模擬呼吸運動對SBRT劑量分布的影響研究

阮長利　宋啟斌　李祥攀　付敬國　鄭永法

[摘要] 目的 研究模擬呼吸運動對不同單次大劑量體部立體定向放療（SBRT）劑量分布的影響。 方法 選取2018年1～6月來武漢大學人民醫院腫瘤中心治療的20例腫瘤最大徑5 cm的肺癌SBRT患者，每例肺癌都設計七野三維適形和調強適形兩組計劃，分別對單次劑量為200、400、600、800、1000 cGy進行研究。將美國Sunnuclear公司生產二維半導體陣列Mapchecker置于運動平板上，使用近似運動周期T為3.5 s，跟常人呼吸運動周期相似，運動幅度為±5、±10、±15 mm;比較模擬呼吸運動和靜止狀態下治療計劃系統輸出的相應等中心處水平面劑量分布和實測的劑量分布差異，兩組間數據行配對t檢驗。 結果 不同運動幅度和不同單次劑量的SBRT三維適形與調強適形計劃放療劑量分布γ分析通過率（3%/3 mm）比較，差異有高度統計學意義（P < 0.01）。 結論 呼吸運動會導致腫瘤靶區劑量的適形度降低，導致放射劑量分布更加模糊;通過Mapchecker系統軟件很容易分析出呼吸運動對3DCRT劑量分布的影響主要集中在靶區頭腳方向，可對IMRT的影響分布于整個靶區;同一運動幅度隨單次劑量的提高，調強放療的劑量分布通過率反而比三維適形高。

[關鍵詞] 模擬呼吸運動;3D放射療法;調強放射療法;劑量分布

[中圖分類號] R73? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）06（b）-0076-04

Effect research of simulated respiratory movement on dose distribution of SBRT

RUAN Changli? ?SONG Qibin? ?LI Xiangpan? ?FU Jingguo? ?ZHENG Yongfa

Centre of Oncology， People′s Hospital of Wuhan University， Hubei Province， Wuhan? ?430060， China

[Abstract] Objective To study effect of simulated respiratory movement on dose distribution of different single dose stereotactic body radiotherapy （SBRT）. Methods Twenty patients with SBRT of lung cancer with a maximum diameter of 5 cm were selected from the Cancer Center in People′s Hospital of Wuhan University from January to June 2018. Seven-field three-dimensional conformal and intensity-modulated conformal plans were designed for each lung cancer patient. The single dose of 200， 400， 600， 800， 1000 cGy was studied respectively. A two-dimensional semiconductor array Mapchecker produced by Sunnuclear Company in the United States was placed on a moving plate. The approximate motion period T was 3.5 s， which was similar to the normal breathing cycle. The range of motion was ±5， ±10， ±15 mm. Horizontal dose distribution at the corresponding isocentric output of the treatment planning system under simulated respiratory motion and static state and the difference between the measured dose distribution and the measured dose distribution were compared. Results There were significant differences in three-dimensional conformal and intensity-modulated conformal radiotherapy （3%/3 mm） pass rates between SBRT with different movement ranges and different single dose （P < 0.01）. Conclusion Respiratory movement can reduce the conformity of dose in tumor target area and make the dose distribution blurred. It is easy to analyze the effect of respiratory movement on dose distribution of 3DCRT by Mapchecker system software， which mainly concentrates on the head and foot direction of target area， and can affect IMRT in the whole target area. The same range of motion is distributed with single dose. The dose distribution of IMRT is higher than that of three dimensional conformation.

[Key words] Simulated respiratory movement; 3-dimensional conformal radiotherapy; Intensity-modulated radio therapy; Dose distribution

伴隨著生命相關科學研究不斷發展，腫瘤防治的技術發展也是日新月異，不過腫瘤放療具有質的飛躍就是多葉準直器（MLC）的發明并廣泛應用于適形放射治療中[1-2]，使腫瘤放射治療進入機器智能時代成為可能，當今放射治療進入質子加速器放射治療時代，也使得立體大劑量放射治療越來越熱門，因為立體定向大劑量放射治療的時間短、生物效應好[3]，更能體現“光子刀”的優越性[4]，也會使放射治療效果更好，但是對于運動腫瘤的立體定向放射治療就變得更加復雜[5]，由于調強放療時MLC葉片會伸到腫瘤靶區里面，腫瘤靶區是運動的，會導致腫瘤靶區多照射或是少照射的情況存在[6-7]，如果使用三維適形放射治療只要把MLC相對于腫瘤靶區的外放足夠大就可以使腫瘤靶區得到充分的放射治療劑量[8]，但是對于立體定向大劑量放射治療到底是那種放療技術更好，本文基于這個問題進行了深入的研究，以便給立體定向大劑量放療臨床提供堅實的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 設備及材料

