沐金明，田源，戴建榮

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心/中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院腫瘤醫(yī)院，北京100021

前言

目前，調強放療已經成為腫瘤放射治療的主要方式，調強技術按葉片運動模式主要分為Step&Shoot（SS）［1］和 Sliding Window（SW）［2］。SW 方式因其能產生與SS方式相同甚至更優(yōu)的劑量分布，且治療效率優(yōu)于SS方式［3］，正逐漸取代SS方式。目前主要用于治療器官位置相對固定的頭頸部腫瘤。近年來，越來越多的胸腹部腫瘤也開始采用SW方式的調強放射治療［4-5］。SW方式的多葉光柵（MLC）子野多為窄束野，隨著臨床上對劑量分布要求的不斷提高，窄束野射野寬度也越來越小。但胸腹部腫瘤靶區(qū)和危及器官通常都受到呼吸等生理運動的影響而產生移動。這些位移對窄束野劑量分布的影響也越來越明顯。

本研究以乳腺癌放射治療為模型，通過使用膠片分別測量MLC在不同的葉片移動速度和不同射野寬度條件下，窄束野在呼吸運動平臺驅動下膠片上的劑量分布，研究在呼吸運動影響下射野寬度與葉片速度等因素對SW射野劑量分布的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

使用Quasar呼吸運動平臺來驅動IBA調強驗證模體在治療床面上沿GT（Gun-Target）方向做水平運動［6-7］，模體源皮距98 cm。采用同一批次的輻射自顯影膠片Gafchromic EBT2［8-9］采集劑量分布。膠片位于模體表面下2 cm。機架角度為0°，準直器角度為90°，如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental device and setup

1.2 窄束野的設計

依據Elekta提供的RTPConnect Interface格式［10］，設計一組SW窄束照射野。窄束野平滑地掃過照射區(qū)域（總射野寬度），形成類似于常規(guī)矩形野的劑量分布；出束時間大于一個呼吸周期（3.33 s［11］），照射過程中MLC葉片運動方向保持不變；葉片速度保持一致；射野寬度（相對葉片間端與端的距離）保持一致；射野長度均為150 mm；使用6 MV光子線，輸出劑量率為600 MU/min。為使膠片上沉積足夠的劑量，需進行多次重復照射。實驗中保持輸出劑量率不變，將照射野MLC運動速度和Quasar運動速度同時同比例降低，增加MU。窄束野具體參數如表1所示。表1中G是射野寬度；V是葉片速度；TL為葉片掃過的距離，TL=V×Pr+G，其中Pr為呼吸周期；TT是持續(xù)出束的時間，TT=TL÷V；PD是一次照射膠片劑量沉積的估算值，PD=DR×（G÷V），式中DR為劑量率（10 cGy/s）；M是要使得膠片沉積劑量在150 cGy左右，需要重復照射的次數，M=Max（150÷DG,1）；MT為降低速度后的出束時間，MT=TT×M；MU為治療機跳數，MU=DR×MT。

表1 窄束野的設計參數Tab.1 Design parameters of narrow-beam fields

1.3 呼吸波形與運動模式

使用如圖2所示的呼吸波形模擬人體呼吸，幅度為20 mm。按照MLC葉片運動方向與模體在呼吸運動曲線吸氣段時運動方向之間的關系設計了3種相對運動模式：模式A為葉片運動方向與模體運動方向一致（采用圖2a的波形）；模式B為葉片運動方向與模體運動方向相反（采用圖2b的波形）；模式C為模體靜止，用于參考。

圖2 Quasar可編程呼吸運動平臺模擬的呼吸運動曲線Fig.2 Respiration curves simulated by Quasar

1.4 劑量分布曲線的采集與處理

讓加速器加載照射野以及Quasar驅動平臺，加載該照射野對應的驅動文件后，同時啟動加速器與Quasar驅動平臺，完成照射野的出束與膠片的照射（Profile膠片）。并對膠片進行灰度劑量定標。待膠片穩(wěn)定后［12-14］，使用Medi-6000醫(yī)用激光膠片掃描儀掃描，使用16 bits灰階，分辨率為600 dpi。

通過程序將Profile膠片轉換為二維數組后，將二維數組中每一列數據的平均值作為劑量分布曲線對應位置的灰度值，這樣在有效減小鋸齒的同時，保留了劑量分布曲線的特性，如圖3所示。

圖3 膠片劑量轉換為劑量分布曲線示意圖Fig.3 Illustration of converting film dose distribution to profile

