胸部腫瘤放療中呼吸運(yùn)動對偏中心處點(diǎn)劑量和面劑量的影響*

柏晗，夏耀雄，劉旭紅，陳飛虎，鄢佳文，朱思瑾，李一江

650118昆明，云南省腫瘤醫(yī)院/昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院/云南省癌癥中心 放射治療科

放射治療是肺癌不可或缺的治療手段，放療要達(dá)到預(yù)期的效果，運(yùn)動靶區(qū)的管控至關(guān)重要。四維CT(four-dimensional computed tomography,4DCT)出現(xiàn)以前，對肺癌運(yùn)動靶區(qū)管控的手段非常有限，主要通過外擴(kuò)較大的邊界來實(shí)現(xiàn)[1]。4DCT出現(xiàn)以后，定義內(nèi)靶區(qū)(internal target volume,ITV)和設(shè)計(jì)4D計(jì)劃，理論上能很好地保證靶區(qū)的覆蓋[2-3]。但在實(shí)際的計(jì)劃執(zhí)行時(shí)，運(yùn)動對計(jì)劃劑量的擾動一定會導(dǎo)致實(shí)際劑量與計(jì)算劑量產(chǎn)生偏差[4]。以往的對該偏差的研究，所選擇的研究位置多數(shù)為射束的聚焦中心，而對偏中心區(qū)位置的劑量偏差關(guān)注得不夠。而偏中心區(qū)位置的劑量偏差可能是實(shí)際結(jié)果與預(yù)期不一致而導(dǎo)致毒副反應(yīng)(例如放射性肺損傷)的重要原因。本課題組在前期肺癌4D放療計(jì)劃設(shè)計(jì)研究[5-6]的基礎(chǔ)上，采用四維程控運(yùn)動模體QUASAR對呼吸運(yùn)動對偏中心處實(shí)際照射劑量的影響進(jìn)行了測量，評估呼吸運(yùn)動的幅度、頻率對偏中心處放療物理劑量產(chǎn)生影響的程度，為采用不同的呼吸運(yùn)動管控技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及材料

加拿大Modus QA公司生產(chǎn)的四維程控運(yùn)動模體Quasar:Quasar模體是一個(gè)寬30 cm、高20 cm、長12 cm的橢圓形有機(jī)玻璃體模，模體偏中線一側(cè)有1個(gè)圓孔可供插入8 cm直徑的插件，圓孔的中心距離模體的幾何中心10 cm，插件提供1個(gè)0.6cc探頭的適配器和6.0 cm×12.0 cm膠片適配器(圖1)；Farmer 0.6cc指型電離室，cafchromic EBT3免洗干膠片、醫(yī)用膠片掃描儀、瓦里安IX加速器(6MV X線，60對葉片，中間40對葉片寬度為5 mm，兩邊20對葉片寬度為10 mm)和Pinnacle3計(jì)劃系統(tǒng)。將帶有指型電離室和膠片的QUASAR模體，在患者CT定位相同的條件下分別進(jìn)行CT定位，獲得CT圖像傳至物理師工作站，命名為Quasar(point)，Quasar(film)備用。

圖1 Quasar模體及功能部件圖Figure 1. Quasar Phantom and Function ComponentPanel A shows the Quasar phantom and common parts. The plug-in can be pulled out from the other side of the ellipsoid of human body shape for replacement. Point dose measurements can be carried out when the plug-in is an ion chamber support. Planar dose measurements can be carried out when the plug-in is a planar adapter. Panel B shows components for the adjustment to amplitude of Quasar phantom. The amplitude of the plug-in can be controlled by adjusting the thumbscrew on the translation unit. Panel C shows components for the adjustment to frequency of Quasar phantom. The frequency of the plug-in can be controlled by adjusting the control knob on the translation unit.

