胸部肿瘤放疗中呼吸运动对偏中心处点剂量和面剂量的影响*

柏晗，夏耀雄，刘旭红，陈飞虎，鄢佳文，朱思瑾，李一江

650118昆明，云南省肿瘤医院/昆明医科大学第三附属医院/云南省癌症中心 放射治疗科

放射治疗是肺癌不可或缺的治疗手段，放疗要达到预期的效果，运动靶区的管控至关重要。四维CT(four-dimensional computed tomography,4DCT)出现以前，对肺癌运动靶区管控的手段非常有限，主要通过外扩较大的边界来实现[1]。4DCT出现以后，定义内靶区(internal target volume,ITV)和设计4D计划，理论上能很好地保证靶区的覆盖[2-3]。但在实际的计划执行时，运动对计划剂量的扰动一定会导致实际剂量与计算剂量产生偏差[4]。以往的对该偏差的研究，所选择的研究位置多数为射束的聚焦中心，而对偏中心区位置的剂量偏差关注得不够。而偏中心区位置的剂量偏差可能是实际结果与预期不一致而导致毒副反应(例如放射性肺损伤)的重要原因。本课题组在前期肺癌4D放疗计划设计研究[5-6]的基础上，采用四维程控运动模体QUASAR对呼吸运动对偏中心处实际照射剂量的影响进行了测量，评估呼吸运动的幅度、频率对偏中心处放疗物理剂量产生影响的程度，为采用不同的呼吸运动管控技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 设备及材料

加拿大Modus QA公司生产的四维程控运动模体Quasar:Quasar模体是一个宽30 cm、高20 cm、长12 cm的椭圆形有机玻璃体模，模体偏中线一侧有1个圆孔可供插入8 cm直径的插件，圆孔的中心距离模体的几何中心10 cm，插件提供1个0.6cc探头的适配器和6.0 cm×12.0 cm胶片适配器(图1)；Farmer 0.6cc指型电离室，cafchromic EBT3免洗干胶片、医用胶片扫描仪、瓦里安IX加速器(6MV X线，60对叶片，中间40对叶片宽度为5 mm，两边20对叶片宽度为10 mm)和Pinnacle3计划系统。将带有指型电离室和胶片的QUASAR模体，在患者CT定位相同的条件下分别进行CT定位，获得CT图像传至物理师工作站，命名为Quasar(point)，Quasar(film)备用。

图1 Quasar模体及功能部件图Figure 1. Quasar Phantom and Function ComponentPanel A shows the Quasar phantom and common parts. The plug-in can be pulled out from the other side of the ellipsoid of human body shape for replacement. Point dose measurements can be carried out when the plug-in is an ion chamber support. Planar dose measurements can be carried out when the plug-in is a planar adapter. Panel B shows components for the adjustment to amplitude of Quasar phantom. The amplitude of the plug-in can be controlled by adjusting the thumbscrew on the translation unit. Panel C shows components for the adjustment to frequency of Quasar phantom. The frequency of the plug-in can be controlled by adjusting the control knob on the translation unit.

1.2 研究方法

验证共入组12例肺癌患者，4DCT扫描获取患者呼吸运动10个时相的CT序列图像，网络传至放射治疗计划系统(treatment planning system,TPS)。调强放疗(intensity-modulated radiation therapy,IMRT)物理计划设计时，选取呼吸运动20%时相对应的CT序列作为主图像(在前期肺癌4D放疗计划设计研究时发现，20%时相对应的CT序列上肺脏的体积，肺脏的物理密度和计划设计后得到的各项参数与10个时相的算术平均值最接近)，其它9套CT序列作为确定内大体肿瘤(internal gross target volume,IGTV)(ITV)的配准图像。当患者计划的各项指标都达到临床要求后，将患者计划分别移植至Quasar(point)，Quasar(film)模体生成新的模体计划Qplan(point)，Qplan(film)。2个计划的TPS单次剂量及归一值保持一致，并输出Farmer 0.6cc指型电离室空腔区域内的剂量平均值Dmean和cafchromic EBT3免洗干胶片所在的偏等中心处平面的剂量分布。

1.3 剂量验证

首先对直线加速器的多页光栅(multi-leave collimators，MLC)、输出剂量和剂量的平坦度、对称性做了严格质控检查，使其符合临床使用标准。然后，在等中心水下1.0cm处对胶片进行刻度(图2)，得到“剂量-灰度”曲线(图3)。最后，进行点剂量验证和平面剂量验证。

图2 刻度用胶片图Figure 2. Film for CalibrationWidth of Central Projection in the Jaw was 3.0 cm for each exposure, and the exposure dose was from 450.0 cGy to 5.0 cGy.

