【科學前沿】「治癌利器」質子刀在線監測難題有望破解 全數字平板PET獲主流媒體廣泛關注

2021-02-20 數字PET實驗室

 近日,CGTN(中國國際電視臺)英語頻道、法語頻道連續報導數字PET團隊成果,重點關注了數字PET在質子放療中的應用新突破。

   (CGTN報導數字PET團隊)
 

數字PET實驗室於近日研發出用於質子放療的全數字平板PET,並首次在臺灣長庚紀念醫院將其用於質子束在線監測,實驗結果表明,運用「數字PET」首次監測到了質子束打到人體組織上產生的氧15。這項成果意味著質子刀在線監測難題有望就此破解,或將極大改善質子刀對癌症的治療效果。

(質子放療室裡的全數字平板PET系統)

(謝慶國與意籍教授Nicola Dascenzo、學生高敏在臺灣長庚紀念醫院)

質子刀作為腫瘤放射治療的高精尖「武器」,最大的優勢就在於其布拉格峰特性,能夠「定點」打擊腫瘤病灶,保護正常組織,因此其毒性及副作用更小,在兒童、老人的癌症治療,以及複雜部位的腫瘤治療尤其受到關注。

   (質子放療設備(網絡圖片))

2017年2月,國家癌症中心發布最新數據顯示, 2015年中國癌症新發病例數及死亡人數分別為429.2萬例和281.4萬例,需接受放射治療的患者為214.5萬,實際接受放療的患者僅91.9萬。

從世界衛生組織今年公布的中美兩國總體癌症死亡率對比顯示,美國過去20年間呈明顯下降趨勢,但中國卻在過去十幾年間「穩步增長」。其中一個很重要的原因,就是美國在對抗癌症上使用的新型療法。

(美中兩國癌症發病率與死亡率對比情況)

有數據顯示,自1954年世界第1例質子治療,至2015年底全球已有10萬例以上的患者接受了質子治療。據國際粒子治療協作組PTCOG網站最新數據顯示(截至2017年6月):目前全球在運行的粒子治療中心共有67家,主要分布在北美、歐洲和日本。其中質子中心62家,預計到2020年全球將有131家的粒子治療中心運營。

有統計顯示,全球每年新增癌症病例1400萬,質子放療適應症病例保守估計可達100萬,未來全球治療服務市場可達230億美元,按一家質子放療中心一年一千人次接診量算,遠遠無法滿足龐大的市場需求。

近年來,全球範圍內形成一股質子刀熱,我國在建和擬建質子刀項目多達64家,目前中國在運行的質子中心僅有3家,分別為上海市質子重離子醫院、山東淄博萬傑醫院博拉格質子治療中心、林口長庚醫院質子暨放射治療中心。

  質子刀設備體積龐大、維護複雜,需要專門建大樓承載,總造價往往高達幾十億人民幣,因此質子放療的費用也非常高:一般國內做一次質子刀要20多萬人民幣,美國的質子治療費用更是高達11萬—14萬美元不等。

治療精準化。

由於目前對質子束入射人體組織後的實際作用範圍和投遞劑量尚無精準偵測的技術與方法,無法實現布拉格峰對腫瘤病灶定點打擊的絕對精準度,往往會導致治療不徹底、腫瘤轉移復發等後果。

自上世紀九十年代以來,不論是質子束醫用化起源的美國,還是大舉使用重離子對抗癌症的日本,抑或是建立起質子/重離子治癌網絡的歐洲,全球科學家一直在努力探索將PET用於質子監測的可行性。

質子束打到人體組織上會產生氧15,如果能「看」到氧15,對在線監測到質子束的投遞劑量和作用範圍將有至關重要的作用。

由於氧15的半衰期僅有2分鐘,因此,將PET用於質子束在線監測氧15,對系統的空間解析度、時間解析度等方面性能有著極為苛刻的要求。在長庚醫院的實驗充分驗證了數字PET卓越的性能:利用數字PET可以採集到質子束進入活體內的大量原始數據,從而監測到質子束在人體內的軌跡及作用過程,這在全球尚無先例!

