基于蒙卡算法的乳腺癌術中放療模型的劑量學優化

楊波，孔旭東，魏賢頂，孟東，陳建江

江南大學附屬醫院（無錫市第四人民醫院） 腫瘤放療科，江蘇 無錫214062

早期乳腺癌患者行保乳術加前哨淋巴結活檢及腋窩淋巴結清掃的同時進行術中放療（Intraoperative Radiotherapy，IORT），能顯著減少局部復發和遠處轉移，其局控率可以與乳腺癌保乳術后全乳放療相媲美，形成了早期乳腺癌患者保乳手術加術中放療的治療模式[1-2]。然而，術中放療的靶區劑量分布只能依據水箱測量數據、照射區域內及周邊安置的有限的幾個微探頭實測數據進行評估。本研究利用蒙特卡羅算法（MC）建立乳腺癌IORT模型，根據患者術前的CT模擬術中影像進行蒙卡計算，以保證靶區劑量的精度，優化劑量分布。

1 優化方法

1.1 模擬患者術中狀態的CT影像

患者術前采用GE公司的LightSpeed Ultra 8排螺旋CT進行掃描。患者取仰臥位，患側上肢外展，盡量模擬手術體位，掃描范圍從環甲膜到乳腺皺褶下10 cm，層距、層厚均為5 mm。根據CT結合鉬靶片、B超或MRI資料確定腫瘤位置及大小，利用Matlab 及C++軟件在術前影像上進行編輯， 模擬保乳手術切除腫塊及周圍1～2 cm的乳腺組織，再游離周圍2～3 cm乳腺組織直達胸大肌筋膜表面作為照射靶區（圖1）。

圖1 模擬乳腺癌術中放療狀態的CT影像

1.2 三維水箱實測術中放療電子線限光筒的劑量參數

我科術中放療加速器為美國VARIAN 23EX，常用的3套術中放療限光筒分別為筒端為5 cm×7 cm橢圓（筒Ⅰ）、Ф5 cm斜邊圓（筒Ⅱ）及3 cm×5 cm橢圓（筒Ⅲ），源至治療筒底端距離為118 cm。三維水箱系統為瑞典IBA Blue phantom 2，所用監測電離室為PPC05平板電離室，參考電離室為cc113柱狀電離室。分別測量3套術中放療限光筒9 MeV及12 MeV下的百分深度劑量（PDD）曲線（依據TRS277號報告）、inline Profile、crossline Profile及參考深度（9 MeV為1.8 cm，12 MeV為2.2 cm）處的輸出因子。

1.3 基于蒙特卡羅算法的乳腺癌術中放療劑量模型的建立

① 蒙特卡羅程序為在電子伽馬光子簇射模擬（Electron-Gama Shower Four，EGS4）基礎上開發的MCTP程序；② 根據加速器機頭結構加上我科自制的術中放療電子線限光筒以及適配器建立術中放療的結構模型（圖2）；③ 利用MCTP的MCBEAM程序對以上結構模擬109個粒子進行運算，在治療筒下端生成相空間文件（Phase Space File，PSF）；④ 利用MCTP的MCSIM程序建立40 cm×40 cm×30 cm的模擬水模，像素大小為0.2 cm ×0.2 cm ×0.1 cm，PSF文件模擬108次History生成粒子在水模中的劑量分布3ddose文件；⑤ 利用Matlab編程提取3ddose文件中水模中心軸的PDD、inline Profile及crossline Profile，并與三維水箱實測數據進行比對，通過調整電子線入射能量E、高斯徑向分布半高寬度（Full Width of Half Maximum，FWHM）及術中放療限光筒結構使兩者計算誤差＜2%。

