利用肺部模体研究肺癌在螺旋断层放射治疗计划中靶区间空间关系对肺组织的剂量学影响*

万斌，康盛伟，吴凡，唐斌，王培

610041 成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学医学院 放疗中心

螺旋断层放射治疗(tomotherapy，TOMO)是一种使用兆伏级CT图像实时引导的调强放射治疗(intensity-modulated radiation therapy,IMRT)，其特有的超快速二元气动多叶准直器叶片一次开闭的时间仅约为20ms，由于开、闭时间很短，所以不会因为叶片运动而产生散射。螺旋断层放疗技术作为一种特殊的IMRT设备,可在保护周围组织的前提下，提高肿瘤放疗剂量，逐渐应用于肺癌的治疗当中[1]。

目前,在非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)的治疗中，IMRT技术能根据所期望的剂量分布进行优化，实现高剂量分布的形状与靶区的形状在三维方向上一致，使得在提高肿瘤照射剂量的同时,尽最大可能地保护了周围危及器官，已广泛应用于 NSCLC的治疗[2-4]。

在实际临床工作中，对于多病灶的肺癌放疗计划设计，肺组织受量常难以预估，其主要原因在于各个患者的肺组织中多个病灶之间相互空间位置不一致，而目前又无切实有效的方法对不同空间位置的病灶对肺组织剂量的影响进行预估，从而确定计划优化的目标条件。本实验通过对胸部体模模拟肺癌患者同时存在两个靶区时，该两个靶区的不同空间位置对肺组织所受剂量的影响作出理论上的分析，从而利用其剂量学规律指导临床计划设计与评估。

1 材料与方法

1.1 材料

采用加拿大Modus公司的QUASAR呼吸运动体模(图1)，这种体模可模拟沿人体长轴方向和垂直方向的运动[5]。长轴方向的模拟是靠圆柱形插件在体模主体内做水平运动实现，运动幅度为0～4cm，运动频率为4～60次/分；垂直方向的模拟是靠胸壁平台带动整个体模做垂直方向运动实现，运动幅度固定为1cm，运动频率为4～60次/分(此次试验不涉及运动功能)。采用直径8cm，长18cm的圆柱形插件。QUASAR呼吸运动体模数据由CT(Philips Brilliance Big Bore)采集。

图1 QUASAR呼吸运动体模

Figure 1. QUASAR Respiratory Phantom

1.2 方法

利用CT采集QUASAR呼吸运动体模数据，扫描层厚2mm，扫描间隔2mm，将CT图像导入TOMO计划系统(Hi-Art Version 4.2.3)，利用靶区勾画工具定义出体模及肺部轮廓。

定义横断面处半径为r且冠状位高度为h的圆柱体为本次研究的靶体积集T(0/d1/d2，r，h)，其中d1=d2=2mm，4mm，8mm，……，表示其他靶体积T(d1/d2，r，h)与参考靶区T(0，r，h)的距离；r=5mm，10mm，15mm，20mm，25mm； h=10mm，20mm。示意图如图2。

图2 靶区定义示意图

Figure 2. Sketch of Target Definition

Define the target volume set T(d1/d2,r,h)in lung volume, where d1=d2=2mm, 4mm, 8mm, …，represent the distance between the other target volumes and the reference target volume T(0,r,h); r=5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 25mm; h=10mm, 20mm; the outermost frame is lung tissue, T refers to the target area, d1 refers to the distance between two target areas in S/I direction, d2 refers to the distance between two target areas in R/L direction, r refers to the radius of the target area, h refers to the height of the target area, S/I indicates the head/foot direction of simulated patients, R/L indicates the left/right direction of simulated patients.

CT图像下进行密度替换：体模主体密度替换为1.0g/cc，模拟肺组织的圆柱形插件密度替换为0.3g/cc，自定义靶区密度替换为1.0g/cc。

每个计划中参与计算的靶区有且仅有两个，分别为已确定了d1，d2，r，h值的T(d1/d2，r，h)和参考靶区T(0，r，h)。处方剂量为60Gy/30次[6-8]，要求保证参与计算的靶区95%的体积达到处方剂量，即D95=60Gy。

改变d1，d2的值，分别统计随其他靶体积T(d1/d2，r，h)与参考靶区T(0，r，h)的距离变化时肺部被5Gy剂量辐照体积V5，20Gy剂量辐照体积V20及平均剂量辐照体积Vmean[9-11]。

利用Matlab对所得计划剂量数据进行最小二乘法分析[12-13]。

2 结 果

所有计划中的靶区剂量均达到处方剂量要求，且已控制肺V5、V20及Vmean值尽量降低[14]。

2.1 靶区间距离变化对肺组织受量的影响

以r=h=10mm时T(d1，10，10)与T(0，10，10)和d1=20mm时T(20，r，h)与T(0，r，h)为例，等剂量曲线图分别如图3a、3b所示。

图3 靶区间距离变化对肺组织受量的影响

Figure 3. The Effect of Targets Distance on Dose to Lung

a. Trend of isodose line with targets distance: The isodose lines of T(d1,10,10)and T(0,10,10)when r=h=10mm. The purple area indicates the dose range of 5Gy and the light blue area indicates the dose range of 20Gy. b. Trend of dose to lung with targets distance: When r=15mm, h=10mm, the distance between T(d1,15,10)and T(0,15,10)varies with d1. The larger the d1 value is, the larger the V5, V20and Vmean values are. The extremum remains with the increase of d1. The solid lines in the figure are the regression lines of V5, V20and Vmean values fitted by the least square method respectively.

