楊波，孔旭東，魏賢頂，孟東，陳建江

江南大學(xué)附屬醫(yī)院（無(wú)錫市第四人民醫(yī)院） 腫瘤放療科，江蘇 無(wú)錫214062

早期乳腺癌患者行保乳術(shù)加前哨淋巴結(jié)活檢及腋窩淋巴結(jié)清掃的同時(shí)進(jìn)行術(shù)中放療（Intraoperative Radiotherapy，IORT），能顯著減少局部復(fù)發(fā)和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，其局控率可以與乳腺癌保乳術(shù)后全乳放療相媲美，形成了早期乳腺癌患者保乳手術(shù)加術(shù)中放療的治療模式[1-2]。然而，術(shù)中放療的靶區(qū)劑量分布只能依據(jù)水箱測(cè)量數(shù)據(jù)、照射區(qū)域內(nèi)及周邊安置的有限的幾個(gè)微探頭實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。本研究利用蒙特卡羅算法（MC）建立乳腺癌IORT模型，根據(jù)患者術(shù)前的CT模擬術(shù)中影像進(jìn)行蒙卡計(jì)算，以保證靶區(qū)劑量的精度，優(yōu)化劑量分布。

1 優(yōu)化方法

1.1 模擬患者術(shù)中狀態(tài)的CT影像

患者術(shù)前采用GE公司的LightSpeed Ultra 8排螺旋CT進(jìn)行掃描。患者取仰臥位，患側(cè)上肢外展，盡量模擬手術(shù)體位，掃描范圍從環(huán)甲膜到乳腺皺褶下10 cm，層距、層厚均為5 mm。根據(jù)CT結(jié)合鉬靶片、B超或MRI資料確定腫瘤位置及大小，利用Matlab 及C++軟件在術(shù)前影像上進(jìn)行編輯， 模擬保乳手術(shù)切除腫塊及周圍1～2 cm的乳腺組織，再游離周圍2～3 cm乳腺組織直達(dá)胸大肌筋膜表面作為照射靶區(qū)（圖1）。

圖1 模擬乳腺癌術(shù)中放療狀態(tài)的CT影像

1.2 三維水箱實(shí)測(cè)術(shù)中放療電子線限光筒的劑量參數(shù)

我科術(shù)中放療加速器為美國(guó)VARIAN 23EX，常用的3套術(shù)中放療限光筒分別為筒端為5 cm×7 cm橢圓（筒Ⅰ）、Ф5 cm斜邊圓（筒Ⅱ）及3 cm×5 cm橢圓（筒Ⅲ），源至治療筒底端距離為118 cm。三維水箱系統(tǒng)為瑞典IBA Blue phantom 2，所用監(jiān)測(cè)電離室為PPC05平板電離室，參考電離室為cc113柱狀電離室。分別測(cè)量3套術(shù)中放療限光筒9 MeV及12 MeV下的百分深度劑量（PDD）曲線（依據(jù)TRS277號(hào)報(bào)告）、inline Profile、crossline Profile及參考深度（9 MeV為1.8 cm，12 MeV為2.2 cm）處的輸出因子。

1.3 基于蒙特卡羅算法的乳腺癌術(shù)中放療劑量模型的建立

① 蒙特卡羅程序?yàn)樵陔娮淤ゑR光子簇射模擬（Electron-Gama Shower Four，EGS4）基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的MCTP程序；② 根據(jù)加速器機(jī)頭結(jié)構(gòu)加上我科自制的術(shù)中放療電子線限光筒以及適配器建立術(shù)中放療的結(jié)構(gòu)模型（圖2）；③ 利用MCTP的MCBEAM程序?qū)σ陨辖Y(jié)構(gòu)模擬109個(gè)粒子進(jìn)行運(yùn)算，在治療筒下端生成相空間文件（Phase Space File，PSF）；④ 利用MCTP的MCSIM程序建立40 cm×40 cm×30 cm的模擬水模，像素大小為0.2 cm ×0.2 cm ×0.1 cm，PSF文件模擬108次History生成粒子在水模中的劑量分布3ddose文件；⑤ 利用Matlab編程提取3ddose文件中水模中心軸的PDD、inline Profile及crossline Profile，并與三維水箱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)調(diào)整電子線入射能量E、高斯徑向分布半高寬度（Full Width of Half Maximum，F(xiàn)WHM）及術(shù)中放療限光筒結(jié)構(gòu)使兩者計(jì)算誤差＜2%。

