成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模的研制*

潘文才 赵 鹏 周一兵 戴红娅 钱金栋 种银保*

随着放射治疗进入到高精度放射治疗时代，其实施技术和流程日趋复杂，在放射治疗过程中剂量验证作为放射治疗质量保证的重要组成部分显得越来越重要[1]。剂量验证的目的是避免因靶区的错误照射而造成欠剂量或照射剂量不均匀，从而保护正常组织所受剂量在耐受范围内。剂量验证方法是将静态体模(固体水或水体模)按照与患者定位时相同条件进行X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)，再将患者的治疗计划导入到体模CT图像序列进行计算，得到理论剂量分布，然后以体模代替患者将放射治疗计划在加速器上执行，并将实测的剂量分布与计划系统计算的剂量分布进行比较[2-3]。然而，目前放射治疗验证普遍的模式是建立在目标位置和形状是己知且保持静止的基础上，其刚性关系在某些情况下不成立，如胸腔会受到呼吸和心跳等运动的影响，在放射治疗过程中目标区会随着运动器官一起运动，造成治疗计划中的剂量分布和目标实际接受的剂量分布存在差异[4-5]。

对于胸腹部肿瘤，肺、心脏等器官的运动干扰是放射治疗计划剂量验证的行业难题。随着四维(four dimensional，4D)-CT的出现并在临床上的应用，放射治疗中补偿目标位置随时间变化在临床应用成为可能。目前，基于4D-CT治疗计划在临床上处于初级阶段，4D-CT图像与真实器官运动的关系尚且未知，存在不确定性。此外，当前放射治疗验证主要采用γ通过率来判断验证计划的通过与否，γ通过率只是一个统计值，不包含空间信息，而实际临床中在某些时刻更关注γ值未通过点的空间位置，如高热点是否位于脊髓区域等。因此，迫切需要具有运动关系已知、能够提供空间信息的仿真数字人体运动模型。

为提供探究呼吸运动对放射治疗的剂量分布和剂量验证的研究工具，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[6-8]。虽然这2个体模能够模拟3D呼吸运动，但Model 008A型胸部动态体模存在组织材料非等效，使得剂量衰减与真实人体差距较大，体模仅能测量运动插件内有限的点剂量，不能对其他感兴趣点(如骨髓或其他肌肉组织)或空间进行剂量测量等缺点，而QUASAR呼吸运动体模除上述缺点外，其最大的缺陷是电机负载能力非常有限，同时带动呼吸传感器和运动插件时经常出现卡死现象。为此，本研究基于目前的放射治疗验证体模和剂量验证方法，提出新的模拟呼吸运动的数字人体剂量模型，即成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模，从组织材料、体模功能结构和运动测控方面进行研制，重点解决组织材料等效和空间剂量测量的难题。

1 成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模的研制

1.1 总体结构

成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模由成年人胸腹部体模和运动测控系统两部分组成，胸腹部体模模拟正常成年人的胸廓结构和比例，采用与人体CT值等效材料制作而成。运动测控系统是利用上位机控制3组电机组件产生相应的动作，来模拟人体的呼吸3D运动和胸壁上下运动(如图1所示)。

图1 成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模总体结构图

1.2 结构与功能设计

成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模作为放射治疗的对象，其与真实人体器官的等效性非常重要，因此制作体模要求采用等效材料(CT值或电子能密度等效材料)。本研究前期课题组团队已经攻克了组织材料的等效性难题，为成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模的研制打下了坚实的基础[9-11]。

成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模主要组成结构分为四部分：①肺组织，其CT值设计为-800～-1000 HU；②等效人体肌肉组织的外轮廓，其CT值设计为40～90 HU；③等效脊柱骨组织，CT值设计要求＞600 HU；④圆柱形肺部运动插杆，为满足临床实际应用，运动插杆包含有模拟肿瘤插杆、4D-CT质量控制插杆等。其中模拟肿瘤插杆为附带有球形的模拟肿瘤靶体，分别为φ1 cm、φ2 cm和φ3 cm球体，CT值大于肺组织CT值，可放置电离室。此外，成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模还设置了胶片夹层和插杆预留插孔，胶片夹层用来放置胶片，多张胶片可获得感兴趣位置的剂量空间分布；插杆预留插孔主要是为后期的功能扩展而设置，可用研究两个相对运动组织的剂量分布、剂量验证等(如图2所示)。

1.3 运动测控设计

图2 胸腹部体模结构图

(1)运动平台的测控设计。运动平台包括插杆运动平台和胸壁运动平台：①插杆运动平台由2个电机组构成，能同时实现前后运动和旋转运动功能，2个电机组通过电机连接杆带动肺部运动插杆进行3D运动，用来模拟腹式呼吸运动；②胸壁运动平台由1个电机组构成，能实现上下运动，其设计的主要目的是在CT扫描定位时采集患者的胸廓呼吸信号。人体肺部随着吸气和呼气做3D往复呼吸运动，一般正常成年人的呼吸频率＜60 bpm，呼吸幅度＜50 mm，旋转角度≤60°。因此，本研究将插杆运动平台和胸壁运动平台设计的运动(呼吸)频率为0～60次/min，运动幅度为0～50 mm，以及插杆运动平台的旋转幅度最大为±60°(如图3所示)。

