二維碳離子放療計劃中擺位誤差對靶區劑量的影響

盧小麗 馬霄云 張雁山 孟萬斌 張福元 吳嘉明 李萬國 朱芳芳

(甘肅省武威腫瘤醫院，甘肅 武威 733000 1 放射治療物理室； 2 放療三科； 3 放射技術室)

放射治療是癌癥治療的三大方法之一，隨著科技的發展，重離子放療因其特殊的物理特性和生物特性，逐漸展現出對腫瘤治療的獨特優勢。在物理學方面，帶電重離子穿過物質時，在淺層部位形成低劑量平坦區，而在射程末端時殘余能量完全釋放形成一個高電離密度峰，即Bragg峰。在生物學方面，重離子束也具有顯著的優勢。首先，其相對生物效應(RBE)高。重離子照射可導致70%的DNA分子發生兩處以上的雙鏈斷裂，且關鍵位點更易受到損傷，難以被修復，可導致腫瘤細胞死亡[1-3]。由于碳離子存在Bragg峰，傳能線密度(LET)在射程末端劇增，且對應的RBE值也會增加，因此可考慮通過設計脊形過濾器來降低遠端物理劑量的相對權重，此方面日本和德國相關研究較多[4-6]。其次，重離子殺滅腫瘤無細胞周期依賴性，不受細胞周期的限制。重離子顯著的物理學和生物學特性，使碳離子治療被臨床廣泛地應用于頭頸部腫瘤、肺癌、肝細胞肝癌和惡性黑色素瘤等多種惡性腫瘤的治療[7]。

正是由于重離子具有的這些獨特物理和生物學特性，與光子放療相比，重離子放療提高了治療的精確性，但其中擺位誤差對重離子治療的精準度和療效具有重要影響[8]。伴隨圖像引導技術的發展，關于擺位誤差對于治療影響的研究也日益深入和精細[9-11]，包括針對不同部位[12-13]、不同腫瘤[14-16]、不同影像設備擺位誤差的分析[17-18]等。如日本在前列腺癌、直腸癌和胰腺癌碳離子放療中擺位誤差對計劃治療劑量分布和危機器官的影響，以及位置的重復性對計劃治療劑量分布的影響方面均已經進行了相關研究[19-20]。另一方面，相比于光子治療的強度調節和拉弧照射等技術，國產碳離子放療目前還處于二維適形階段，對于這樣一個特殊的二維適形技術，放療過程中需要達到怎樣的擺位精度仍待探索。本研究通過在模體中模擬擺位誤差對碳離子放療計劃治療劑量的影響，探究二維碳離子放療技術中擺位誤差的精度。

1 材料與方法

利用碳離子放療計劃系統ciPlan，分別在水膜體和人體CT影像中建立一個6 cm×6 cm×6 cm大小的規則計劃靶區(PTV)，觀察PTV中心在左-右(L-R)、前-后(A-P)和頭-腳(H-F)3個維度發生0.5、1.0、2.0、3.0和5.0 mm偏移后靶區劑量的變化情況。

由于目前本中心僅有垂直和水平兩個固定治療頭，因此本研究采用的是單野和雙野計劃模擬擺位誤差對靶區劑量的影響，其中水膜體和人體CT影像中計劃的射野方式分別如圖1、2所示。所有的計劃均采用的單次4 Gy(RBE)的劑量，共15次，總劑量60 Gy(RBE)，計劃計算網格均為1 mm大小。

A、B分別為單野計劃(H)和(H180)，C、D分別為兩野計劃(H+V)和(H180+V)，其中H和V分別代表90°和0°機頭，180表示治療床角度

A和B：單野計劃，C：兩野計劃

2 結 果

水膜體中靶區位置在各個方向發生偏移后，靶區的劑量分布變化見圖3。在水膜體中，首先，單個方向的靶區中心位置偏移導致的劑量變化較2個和3個方向偏移小。另外，由于束流的方向固定，不同方向的偏移帶來的劑量偏差也不相同。其次，靶區中心偏移量≤1 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的變化量很??；當靶區中心偏移量>1 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的變化量存在不同程度的增大，但是靶區中心偏移量≤2 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的偏差d90和d95低于5%(表1)；當靶區中心偏移量>3 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量變化劇烈，劑量偏差甚至接近50%，其中從圖3(A)和圖3(B)的比較可知，靶區劑量受束流方向位置偏移的影響較大。另外，圖3(A)位置偏移方向為R-L方向，從(H)和(H180)兩個單野計劃靶區的變化可以看出，位置偏移方向逆向束流方向明顯比沿著束流方向對靶區劑量的影響更大，這個結果從圖3(C)和(D)中也可以看到。然而，在人體CT影像當中，當靶區中心偏移量≤0.5 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的變化量很??；當靶區中心偏移量≤1 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的偏差d90和d95低于3%(表2)。當靶區中心偏移量為2 mm時,在人體CT影像當中，當2個方向同時出現偏移時，靶區90%和95%體積所受劑量的偏差d90和d95超過5%。當靶區中心偏移量>2 mm時，劑量偏差會更大，甚至達到40%。