图3 胶片的剂量(D)-光密度(OD)曲线图Figure 3. Sensitometric Curve of the Film

1.3.1 点剂量验证 第一步，将设计好的IMRT物理计划移植至Quasar(point)进行剂量计算后，读取0.6cc指型电离室空腔区域的剂量平均值Dmean;第二步，进行静态测量，保持“松木”适配器(插件)静止不动进行剂量测量，以检测TPS算法对IMRT计划剂量计算的准确性;第三步，调节“松木”适配器作“模拟呼吸运动”，运动的振幅依次为3、6、8、10、15、20 mm，每个振幅下测量2个频率15、20F/min的剂量。

1.3.2 面剂量验证 第一步，将设计好的IMRT物理计划移植至Quasar(film)进行剂量计算，并输出cafchromic EBT3免洗干胶片所在的偏等中心处平面的剂量分布;第二步，调节“松木”适配器作“模拟呼吸运动”，运动的振幅依次为3、6、8、10 mm，每个振幅下也测量2个频率15、20F/min的平面剂量。

1.4 比较指标

1.4.1 点剂量验证比较指标 测量与TPS输出的点剂量偏差由公式(1)计算得到，点剂量偏差的平均值由公式(2)得到。

(1)

其中，i为第i个患者，Dm是点剂量的测量值，Dc为点剂量的计算值，ω为某一频率，A为某一振幅。

(2)

其中，N为患者的总例数。

1.4.2 面剂量验证比较指标 当第i个病人的模体计划的插件以幅度A和频率ω运动时，平面验证的通过率为γi(ω，A)，则γ(ω,A)为该振幅和频率下N例通过率的平均值，表达式见(3)。

(3)

1.5 统计方法

采用SPSS 20.0对不同频率相同振幅下得到的点剂量偏差进行配对t检验，采用Pearson相关性分析，分析剂量偏差与振幅和频率的关系。

2 结 果

2.1 点剂量验证结果

2.1.1 静止状态下点剂量偏差的结果 为了充分研究振幅和频率对剂量的影响，首先要检验在静止状态下，计算值与测量值之间的偏差。因此，当呼吸运动幅度A=0时，测量到的剂量(Dm)与TPS输出的探头所在位置处(探头)空腔体积内的剂量平均值(Dc)比较，利用公式(1)可得到静止状态下剂量偏差的百分数(表1)。

表1 振幅A=0时12例患者的点剂量测量偏差结果Table 1. Dosimetric Deviations in 12 Patients when Amplitude (A)=0

2.1.2 点剂量偏差随振幅和频率的变化 改变呼吸运动幅度A和频率ω，比较Dm与Dc，利用公式(1)计算出偏差的百分数(表2)。对振幅和偏差求Pearson系数，分别得到在15F/min和20F/min频率下的r1=0.990和r2=0.989；分别将不同频率相同振幅下得到的偏差进行配对t检验，P>0.05。这说明点剂量的偏差与振幅相关，与频率无关。点剂量偏差随振幅和频率的变化如图4所示。

表2 频率分别为15F/min和20F/min时不同振幅下12例患者的点剂量测量偏差结果(单位：%)Table 2. Dosimetric Deviations in 12 Patients when Amplitude=15F/min or Amplitude=20F/min

图4 点剂量的偏差随振幅和频率的变化图Figure 4. Point Dose Deviated with Amplitude and Frequency

2.2 面剂量验证结果

2.2.1 静止状态下面剂量偏差的结果 当呼吸运动幅度为0时，采用3 mm，3.0%，10%的γ分析标准分析干胶片测得的剂量与TPS输出的胶片所在位置处的剂量，γ的(绝对)通过率详见表3。

表3 振幅为0时12例患者的面剂量γ通过率Table 3. γ Pass Rate of Planar Dose in 12 Patients when the Amplitude Range was between 0 and 12

2.2.2 面剂量偏差随振幅和频率的变化 根据运动状态下点剂量的偏差趋势，随着振幅的变大偏差也变化。于是，在验证运动状态下的平面剂量时，只测量了振幅为3,6,8,10mm时的偏差，γ的通过率详见表4。对振幅和偏差求Pearson系数，分别得到在15F/min和20F/min频率下的r11=-0.968和r12=-0.964。

表4 频率分别为15F/min和20F/min时不同振幅下12例患者面剂量的γ通过率(单位：%)Table 4. γ Pass Rates of Planar Dose in 12 Patients when Amplitude = 15F/min or Amplitude = 20F/min

分别将不同频率相同振幅下得到的γ通过率进行配对t检验，P>0.05。说明面剂量的偏差与振幅相关，与频率无关。

2.2.3 面剂量验证例举 平面验证结果例举(图5、6)分别展示了Pat.3和Pat.12在频率为15F/min,呼吸运动幅度为3.0mm时，TPS输出的平面剂量(图的上半部分)与实测的平面剂量(图的下半部分)的分布情况。Pat.3的γ(绝对)通过率是同组(频率为15F/min,呼吸运动幅度为3.0 mm时)最高的，为90.2%；Pat.12的γ(绝对)通过率是同组最高的，为72.1%。

图5 Pat.3 TPS输出的与实测的平面剂量对比Figure 5. Comparison between Treatment Planning System-Calculated and Measured Dose Based on Data of No. 3 Patient

