模擬呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)SBRT劑量分布的影響研究

阮長(zhǎng)利　宋啟斌　李祥攀　付敬國(guó)　鄭永法

[摘要] 目的 研究模擬呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)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(xué)人民醫(yī)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(shè)計(jì)七野三維適形和調(diào)強(qiáng)適形兩組計(jì)劃，分別對(duì)單次劑量為200、400、600、800、1000 cGy進(jìn)行研究。將美國(guó)Sunnuclear公司生產(chǎn)二維半導(dǎo)體陣列Mapchecker置于運(yùn)動(dòng)平板上，使用近似運(yùn)動(dòng)周期T為3.5 s，跟常人呼吸運(yùn)動(dòng)周期相似，運(yùn)動(dòng)幅度為±5、±10、±15 mm;比較模擬呼吸運(yùn)動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)下治療計(jì)劃系統(tǒng)輸出的相應(yīng)等中心處水平面劑量分布和實(shí)測(cè)的劑量分布差異，兩組間數(shù)據(jù)行配對(duì)t檢驗(yàn)。 結(jié)果 不同運(yùn)動(dòng)幅度和不同單次劑量的SBRT三維適形與調(diào)強(qiáng)適形計(jì)劃放療劑量分布γ分析通過率（3%/3 mm）比較，差異有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P < 0.01）。 結(jié)論 呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致腫瘤靶區(qū)劑量的適形度降低，導(dǎo)致放射劑量分布更加模糊;通過Mapchecker系統(tǒng)軟件很容易分析出呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)3DCRT劑量分布的影響主要集中在靶區(qū)頭腳方向，可對(duì)IMRT的影響分布于整個(gè)靶區(qū);同一運(yùn)動(dòng)幅度隨單次劑量的提高，調(diào)強(qiáng)放療的劑量分布通過率反而比三維適形高。

[關(guān)鍵詞] 模擬呼吸運(yùn)動(dòng);3D放射療法;調(diào)強(qiáng)放射療法;劑量分布

[中圖分類號(hào)] R73? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號(hào)] 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(guān)科學(xué)研究不斷發(fā)展，腫瘤防治的技術(shù)發(fā)展也是日新月異，不過腫瘤放療具有質(zhì)的飛躍就是多葉準(zhǔn)直器（MLC）的發(fā)明并廣泛應(yīng)用于適形放射治療中[1-2]，使腫瘤放射治療進(jìn)入機(jī)器智能時(shí)代成為可能，當(dāng)今放射治療進(jìn)入質(zhì)子加速器放射治療時(shí)代，也使得立體大劑量放射治療越來越熱門，因?yàn)榱Ⅲw定向大劑量放射治療的時(shí)間短、生物效應(yīng)好[3]，更能體現(xiàn)“光子刀”的優(yōu)越性[4]，也會(huì)使放射治療效果更好，但是對(duì)于運(yùn)動(dòng)腫瘤的立體定向放射治療就變得更加復(fù)雜[5]，由于調(diào)強(qiáng)放療時(shí)MLC葉片會(huì)伸到腫瘤靶區(qū)里面，腫瘤靶區(qū)是運(yùn)動(dòng)的，會(huì)導(dǎo)致腫瘤靶區(qū)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(duì)于腫瘤靶區(qū)的外放足夠大就可以使腫瘤靶區(qū)得到充分的放射治療劑量[8]，但是對(duì)于立體定向大劑量放射治療到底是那種放療技術(shù)更好，本文基于這個(gè)問題進(jìn)行了深入的研究，以便給立體定向大劑量放療臨床提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及材料

深圳市英士達(dá)機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的呼吸運(yùn)動(dòng)平板、出自于美國(guó)Sunnuclear公司的Mapchecker二維半導(dǎo)體劑量平板、瓦里安Ⅸ加速器（6 mV X線，120對(duì)葉片，MLC寬度5 mm）、瓦里安Eclipse8.0治療計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）及長(zhǎng)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(xué)人民醫(yī)院腫瘤中心治療的20例肺癌患者，腫瘤靶區(qū)最大徑5 cm，經(jīng)過模擬定位CT掃描得到腫瘤患者3D圖像并發(fā)送至瓦里安治療計(jì)劃系統(tǒng)，確認(rèn)附近危及器官和腫瘤原發(fā)灶后分別制作1個(gè)放療射野數(shù)相同的3DCRT計(jì)劃和DIMRT計(jì)劃。分別做單次劑量為200、400、600、800、1000 cGy的計(jì)劃，接著經(jīng)由CT掃描得到用于相應(yīng)放射治療計(jì)劃驗(yàn)證的固體水的模體圖像，把前述做好的3DCRT計(jì)劃和DIMRT計(jì)劃移植至固體水模體中（將每個(gè)照射野機(jī)架角統(tǒng)一為0°，取照射野軸線水下3 cm處為等中心點(diǎn)），每個(gè)計(jì)劃都制作1個(gè)3DCRT-QA（QA）計(jì)劃和1個(gè)DIMRT-QA計(jì)劃，并使TPS里的計(jì)劃與QA計(jì)劃單次處方劑量及歸一值相同。