2.2 靶区体积变化对肺组织受量的影响

T(d1/d2，r，h)与T(0，r，h)体积之和与肺体积之比VT/L(%)之值越大，肺V5、V20及Vmean值越大，如图4a、4b所示。

图4 靶区体积变化对肺组织受量的影响

Figure 4. The Effect of Targets Volume on Dose to Lung

a. Trend of isodose line with targets volume: The isodose lines of T(20,r,h)and T(0,r,h)when d1=20mm. The purple area indicates the dose range of 5Gy and the light blue area indicates the dose range of 20Gy. b. Trend of dose to lung with targets volume: For the determined values of r and h, the lung V20increases with the increase of d1, and the extremum remains with the increase of d1 after the occurrence of extremum, and the larger the target volumes are, the larger the d1 value is. The solid line in the graph are the regression lines fitted by the least square method of V20respectively. The dashed line in the graph is the regression line fitted by the least square method for each V20extremum point.

2.3 靶区间投影面积变化对肺组织受量的影响

以r=h=10mm时T(d1/d2，10，10)与T(0，10，10)随d1/d2值变化分别对肺组织受量V5及V20的影响为例，用两靶区间距离与非相交部分半径长度之和(L1/L2)等价代表靶体积的并集，对距离变化过程中的实验值使用六次多项式拟合，如图5a、5b所示。

图5 靶区间投影面积变化对肺组织受量的影响

Figure 5. The Effect of Targets Projected Area on Dose to Lung

a. The effect of targets cross-sectional area on V20to lung: For the determined values of r and h, the lung V20value increases with the increase of L1 value, and the extremum remains with the increase of L1 value after the occurrence of extremum. The solid line in the figure is the trend line of V20fitted by six polynomials. b. The effect of targets coronal area on V5to lung: For the determined values of r and h, the lung V5values increase with the increase of L2 values, and the extremum remains with the increase of L2 after the occurrence of extremum values. The solid line in the figure is the trend line of V5fitted by six polynomials.

3 讨 论

从结果2.2中不难看出，在肺体积不变的情况下，靶体积越大则肺组织所受剂量所有统计指标均会相应变大，原因为靶体积越大则照射范围越大，这也与我们日常的工作经验相一致，不再赘述。

对于本实验的圆柱体靶区而言，任取其中一个单一靶区且不考虑除肺组织以外的其他危机器官及靶区的影响的话，弧形照射计划所产生的极优剂量曲线可以近似地看成该靶区的同心橄榄体(类似近距离放射治疗中所模拟的线源所产生的剂量曲线)，且越外围范围越大剂量越低。当一个计划中出现两个靶区时，其空间位置关系可总结为如图6的3种情况，当T(d1，r，h)与T(0，r，h)之间距离d1=2mm时，由于CT扫描层厚也为2mm，因此可将T(d1，r，h)与T(0，r，h)视为一个靶区(图6a)，随着d1的不断变大，由于T(d1，r，h)与T(0，r，h)之间剂量的相互叠加，20Gy的剂量曲线范围不断变大，直至如图6b所示的T(d1，r，h)与T(0，r，h)互不干扰的临界情况，此时20Gy的剂量曲线范围达到最大。之后无论d1值再如何变大(图6c)，T(d1，r，h)与T(0，r，h)各自的20Gy的剂量曲线范围不再受彼此影响，因此范围大小不再变化，这就解释了结果2.1中肺统计参数随d1变大而出现极大值的原因[15-16]。

图6 T(d1，r，h)与T(0，r，h)间的三种典型位置关系

Figure 6. Three Typical Spatial Relations between T(d1，r，h)and T(0，r，h)

Dashed lines indicate the extent covered by the 20 Gy curve.

对图4分析可看出，d1方向上，对于已确定r、h值，肺V5、V20及Vmean值均随d1值的变大而变大，但肺V5、V20及Vmean值会分别在相应的d1值出现极大值且保持该极大值不随d1值变化而变化，且靶区体积越大极值点对应的d1值越大，如图4b所示；d2方向上同理。

在d1或d2值变化过程中，肺V5、V20及Vmean极值会分别与r或h值保持正相关变化趋势，如图4b虚线所示。

对图5分析可看出，靶区底面积(r值反映)越大，两个靶区V20的等剂量曲线分开的越晚(d1值反映)，同时靶区S/I方向长度越长(h值反映)，两个靶区V5的等剂量曲线分开的越晚，所以总结为：两个靶区在横断面上投影相交面积决定肺组织V20剂量；两个靶区在冠状位上投影长度之和决定肺组织V5剂量[17]。

另外，实际放疗计划中存在由于呼吸运动、正常组织内运动及摆位随机误差等因素，需要外扩计划靶体积(planning target volume,PTV)，由于该实验研究的重点问题在于两个靶区的空间相对位置，所以可以将实验中任意的靶区看做是通过比其更小的靶区外扩PTV后所得，因此PTV不会对实验结果产生影响[18]。

从上述的实验结果可以看出，肺组织的所受剂量不但与肺组织自身和肿瘤大小有关，还与肿瘤间的空间相对位置有关。该实验仅仅只考虑了两个靶区的相对空间位置变化情况，尚未涉及3个及以上的靶区，更没有考虑靶区空间位置对应的解剖结构对于结果的影响，这需要更加深入的研究与实验统计，但是此次统计结果仍然对肺癌的放射治疗中预判肺组织受量有一定的临床指导价值，可以对已得到计算结果的计划进行是否仍有优化空间的理论判定。

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