深圳市英士達機電技術開發有限公司生產的呼吸運動平板、出自于美國Sunnuclear公司的Mapchecker二維半導體劑量平板、瓦里安Ⅸ加速器（6 mV X線，120對葉片，MLC寬度5 mm）、瓦里安Eclipse8.0治療計劃系統（TPS）及長寬各30 cm的固體水一塊（厚3 cm）。

1.2 研究方法

選取2018年1～6月來武漢大學人民醫院腫瘤中心治療的20例肺癌患者，腫瘤靶區最大徑5 cm，經過模擬定位CT掃描得到腫瘤患者3D圖像并發送至瓦里安治療計劃系統，確認附近危及器官和腫瘤原發灶后分別制作1個放療射野數相同的3DCRT計劃和DIMRT計劃。分別做單次劑量為200、400、600、800、1000 cGy的計劃，接著經由CT掃描得到用于相應放射治療計劃驗證的固體水的模體圖像，把前述做好的3DCRT計劃和DIMRT計劃移植至固體水模體中（將每個照射野機架角統一為0°，取照射野軸線水下3 cm處為等中心點），每個計劃都制作1個3DCRT-QA（QA）計劃和1個DIMRT-QA計劃，并使TPS里的計劃與QA計劃單次處方劑量及歸一值相同。

1.3 劑量驗證

首先將加速器機架角設置在0°時以ICRU國際質量控制標準對MLC等對放射治療相關的精確運動精度進行質控檢查，并用Mapcheck預先檢測10 cm×10 cm校準射野在加速器機架為0°時實際測量平板面劑量與計劃系統相應面劑量比對的通過率100%后再進行試驗組QA計劃的面劑量測量;將Mapchecker劑量平板置于呼吸平板上，并在Mapchecker平板上放置3 cm等效固體水模體，操作床的高度使得Mapchecker平板半導體探頭于等中心平面處。將加速器的射野角度設置于0°位置，按QA計劃將每個射野進行2次實際測量驗證：運動周期設為3.5 s，運動幅度±5、±10、±15 mm，與患者肺上葉、中葉、下葉腫瘤縱向（z軸）實際運動幅度和呼吸周期相近。第一次加模擬呼吸運動平板的往返周期運動;第二次進行常規驗證，即模擬呼吸運動平板不做往返運動。DIMRT的測量計劃的單野及所有子野疊加劑量的分布，3DCRT的測量每個計劃單野及所有射野疊加劑量的分布，測量后對相應數據進行對比分析。跟肺上葉、中葉和下葉腫瘤的實際運動幅度和呼吸周期相似。第一次增加了模擬呼吸運動板的循環運動;第二次進行了常規驗證，即模擬呼吸運動板不做往返運動。測量了3DCRT中單個射野和所有照射子野疊加劑量的分布，DIMRT也測量計劃的單野和所有子野疊加劑量的分布，并對測量后的相應數據進行了比較和分析。

1.4 觀察指標

用γ通過率（3%/3 mm）等劑量疊加方法和腫瘤靶區適形度對呼吸運動、靜止狀態中QA計劃導出等中心相應水平面的劑量與相應實際測量相應平面劑量分布對比差異。

1.5 統計學方法

運行SPSS 17.0統計軟件進行數據分析，計量資料用均數±標準差（x±s）表示，將DIMRT和3DCRT的通過率進行配對t檢驗，以P < 0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靜止、往返運動狀態中不同單次處方劑量計劃等中心相應水平面的劑量分布與實測相應平面劑量分布比對

照射野劑量通量的γ通過率明顯降低;呼吸等運動均會使腫瘤靶區所受劑量分布產生模糊效應，并降低3DCRT和DIMRT劑量的適形度。圖1～2相應表現了運動（運動幅度±15 mm、單次劑量6 Gy）與靜止狀態下3DCRT-QA、DIMRT-QA實測面劑量與TPS輸出的等中心相應水平面劑量分布對比效果。

2.2 兩種放射治療計劃中加與不加模擬運動平板的相應面劑量γ分析通過率

表1為20例腫瘤患者呼吸運動狀態中不同單次大劑量的DIMRT-QA和3DCRT-QA的γ通過率，不同運動幅度和不同單次劑量的三維適形與動態調強計劃放療γ通過率（3%/3 mm）比較差異有高度統計學意義（P < 0.01）。