1.2 研究方法

驗(yàn)證共入組12例肺癌患者，4DCT掃描獲取患者呼吸運(yùn)動10個(gè)時(shí)相的CT序列圖像，網(wǎng)絡(luò)傳至放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system,TPS)。調(diào)強(qiáng)放療(intensity-modulated radiation therapy,IMRT)物理計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，選取呼吸運(yùn)動20%時(shí)相對應(yīng)的CT序列作為主圖像(在前期肺癌4D放療計(jì)劃設(shè)計(jì)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，20%時(shí)相對應(yīng)的CT序列上肺臟的體積，肺臟的物理密度和計(jì)劃設(shè)計(jì)后得到的各項(xiàng)參數(shù)與10個(gè)時(shí)相的算術(shù)平均值最接近)，其它9套CT序列作為確定內(nèi)大體腫瘤(internal gross target volume,IGTV)(ITV)的配準(zhǔn)圖像。當(dāng)患者計(jì)劃的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到臨床要求后，將患者計(jì)劃分別移植至Quasar(point)，Quasar(film)模體生成新的模體計(jì)劃Qplan(point)，Qplan(film)。2個(gè)計(jì)劃的TPS單次劑量及歸一值保持一致，并輸出Farmer 0.6cc指型電離室空腔區(qū)域內(nèi)的劑量平均值Dmean和cafchromic EBT3免洗干膠片所在的偏等中心處平面的劑量分布。

1.3 劑量驗(yàn)證

首先對直線加速器的多頁光柵(multi-leave collimators，MLC)、輸出劑量和劑量的平坦度、對稱性做了嚴(yán)格質(zhì)控檢查，使其符合臨床使用標(biāo)準(zhǔn)。然后，在等中心水下1.0cm處對膠片進(jìn)行刻度(圖2)，得到“劑量-灰度”曲線(圖3)。最后，進(jìn)行點(diǎn)劑量驗(yàn)證和平面劑量驗(yàn)證。

圖2 刻度用膠片圖Figure 2. Film for CalibrationWidth of Central Projection in the Jaw was 3.0 cm for each exposure, and the exposure dose was from 450.0 cGy to 5.0 cGy.

圖3 膠片的劑量(D)-光密度(OD)曲線圖Figure 3. Sensitometric Curve of the Film

1.3.1 點(diǎn)劑量驗(yàn)證 第一步，將設(shè)計(jì)好的IMRT物理計(jì)劃移植至Quasar(point)進(jìn)行劑量計(jì)算后，讀取0.6cc指型電離室空腔區(qū)域的劑量平均值Dmean;第二步，進(jìn)行靜態(tài)測量，保持“松木”適配器(插件)靜止不動進(jìn)行劑量測量，以檢測TPS算法對IMRT計(jì)劃劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性;第三步，調(diào)節(jié)“松木”適配器作“模擬呼吸運(yùn)動”，運(yùn)動的振幅依次為3、6、8、10、15、20 mm，每個(gè)振幅下測量2個(gè)頻率15、20F/min的劑量。

1.3.2 面劑量驗(yàn)證 第一步，將設(shè)計(jì)好的IMRT物理計(jì)劃移植至Quasar(film)進(jìn)行劑量計(jì)算，并輸出cafchromic EBT3免洗干膠片所在的偏等中心處平面的劑量分布;第二步，調(diào)節(jié)“松木”適配器作“模擬呼吸運(yùn)動”，運(yùn)動的振幅依次為3、6、8、10 mm，每個(gè)振幅下也測量2個(gè)頻率15、20F/min的平面劑量。

1.4 比較指標(biāo)

1.4.1 點(diǎn)劑量驗(yàn)證比較指標(biāo) 測量與TPS輸出的點(diǎn)劑量偏差由公式(1)計(jì)算得到，點(diǎn)劑量偏差的平均值由公式(2)得到。

(1)

其中，i為第i個(gè)患者，Dm是點(diǎn)劑量的測量值，Dc為點(diǎn)劑量的計(jì)算值，ω為某一頻率，A為某一振幅。

(2)