1.4 術(shù)中放療劑量?jī)?yōu)化

① 將已經(jīng)編輯好的CT影像導(dǎo)入瑞典ELEKTA Xio 4.70的治療計(jì)劃系統(tǒng)（TPS）中，在focal上進(jìn)行外輪廓、靶區(qū)及肺和心臟等危及器官的勾畫，并分別勾畫靶區(qū)表面添加不同厚度等效材料、靶區(qū)后緣分別添加不同厚度鉛板及鉛板前的熱點(diǎn)吸收區(qū)；② 經(jīng)Xio輸出DICOM Image及DICOM Structure set至MCTP的MCDICOM軟件，經(jīng)處理后生成MCTP模體文件Egs4phant；在MCSIM中編寫程序代碼，導(dǎo)入模體文件Egs4phant，給予靶區(qū)21 Gy劑量[3]；③ 跳數(shù)計(jì)算公式為：MU=DT(21 Gy)×輸出因子/參考深度PDD；④ 分別定義表面等效材料及熱點(diǎn)吸收區(qū)的材質(zhì)為聚乙烯，密度為1.06 kg/m3；定義靶區(qū)后鉛板的材質(zhì)為鉛，密度為13.6 kg/m3；⑤ 用MCSHOW顯示劑量分布及劑量體積直方圖（DVH），并通過(guò)調(diào)整等效材料及鉛板的大小和厚度不斷優(yōu)化劑量分布。

圖2 VARIAN 23EX加速器術(shù)中放療裝置結(jié)構(gòu)圖

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用PASW Statistics 18軟件進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。

2 結(jié)果

（1）基于蒙卡算法建立的乳腺癌術(shù)中放療模型的劑量學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1?？梢愿鶕?jù)靶區(qū)的大小選擇合適的限光筒、電子線能量以及有效治療區(qū)間進(jìn)行蒙卡計(jì)算。

（2）蒙卡算法與三維水箱實(shí)測(cè)的劑量學(xué)比較情況：① 9 MeV電子線PDD曲線兩者比較，在最大劑量點(diǎn)前，蒙卡算法略低于實(shí)測(cè)劑量，但斜率一致，在最大劑量點(diǎn)后擬合較好（圖3）；② 12 MeV電子線PDD曲線兩者比較，在最大劑量點(diǎn)前后兩者擬合均較好（圖4）；③ 實(shí)測(cè)與蒙卡算法的Profile比較，蒙卡算法略偏前，但兩者斜率一致（圖5）。

（3）劑量?jī)?yōu)化情況：① 用MCTP模擬未加任何等效材料，270°入射乳腺模型的劑量分布為：入射表面下有少量＜90%靶區(qū)劑量的區(qū)域，靶區(qū)后緣胸大肌及肋骨劑量＞80%靶區(qū)劑量，患側(cè)肺最大劑量＞70%靶區(qū)劑量，臨床靶區(qū)（CTV）均勻性差，V90%的靶區(qū)體積約73%（圖6）；② MCTP計(jì)算表面加2～3 mm等效材料、靶區(qū)后緣加5 mm等效材料再加2 mm鉛板模擬270°入射乳腺模型的劑量分布為：等效材料下靶區(qū)基本被90%等劑量線包繞，＞110%的熱點(diǎn)劑量全部落在靶區(qū)后緣5 mm的等效材料“吸收區(qū)”，鉛板后緣胸大肌、肋骨及肺劑量大部分被屏蔽，肺最大劑量＜1 Gy，靶區(qū)劑量均勻性明顯提高，V90%的靶區(qū)體積＞90%，V110%靶區(qū)體積＜4%（圖7）。

