基于蒙卡算法的乳腺癌术中放疗模型的剂量学优化

杨波，孔旭东，魏贤顶，孟东，陈建江

江南大学附属医院（无锡市第四人民医院） 肿瘤放疗科，江苏 无锡214062

早期乳腺癌患者行保乳术加前哨淋巴结活检及腋窝淋巴结清扫的同时进行术中放疗（Intraoperative Radiotherapy，IORT），能显著减少局部复发和远处转移，其局控率可以与乳腺癌保乳术后全乳放疗相媲美，形成了早期乳腺癌患者保乳手术加术中放疗的治疗模式[1-2]。然而，术中放疗的靶区剂量分布只能依据水箱测量数据、照射区域内及周边安置的有限的几个微探头实测数据进行评估。本研究利用蒙特卡罗算法（MC）建立乳腺癌IORT模型，根据患者术前的CT模拟术中影像进行蒙卡计算，以保证靶区剂量的精度，优化剂量分布。

1 优化方法

1.1 模拟患者术中状态的CT影像

患者术前采用GE公司的LightSpeed Ultra 8排螺旋CT进行扫描。患者取仰卧位，患侧上肢外展，尽量模拟手术体位，扫描范围从环甲膜到乳腺皱褶下10 cm，层距、层厚均为5 mm。根据CT结合钼靶片、B超或MRI资料确定肿瘤位置及大小，利用Matlab 及C++软件在术前影像上进行编辑， 模拟保乳手术切除肿块及周围1～2 cm的乳腺组织，再游离周围2～3 cm乳腺组织直达胸大肌筋膜表面作为照射靶区（图1）。

图1 模拟乳腺癌术中放疗状态的CT影像

1.2 三维水箱实测术中放疗电子线限光筒的剂量参数

我科术中放疗加速器为美国VARIAN 23EX，常用的3套术中放疗限光筒分别为筒端为5 cm×7 cm椭圆（筒Ⅰ）、Ф5 cm斜边圆（筒Ⅱ）及3 cm×5 cm椭圆（筒Ⅲ），源至治疗筒底端距离为118 cm。三维水箱系统为瑞典IBA Blue phantom 2，所用监测电离室为PPC05平板电离室，参考电离室为cc113柱状电离室。分别测量3套术中放疗限光筒9 MeV及12 MeV下的百分深度剂量（PDD）曲线（依据TRS277号报告）、inline Profile、crossline Profile及参考深度（9 MeV为1.8 cm，12 MeV为2.2 cm）处的输出因子。

1.3 基于蒙特卡罗算法的乳腺癌术中放疗剂量模型的建立

① 蒙特卡罗程序为在电子伽马光子簇射模拟（Electron-Gama Shower Four，EGS4）基础上开发的MCTP程序；② 根据加速器机头结构加上我科自制的术中放疗电子线限光筒以及适配器建立术中放疗的结构模型（图2）；③ 利用MCTP的MCBEAM程序对以上结构模拟109个粒子进行运算，在治疗筒下端生成相空间文件（Phase Space File，PSF）；④ 利用MCTP的MCSIM程序建立40 cm×40 cm×30 cm的模拟水模，像素大小为0.2 cm ×0.2 cm ×0.1 cm，PSF文件模拟108次History生成粒子在水模中的剂量分布3ddose文件；⑤ 利用Matlab编程提取3ddose文件中水模中心轴的PDD、inline Profile及crossline Profile，并与三维水箱实测数据进行比对，通过调整电子线入射能量E、高斯径向分布半高宽度（Full Width of Half Maximum，FWHM）及术中放疗限光筒结构使两者计算误差＜2%。

1.4 术中放疗剂量优化

① 将已经编辑好的CT影像导入瑞典ELEKTA Xio 4.70的治疗计划系统（TPS）中，在focal上进行外轮廓、靶区及肺和心脏等危及器官的勾画，并分别勾画靶区表面添加不同厚度等效材料、靶区后缘分别添加不同厚度铅板及铅板前的热点吸收区；② 经Xio输出DICOM Image及DICOM Structure set至MCTP的MCDICOM软件，经处理后生成MCTP模体文件Egs4phant；在MCSIM中编写程序代码，导入模体文件Egs4phant，给予靶区21 Gy剂量[3]；③ 跳数计算公式为：MU=DT(21 Gy)×输出因子/参考深度PDD；④ 分别定义表面等效材料及热点吸收区的材质为聚乙烯，密度为1.06 kg/m3；定义靶区后铅板的材质为铅，密度为13.6 kg/m3；⑤ 用MCSHOW显示剂量分布及剂量体积直方图（DVH），并通过调整等效材料及铅板的大小和厚度不断优化剂量分布。

