自制动态仿真体模在肺部大剂量分割放疗中动态剂量验证的可行性研究

钱金栋，周军，赵利荣，周一兵

陆军军医大学第二附属医院 肿瘤科，重庆 400037

引言

呼吸运动引起靶区周期性位移，会造成治疗计划中靶区的剂量分布和目标实际接受的剂量分布存在差异[1-4]，影响肿瘤放射治疗的预期，剂量差异的量化一直是肺部肿瘤放疗质控的难题。目前，随着放疗设备、放疗技术的发展，肺部小靶区的大剂量分割放疗技术由于单次剂量大、分次少、肿瘤控制率高得到了广泛应用。与常规剂量分割模式不同，靶区对剂量偏差极为敏感，周围危及器官的受量也备受关注，因此肺部大剂量分割放疗对精确的靶区运动范围、准确的剂量验证技术有进一步的要求[5-8]。各国放射物理师一直致力于运动靶区剂量差异的量化方法研究，不断寻求非自主器官运动引起靶区运动范围及靶区的动态剂量验证的技术，以提高肿瘤放射治疗的控制率[9-10]。

目前放射治疗剂量验证的主要方法是在治疗前应用γ分析，采用静态计划剂量验证，分析计划系统（Radiotherapy Treatment Planning System，TPS）计算剂量与测量剂量在特定二维平面的分布差异[7-8]。但此方法应用在肺部肿瘤放疗有一定的局限性，不能明确靶区在运动状态下受照剂量与计划剂量的差异，因此，迫切需要运动关系已知、可提供空间解剖位置的仿真运动模型进行动态剂量验证方法的研究。

课题组基于国家重点研发计划（2016YFC0103100）研发的胸腹部剂量验证动态仿真体模[11]，进行了自制动态仿真体模在肺部大剂量分割放疗中的动态剂量验证可行性研究，以期为临床动态剂量验证提供方法依据。

1 材料与方法

1.1 材料

自主研发的胸腹部动态仿真体模，飞利浦大孔径Brilliance Big Bore CT，External Beam Planning 8.6计划系统，Varian 2300ix Trilogy直线加速器，120片MiMLC，PTW固体水体模，PTW 729二维矩阵的平面剂量验证系统，GAFCHROMICTM EBT3剂量验证胶片，FilmQAPro胶片分析系统，EPSON V800扫描仪。

1.2 方法

1.2.1 QA验证模体的建立

将经过测试达到设计要求的动态仿真体模使用飞利浦大孔径Brilliance Big Bore CT的4D-CT功能进行扫描，体模置于CT模拟定位机床上，标记等中心位置，动态体模运动参数为：① 插件中球体肿瘤直径φ分别为2 cm、3 cm和4 cm；② 呼吸频率分别为0 bpm、12 bpm、16 bpm、20 bpm；呼吸半幅度λ为0.25 cm、0.5 cm、0.75 cm、1 cm；扫描层厚3 mm，四维重建后传输至External Beam Planning 8.6计划系统TPS中，保存为QA模体，并勾画球体为临床靶区（Clinical Target Volume，CTV），勾画相应运动参数下的球体运动外边界为内靶区（Internal Target Volume，ITV），ITV均匀外扩5 mm为计划靶区（Planning Target Volume，PTV）。

1.2.2 动态仿真体模QA验证测试计划设计

在TPS中，使用建立的QA验证模体，以PTV为计划靶区，设计各运动参数下的调强放疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）计划，将设计好的计划传输至加速器执行。

1.2.3 动态仿真体模QA验证功能测试

① 将同一批次的GAFCHROMICTMEBT3剂量验证胶片剂量标定后绘制光密度-剂量特性曲线；胶片裁剪成合适大小，放入动态体模插件中，依据4D-CT定位设置的运动参数，设置动态体模插件相应参数，加速器执行相应计划，测量动态计划剂量分布，应用FilmQAPro胶片分析系统分析动态剂量验证结果；② 将测试计划移植至PTW 729二维矩阵，剂量计算后导出面剂量分布，并以QA模式再次执行各测试计划，使用PTW 729二维矩阵执行静态计划验证。

1.2.4 测试结果分析

剂量验证分析采用3 mm/3%条件下的γ分析方法；各运动参数对验证结果影响的数据分析使用正交分析方法。

2 结果

加速器在QA模式下执行各计划，使用自制动态体模胶片方法采集动态剂量分布和PTW 729二维矩阵采集静态剂量分布，采用3 mm/3%条件、Local dose方法、10%的低剂量区忽略方法进行剂量验证γ分析，结果如表1所示。各运动参数下的静态γ通过率均大于88%，符合相关国标、指南报告[1-2]中计划设计要求；呼吸运动参数λ为0、呼吸频率为0时，即动态体模静止采集剂量分布时和二维矩阵采集的结果一致，证明动态仿真体模剂量验证的可靠性；表1中截面积比是指PTV冠状面中心层面的静止面积与运动状态面积之比，计算公式如式(1)所示。