其中，N為患者的總例數(shù)。

1.4.2 面劑量驗(yàn)證比較指標(biāo) 當(dāng)?shù)趇個(gè)病人的模體計(jì)劃的插件以幅度A和頻率ω運(yùn)動時(shí)，平面驗(yàn)證的通過率為γi(ω，A)，則γ(ω,A)為該振幅和頻率下N例通過率的平均值，表達(dá)式見(3)。

(3)

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 20.0對不同頻率相同振幅下得到的點(diǎn)劑量偏差進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，采用Pearson相關(guān)性分析，分析劑量偏差與振幅和頻率的關(guān)系。

2 結(jié) 果

2.1 點(diǎn)劑量驗(yàn)證結(jié)果

2.1.1 靜止?fàn)顟B(tài)下點(diǎn)劑量偏差的結(jié)果 為了充分研究振幅和頻率對劑量的影響，首先要檢驗(yàn)在靜止?fàn)顟B(tài)下，計(jì)算值與測量值之間的偏差。因此，當(dāng)呼吸運(yùn)動幅度A=0時(shí)，測量到的劑量(Dm)與TPS輸出的探頭所在位置處(探頭)空腔體積內(nèi)的劑量平均值(Dc)比較，利用公式(1)可得到靜止?fàn)顟B(tài)下劑量偏差的百分?jǐn)?shù)(表1)。

表1 振幅A=0時(shí)12例患者的點(diǎn)劑量測量偏差結(jié)果Table 1. Dosimetric Deviations in 12 Patients when Amplitude (A)=0

2.1.2 點(diǎn)劑量偏差隨振幅和頻率的變化 改變呼吸運(yùn)動幅度A和頻率ω，比較Dm與Dc，利用公式(1)計(jì)算出偏差的百分?jǐn)?shù)(表2)。對振幅和偏差求Pearson系數(shù)，分別得到在15F/min和20F/min頻率下的r1=0.990和r2=0.989；分別將不同頻率相同振幅下得到的偏差進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，P>0.05。這說明點(diǎn)劑量的偏差與振幅相關(guān)，與頻率無關(guān)。點(diǎn)劑量偏差隨振幅和頻率的變化如圖4所示。

表2 頻率分別為15F/min和20F/min時(shí)不同振幅下12例患者的點(diǎn)劑量測量偏差結(jié)果(單位：%)Table 2. Dosimetric Deviations in 12 Patients when Amplitude=15F/min or Amplitude=20F/min

圖4 點(diǎn)劑量的偏差隨振幅和頻率的變化圖Figure 4. Point Dose Deviated with Amplitude and Frequency

2.2 面劑量驗(yàn)證結(jié)果

2.2.1 靜止?fàn)顟B(tài)下面劑量偏差的結(jié)果 當(dāng)呼吸運(yùn)動幅度為0時(shí)，采用3 mm，3.0%，10%的γ分析標(biāo)準(zhǔn)分析干膠片測得的劑量與TPS輸出的膠片所在位置處的劑量，γ的(絕對)通過率詳見表3。

表3 振幅為0時(shí)12例患者的面劑量γ通過率Table 3. γ Pass Rate of Planar Dose in 12 Patients when the Amplitude Range was between 0 and 12

2.2.2 面劑量偏差隨振幅和頻率的變化 根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)下點(diǎn)劑量的偏差趨勢，隨著振幅的變大偏差也變化。于是，在驗(yàn)證運(yùn)動狀態(tài)下的平面劑量時(shí)，只測量了振幅為3,6,8,10mm時(shí)的偏差，γ的通過率詳見表4。對振幅和偏差求Pearson系數(shù)，分別得到在15F/min和20F/min頻率下的r11=-0.968和r12=-0.964。

表4 頻率分別為15F/min和20F/min時(shí)不同振幅下12例患者面劑量的γ通過率(單位：%)Table 4. γ Pass Rates of Planar Dose in 12 Patients when Amplitude = 15F/min or Amplitude = 20F/min