1.3 劑量驗(yàn)證

首先將加速器機(jī)架角設(shè)置在0°時(shí)以ICRU國(guó)際質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MLC等對(duì)放射治療相關(guān)的精確運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行質(zhì)控檢查，并用Mapcheck預(yù)先檢測(cè)10 cm×10 cm校準(zhǔn)射野在加速器機(jī)架為0°時(shí)實(shí)際測(cè)量平板面劑量與計(jì)劃系統(tǒng)相應(yīng)面劑量比對(duì)的通過率100%后再進(jìn)行試驗(yàn)組QA計(jì)劃的面劑量測(cè)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(dǎo)體探頭于等中心平面處。將加速器的射野角度設(shè)置于0°位置，按QA計(jì)劃將每個(gè)射野進(jìn)行2次實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證：運(yùn)動(dòng)周期設(shè)為3.5 s，運(yùn)動(dòng)幅度±5、±10、±15 mm，與患者肺上葉、中葉、下葉腫瘤縱向（z軸）實(shí)際運(yùn)動(dòng)幅度和呼吸周期相近。第一次加模擬呼吸運(yùn)動(dòng)平板的往返周期運(yùn)動(dòng);第二次進(jìn)行常規(guī)驗(yàn)證，即模擬呼吸運(yùn)動(dòng)平板不做往返運(yùn)動(dòng)。DIMRT的測(cè)量計(jì)劃的單野及所有子野疊加劑量的分布，3DCRT的測(cè)量每個(gè)計(jì)劃單野及所有射野疊加劑量的分布，測(cè)量后對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。跟肺上葉、中葉和下葉腫瘤的實(shí)際運(yùn)動(dòng)幅度和呼吸周期相似。第一次增加了模擬呼吸運(yùn)動(dòng)板的循環(huán)運(yùn)動(dòng);第二次進(jìn)行了常規(guī)驗(yàn)證，即模擬呼吸運(yùn)動(dòng)板不做往返運(yùn)動(dòng)。測(cè)量了3DCRT中單個(gè)射野和所有照射子野疊加劑量的分布，DIMRT也測(cè)量計(jì)劃的單野和所有子野疊加劑量的分布，并對(duì)測(cè)量后的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較和分析。

1.4 觀察指標(biāo)

用γ通過率（3%/3 mm）等劑量疊加方法和腫瘤靶區(qū)適形度對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)、靜止?fàn)顟B(tài)中QA計(jì)劃導(dǎo)出等中心相應(yīng)水平面的劑量與相應(yīng)實(shí)際測(cè)量相應(yīng)平面劑量分布對(duì)比差異。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

運(yùn)行SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，將DIMRT和3DCRT的通過率進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，以P < 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靜止、往返運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中不同單次處方劑量計(jì)劃等中心相應(yīng)水平面的劑量分布與實(shí)測(cè)相應(yīng)平面劑量分布比對(duì)

照射野劑量通量的γ通過率明顯降低;呼吸等運(yùn)動(dòng)均會(huì)使腫瘤靶區(qū)所受劑量分布產(chǎn)生模糊效應(yīng)，并降低3DCRT和DIMRT劑量的適形度。圖1～2相應(yīng)表現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)幅度±15 mm、單次劑量6 Gy）與靜止?fàn)顟B(tài)下3DCRT-QA、DIMRT-QA實(shí)測(cè)面劑量與TPS輸出的等中心相應(yīng)水平面劑量分布對(duì)比效果。

