模拟呼吸运动对SBRT剂量分布的影响研究

计划，分别对单次剂量为200、400、600、800、1000 cGy进行研究。将美国Sunnuclear公司生产二维半导体阵列Mapchecker置于运动平板上，使用近似运动周期T为3.5 s，跟常人呼吸运动周期相似，运动幅度为±5、±10、±15 mm;比较模拟呼吸运动和静止状态下治疗计划系统输出的相应等中心处水平面剂量分布和实测的剂量分布差异，两组间数据行配对t检验。 结果 不同运动幅度和不同单次剂量的SBRT三维适形与调强适形计划放疗剂量分布γ分析通过率（3%/3 mm）比较，差异有高度统计学意义（P < 0.01）。 结论 呼吸运动会导致肿瘤靶区剂量的适形度降低，导致放射剂量分布更加模糊;通过Mapchecker系统软件很容易分析出呼吸运动对3DCRT剂量分布的影响主要集中在靶区头脚方向，可对IMRT的影响分布于整个靶区;同一运动幅度随单次剂量的提高，调强放疗的剂量分布通过率反而比三维适形高。

[关键词] 模拟呼吸运动;3D放射疗法;调强放射疗法;剂量分布

[中图分类号] R73          [文献标识码] A          [文章编号] 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

伴随着生命相关科学研究不断发展，肿瘤防治的技术发展也是日新月异，不过肿瘤放疗具有质的飞跃就是多叶准直器（MLC）的发明并广泛应用于适形放射治疗中[1-2]，使肿瘤放射治疗进入机器智能时代成为可能，当今放射治疗进入质子加速器放射治疗时代，也使得立体大剂量放射治疗越来越热门，因为立体定向大剂量放射治疗的时间短、生物效应好[3]，更能体现“光子刀”的优越性[4]，也会使放射治疗效果更好，但是对于运动肿瘤的立体定向放射治疗就变得更加复杂[5]，由于调强放疗时MLC叶片会伸到肿瘤靶区里面，肿瘤靶区是运动的，会导致肿瘤靶区多照射或是少照射的情况存在[6-7]，如果使用三维适形放射治疗只要把MLC相对于肿瘤靶区的外放足够大就可以使肿瘤靶区得到充分的放射治疗剂量[8]，但是对于立体定向大剂量放射治疗到底是那种放疗技术更好，本文基于这个问题进行了深入的研究，以便给立体定向大剂量放疗临床提供坚实的理论基础。

1 材料与方法

1.1 设备及材料

深圳市英士达机电技术开发有限公司生产的呼吸运动平板、出自于美国Sunnuclear公司的Mapchecker二维半导体剂量平板、瓦里安Ⅸ加速器（6 mV X线，120对叶片，MLC宽度5 mm）、瓦里安Eclipse8.0治疗计划系统（TPS）及长宽各30 cm的固体水一块（厚3 cm）。

1.2 研究方法

选取2018年1～6月来武汉大学人民医院肿瘤中心治疗的20例肺癌患者，肿瘤靶區最大径5 cm，经过模拟定位CT扫描得到肿瘤患者3D图像并发送至瓦里安治疗计划系统，确认附近危及器官和肿瘤原发灶后分别制作1个放疗射野数相同的3DCRT计划和DIMRT计划。分别做单次剂量为200、400、600、800、1000 cGy的计划，接着经由CT扫描得到用于相应放射治疗计划验证的固体水的模体图像，把前述做好的3DCRT计划和DIMRT计划移植至固体水模体中（将每个照射野机架角统一为0°，取照射野轴线水下3 cm处为等中心点），每个计划都制作1个3DCRT-QA（QA）计划和1个DIMRT-QA计划，并使TPS里的计划与QA计划单次处方剂量及归一值相同。

1.3 剂量验证

首先将加速器机架角设置在0°时以ICRU国际质量控制标准对MLC等对放射治疗相关的精确运动精度进行质控检查，并用Mapcheck预先检测10 cm×10 cm校准射野在加速器机架为0°时实际测量平板面剂量与计划系统相应面剂量比对的通过率100%后再进行试验组QA计划的面剂量测量;将Mapchecker剂量平板置于呼吸平板上，并在Mapchecker平板上放置3 cm等效固体水模体，操作床的高度使得Mapchecker平板半导体探头于等中心平面处。将加速器的射野角度设置于0°位置，按QA计划将每个射野进行2次实际测量验证：运动周期设为3.5 s，运动幅度±5、±10、±15 mm，与患者肺上叶、中叶、下叶肿瘤纵向（z轴）实际运动幅度和呼吸周期相近。第一次加模拟呼吸运动平板的往返周期运动;第二次进行常规验证，即模拟呼吸运动平板不做往返运动。DIMRT的测量计划的单野及所有子野叠加剂量的分布，3DCRT的测量每个计划单野及所有射野叠加剂量的分布，测量后对相应数据进行对比分析。跟肺上叶、中叶和下叶肿瘤的实际运动幅度和呼吸周期相似。第一次增加了模拟呼吸运动板的循环运动;第二次进行了常规验证，即模拟呼吸运动板不做往返运动。测量了3DCRT中单个射野和所有照射子野叠加剂量的分布，DIMRT也测量计划的单野和所有子野叠加剂量的分布，并对测量后的相应数据进行了比较和分析。