 


(用於質子束在線監測的全數字平板PET)

數字PET實驗室開發的全數字平板PET可對質子束β+衰變產生的正電子發射分布情況進行精準監測,以追蹤質子束的投遞劑量和作用範圍。

基於即插即成像平臺的質子監測「數字PET」系統,由於取消了模擬電路,實現了「全數字」和「精確採樣」兩大突破,不僅能實現更高的成像解析度和靈敏度,還具有性能優異、使用便利、製造快捷等革命性的優勢。


(湖北衛視《湖北新聞》報導全球首臺全數字「癌症預警機」)

有著「癌症預警機」之稱的數字PET,應用到「治癌利器」質子刀上,好比為質子刀這枚打擊癌症的「飛彈」配上了「雷射制導」,能夠精準「看」到質子束對病灶的「轟炸範圍」和「轟炸威力」,化解了以前無法精準控制打擊點,只能把「飛彈」當「手榴彈」扔的窘境,使質子刀真正能夠圓滿發揮其威力。

(用於質子放療的全數字平板PET進行大鼠實驗)

林口長庚醫院副院長洪志宏認為,對質子放療的在線監測,將對質子治療未來的發展起到至關重要的作用。而謝慶國教授發明的數字PET能幫助了解質子束與生物組織之間的相互作用,監測質子束打到了哪裡,發生了什麼物理過程,將從根源上為質子放療規劃提供精確指導。

數字PET與質子放療的結合,或將成為未來癌症放療的「標杆技術」,造福人類早日攻克癌症。

(數字PET團隊和臺灣長庚醫院研究人員)

長庚醫院為臺灣最大的癌症治療體系,長庚醫院的質子暨放射治療中心,更是亞洲最大、最先進的放射治療中心之一。為配合此次實驗,院方專門減少了質子放療接診量,將設備用於科學研究。

        (臺灣長庚紀念醫院)

武漢光電國家研究中心、華中科技大學教授謝慶國表示,這次實驗的成功也開啟了數字PET在質子放療中應用的新方向。 就好比從一個需要專人操作的大型設備,變為了一個通用的配件,可以放到任何設備上,實現簡單方便的操作。從以前的主角變成了配角,這將極大拓展數字PET的應用範圍,造福人類健康!

 

(用於質子放療的全數字平板PET)

(附CGTN新聞稿)

【Topic】

MEDICAL IMAGING INNOVATION
World's first digital positron emission tomography developed in Wuhan

【OC】
As one of the most sophisticated medical molecular imaging devices, positron emission tomography, or PET, has a great advantage in early detection of cancer and brain diseases. After 15 years of hard work, the first human clinical digital PET in the world has been successfully developed at Huazhong University of Science and Technology, also known as HUST, in Wuhan, capital of Hubei Province, central China. The excellent performance, convenient use and fast manufacturing of the digital PET is expected to help people combat cancer, Alzheimer's and other diseases at a lower cost and for much better results.
【Voice_over】
In early November, Professor Xie Qingguo and his team conducted full digital PET for online proton beam monitoring in Taiwan Chang Gung Memorial Hospital, which has the largest and most advanced proton radiotherapy center in Asia.
【Guest】
PROFESSOR XIE QINGGUO
COLLEGE OF LIFE SCIENCES & TECHNOLOGY, HUST
【Sound_bite】
This is the first time in human history that we monitored how the proton produced oxygen-15 on a rat. If you use digital PET, you can see exactly where the tumor is. Secondly, when the proton enters the body, by examining oxygen-15, nitrogen-13, carbon-11, we can figure out where it is.
【Voice_over】
The Mediterranean Institute of Neuroscience in Italy's Molise is the world's top brain science research center with rich clinical experience. In July, the Italian Brain Science Research Center formed a collaboration with HUST to establish a digital PET Research Center for the research of brain science.
【Guest】PROFESSOR NICOLA D'ASCENZO, ITALY, COLLEGE OF LIFE SCIENCES & TECHNOLOGY, HUST
【Sound_bite】
Now the frontier clinical technique, the frontier of the medicine, is to detect it much earlier, this is where our key technology, our digital PET will make contribution. In this kind of combination, connectivity and molecular, we are unique in the world.
[Voice_over】
So far, digital PET has formed the high ground of medical imaging science to attract top foreign scientists.

【Guest】 PROFESSOR VALERI SAVELIEV, COLLEGE OF LIFE SCIENCES & TECHNOLOGY, HUST
In my opinion, I think China should take this responsibility, take this development by Professor Xie, and really go now into clinical practice.

[Voice-over]
The full clinical digital PET is currently in the process of instalment at the Affiliated Hospital of Zhongshan University in Guangzhou. It has begun to carry out China Food and Drug Administration clinical trials. The formal starting up of the first digital PET will take place in early 2018.

Gong Xuejuan and Yang Bo from Wuhan TV for CGTN.

 

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