开发用于强子放射治疗的重离子成像技术

2025年8月19日发布

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)下属National Metrology Institute of Japan (NMIJ)的Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation之中的Advanced Beam Measurement Group，研究利用X射线、正电子和中子等量子束开发先进测量分析技术，以推动材料开发并助力实现安全有保障的社会。该实验室的研究课题之一是开发用于先进重离子放射治疗的α射线成像技术，该技术采用我们的ORCA^®-Quest qCMOS^®相机作为探测器。

我们采访了研究小组组长Takeshi Fujiwara博士，了解了研究的细节、使用ORCA-Quest取得的成果以及未来的研究展望。

当前研究
重粒子束成像和测量面临的挑战
使用ORCA-Quest取得的成果
研究展望
Researcher profile

当前研究

您能介绍一下您的研究吗？

我们课题组正在开发用于强子治疗的定量成像技术，旨在提高强子放射治疗中剂量分布的准确性。

近年来，利用碳离子的强子放射治疗作为放射治疗中的有效疗法受到关注。目前，放射治疗主要使用 X 射线作为放射源。然而，X射线的特点是在体表放射的剂量最高，而随着射线深入到体内的癌变组织，剂量会逐渐减少。这会导致癌变组织和体表正常组织全都接触辐射。

相反，α射线和碳离子等重离子束具有所谓的布拉格峰特性，即在体表剂量较低，而在接近靶组织的过程中，剂量会逐渐增加。这样就可以选择性地辐照癌细胞，而不会影响体表正常细胞。因此，目前各机构都在开发碳离子辐照技术。为保证这些重离子束辐照靶位，需采用高精度测量辐照的强度和位置，并根据测量结果调整放射源的强度和辐照位置。

然而，当前重离子束高精度成像与测量技术仍面临各种挑战，尚未成熟。我们实验室正在致力于开发新的成像技术来应对这些挑战。

Takeshi Fujiwara博士

重粒子束成像和测量面临的挑战

Glass GEM概念图

数据提供者：Takeshi Fujiwara博士。所属机构：National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)下属National Metrology Institute of Japan (NMIJ)的Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation之中的Advanced Beam Measurement Group

重粒子束成像测量面临哪些挑战？

目前，电离室是用于重离子束测量的主要探测器。然而，作为点探测器，电离室本质上欠缺空间分辨率，不能用于测量二维剂量分布。虽然最近已经开发出阵列式电离室，但其存在局限：空间分辨率仅为5 mm左右，并且需要大量电路进行多通道读出，这不仅增加了实施难度，还会大幅增加成本。

为了克服这些局限，我们实验室正在开发一种将GEM（气体电子倍增器）技术与高灵敏度相机相结合的新型探测器系统。虽然GEM最初是作为利用气体放大电子的二维辐射探测器开发的，但我们团队的Glass GEM与传统 GEM 相比实现了更高的放大率。此外，该装置结合氩气/四氟化碳荧光气体混合物使用，可对重离子束进行高灵敏度与高分辨率的成像。将Glass GEM与滨松集团的ORCA-Quest qCMOS相机组合使用，我们实现了具有极高信噪比和高空间分辨率的重离子束流成像。具体而言，采用电离室阵列的探测器空间分辨率约为5 mm，而我们的Glass GEM组合相机的探测系统可实现约1 mm的空间分辨率。

使用ORCA-Quest取得的成果

您在使用ORCA-Quest后取得了什么成果？

在使用ORCA-Quest之前，我们还用过滨松集团的ORCA-Flash4.0 V3。虽然这款相机与GEM结合使用时可以对α射线（粒子辐射的一种）成像，但由于灵敏度不足和噪声问题，图像的对比度较低（成像示例1）。