2.2 兩種放射治療計(jì)劃中加與不加模擬運(yùn)動(dòng)平板的相應(yīng)面劑量γ分析通過率

表1為20例腫瘤患者呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中不同單次大劑量的DIMRT-QA和3DCRT-QA的γ通過率，不同運(yùn)動(dòng)幅度和不同單次劑量的三維適形與動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃放療γ通過率（3%/3 mm）比較差異有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)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(jīng)發(fā)展成為既合理又安全的非侵入性治療，其目標(biāo)是根除或提供治療腫瘤的長(zhǎng)期局部控制。SBRT在潛在治愈Ⅰ期非小細(xì)胞肺癌患者中的E-特異性已被證實(shí)[9]。SBRT現(xiàn)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(duì)肺、肝、腎上腺和骨/脊柱轉(zhuǎn)移的敏感性[10]。但當(dāng)前TPS所用圖像都是基于CT掃描瞬間影像來確定腫瘤靶區(qū)和危及重要器官，實(shí)際中確實(shí)很難顯示放射治療過程中因呼吸引起的腫瘤靶區(qū)、危及重要器官動(dòng)態(tài)的情況，最終使通過物理知識(shí)計(jì)算與實(shí)際測(cè)量劑量結(jié)果間的不同[11-12]。胸腔臟器產(chǎn)生與時(shí)間關(guān)聯(lián)的空間位置，由于呼吸運(yùn)動(dòng)等生理運(yùn)動(dòng)的影響，有報(bào)道稱這一誤差可達(dá)10%以上[13-15]，因此腫瘤患者實(shí)際吸收劑量的分布與只靠靜態(tài)影像設(shè)計(jì)的放療計(jì)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(yùn)動(dòng)影響最大。目前，不管使用何種算法的TPS，實(shí)測(cè)的射野離軸比等參數(shù)、百分深度劑量都是在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，因此，研究呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)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(kuò)大到計(jì)劃靶體積安全邊界的方法，從而使運(yùn)動(dòng)靶區(qū)不漏照，通常在z軸上的PTV外擴(kuò)值略大于其他方向的外擴(kuò)值。外放大小主要與呼吸運(yùn)動(dòng)的相關(guān)幅度大小有關(guān)，從而保證腫瘤靶區(qū)不漏照。然而，這種方法仍然不能消除呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)DIMRT靶區(qū)內(nèi)劑量分布的影響[19]。

本研究主要通過對(duì)縱向呼吸運(yùn)動(dòng)的模擬，實(shí)際測(cè)量了不同單次大劑量的SBRT的靜止與呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下等中心處水平面劑量分布圖，對(duì)比分析呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)不同單次大劑量的SBRT吸收劑量分布產(chǎn)生的影響。本結(jié)果顯示，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)不同單次大劑量的3DCRT和DIMRT劑量影響很大：首先，呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際劑量分布與放射治療計(jì)劃系統(tǒng)里腫瘤靶區(qū)劑量分布不相符，降低腫瘤靶區(qū)劑量的適形指數(shù);其次，呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致放射治療計(jì)劃里的劑量分布與實(shí)測(cè)的劑量分布差異很大，γ通過率和等劑量疊加分析結(jié)果顯示其對(duì)DIMRT的影響比3DCRT的影響更大;另外，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)3DCRT和DIMRT劑量分布的影響位置也有不同，對(duì)3DCRT的劑量影響主要集中分布于靶區(qū)周邊，而對(duì)DIMRT的劑量影響分布于整個(gè)腫瘤靶區(qū)范圍內(nèi)。而呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)DIMRT的劑量分布的影響不但分布在周邊，腫瘤靶區(qū)內(nèi)部劑量也有所改變，主要原因是在進(jìn)行三維適形計(jì)劃時(shí)，通常都會(huì)外放一定大小的PTV，MLC葉片不會(huì)到達(dá)腫瘤靶區(qū)的內(nèi)部，隨著呼吸運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，腫瘤靶區(qū)始終都處于全部照射的狀態(tài)，而做制訂調(diào)強(qiáng)計(jì)劃時(shí)，雖然也會(huì)外放一定大小的PTV，但在執(zhí)行DIMRT時(shí)，MLC葉片會(huì)到達(dá)腫瘤靶區(qū)的內(nèi)部，隨著呼吸運(yùn)動(dòng)改變，腫瘤靶區(qū)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)會(huì)降低腫瘤靶區(qū)劑量適形度，使劑量分布更模糊;分析表明，呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)3DCRT劑量分布的影響主要集中在靶區(qū)的頭、腳方向，對(duì)DIMRT的劑量影響則分布在整個(gè)靶區(qū);同一運(yùn)動(dòng)幅度隨單次劑量的增加，調(diào)強(qiáng)放療的劑量分布通過率反而比三維適形增加得更高;對(duì)腫瘤靶區(qū)呼吸運(yùn)動(dòng)范圍較大的SBRT，建議采用3DCRT技術(shù)，確定足夠大的PTV以確保運(yùn)動(dòng)的腫瘤得到預(yù)期較準(zhǔn)確的放射劑量，若SBRT采用IMRT技術(shù)，應(yīng)根據(jù)情況對(duì)運(yùn)動(dòng)的腫瘤進(jìn)行呼吸運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)群粑\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以確保腫瘤相對(duì)放射源運(yùn)動(dòng)減少甚至靜止，這些對(duì)單次大劑量SBRT實(shí)際腫瘤臨床還是極具參考和指導(dǎo)意義的。

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