1.4 观察指标

用γ通过率（3%/3 mm）等剂量叠加方法和肿瘤靶区适形度对呼吸运动、静止状态中QA计划导出等中心相应水平面的剂量与相应实际测量相应平面剂量分布对比差异。

1.5 统计学方法

运行SPSS 17.0统计软件进行数据分析，计量资料用均数±标准差（x±s）表示，将DIMRT和3DCRT的通过率进行配对t检验，以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 静止、往返运动状态中不同单次处方剂量计划等中心相应水平面的剂量分布与实测相应平面剂量分布比对

照射野剂量通量的γ通过率明显降低;呼吸等运动均会使肿瘤靶区所受剂量分布产生模糊效应，并降低3DCRT和DIMRT剂量的适形度。图1～2相应表现了运动（运动幅度±15 mm、单次剂量6 Gy）与静止状态下3DCRT-QA、DIMRT-QA实测面剂量与TPS输出的等中心相应水平面剂量分布对比效果。

2.2 两种放射治疗计划中加与不加模拟运动平板的相应面剂量γ分析通过率

表1为20例肿瘤患者呼吸运动状态中不同单次大剂量的DIMRT-QA和3DCRT-QA的γ通过率，不同运动幅度和不同单次剂量的三维适形与动态调强计划放疗γ通过率（3%/3 mm）比较差异有高度统计学意义（P < 0.01）。

3 讨论

立体定向体部放疗（SBRT），也称为立体定向消融放疗（SABR），已经发展成为既合理又安全的非侵入性治疗，其目标是根除或提供治疗肿瘤的长期局部控制。SBRT在潜在治愈Ⅰ期非小细胞肺癌患者中的E-特异性已被证实[9]。SBRT现在已成为几乎任何身体部位的肿瘤的治疗选择，许多出版物记录了它对肺、肝、肾上腺和骨/脊柱转移的敏感性[10]。但当前TPS所用图像都是基于CT扫描瞬间影像来确定肿瘤靶区和危及重要器官，实际中确实很难显示放射治疗过程中因呼吸引起的肿瘤靶区、危及重要器官动态的情况，最终使通过物理知识计算与实际测量剂量结果间的不同[11-12]。胸腔脏器产生与时间关联的空间位置，由于呼吸运动等生理运动的影响，有报道称这一误差可达10%以上[13-15]，因此肿瘤患者实际吸收剂量的分布与只靠静态影像设计的放疗计划剂量分布误差很大。曹永珍等[13]研究肺肿瘤在纵向（即z轴）方向随呼吸运动影响最大。目前，不管使用何种算法的TPS，实测的射野离轴比等参数、百分深度剂量都是在静止状态下测量得到的数据，因此，研究呼吸运动对放射治疗中吸收剂量的影响是非常重要的[16-18]。一般来说，临床3DCRT主要用于将临床靶体积扩大到计划靶体积安全边界的方法，从而使运动靶区不漏照，通常在z轴上的PTV外扩值略大于其他方向的外扩值。外放大小主要与呼吸运动的相关幅度大小有关，从而保证肿瘤靶区不漏照。然而，这种方法仍然不能消除呼吸运动对DIMRT靶区内剂量分布的影响[19]。

本研究主要通过对纵向呼吸运动的模拟，实际测量了不同单次大剂量的SBRT的静止与呼吸运动状态下等中心处水平面剂量分布图，对比分析呼吸运动对不同单次大剂量的SBRT吸收剂量分布产生的影响。本结果显示，呼吸运动对不同单次大剂量的3DCRT和DIMRT剂量影响很大：首先，呼吸运动会导致实际剂量分布与放射治疗计划系统里肿瘤靶区剂量分布不相符，降低肿瘤靶区剂量的适形指数;其次，呼吸运动会导致放射治疗计划里的剂量分布与实测的剂量分布差异很大，γ通过率和等剂量叠加分析结果显示其对DIMRT的影响比3DCRT的影响更大;另外，呼吸运动对3DCRT和DIMRT剂量分布的影响位置也有不同，对3DCRT的剂量影响主要集中分布于靶区周边，而对DIMRT的剂量影响分布于整个肿瘤靶区范围内。而呼吸运动对DIMRT的剂量分布的影响不但分布在周边，肿瘤靶区内部剂量也有所改变，主要原因是在进行三维适形计划时，通常都会外放一定大小的PTV，MLC叶片不会到达肿瘤靶区的内部，随着呼吸运动的进行，肿瘤靶区始终都处于全部照射的状态，而做制订调强计划时，虽然也会外放一定大小的PTV，但在执行DIMRT时，MLC叶片会到达肿瘤靶区的内部，随着呼吸运动改变，肿瘤靶区有可能漏照射，也有可能被多照射等。从本研究可以明显看出，随着运动幅度的增大，3DCRT和DIMRT不同单次大剂量的剂量分布影响也随之增大。

因此，呼吸运动会降低肿瘤靶区剂量适形度，使剂量分布更模糊;分析表明，呼吸运动对3DCRT剂量分布的影响主要集中在靶区的头、脚方向，对DIMRT的剂量影响则分布在整个靶区;同一运动幅度随单次剂量的增加，调强放疗的剂量分布通过率反而比三维适形增加得更高;对肿瘤靶区呼吸运动范围较大的SBRT，建议采用3DCRT技术，确定足够大的PTV以确保运动的肿瘤得到预期较准确的放射剂量，若SBRT采用IMRT技术，应根据情况对运动的肿瘤进行呼吸运动补偿等呼吸运动控制系统以确保肿瘤相对放射源运动减少甚至静止，这些对单次大剂量SBRT实际肿瘤临床还是极具参考和指导意义的。

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