我们观察发现，较之ORCA-Flash4.0 V3相机，改用ORCA-Quest相机后的信噪比得到了显著改善。成像示例2展示了使用ORCA-Quest进行的α射线成像，我们不仅可以在单道α射线到达时对其进行可视化，还可以高精度捕捉剂量分布的细微变化。这些图像清楚地显示了轨迹端点因布拉格峰效应而出现的最高剂量浓度。传统α射线检测方法只能生成显示微弱发光区域的积分图像，所以很难区分零个或一个α粒子的存在。因此，我们的系统能够在同步进行成像的同时达到此等水平的检测精度，代表了该领域的一项突破性进步。

将来在医疗设备和治疗技术领域部署该探测器时，由于直接关系人类生命，必须满足极高的精度要求。我们相信，我们系统的卓越性能在满足这些严苛要求方面，将具有宝贵价值。

组合了Glass GEM与相机的探测器

成像示例

1. 使用ORCA-Flash4.0 V3拍摄的α辐射可视化图像。

数据提供：Takeshi Fujiwara博士。所属机构：National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)下属National Metrology Institute of Japan (NMIJ) 的Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation之中的Advanced Beam Measurement Group。

2. 使用ORCA-Quest呈现的α辐射可视化图像。

扫描模式：标准扫描

曝光时间：10 ms

间隔：14.12 ms

使用的像素数：1024（水平） × 576（垂直）

数据提供：Takeshi Fujiwara博士。所属机构：National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)下属National Metrology Institute of Japan (NMIJ)的Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation之中的Advanced Beam Measurement Group。

研究展望

能否谈谈您未来的研究展望？

重离子放射治疗的未来展望包括以下方向。我们希望利用我们实验室开发的探测器为这些研发工作的进步做出贡献。

采用点扫描的三维重离子辐照
开发利用FLASH辐照的副作用较小的治疗技术

关于点扫描：传统的重离子治疗是根据肿瘤的大小准直光束后进行辐照的。虽然重离子束具有对人体表层组织影响极小的优势，但仍然存在肿瘤周边健康细胞受到辐照的挑战。为了解决这个问题，业界提出了一种新方法：将重离子束整形为称作“铅笔束”的细束流，并在X-Y方向进行动态扫描以实现局部治疗。此外，通过改变剂量，我们可以调整辐照深度，实现对肿瘤的三维束流投送。

我们使用了由我们实验室开发的，组合了Glass GEM和相机的探测器，以验证铅笔束是否三维辐照目标位置。这款探测器可以同步动态检测重粒子束的二维分布和剂量强度，从而精准确定三维剂量分布。我们期望这款探测器将来能进一步推动点扫描技术的发展。

关于FLASH辐照：目前，研究人员正在利用“FLASH辐照”开发一种副作用较小的治疗方法。这项技术需要在极短的时间内向肿瘤投送极高的剂量（常规剂量的数百倍）。实验结果显示，与低剂量长时间照射相比，FLASH辐照在保持治疗效果的同时，还降低了对人体的不良反应。虽然FLASH辐照需要在很短的时间内投送高剂量，但要做到这一点，需要以某种非常规的方式运行同步加速器。因此，束流能否以预期强度精准投送至目标位置仍存在不确定性。我们相信我们的探测器在监测这些参数方面同样具有宝贵价值。

Researcher profile

Dr. Takeshi Fujiwara
Advanced Beam Measurement Group, Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Metrology Institute of Japan (NMIJ), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST): Group Leader

Mar. 2009

Department of Nuclear Engineering and Management, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, Ph.D.

Apr. 2009

Project Researcher, Department of Nuclear Engineering and Management, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo

Apr. 2010

Assistant Professor, Department of Nuclear Professional School, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo

Apr. 2015

Research Scientist, Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Oct. 2019

Senior Research Scientist, Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Apr. 2023

Principal Research Scientist, Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Oct. 2023

Principal Research Manager, Research Strategy Planning Division, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Oct. 2024

Group Leader, Advanced Beam Measurement Group, Research Institute for Measurement and Analytical Instrumentation, National Metrology Institute of Japan (NMIJ), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

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* 本页显示的内容基于 2024 年 12 月进行的采访。