1.4 術中放療劑量優化

① 將已經編輯好的CT影像導入瑞典ELEKTA Xio 4.70的治療計劃系統（TPS）中，在focal上進行外輪廓、靶區及肺和心臟等危及器官的勾畫，并分別勾畫靶區表面添加不同厚度等效材料、靶區后緣分別添加不同厚度鉛板及鉛板前的熱點吸收區；② 經Xio輸出DICOM Image及DICOM Structure set至MCTP的MCDICOM軟件，經處理后生成MCTP模體文件Egs4phant；在MCSIM中編寫程序代碼，導入模體文件Egs4phant，給予靶區21 Gy劑量[3]；③ 跳數計算公式為：MU=DT(21 Gy)×輸出因子/參考深度PDD；④ 分別定義表面等效材料及熱點吸收區的材質為聚乙烯，密度為1.06 kg/m3；定義靶區后鉛板的材質為鉛，密度為13.6 kg/m3；⑤ 用MCSHOW顯示劑量分布及劑量體積直方圖（DVH），并通過調整等效材料及鉛板的大小和厚度不斷優化劑量分布。

圖2 VARIAN 23EX加速器術中放療裝置結構圖

1.5 統計學方法

采用PASW Statistics 18軟件進行處理，數據以均數±標準差（±s）表示。

2 結果

（1）基于蒙卡算法建立的乳腺癌術中放療模型的劑量學參數，見表1。可以根據靶區的大小選擇合適的限光筒、電子線能量以及有效治療區間進行蒙卡計算。

（2）蒙卡算法與三維水箱實測的劑量學比較情況：① 9 MeV電子線PDD曲線兩者比較，在最大劑量點前，蒙卡算法略低于實測劑量，但斜率一致，在最大劑量點后擬合較好（圖3）；② 12 MeV電子線PDD曲線兩者比較，在最大劑量點前后兩者擬合均較好（圖4）；③ 實測與蒙卡算法的Profile比較，蒙卡算法略偏前，但兩者斜率一致（圖5）。

（3）劑量優化情況：① 用MCTP模擬未加任何等效材料，270°入射乳腺模型的劑量分布為：入射表面下有少量＜90%靶區劑量的區域，靶區后緣胸大肌及肋骨劑量＞80%靶區劑量，患側肺最大劑量＞70%靶區劑量，臨床靶區（CTV）均勻性差，V90%的靶區體積約73%（圖6）；② MCTP計算表面加2～3 mm等效材料、靶區后緣加5 mm等效材料再加2 mm鉛板模擬270°入射乳腺模型的劑量分布為：等效材料下靶區基本被90%等劑量線包繞，＞110%的熱點劑量全部落在靶區后緣5 mm的等效材料“吸收區”，鉛板后緣胸大肌、肋骨及肺劑量大部分被屏蔽，肺最大劑量＜1 Gy，靶區劑量均勻性明顯提高，V90%的靶區體積＞90%，V110%靶區體積＜4%（圖7）。

表1 乳腺癌術中放療各電子線限光筒劑量學參數表

圖3 實測和MC計算9 MeV電子線PDD比較圖

圖4 實測和MC計算12 MeV電子線PDD比較圖

圖5 實測和MC計算Profile比較圖

圖6 MCTP計算模擬270°入射乳腺模型劑量分布圖（優化前）

圖7 MCTP計算使用等效材料、鉛板及吸收材料后劑量分布圖（優化后）

3 討論

乳腺癌術中放療（IORT）在術中可直視瘤床，保證瘤床位置的準確性，避免外照射可能出現的瘤床漏照及外照射過程中呼吸運動和擺位誤差的影響；同時IORT僅對部分乳腺照射，照射容積較少，可避免全乳照射后出現的乳腺萎縮、皮膚粗糙及色素沉著等現象[4]，因此可改善美容效果；IORT可縮短治療總療程，避免放化療的時間沖突，成為早期乳腺癌部分乳腺照射的“金標準”[5-6]。

