成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模的研制*

潘文才 趙 鵬 周一兵 戴紅婭 錢金棟 種銀保*

隨著放射治療進入到高精度放射治療時代，其實施技術(shù)和流程日趨復(fù)雜，在放射治療過程中劑量驗證作為放射治療質(zhì)量保證的重要組成部分顯得越來越重要[1]。劑量驗證的目的是避免因靶區(qū)的錯誤照射而造成欠劑量或照射劑量不均勻，從而保護正常組織所受劑量在耐受范圍內(nèi)。劑量驗證方法是將靜態(tài)體模(固體水或水體模)按照與患者定位時相同條件進行X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography，CT)，再將患者的治療計劃導(dǎo)入到體模CT圖像序列進行計算，得到理論劑量分布，然后以體模代替患者將放射治療計劃在加速器上執(zhí)行，并將實測的劑量分布與計劃系統(tǒng)計算的劑量分布進行比較[2-3]。然而，目前放射治療驗證普遍的模式是建立在目標(biāo)位置和形狀是己知且保持靜止的基礎(chǔ)上，其剛性關(guān)系在某些情況下不成立，如胸腔會受到呼吸和心跳等運動的影響，在放射治療過程中目標(biāo)區(qū)會隨著運動器官一起運動，造成治療計劃中的劑量分布和目標(biāo)實際接受的劑量分布存在差異[4-5]。

對于胸腹部腫瘤，肺、心臟等器官的運動干擾是放射治療計劃劑量驗證的行業(yè)難題。隨著四維(four dimensional，4D)-CT的出現(xiàn)并在臨床上的應(yīng)用，放射治療中補償目標(biāo)位置隨時間變化在臨床應(yīng)用成為可能。目前，基于4D-CT治療計劃在臨床上處于初級階段，4D-CT圖像與真實器官運動的關(guān)系尚且未知，存在不確定性。此外，當(dāng)前放射治療驗證主要采用γ通過率來判斷驗證計劃的通過與否，γ通過率只是一個統(tǒng)計值，不包含空間信息，而實際臨床中在某些時刻更關(guān)注γ值未通過點的空間位置，如高熱點是否位于脊髓區(qū)域等。因此，迫切需要具有運動關(guān)系已知、能夠提供空間信息的仿真數(shù)字人體運動模型。

為提供探究呼吸運動對放射治療的劑量分布和劑量驗證的研究工具，近年來，醫(yī)療設(shè)備公司先后開發(fā)出了Model 008A型胸部動態(tài)體模和QUASAR呼吸運動體模[6-8]。雖然這2個體模能夠模擬3D呼吸運動，但Model 008A型胸部動態(tài)體模存在組織材料非等效，使得劑量衰減與真實人體差距較大，體模僅能測量運動插件內(nèi)有限的點劑量，不能對其他感興趣點(如骨髓或其他肌肉組織)或空間進行劑量測量等缺點，而QUASAR呼吸運動體模除上述缺點外，其最大的缺陷是電機負載能力非常有限，同時帶動呼吸傳感器和運動插件時經(jīng)常出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。為此，本研究基于目前的放射治療驗證體模和劑量驗證方法，提出新的模擬呼吸運動的數(shù)字人體劑量模型，即成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模，從組織材料、體模功能結(jié)構(gòu)和運動測控方面進行研制，重點解決組織材料等效和空間劑量測量的難題。

1 成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模的研制

1.1 總體結(jié)構(gòu)

成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模由成年人胸腹部體模和運動測控系統(tǒng)兩部分組成，胸腹部體模模擬正常成年人的胸廓結(jié)構(gòu)和比例，采用與人體CT值等效材料制作而成。運動測控系統(tǒng)是利用上位機控制3組電機組件產(chǎn)生相應(yīng)的動作，來模擬人體的呼吸3D運動和胸壁上下運動(如圖1所示)。

圖1 成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體?？傮w結(jié)構(gòu)圖

1.2 結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模作為放射治療的對象，其與真實人體器官的等效性非常重要，因此制作體模要求采用等效材料(CT值或電子能密度等效材料)。本研究前期課題組團隊已經(jīng)攻克了組織材料的等效性難題，為成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模的研制打下了堅實的基礎(chǔ)[9-11]。