3 討論

立體定向體部放療（SBRT），也稱為立體定向消融放療（SABR），已經發展成為既合理又安全的非侵入性治療，其目標是根除或提供治療腫瘤的長期局部控制。SBRT在潛在治愈Ⅰ期非小細胞肺癌患者中的E-特異性已被證實[9]。SBRT現在已成為幾乎任何身體部位的腫瘤的治療選擇，許多出版物記錄了它對肺、肝、腎上腺和骨/脊柱轉移的敏感性[10]。但當前TPS所用圖像都是基于CT掃描瞬間影像來確定腫瘤靶區和危及重要器官，實際中確實很難顯示放射治療過程中因呼吸引起的腫瘤靶區、危及重要器官動態的情況，最終使通過物理知識計算與實際測量劑量結果間的不同[11-12]。胸腔臟器產生與時間關聯的空間位置，由于呼吸運動等生理運動的影響，有報道稱這一誤差可達10%以上[13-15]，因此腫瘤患者實際吸收劑量的分布與只靠靜態影像設計的放療計劃劑量分布誤差很大。曹永珍等[13]研究肺腫瘤在縱向（即z軸）方向隨呼吸運動影響最大。目前，不管使用何種算法的TPS，實測的射野離軸比等參數、百分深度劑量都是在靜止狀態下測量得到的數據，因此，研究呼吸運動對放射治療中吸收劑量的影響是非常重要的[16-18]。一般來說，臨床3DCRT主要用于將臨床靶體積擴大到計劃靶體積安全邊界的方法，從而使運動靶區不漏照，通常在z軸上的PTV外擴值略大于其他方向的外擴值。外放大小主要與呼吸運動的相關幅度大小有關，從而保證腫瘤靶區不漏照。然而，這種方法仍然不能消除呼吸運動對DIMRT靶區內劑量分布的影響[19]。

本研究主要通過對縱向呼吸運動的模擬，實際測量了不同單次大劑量的SBRT的靜止與呼吸運動狀態下等中心處水平面劑量分布圖，對比分析呼吸運動對不同單次大劑量的SBRT吸收劑量分布產生的影響。本結果顯示，呼吸運動對不同單次大劑量的3DCRT和DIMRT劑量影響很大：首先，呼吸運動會導致實際劑量分布與放射治療計劃系統里腫瘤靶區劑量分布不相符，降低腫瘤靶區劑量的適形指數;其次，呼吸運動會導致放射治療計劃里的劑量分布與實測的劑量分布差異很大，γ通過率和等劑量疊加分析結果顯示其對DIMRT的影響比3DCRT的影響更大;另外，呼吸運動對3DCRT和DIMRT劑量分布的影響位置也有不同，對3DCRT的劑量影響主要集中分布于靶區周邊，而對DIMRT的劑量影響分布于整個腫瘤靶區范圍內。而呼吸運動對DIMRT的劑量分布的影響不但分布在周邊，腫瘤靶區內部劑量也有所改變，主要原因是在進行三維適形計劃時，通常都會外放一定大小的PTV，MLC葉片不會到達腫瘤靶區的內部，隨著呼吸運動的進行，腫瘤靶區始終都處于全部照射的狀態，而做制訂調強計劃時，雖然也會外放一定大小的PTV，但在執行DIMRT時，MLC葉片會到達腫瘤靶區的內部，隨著呼吸運動改變，腫瘤靶區有可能漏照射，也有可能被多照射等。從本研究可以明顯看出，隨著運動幅度的增大，3DCRT和DIMRT不同單次大劑量的劑量分布影響也隨之增大。

因此，呼吸運動會降低腫瘤靶區劑量適形度，使劑量分布更模糊;分析表明，呼吸運動對3DCRT劑量分布的影響主要集中在靶區的頭、腳方向，對DIMRT的劑量影響則分布在整個靶區;同一運動幅度隨單次劑量的增加，調強放療的劑量分布通過率反而比三維適形增加得更高;對腫瘤靶區呼吸運動范圍較大的SBRT，建議采用3DCRT技術，確定足夠大的PTV以確保運動的腫瘤得到預期較準確的放射劑量，若SBRT采用IMRT技術，應根據情況對運動的腫瘤進行呼吸運動補償等呼吸運動控制系統以確保腫瘤相對放射源運動減少甚至靜止，這些對單次大劑量SBRT實際腫瘤臨床還是極具參考和指導意義的。

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