分別將不同頻率相同振幅下得到的γ通過率進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，P>0.05。說明面劑量的偏差與振幅相關(guān)，與頻率無關(guān)。

2.2.3 面劑量驗(yàn)證例舉 平面驗(yàn)證結(jié)果例舉(圖5、6)分別展示了Pat.3和Pat.12在頻率為15F/min,呼吸運(yùn)動幅度為3.0mm時(shí)，TPS輸出的平面劑量(圖的上半部分)與實(shí)測的平面劑量(圖的下半部分)的分布情況。Pat.3的γ(絕對)通過率是同組(頻率為15F/min,呼吸運(yùn)動幅度為3.0 mm時(shí))最高的，為90.2%；Pat.12的γ(絕對)通過率是同組最高的，為72.1%。

圖5 Pat.3 TPS輸出的與實(shí)測的平面劑量對比Figure 5. Comparison between Treatment Planning System-Calculated and Measured Dose Based on Data of No. 3 Patient

圖6 Pat.12 TPS輸出的與實(shí)測的平面劑量對比Figure 6. Comparison between Treatment Planning System-Calculated and Measured Dose Based on Data of No. 12 Patient

3 討 論

肺癌放療中的一個(gè)重要問題是，靶區(qū)和危及器官的大幅度周期運(yùn)動會導(dǎo)致計(jì)算劑量與實(shí)際劑量間產(chǎn)生劑量差異。Jiang等[7]利用振幅A=1.0 cm，頻率ω=15 F/min的運(yùn)動平臺模擬肺臟的運(yùn)動，在300 MU/min和500 MU/min劑量率下，分別對IMRT放療計(jì)劃的等中心(isocenter,ISO)附近的點(diǎn)的劑量進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)單野的劑量偏差會高達(dá)30%，單次的劑量偏差達(dá)到了8%，但如果對30次劑量進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)劑量偏差降至2%以下。該研究結(jié)果反映出呼吸運(yùn)動對IMRT的實(shí)際照射劑量會產(chǎn)生很大的影響，但影響呈現(xiàn)出“正負(fù)相消”的特點(diǎn)，偏大與偏小隨機(jī)發(fā)生，多次測量后平均，該偏差就很小了。當(dāng)然，對于分次數(shù)比較少的大分割，例如立體定向放療或立體定向放射外科而言，我們通常選用的一些呼吸運(yùn)動管理辦法，例如4DCT引導(dǎo)下定義出ITV或呼吸門控治療等[8]，會減少呼吸運(yùn)動帶來的劑量誤差，因?yàn)榛谶@些管理辦法設(shè)計(jì)的放療計(jì)劃保證了靶區(qū)總是在處方劑量(參考劑量)包繞的空間內(nèi)運(yùn)動，靶區(qū)接受的劑量總會 ≥處方劑量(參考劑量)；對于肺的劑量，通常采用的管控辦法是基于4DCT取平均，平均劑量在4DCT 10時(shí)相中的值或直接采用平均CT值來進(jìn)行計(jì)劃的劑量計(jì)算[9]。Duan等[10]利用頻率ω=15F/min可在縱向(振幅A=0.75 cm)和橫向(振幅A=0.25 cm)均發(fā)生正弦運(yùn)動的模體模擬呼吸運(yùn)動，并用0.125cc的電離室和膠片對點(diǎn)面劑量進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)單野的點(diǎn)劑量偏差范圍為-11.7%～47.8%，單次的劑量偏差范圍為-1.7%～3.5%；當(dāng)模體處于靜止?fàn)顟B(tài)或呼吸門控狀態(tài)下時(shí)，測得的平面劑量分布和DVH與TPS輸出的偏差很小，而模體處于自由運(yùn)動狀態(tài)下時(shí)，測得的偏差會變大，靶區(qū)的劑量偏差會接近20%(-18.8%～19.7%)。這一研究結(jié)果再一次驗(yàn)證了呼吸運(yùn)動對劑量的影響呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)平均的這一特點(diǎn)，但也提示不加控制的自由呼吸會對劑量產(chǎn)生重大影響。顯見，這2項(xiàng)研究對劑量偏差的考量主要還是集中在射束的中心，即靶區(qū)所在位置，而對偏中心的危及器官所在的位置關(guān)注得不夠。