但IORT靶區劑量的實際分布情況往往僅依靠測量數據及術中小探頭進行點劑量監測獲取，無法獲取整個靶區及周圍正常組織的精確劑量分布，且添加表面等效材料及胸大肌筋膜上放置鉛板后的劑量分布根本無法知曉，從而制約了乳腺癌IORT的發展[7]。蒙特卡羅算法作為放療劑量計算的“金標準”[8-9]，通過隨機分布的方法模擬粒子在體內的運輸和劑量沉積情況，具備極高的劑量分布精確性。但乳腺癌IORT和外照射不同，目前尚沒有實時CT掃描來獲取相關影像，同時還沒有商用的術中放療TPS以進行劑量優化。

本研究通過對患者術前乳腺CT影像的處理，模擬出術中乳腺的狀態，通過蒙卡程序MCTP計算出術中乳腺靶區及正常組織的劑量分布特點，發現目前IORT存在以下問題：① 利用鹽水紗布作為組織補償物對表面劑量的提升有限且不穩定，靶區表面劑量達不到90%處方劑量要求；② 靶區后緣使用2 mm鉛板后，靶區最大劑量可提升40%以上，靶區后緣5 mm范圍為＞110%處方劑量的熱點區域；③ 所用鉛板大小影響劑量分布形狀；④ 鉛板大小也影響鉛板后胸大肌、肋骨及肺的劑量分布。

在此基礎上，本研究利用MCTP通過對表面等效材料厚度及材質、鉛板厚度及大小、鉛板和靶區后緣之間填充組織補償物等進行模擬計算，以找出優化靶區劑量、提高靶區劑量均勻性、消除靶區熱點、降低靶區后正常組織劑量的方法，總結如下：① 根據靶區實際大小及深度，選用90%深度劑量區間≥1.25倍靶區深度，90%劑量Profile≥1.25倍靶區實際大小的術中放療筒及能量；② 表面添加聚乙烯薄膜厚度（mm）為該能量下90%等劑量線深度減組織參考深度（一般取0.5 mm）再加1 mm；③ 靶區后緣添加2 mm鉛板，鉛板大小為靶區大小的1.5倍；④ 鉛板和靶區后緣之間放置 5 mm聚乙烯薄膜，大小為靶區大小的1.5倍。

利用蒙卡算法對乳腺癌IORT模型進行計算，可獲取靶區及正常組織的劑量分布情況，找到優化靶區劑量的方法，具有較好的個性化和實用性特點，值得臨床推廣。

[1]Holmes DR,Baum M,Joseph D.The target trial:targeted intraoperative radiation therapy versus conventional postoperative whole breast radiotherapy after breast conserving surgery for the management of early stage invasive breast cancer(a trial update)[J].Am J surg,2007,194(4):507-510.

[2]Kuerer HM,Julian TB,Strom EA,et a1.Accelerated partial breast irradiation after conservative surgery for breast cancer[J].Ann Surg,2004,239(3):338.

[3]Veronesi U,Orecchia R,Luini A,et a1.Full—dose intraoperative radiotherapy with electrons during breast conserving surgery：experience with 590 Cases[J].Ann Surg,2005,242(1):101.

[4]葉森林,梁廷,王志令.乳腺癌保乳術后調強放療兩種標記法的比較[J].中國醫療設備,2012,27(3):122-123.

[5]Faverly DR,Hendfiks JH,Holland R.Breast carcinomas of limited extent：frequency，radiologic pathologic characteristics，and surgical margin requirements[J].Cancer,2001,91(4):647.

[6]Lemanski C,Azria D,Gourgon-Bourgade S,et a1.Intraoperative radiotherapy in early—stage breast cancer：results of the montpellier phase II trial[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2010,76(3):698.

[7]Bernard D,Chu JC,Rozenfeld M,et al.Design optimization of intraoperative radiotherapy cones[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2003,55(5):1446-1457.

[8]任民,吳昊,蔣幡.用蒙特卡洛方法模擬和評價電離室矩陣探測器的定位靈敏度[J].中國醫學物理學雜志,2010,27(4):1955-1959.

[9]甘旸谷,黃斐增.基于GPU的蒙特卡洛放療劑量并行計算[J].中國醫學物理學雜志,2012,29(6):3715-3717.