生物学优势，尤其是在未来可变相对生物有效性模型广泛应用于临床时，这一优势将更为凸显。尽管临床引入微型脊形过滤器需要增加少量质量保证工作，但其带来的临床益处显著。总之，这项研究为优化质子治疗工作流程和提升治疗安全性提供了一项切实有效的技术方案，展示了如何通过巧妙的物理工具改进，同时攻克效率与安全两大临床挑战。