A和B：1個方向偏移，C：2個方向同時偏移，D：3個方向同時偏移。(H+V)、(H)、(H180)和(H180+V)表示機架的角度和束流的方向，H表示90°機架，V表示0°機架，180表示治療床的角度為180°，ΔD90和ΔD95分別表示靶區90%和95%體積所受劑量的變化量。

表1 水膜體中PTV中心不同方向偏移量對靶區90%和95%體積所受劑量偏差d90和d95影響(χ/%)

表2 人體CT影像中PTV中心不同方向偏移量對靶區90%和95%體積所受劑量偏差d90和d95影響(χ/%)

3 討 論

本研究參照立體定向放射治療中體部擺位誤差的范圍，進一步探討擺位誤差對二維碳離子放療計劃治療劑量的影響。根據立體定向放射治療的經驗，頭部的擺位誤差較體部擺位誤差小。體部的擺位誤差在R-L、A-P以及H-F方向也不盡相同，其中R-L和A-P方向相差不大，單方向擺位誤差均可在5 mm以內，H-F方向擺位誤差會相對較大，可以達到6 mm[10]。

本研究結果表明，單個方向的偏移帶來的劑量改變較2個和3個方向偏移小，另外，由于束流的方向固定，不同方向的偏移帶來的劑量偏差也有所不同。在水膜體和人體CT影像中，靶區中心偏移量≤1 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的變化量很??；當靶區中心偏移量>1 mm時，靶區90%和95%體積所受劑量的變化量存在不同程度的增大。當靶區中心偏移量達到一定程度，靶區90%和95%體積所受劑量變化劇烈，偏差甚至能達到近50%。相對于均勻的水膜體，人體CT影像中靶區劑量的變化更加復雜。在ciPlan計劃系統中，認為水的密度為1，其他介質可通過一定的轉換系數用水等效來表示，從而將計劃系統中所有的介質最終轉換成水模體來計算靶區劑量分布，所以，相比于水膜體，人體CT影像中靶區中心偏移后，靶區90%和95%體積所受劑量的變化更為復雜。

另一方面，造成這一現象的原因與碳離子束獨特的物理特性——Bragg峰有關。碳離子的Bragg峰導致碳離子束流能量在射程末端急劇沉積，從而在束流末端對位置變化極度敏感。尤其是沿束流方向位置的偏移，束流順向和逆向可以導致完全不同的結果，同時，國產重離子加速器通過射程移位器(Range Shifter)調節束流位置，采用多端口照射，使劑量盡可能落在靶區，多葉準直器(Multi-Leaf Collimator)和補償器(Compensater)用于裁剪照射野以及適形照射野所對應的PTV的末端形狀[21]，但對束流前端無法適形，從而使靶區劑量偏差具有方向性。碳離子束在水中的劑量分布是其在介質中劑量計算的基礎，ciPlan將計算區域中所有介質轉換為水，因此在非均勻組織的CT影像中，某個位置的偏移量轉換到水等效的位置偏移遠不是肉眼所看見的偏移結果，因此對靶區劑量的影響更為復雜。但是，從水膜體和人體CT影像模擬結果來看，對于二維碳離子放療計劃，若擺位誤差控制在1 mm內則靶區劑量分布的變化量是可接受的。同時，根據這一結果，也對碳離子放療中圖像配準設備的精度提出了更高的要求。

通過本次研究，可以看出對于被動式碳離子均勻掃描放療，擺位精度至關重要。僅僅是在規則形狀的靶區中，位置的變化對靶區劑量就已產生如此明顯的影響，那么在實際放療中要針對各種不同形狀的靶區，則擺位精度對其劑量的影響將更加難以估計。另一方面，點掃描和主動式調強是未來碳離子放療計劃發展的必然結果，其對擺位精度的要求也將更為嚴格。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。

ConflictsofInterest： All authors disclose no relevant conflicts of interest.