表1 剂量验证γ通过率分析结果

其中φ为肿瘤直径，λ为呼吸半幅度。

依据动态剂量验证分析结果，呼吸幅度、呼吸频率、肿瘤直径、截面积之比等因素与γ通过率关系如图1～4所示。γ通过率受呼吸幅度影响大，随呼吸幅度增大γ通过率下降，如图1所示；呼吸频率对γ通过率影响相对较小，如图2所示；γ通过率在静态情况下受肿瘤直径影响较小，如图3中0 bpm（λ0 cm）曲线；肿瘤直径与肿瘤运动幅度会协同影响γ通过率，显现出γ通过率与截面积比成正比关系，如图3～4所示。

图1 呼吸幅度与γ通过率关系

图2 呼吸频率与γ通过率关系

图3 肿瘤直径与γ通过率关系

图4 截面积比与γ通过率关系

在动态计划剂量验证中，γ通过率不能提示剂量分布间的差异，通过profile曲线比较剂量分布范围，能够直观显示出运动状态下靶区是否位于处方剂量照射范围内，如图5所示静态时（φ3 cm，λ0 cm，0 bpm）的γ通过率为97%，profile曲线测量值与计划值一致；图6所示动态时（φ3 cm，λ0.25 cm，20 bpm）的γ通过率为88.5%，profile剂量曲线的计划值宽度位于测量值范围内，且在计划值范围内profile曲线剂量值与测量值大小一致，提示在运动状态下PTV位于处方剂量照射范围内，计划设计符合要求。

图5 静态剂量验证profile曲线比较

图6 动态剂量验证profile曲线比较

3 讨论

胸腹部放射治疗过程中，由于呼吸运动的影响，通常医生会依据经验将肿瘤的边界外放，高水平医院使用4D-CT定位技术明确肿瘤运动幅度及范围，有效确立了靶区运动的范围，但由于各运动时相的靶区位置叠加，靶区照射范围相应增大，危及器官的照射体积随之增大，并发症的发生率也随之升高；患者放疗分次间的呼吸状态和4D-CT定位时存在一定差异，目前临床上普遍使用的静态体模剂量验证方法应用于肺部肿瘤放疗有一定的局限性，不能检验靶区运动状态下的剂量受照信息，因此治疗过程中迫切需要动态体模验证其差异。另一方面，4D-CT定位的精度是靶区运动范围确定的必要保障，需要已知运动参数的动态体模进行校验，保证定位精度。

为提供探究呼吸运动对放射治疗的剂量分布和剂量验证影响的研究工具，近年来，医疗设备公司先后开发出了Model 008A型胸部动态体模和QUASAR呼吸运动体模[9-11]，其虽能模拟呼吸运动，但制作材料为非组织等效材料，剂量衰减与真实人体差距较大[12-16]。因此，迫切需要可设置运动参数、明确空间解剖信息的动态仿真体模来为动态剂量验证提供工具及研究方法，进行动态剂量符合性检验，以提供外扩范围数据依据，进而实现降低照射范围、提高肿瘤控制率的目标。课题组前期研究解决了组织材料等效性和空间剂量测量的问题，成功研发出胸腹部动态仿真体模，本研究又继续探索其在肺部大剂量分割放疗动态剂量验证中应用的可行性及方法。

本研究首先应用自制动态仿真体模进行静态二维剂量验证，与二维矩阵测量方法比较，γ分析结果一致，证明了其剂量验证的可靠性；在应用自制仿真体模进行肺部大剂量分割动态剂量验证测试中分析中发现，动态剂量验证γ通过率与呼吸幅度、呼吸频率、肿瘤直径及截面积比等影响因素有关，呼吸幅度越大、肿瘤直径越大γ通过率越低，且较静态通过率更低，部分γ通过率小于88%；分析比较profile剂量曲线能直观地显示PTV接受的剂量范围是否位于处方剂量照射范围内，为检验剂量照射脱靶与否、判断计划设计合适与否提供了新方法。因此应用γ分析联合profile曲线比较方法，动态仿真体模可为肺部大剂量分割放疗中的动态剂量验证提供一种新技术、新方法。

4 结论

通过自制动态仿真体模进行静态、动态剂量验证测试分析提示，现有的γ分析方法不适合动态剂量验证，并证实了应用动态仿真体模方法进行动态剂量验证的可行性、有效性，通过γ分析联合profile曲线比较方法，为胸腹部放疗动态剂量验证的临床研究提供了新的研究分析方法及依据，后续将开展临床实际应用研究，进一步完善动态剂量验证应用方法。