因此，本研究采用Quasar模體模擬呼吸運(yùn)動，測量了在不同幅度和頻率下偏中心處點(diǎn)劑量和面劑量的絕對偏差。模體在靜止時(shí)，測量到的偏差反映了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的計(jì)算誤差或這種測量方法本身的缺陷導(dǎo)致的誤差，見表1和表3，這些誤差與運(yùn)動的幅度和頻率是無關(guān)的。表1中的數(shù)據(jù)反映，該研究使用的計(jì)劃系統(tǒng)的計(jì)算誤差<3.0%, 這是一個(gè)可以接受的計(jì)算誤差[11-13]。表3中的γ通過率，最小值是第8例患者，為75.4%，影響膠片驗(yàn)證通過率的因素很多也很復(fù)雜，諸如掃描儀的質(zhì)量、掃描時(shí)電壓的穩(wěn)定性、膠片制造的工藝條件等等[14-15]。但在本研究中，影響γ通過率的主要原因是膠片所處的偏中心位置，偏中心位置的絕對劑量隨患者的呼吸變化很大。因此，應(yīng)當(dāng)將膠片的通過率與點(diǎn)劑量的驗(yàn)證結(jié)果結(jié)合起來考察，第8例患者的點(diǎn)劑量偏差為2.3%(<3.0%)。表2中的數(shù)據(jù)反映，點(diǎn)劑量的偏差隨振幅變大而變大，與頻率幾乎無關(guān)，如圖3所示。當(dāng)Quasar的插件運(yùn)動時(shí)，插件攜帶的探頭探測的是運(yùn)動空間內(nèi)多個(gè)點(diǎn)劑量的平均值，即Dm，并不是TPS輸出的CT片上的探頭所在點(diǎn)的劑量值Dc，Dm與Dc偏差的大小，取決于探頭運(yùn)動空間內(nèi)劑量的均勻性，若運(yùn)動空間內(nèi)的劑量均勻，側(cè)偏差較??；反之，則偏差較大。當(dāng)Quasar的插件振幅變大時(shí)，意味著探頭運(yùn)動空間變大，這其實(shí)是在降低空間內(nèi)劑量的均勻性，因此偏差會隨插件振幅變大而變大。頻率的改變帶來的是測量次數(shù)和測量速度的改變，并不能帶來運(yùn)動空間的改變，因此偏差平均值幾乎不會隨頻率而變化。

表4展現(xiàn)的是平面劑量的驗(yàn)證結(jié)果，γ通過率也隨振幅的增大而降低，與頻率幾乎無關(guān)，產(chǎn)生這一結(jié)果原因同上述產(chǎn)生點(diǎn)劑量偏差隨振幅變大而變大與頻率幾乎無關(guān)的原因相同。表4展現(xiàn)的驗(yàn)證結(jié)果比報(bào)道的結(jié)果[16-17]低，無論是在靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動狀態(tài)，這其中的一個(gè)主要原因是本研究的測量位置偏朝模體的一側(cè)，測量位置并不處于射野聚焦的中心，即靶區(qū)處，而是處在低劑量區(qū)，且劑量不均勻。

4 結(jié) 論

點(diǎn)劑量的測量結(jié)果，當(dāng)A=8 mm時(shí)偏差δ的平均值>3.0%, 和面劑量γ通過率的平均值50%左右，可以得出當(dāng)A≥8 mm時(shí)，受呼吸運(yùn)動影響面劑量γ通過率降低了30%。

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