自制動態仿真體模在肺部大劑量分割放療中動態劑量驗證的可行性研究

錢金棟，周軍，趙利榮，周一兵

陸軍軍醫大學第二附屬醫院 腫瘤科，重慶 400037

引言

呼吸運動引起靶區周期性位移，會造成治療計劃中靶區的劑量分布和目標實際接受的劑量分布存在差異[1-4]，影響腫瘤放射治療的預期，劑量差異的量化一直是肺部腫瘤放療質控的難題。目前，隨著放療設備、放療技術的發展，肺部小靶區的大劑量分割放療技術由于單次劑量大、分次少、腫瘤控制率高得到了廣泛應用。與常規劑量分割模式不同，靶區對劑量偏差極為敏感，周圍危及器官的受量也備受關注，因此肺部大劑量分割放療對精確的靶區運動范圍、準確的劑量驗證技術有進一步的要求[5-8]。各國放射物理師一直致力于運動靶區劑量差異的量化方法研究，不斷尋求非自主器官運動引起靶區運動范圍及靶區的動態劑量驗證的技術，以提高腫瘤放射治療的控制率[9-10]。

目前放射治療劑量驗證的主要方法是在治療前應用γ分析，采用靜態計劃劑量驗證，分析計劃系統（Radiotherapy Treatment Planning System，TPS）計算劑量與測量劑量在特定二維平面的分布差異[7-8]。但此方法應用在肺部腫瘤放療有一定的局限性，不能明確靶區在運動狀態下受照劑量與計劃劑量的差異，因此，迫切需要運動關系已知、可提供空間解剖位置的仿真運動模型進行動態劑量驗證方法的研究。

課題組基于國家重點研發計劃（2016YFC0103100）研發的胸腹部劑量驗證動態仿真體模[11]，進行了自制動態仿真體模在肺部大劑量分割放療中的動態劑量驗證可行性研究，以期為臨床動態劑量驗證提供方法依據。

1 材料與方法

1.1 材料

自主研發的胸腹部動態仿真體模，飛利浦大孔徑Brilliance Big Bore CT，External Beam Planning 8.6計劃系統，Varian 2300ix Trilogy直線加速器，120片MiMLC，PTW固體水體模，PTW 729二維矩陣的平面劑量驗證系統，GAFCHROMICTM EBT3劑量驗證膠片，FilmQAPro膠片分析系統，EPSON V800掃描儀。

1.2 方法

1.2.1 QA驗證模體的建立

將經過測試達到設計要求的動態仿真體模使用飛利浦大孔徑Brilliance Big Bore CT的4D-CT功能進行掃描，體模置于CT模擬定位機床上，標記等中心位置，動態體模運動參數為：① 插件中球體腫瘤直徑φ分別為2 cm、3 cm和4 cm；② 呼吸頻率分別為0 bpm、12 bpm、16 bpm、20 bpm；呼吸半幅度λ為0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1 cm；掃描層厚3 mm，四維重建后傳輸至External Beam Planning 8.6計劃系統TPS中，保存為QA模體，并勾畫球體為臨床靶區（Clinical Target Volume，CTV），勾畫相應運動參數下的球體運動外邊界為內靶區（Internal Target Volume，ITV），ITV均勻外擴5 mm為計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）。

1.2.2 動態仿真體模QA驗證測試計劃設計

在TPS中，使用建立的QA驗證模體，以PTV為計劃靶區，設計各運動參數下的調強放療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）計劃，將設計好的計劃傳輸至加速器執行。

1.2.3 動態仿真體模QA驗證功能測試

① 將同一批次的GAFCHROMICTMEBT3劑量驗證膠片劑量標定后繪制光密度-劑量特性曲線；膠片裁剪成合適大小，放入動態體模插件中，依據4D-CT定位設置的運動參數，設置動態體模插件相應參數，加速器執行相應計劃，測量動態計劃劑量分布，應用FilmQAPro膠片分析系統分析動態劑量驗證結果；② 將測試計劃移植至PTW 729二維矩陣，劑量計算后導出面劑量分布，并以QA模式再次執行各測試計劃，使用PTW 729二維矩陣執行靜態計劃驗證。

1.2.4 測試結果分析

劑量驗證分析采用3 mm/3%條件下的γ分析方法；各運動參數對驗證結果影響的數據分析使用正交分析方法。

2 結果

加速器在QA模式下執行各計劃，使用自制動態體模膠片方法采集動態劑量分布和PTW 729二維矩陣采集靜態劑量分布，采用3 mm/3%條件、Local dose方法、10%的低劑量區忽略方法進行劑量驗證γ分析，結果如表1所示。各運動參數下的靜態γ通過率均大于88%，符合相關國標、指南報告[1-2]中計劃設計要求；呼吸運動參數λ為0、呼吸頻率為0時，即動態體模靜止采集劑量分布時和二維矩陣采集的結果一致，證明動態仿真體模劑量驗證的可靠性；表1中截面積比是指PTV冠狀面中心層面的靜止面積與運動狀態面積之比，計算公式如式(1)所示。