图6 Pat.12 TPS输出的与实测的平面剂量对比Figure 6. Comparison between Treatment Planning System-Calculated and Measured Dose Based on Data of No. 12 Patient

3 讨 论

肺癌放疗中的一个重要问题是，靶区和危及器官的大幅度周期运动会导致计算剂量与实际剂量间产生剂量差异。Jiang等[7]利用振幅A=1.0 cm，频率ω=15 F/min的运动平台模拟肺脏的运动，在300 MU/min和500 MU/min剂量率下，分别对IMRT放疗计划的等中心(isocenter,ISO)附近的点的剂量进行了验证，发现单野的剂量偏差会高达30%，单次的剂量偏差达到了8%，但如果对30次剂量进行测量发现剂量偏差降至2%以下。该研究结果反映出呼吸运动对IMRT的实际照射剂量会产生很大的影响，但影响呈现出“正负相消”的特点，偏大与偏小随机发生，多次测量后平均，该偏差就很小了。当然，对于分次数比较少的大分割，例如立体定向放疗或立体定向放射外科而言，我们通常选用的一些呼吸运动管理办法，例如4DCT引导下定义出ITV或呼吸门控治疗等[8]，会减少呼吸运动带来的剂量误差，因为基于这些管理办法设计的放疗计划保证了靶区总是在处方剂量(参考剂量)包绕的空间内运动，靶区接受的剂量总会 ≥处方剂量(参考剂量)；对于肺的剂量，通常采用的管控办法是基于4DCT取平均，平均剂量在4DCT 10时相中的值或直接采用平均CT值来进行计划的剂量计算[9]。Duan等[10]利用频率ω=15F/min可在纵向(振幅A=0.75 cm)和横向(振幅A=0.25 cm)均发生正弦运动的模体模拟呼吸运动，并用0.125cc的电离室和胶片对点面剂量进行了测量，发现单野的点剂量偏差范围为-11.7%～47.8%，单次的剂量偏差范围为-1.7%～3.5%；当模体处于静止状态或呼吸门控状态下时，测得的平面剂量分布和DVH与TPS输出的偏差很小，而模体处于自由运动状态下时，测得的偏差会变大，靶区的剂量偏差会接近20%(-18.8%～19.7%)。这一研究结果再一次验证了呼吸运动对剂量的影响呈现出统计平均的这一特点，但也提示不加控制的自由呼吸会对剂量产生重大影响。显见，这2项研究对剂量偏差的考量主要还是集中在射束的中心，即靶区所在位置，而对偏中心的危及器官所在的位置关注得不够。

因此，本研究采用Quasar模体模拟呼吸运动，测量了在不同幅度和频率下偏中心处点剂量和面剂量的绝对偏差。模体在静止时，测量到的偏差反映了计算机系统本身的计算误差或这种测量方法本身的缺陷导致的误差，见表1和表3，这些误差与运动的幅度和频率是无关的。表1中的数据反映，该研究使用的计划系统的计算误差<3.0%, 这是一个可以接受的计算误差[11-13]。表3中的γ通过率，最小值是第8例患者，为75.4%，影响胶片验证通过率的因素很多也很复杂，诸如扫描仪的质量、扫描时电压的稳定性、胶片制造的工艺条件等等[14-15]。但在本研究中，影响γ通过率的主要原因是胶片所处的偏中心位置，偏中心位置的绝对剂量随患者的呼吸变化很大。因此，应当将胶片的通过率与点剂量的验证结果结合起来考察，第8例患者的点剂量偏差为2.3%(<3.0%)。表2中的数据反映，点剂量的偏差随振幅变大而变大，与频率几乎无关，如图3所示。当Quasar的插件运动时，插件携带的探头探测的是运动空间内多个点剂量的平均值，即Dm，并不是TPS输出的CT片上的探头所在点的剂量值Dc，Dm与Dc偏差的大小，取决于探头运动空间内剂量的均匀性，若运动空间内的剂量均匀，侧偏差较小；反之，则偏差较大。当Quasar的插件振幅变大时，意味着探头运动空间变大，这其实是在降低空间内剂量的均匀性，因此偏差会随插件振幅变大而变大。频率的改变带来的是测量次数和测量速度的改变，并不能带来运动空间的改变，因此偏差平均值几乎不会随频率而变化。

表4展现的是平面剂量的验证结果，γ通过率也随振幅的增大而降低，与频率几乎无关，产生这一结果原因同上述产生点剂量偏差随振幅变大而变大与频率几乎无关的原因相同。表4展现的验证结果比报道的结果[16-17]低，无论是在静止状态还是运动状态，这其中的一个主要原因是本研究的测量位置偏朝模体的一侧，测量位置并不处于射野聚焦的中心，即靶区处，而是处在低剂量区，且剂量不均匀。

4 结 论

点剂量的测量结果，当A=8 mm时偏差δ的平均值>3.0%, 和面剂量γ通过率的平均值50%左右，可以得出当A≥8 mm时，受呼吸运动影响面剂量γ通过率降低了30%。

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