图3 运动插杆(左)和胸壁平台(右)运动示意图

(2)运动测控流程。程序启动后先要对硬件进行连接，硬件连接后电机回到初始状态(即0点位置)，然后选择运动控制信号，可选标准曲线或载入自定义和(或)第三方呼吸曲线两种方式。当选择标准曲线(正弦波形或三角波形)时，需对3个电机的频率、幅度或角度等参数进行设置；当选择载入自定义或第三方曲线时，由于频率和幅度已定，只需对循环次数和间隔时间进行设置。参数设置完毕，载入和保存电机运动曲线数据，启动后各电机将按照预设的运动曲线进行运动，通过采集电机的运动参数，换算后实时显示运动曲线，可通过设置运行时间或手动点击结束。成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模运动测控流程如图4所示。

图4 软件控制流程图

(3)为能模拟真实人体的呼吸运动，控制电机运动的信号除了正弦、三角等基础波形外，还允许上载自定义控制波形或来自第三方机器采集的真实人体呼吸信号。

2 成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模的研制方法

2.1 体模材料与制备

成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模通过组织等效材料制备，胸部结构仿真设计，胸部结构制备及组织器官一体化集成等制作流程，及采用注模和切割工艺制成。其中肌肉组织等效材料由聚氨基甲酸脂合成，肺部组织等效材料由微孔聚氨基甲酸脂合成，脊骨等效组织由不饱和聚酯树脂和超微磷酸钙合成，经测试这些组织的CT值与人体相应组织CT值相符(如图5所示)。

图5 成年人胸腹部体模实物图

2.2 测控系统开发

2.2.1 硬件系统开发

插杆运动平台3D运动测控的前后运动部分是由直流伺服电机和减速机组合作为位移驱动器件，采用直线运动模组作为传动元件和导向元件，既能保证直线运动的直线度，也能保证高速的往复运动。旋转运动部分也采用直流伺服电机和减速机组合作为驱动器件，采用深沟球和角接触的组合来保证旋转的圆度和高速运动(如图6所示)。

图6 插杆运动平台硬件开发设计图

胸壁运动平台升降运动测控硬件主要由直流伺服电机、同步组件和导向光轴构成(如图7所示)。

图7 胸壁运动平台硬件开发示意图

2.2.2 软件系统开发

基于PMAC Executive Pro2 Suite平台开发软件系统，已开发出第一代应用软件系统，该软件系统具有以下特点：①电机控制信号可以选择正弦、三角等标准波形，也可以允许上载来自第三方的波形，支持多种文件格式，如Varian RPM v 1.6(*.VXP)、Respisens数据(*.CSV)、Philips Bellows文件(*.DCM)、CyberKnife Marker文件(*.LOG)以及Siemens(*.IMA)等；②可对电机控制信号进行时序(同步或异步)调节、频率及幅度编辑，以及对载入波形进行滤波和降噪处理等；③电机或位移信号反馈，闭环控制，保证位移精度；④支持测试结果的导入，具有统计分析模块；⑤简洁的软件界面，后期可根据临床实际需求对其进行修改和完善。软件系统运动状态和运行显示如图8和图9所示。

图8 软件系统运动状态界面图

图9 软件系统运行显示界面图

3 成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模的集成与测试

(1)将成年人胸腹部体模和运动测控系统两部分进行集成，集成后的体模运动频率范围为0～60 bpm，运动幅度范围为0～50 mm、角度为-60°～60°，经测试体模的运动参数达到设计要求。集成实物如图10所示。

图10 体模集成实物图

(2)在CT机上进行测试，测量点的肌肉组织CT值为(58.7±12.4)HU，肺组织CT值为(-882.9±16.8)HU，脊骨CT值为(830.2±9.2)HU，空气CT值为(-990.2±8.5)HU，表明体模各组织的CT值与真实人体的CT值相符，且符合设计要求(如图11所示)。

图11 体模集成CT测试图

4 结论

体模作为放射治疗临床质量保证(quality assurance，QA)和质量控制(quality control，QC)的重要工具，目前临床上普遍使用的密度均匀的固体水、水体模以及密度非均匀的仿人体结构剂量验证体模，这些体模均属于静态体模。应用静态体模对运动目标(肺或心脏)作剂量验证时，由于受位移偏差等的影响，导致治疗计划中的剂量分布和目标实际接受的剂量分布存在较大差异。然而，具有运动关系已知、能够提供空间信息的剂量验证动态体模为解决以上难题提供了研究工具，显示出了重要的临床应用价值。

目前，本研究已成功研制了成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模，重点解决了组织材料等效性和空间剂量测量的问题。经测试，其运动效果达标，能较真实模拟腹式呼吸运动和胸式呼吸运动，体模组织材料与人体组织CT值具有等效性，相比其他体模更接近于人体组织，成像效果良好，能满足临床放射治疗的需求。

成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模不仅可以应用于呼吸运动状态下的剂量空间分布研究，让感兴趣点和空间分析变成可能，也可以应用于对相关辐照剂量验证软件系统作符合性评价，对解决临床实际问题具有重要意义。

成年人胸腹部辐照剂量验证动态体模的成功研制，为临床研究运动器官的放射治疗剂量分布和剂量验证提供了研究工具，后续将根据临床实际应用和反馈的问题对该体模做进一步改进和完善。