成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模主要組成結(jié)構(gòu)分為四部分：①肺組織，其CT值設(shè)計為-800～-1000 HU；②等效人體肌肉組織的外輪廓，其CT值設(shè)計為40～90 HU；③等效脊柱骨組織，CT值設(shè)計要求＞600 HU；④圓柱形肺部運動插桿，為滿足臨床實際應(yīng)用，運動插桿包含有模擬腫瘤插桿、4D-CT質(zhì)量控制插桿等。其中模擬腫瘤插桿為附帶有球形的模擬腫瘤靶體，分別為φ1 cm、φ2 cm和φ3 cm球體，CT值大于肺組織CT值，可放置電離室。此外，成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模還設(shè)置了膠片夾層和插桿預(yù)留插孔，膠片夾層用來放置膠片，多張膠片可獲得感興趣位置的劑量空間分布；插桿預(yù)留插孔主要是為后期的功能擴展而設(shè)置，可用研究兩個相對運動組織的劑量分布、劑量驗證等(如圖2所示)。

1.3 運動測控設(shè)計

圖2 胸腹部體模結(jié)構(gòu)圖

(1)運動平臺的測控設(shè)計。運動平臺包括插桿運動平臺和胸壁運動平臺：①插桿運動平臺由2個電機組構(gòu)成，能同時實現(xiàn)前后運動和旋轉(zhuǎn)運動功能，2個電機組通過電機連接桿帶動肺部運動插桿進行3D運動，用來模擬腹式呼吸運動；②胸壁運動平臺由1個電機組構(gòu)成，能實現(xiàn)上下運動，其設(shè)計的主要目的是在CT掃描定位時采集患者的胸廓呼吸信號。人體肺部隨著吸氣和呼氣做3D往復(fù)呼吸運動，一般正常成年人的呼吸頻率＜60 bpm，呼吸幅度＜50 mm，旋轉(zhuǎn)角度≤60°。因此，本研究將插桿運動平臺和胸壁運動平臺設(shè)計的運動(呼吸)頻率為0～60次/min，運動幅度為0～50 mm，以及插桿運動平臺的旋轉(zhuǎn)幅度最大為±60°(如圖3所示)。

圖3 運動插桿(左)和胸壁平臺(右)運動示意圖

(2)運動測控流程。程序啟動后先要對硬件進行連接，硬件連接后電機回到初始狀態(tài)(即0點位置)，然后選擇運動控制信號，可選標(biāo)準(zhǔn)曲線或載入自定義和(或)第三方呼吸曲線兩種方式。當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)曲線(正弦波形或三角波形)時，需對3個電機的頻率、幅度或角度等參數(shù)進行設(shè)置；當(dāng)選擇載入自定義或第三方曲線時，由于頻率和幅度已定，只需對循環(huán)次數(shù)和間隔時間進行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完畢，載入和保存電機運動曲線數(shù)據(jù)，啟動后各電機將按照預(yù)設(shè)的運動曲線進行運動，通過采集電機的運動參數(shù)，換算后實時顯示運動曲線，可通過設(shè)置運行時間或手動點擊結(jié)束。成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模運動測控流程如圖4所示。

圖4 軟件控制流程圖

(3)為能模擬真實人體的呼吸運動，控制電機運動的信號除了正弦、三角等基礎(chǔ)波形外，還允許上載自定義控制波形或來自第三方機器采集的真實人體呼吸信號。

2 成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模的研制方法

2.1 體模材料與制備

成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模通過組織等效材料制備，胸部結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計，胸部結(jié)構(gòu)制備及組織器官一體化集成等制作流程，及采用注模和切割工藝制成。其中肌肉組織等效材料由聚氨基甲酸脂合成，肺部組織等效材料由微孔聚氨基甲酸脂合成，脊骨等效組織由不飽和聚酯樹脂和超微磷酸鈣合成，經(jīng)測試這些組織的CT值與人體相應(yīng)組織CT值相符(如圖5所示)。

圖5 成年人胸腹部體模實物圖

2.2 測控系統(tǒng)開發(fā)

2.2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

插桿運動平臺3D運動測控的前后運動部分是由直流伺服電機和減速機組合作為位移驅(qū)動器件，采用直線運動模組作為傳動元件和導(dǎo)向元件，既能保證直線運動的直線度，也能保證高速的往復(fù)運動。旋轉(zhuǎn)運動部分也采用直流伺服電機和減速機組合作為驅(qū)動器件，采用深溝球和角接觸的組合來保證旋轉(zhuǎn)的圓度和高速運動(如圖6所示)。

