基于質(zhì)子誘導(dǎo)聲波信號(hào)、小波變換和機(jī)器學(xué)習(xí)的三維劑量驗(yàn)證 武漢大學(xué)供圖

日前，武漢大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)醫(yī)學(xué)物理研究團(tuán)隊(duì)利用質(zhì)子治療過(guò)程中發(fā)出的聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三維劑量的在線監(jiān)測(cè)，有望用于質(zhì)子閃療技術(shù)（FLASH）。論文以《基于質(zhì)子誘導(dǎo)聲波信號(hào)、小波變換和機(jī)器學(xué)習(xí)的三維劑量驗(yàn)證》為題發(fā)表在《生物醫(yī)學(xué)物理與工程快報(bào)》上。

據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授彭浩介紹，相較于傳統(tǒng)的放療，質(zhì)子治療一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是，“布拉格峰”的特性可以讓大多數(shù)能量沉積在腫瘤靶區(qū)，減少對(duì)正常組織的損害。但是在臨床治療過(guò)程中，患者的解剖結(jié)構(gòu)、質(zhì)子束流、病人擺位等因素可能會(huì)造成射程和劑量的誤差，導(dǎo)致“布拉格峰”沉積的位置發(fā)生改變，產(chǎn)生“打不準(zhǔn)”的痛點(diǎn)。尋找一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)質(zhì)子束劑量沉積的方法非常有意義, 尤其是結(jié)合FLASH閃療。一方面，F(xiàn)LASH的單束超高劑量率特性（＞40 Gy/s），可顯著提高聲波信號(hào)的幅度；另一方面，對(duì)FLASH而言，一些影響治療精度的隨機(jī)不確定性不可以像在傳統(tǒng)治療中通過(guò)多天治療來(lái)平均，因而在線劑量驗(yàn)證更為重要。

為解決這一難點(diǎn)，研究人員采用了一種創(chuàng)新性的解決方案：在患者身上安裝傳感器，跟蹤治療過(guò)程中組織熱膨脹（能量沉積產(chǎn)生）產(chǎn)生的聲波信號(hào)，得到人體內(nèi)部劑量沉積的情況。此前研究利用時(shí)間反演方法，借助GPU加速，重建耗時(shí)可壓縮至分鐘。最新工作在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，利用小波變換有效的完成特征提取，能進(jìn)一步降低所需傳感器的數(shù)量和重建時(shí)間（秒鐘量級(jí)），并且模型表現(xiàn)出很好的抗噪性。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在治療前根據(jù)病人的解剖信息和治療方案訓(xùn)練出個(gè)性化的模型，在治療過(guò)程中根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的聲波信號(hào)，有望實(shí)時(shí)在線得到二維或三維劑量分布（2毫米左右驗(yàn)證精度）。目前方案尚需要解決的兩大難點(diǎn)包括傳感器和病人身體的接觸，以及病人體內(nèi)聲波傳播參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。

彭浩還提到，雖然短脈沖的高能粒子束打出聲波信號(hào)的原理在上世紀(jì)80年代首次被發(fā)現(xiàn)，但一直面臨的挑戰(zhàn)是信號(hào)幅度小、信噪比低。隨著質(zhì)子束技術(shù)的進(jìn)步，包括FLASH閃療以及低噪聲傳感器的進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)的研究成果有望用于臨床。下一步，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在山東淄博萬(wàn)杰醫(yī)院質(zhì)子中心、合肥離子醫(yī)學(xué)中心來(lái)開展實(shí)驗(yàn)臨床測(cè)試。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1088/2057-1976/ac396d

來(lái)源：《生物醫(yī)學(xué)物理與工程快報(bào)》