表1 乳腺癌術(shù)中放療各電子線限光筒劑量學(xué)參數(shù)表

圖3 實(shí)測(cè)和MC計(jì)算9 MeV電子線PDD比較圖

圖4 實(shí)測(cè)和MC計(jì)算12 MeV電子線PDD比較圖

圖5 實(shí)測(cè)和MC計(jì)算Profile比較圖

圖6 MCTP計(jì)算模擬270°入射乳腺模型劑量分布圖（優(yōu)化前）

圖7 MCTP計(jì)算使用等效材料、鉛板及吸收材料后劑量分布圖（優(yōu)化后）

3 討論

乳腺癌術(shù)中放療（IORT）在術(shù)中可直視瘤床，保證瘤床位置的準(zhǔn)確性，避免外照射可能出現(xiàn)的瘤床漏照及外照射過(guò)程中呼吸運(yùn)動(dòng)和擺位誤差的影響；同時(shí)IORT僅對(duì)部分乳腺照射，照射容積較少，可避免全乳照射后出現(xiàn)的乳腺萎縮、皮膚粗糙及色素沉著等現(xiàn)象[4]，因此可改善美容效果；IORT可縮短治療總療程，避免放化療的時(shí)間沖突，成為早期乳腺癌部分乳腺照射的“金標(biāo)準(zhǔn)”[5-6]。

但I(xiàn)ORT靶區(qū)劑量的實(shí)際分布情況往往僅依靠測(cè)量數(shù)據(jù)及術(shù)中小探頭進(jìn)行點(diǎn)劑量監(jiān)測(cè)獲取，無(wú)法獲取整個(gè)靶區(qū)及周圍正常組織的精確劑量分布，且添加表面等效材料及胸大肌筋膜上放置鉛板后的劑量分布根本無(wú)法知曉，從而制約了乳腺癌IORT的發(fā)展[7]。蒙特卡羅算法作為放療劑量計(jì)算的“金標(biāo)準(zhǔn)”[8-9]，通過(guò)隨機(jī)分布的方法模擬粒子在體內(nèi)的運(yùn)輸和劑量沉積情況，具備極高的劑量分布精確性。但乳腺癌IORT和外照射不同，目前尚沒(méi)有實(shí)時(shí)CT掃描來(lái)獲取相關(guān)影像，同時(shí)還沒(méi)有商用的術(shù)中放療TPS以進(jìn)行劑量?jī)?yōu)化。

本研究通過(guò)對(duì)患者術(shù)前乳腺CT影像的處理，模擬出術(shù)中乳腺的狀態(tài)，通過(guò)蒙卡程序MCTP計(jì)算出術(shù)中乳腺靶區(qū)及正常組織的劑量分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)目前IORT存在以下問(wèn)題：① 利用鹽水紗布作為組織補(bǔ)償物對(duì)表面劑量的提升有限且不穩(wěn)定，靶區(qū)表面劑量達(dá)不到90%處方劑量要求；② 靶區(qū)后緣使用2 mm鉛板后，靶區(qū)最大劑量可提升40%以上，靶區(qū)后緣5 mm范圍為＞110%處方劑量的熱點(diǎn)區(qū)域；③ 所用鉛板大小影響劑量分布形狀；④ 鉛板大小也影響鉛板后胸大肌、肋骨及肺的劑量分布。

在此基礎(chǔ)上，本研究利用MCTP通過(guò)對(duì)表面等效材料厚度及材質(zhì)、鉛板厚度及大小、鉛板和靶區(qū)后緣之間填充組織補(bǔ)償物等進(jìn)行模擬計(jì)算，以找出優(yōu)化靶區(qū)劑量、提高靶區(qū)劑量均勻性、消除靶區(qū)熱點(diǎn)、降低靶區(qū)后正常組織劑量的方法，總結(jié)如下：① 根據(jù)靶區(qū)實(shí)際大小及深度，選用90%深度劑量區(qū)間≥1.25倍靶區(qū)深度，90%劑量Profile≥1.25倍靶區(qū)實(shí)際大小的術(shù)中放療筒及能量；② 表面添加聚乙烯薄膜厚度（mm）為該能量下90%等劑量線深度減組織參考深度（一般取0.5 mm）再加1 mm；③ 靶區(qū)后緣添加2 mm鉛板，鉛板大小為靶區(qū)大小的1.5倍；④ 鉛板和靶區(qū)后緣之間放置 5 mm聚乙烯薄膜，大小為靶區(qū)大小的1.5倍。

利用蒙卡算法對(duì)乳腺癌IORT模型進(jìn)行計(jì)算，可獲取靶區(qū)及正常組織的劑量分布情況，找到優(yōu)化靶區(qū)劑量的方法，具有較好的個(gè)性化和實(shí)用性特點(diǎn)，值得臨床推廣。

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