圖6 插桿運動平臺硬件開發(fā)設(shè)計圖

胸壁運動平臺升降運動測控硬件主要由直流伺服電機、同步組件和導(dǎo)向光軸構(gòu)成(如圖7所示)。

圖7 胸壁運動平臺硬件開發(fā)示意圖

2.2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

基于PMAC Executive Pro2 Suite平臺開發(fā)軟件系統(tǒng)，已開發(fā)出第一代應(yīng)用軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)具有以下特點：①電機控制信號可以選擇正弦、三角等標(biāo)準(zhǔn)波形，也可以允許上載來自第三方的波形，支持多種文件格式，如Varian RPM v 1.6(*.VXP)、Respisens數(shù)據(jù)(*.CSV)、Philips Bellows文件(*.DCM)、CyberKnife Marker文件(*.LOG)以及Siemens(*.IMA)等；②可對電機控制信號進行時序(同步或異步)調(diào)節(jié)、頻率及幅度編輯，以及對載入波形進行濾波和降噪處理等；③電機或位移信號反饋，閉環(huán)控制，保證位移精度；④支持測試結(jié)果的導(dǎo)入，具有統(tǒng)計分析模塊；⑤簡潔的軟件界面，后期可根據(jù)臨床實際需求對其進行修改和完善。軟件系統(tǒng)運動狀態(tài)和運行顯示如圖8和圖9所示。

圖8 軟件系統(tǒng)運動狀態(tài)界面圖

圖9 軟件系統(tǒng)運行顯示界面圖

3 成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模的集成與測試

(1)將成年人胸腹部體模和運動測控系統(tǒng)兩部分進行集成，集成后的體模運動頻率范圍為0～60 bpm，運動幅度范圍為0～50 mm、角度為-60°～60°，經(jīng)測試體模的運動參數(shù)達到設(shè)計要求。集成實物如圖10所示。

圖10 體模集成實物圖

(2)在CT機上進行測試，測量點的肌肉組織CT值為(58.7±12.4)HU，肺組織CT值為(-882.9±16.8)HU，脊骨CT值為(830.2±9.2)HU，空氣CT值為(-990.2±8.5)HU，表明體模各組織的CT值與真實人體的CT值相符，且符合設(shè)計要求(如圖11所示)。

圖11 體模集成CT測試圖

4 結(jié)論

體模作為放射治療臨床質(zhì)量保證(quality assurance，QA)和質(zhì)量控制(quality control，QC)的重要工具，目前臨床上普遍使用的密度均勻的固體水、水體模以及密度非均勻的仿人體結(jié)構(gòu)劑量驗證體模，這些體模均屬于靜態(tài)體模。應(yīng)用靜態(tài)體模對運動目標(biāo)(肺或心臟)作劑量驗證時，由于受位移偏差等的影響，導(dǎo)致治療計劃中的劑量分布和目標(biāo)實際接受的劑量分布存在較大差異。然而，具有運動關(guān)系已知、能夠提供空間信息的劑量驗證動態(tài)體模為解決以上難題提供了研究工具，顯示出了重要的臨床應(yīng)用價值。

目前，本研究已成功研制了成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模，重點解決了組織材料等效性和空間劑量測量的問題。經(jīng)測試，其運動效果達標(biāo)，能較真實模擬腹式呼吸運動和胸式呼吸運動，體模組織材料與人體組織CT值具有等效性，相比其他體模更接近于人體組織，成像效果良好，能滿足臨床放射治療的需求。

成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模不僅可以應(yīng)用于呼吸運動狀態(tài)下的劑量空間分布研究，讓感興趣點和空間分析變成可能，也可以應(yīng)用于對相關(guān)輻照劑量驗證軟件系統(tǒng)作符合性評價，對解決臨床實際問題具有重要意義。

成年人胸腹部輻照劑量驗證動態(tài)體模的成功研制，為臨床研究運動器官的放射治療劑量分布和劑量驗證提供了研究工具，后續(xù)將根據(jù)臨床實際應(yīng)用和反饋的問題對該體模做進一步改進和完善。