表1 劑量驗證γ通過率分析結果

其中φ為腫瘤直徑，λ為呼吸半幅度。

依據動態劑量驗證分析結果，呼吸幅度、呼吸頻率、腫瘤直徑、截面積之比等因素與γ通過率關系如圖1～4所示。γ通過率受呼吸幅度影響大，隨呼吸幅度增大γ通過率下降，如圖1所示；呼吸頻率對γ通過率影響相對較小，如圖2所示；γ通過率在靜態情況下受腫瘤直徑影響較小，如圖3中0 bpm（λ0 cm）曲線；腫瘤直徑與腫瘤運動幅度會協同影響γ通過率，顯現出γ通過率與截面積比成正比關系，如圖3～4所示。

圖1 呼吸幅度與γ通過率關系

圖2 呼吸頻率與γ通過率關系

圖3 腫瘤直徑與γ通過率關系

圖4 截面積比與γ通過率關系

在動態計劃劑量驗證中，γ通過率不能提示劑量分布間的差異，通過profile曲線比較劑量分布范圍，能夠直觀顯示出運動狀態下靶區是否位于處方劑量照射范圍內，如圖5所示靜態時（φ3 cm，λ0 cm，0 bpm）的γ通過率為97%，profile曲線測量值與計劃值一致；圖6所示動態時（φ3 cm，λ0.25 cm，20 bpm）的γ通過率為88.5%，profile劑量曲線的計劃值寬度位于測量值范圍內，且在計劃值范圍內profile曲線劑量值與測量值大小一致，提示在運動狀態下PTV位于處方劑量照射范圍內，計劃設計符合要求。

圖5 靜態劑量驗證profile曲線比較

圖6 動態劑量驗證profile曲線比較

3 討論

胸腹部放射治療過程中，由于呼吸運動的影響，通常醫生會依據經驗將腫瘤的邊界外放，高水平醫院使用4D-CT定位技術明確腫瘤運動幅度及范圍，有效確立了靶區運動的范圍，但由于各運動時相的靶區位置疊加，靶區照射范圍相應增大，危及器官的照射體積隨之增大，并發癥的發生率也隨之升高；患者放療分次間的呼吸狀態和4D-CT定位時存在一定差異，目前臨床上普遍使用的靜態體模劑量驗證方法應用于肺部腫瘤放療有一定的局限性，不能檢驗靶區運動狀態下的劑量受照信息，因此治療過程中迫切需要動態體模驗證其差異。另一方面，4D-CT定位的精度是靶區運動范圍確定的必要保障，需要已知運動參數的動態體模進行校驗，保證定位精度。

為提供探究呼吸運動對放射治療的劑量分布和劑量驗證影響的研究工具，近年來，醫療設備公司先后開發出了Model 008A型胸部動態體模和QUASAR呼吸運動體模[9-11]，其雖能模擬呼吸運動，但制作材料為非組織等效材料，劑量衰減與真實人體差距較大[12-16]。因此，迫切需要可設置運動參數、明確空間解剖信息的動態仿真體模來為動態劑量驗證提供工具及研究方法，進行動態劑量符合性檢驗，以提供外擴范圍數據依據，進而實現降低照射范圍、提高腫瘤控制率的目標。課題組前期研究解決了組織材料等效性和空間劑量測量的問題，成功研發出胸腹部動態仿真體模，本研究又繼續探索其在肺部大劑量分割放療動態劑量驗證中應用的可行性及方法。

本研究首先應用自制動態仿真體模進行靜態二維劑量驗證，與二維矩陣測量方法比較，γ分析結果一致，證明了其劑量驗證的可靠性；在應用自制仿真體模進行肺部大劑量分割動態劑量驗證測試中分析中發現，動態劑量驗證γ通過率與呼吸幅度、呼吸頻率、腫瘤直徑及截面積比等影響因素有關，呼吸幅度越大、腫瘤直徑越大γ通過率越低，且較靜態通過率更低，部分γ通過率小于88%；分析比較profile劑量曲線能直觀地顯示PTV接受的劑量范圍是否位于處方劑量照射范圍內，為檢驗劑量照射脫靶與否、判斷計劃設計合適與否提供了新方法。因此應用γ分析聯合profile曲線比較方法，動態仿真體模可為肺部大劑量分割放療中的動態劑量驗證提供一種新技術、新方法。

4 結論

通過自制動態仿真體模進行靜態、動態劑量驗證測試分析提示，現有的γ分析方法不適合動態劑量驗證，并證實了應用動態仿真體模方法進行動態劑量驗證的可行性、有效性，通過γ分析聯合profile曲線比較方法，為胸腹部放療動態劑量驗證的臨床研究提供了新的研究分析方法及依據，后續將開展臨床實際應用研究，進一步完善動態劑量驗證應用方法。