图2 VARIAN 23EX加速器术中放疗装置结构图

1.5 统计学方法

采用PASW Statistics 18软件进行处理，数据以均数±标准差（±s）表示。

2 结果

（1）基于蒙卡算法建立的乳腺癌术中放疗模型的剂量学参数，见表1。可以根据靶区的大小选择合适的限光筒、电子线能量以及有效治疗区间进行蒙卡计算。

（2）蒙卡算法与三维水箱实测的剂量学比较情况：① 9 MeV电子线PDD曲线两者比较，在最大剂量点前，蒙卡算法略低于实测剂量，但斜率一致，在最大剂量点后拟合较好（图3）；② 12 MeV电子线PDD曲线两者比较，在最大剂量点前后两者拟合均较好（图4）；③ 实测与蒙卡算法的Profile比较，蒙卡算法略偏前，但两者斜率一致（图5）。

（3）剂量优化情况：① 用MCTP模拟未加任何等效材料，270°入射乳腺模型的剂量分布为：入射表面下有少量＜90%靶区剂量的区域，靶区后缘胸大肌及肋骨剂量＞80%靶区剂量，患侧肺最大剂量＞70%靶区剂量，临床靶区（CTV）均匀性差，V90%的靶区体积约73%（图6）；② MCTP计算表面加2～3 mm等效材料、靶区后缘加5 mm等效材料再加2 mm铅板模拟270°入射乳腺模型的剂量分布为：等效材料下靶区基本被90%等剂量线包绕，＞110%的热点剂量全部落在靶区后缘5 mm的等效材料“吸收区”，铅板后缘胸大肌、肋骨及肺剂量大部分被屏蔽，肺最大剂量＜1 Gy，靶区剂量均匀性明显提高，V90%的靶区体积＞90%，V110%靶区体积＜4%（图7）。

表1 乳腺癌术中放疗各电子线限光筒剂量学参数表

图3 实测和MC计算9 MeV电子线PDD比较图

图4 实测和MC计算12 MeV电子线PDD比较图

图5 实测和MC计算Profile比较图

图6 MCTP计算模拟270°入射乳腺模型剂量分布图（优化前）

图7 MCTP计算使用等效材料、铅板及吸收材料后剂量分布图（优化后）

3 讨论

乳腺癌术中放疗（IORT）在术中可直视瘤床，保证瘤床位置的准确性，避免外照射可能出现的瘤床漏照及外照射过程中呼吸运动和摆位误差的影响；同时IORT仅对部分乳腺照射，照射容积较少，可避免全乳照射后出现的乳腺萎缩、皮肤粗糙及色素沉着等现象[4]，因此可改善美容效果；IORT可缩短治疗总疗程，避免放化疗的时间冲突，成为早期乳腺癌部分乳腺照射的“金标准”[5-6]。

但IORT靶区剂量的实际分布情况往往仅依靠测量数据及术中小探头进行点剂量监测获取，无法获取整个靶区及周围正常组织的精确剂量分布，且添加表面等效材料及胸大肌筋膜上放置铅板后的剂量分布根本无法知晓，从而制约了乳腺癌IORT的发展[7]。蒙特卡罗算法作为放疗剂量计算的“金标准”[8-9]，通过随机分布的方法模拟粒子在体内的运输和剂量沉积情况，具备极高的剂量分布精确性。但乳腺癌IORT和外照射不同，目前尚没有实时CT扫描来获取相关影像，同时还没有商用的术中放疗TPS以进行剂量优化。

本研究通过对患者术前乳腺CT影像的处理，模拟出术中乳腺的状态，通过蒙卡程序MCTP计算出术中乳腺靶区及正常组织的剂量分布特点，发现目前IORT存在以下问题：① 利用盐水纱布作为组织补偿物对表面剂量的提升有限且不稳定，靶区表面剂量达不到90%处方剂量要求；② 靶区后缘使用2 mm铅板后，靶区最大剂量可提升40%以上，靶区后缘5 mm范围为＞110%处方剂量的热点区域；③ 所用铅板大小影响剂量分布形状；④ 铅板大小也影响铅板后胸大肌、肋骨及肺的剂量分布。

在此基础上，本研究利用MCTP通过对表面等效材料厚度及材质、铅板厚度及大小、铅板和靶区后缘之间填充组织补偿物等进行模拟计算，以找出优化靶区剂量、提高靶区剂量均匀性、消除靶区热点、降低靶区后正常组织剂量的方法，总结如下：① 根据靶区实际大小及深度，选用90%深度剂量区间≥1.25倍靶区深度，90%剂量Profile≥1.25倍靶区实际大小的术中放疗筒及能量；② 表面添加聚乙烯薄膜厚度（mm）为该能量下90%等剂量线深度减组织参考深度（一般取0.5 mm）再加1 mm；③ 靶区后缘添加2 mm铅板，铅板大小为靶区大小的1.5倍；④ 铅板和靶区后缘之间放置 5 mm聚乙烯薄膜，大小为靶区大小的1.5倍。

利用蒙卡算法对乳腺癌IORT模型进行计算，可获取靶区及正常组织的剂量分布情况，找到优化靶区剂量的方法，具有较好的个性化和实用性特点，值得临床推广。

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