1.5 數據分析

將劑量分布曲線進行分組比對分析。（1）相同射野不同運動模式之間的比對：分析同一照射野在不同模式下的照射范圍（照射范圍定義為模式C下中心軸劑量25%所包繞的范圍［15］）。并分析模式A、B照射范圍增幅特性。（2）相同運動模式不同射野下之間的比對：分析A、B模式下每條劑量曲線的最大劑量、最小劑量；對比相同射野寬度下不同葉片速度的射野劑量分布；對比相同葉片速度下不同射野寬度的射野劑量分布。

采用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件進行分析，對射野劑量分布曲線的照射范圍及增幅、最大劑量、最小劑量等采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為結果有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 不同運動模式間比較

如圖4所示，3種模式下的劑量分布有著顯著的差異，（圖4d為3種運動模式下射野寬度10 mm，葉片速度10 mm/s的窄束野劑量分布）。在模式C下，如圖4c所示，所有的劑量分布曲線表現(xiàn)為照射范圍內區(qū)域平坦，邊緣迅速跌落，與直接大野照射類似；模式A下，如圖4a所示，劑量分布較模式C寬，照射范圍增大（28.24±12.38）%，最大劑量增幅無統(tǒng)計學意義，大部分照射區(qū)域劑量偏低，在吸氣段時劑量有較大的差異，而呼氣段時及其它時段則較平緩；在模式B下，如圖4b所示，照射范圍增幅較模式C無統(tǒng)計學差異，在吸氣段時，劑量偏低，同時在照射范圍中部出現(xiàn)了一個尖峰，最大劑量增幅達到（204.79±49.35）%。結果如表2所示。

2.2 按相同射野寬度分組比較

按相同射野寬度分組后劑量分布比對結果如圖5所示，伴隨葉片速度的增大，劑量波動幅度隨之顯著增大，同時射野的照射范圍也隨之增大。隨著射野寬度的增大，射野內劑量波動幅度與葉片速度之間的關系逐漸減弱，但照射范圍與葉片速度之間的關系未見明顯減弱。

2.3 按相同葉片速度分組比較

按相同葉片速度分組后劑量分布比對結果如圖6所示，隨著射野寬度的增大，射野內劑量波動幅度隨之減小，射野波動范圍無顯著變化。射野內劑量變化的幅度與射野寬度的關系小，模式B較為顯著，模式A在高葉片速度的情況下較為顯著。模式A波動主要變化集中在吸氣段區(qū)域內，模式B主要集中在呼吸運動的吸氣末端與呼氣前端。

3 討論

圖5 相同射野寬度下不同葉片速度的射野劑量分布對比Fig.5 Comparison of profiles with the same field width and different leaf velocities

圖6 相同葉片速度下不同射野寬度的射野劑量分布對比Fig.6 Comparison of profiles with the same leaf velocity and different field widths

在實際臨床治療中，患者的生理運動是極其復雜的。通常情況下胸腹部器官運動幅度最大的是SI（Superior-Inferior）方向，其次是LR（left-Right）方向，最后是AP（Anterior-Posterior）方向。習勉等［16］通過4DCT對腹部器官的研究顯示腹部器官受到呼吸運動的影響主要為SI方向，最大幅度不超過11 mm。Brandner等［17］應用4DCT對13例患者進行腹部呼吸動度的研究，顯示肝、脾、左右腎臟在頭足方向的移動度分別達到13、13、11、13 mm。無論是哪種方向的運動，都會造成劑量學上的差異。當呼吸運動的方向與射野照射方向一致（或相反）時，由于照射部位除射野邊緣外始終處于照射野內，因此劑量差異較?。划敽粑\動方向與葉片方向垂直時，由于SW射野中相鄰葉片的劑量貢獻，會對劑量波動進行補償；而當呼吸運動方向與葉片方向一致（或相反）時，由于照射部位會脫離或追隨照射野，造成的劑量波動將最為顯著。而在治療計劃設計時葉片方向通常會在患者橫斷面上運動。由于乳腺部位的特殊性，最近Hirata等［18］研究發(fā)現(xiàn)乳腺受呼吸運動影響的位移幅度為6～15 mm，主要運動方向為AP方向。再根據乳腺癌放療時，射野通常處于患者兩側，因此本文選用AP方向來研究呼吸運動對SW射野劑量學最大潛在影響。

結合上文結果，射野葉片運動方向與呼吸運動吸氣時的方向一致時影響幅度和范圍均較小，因此治療計劃設計時建議盡量使葉片與腫瘤在呼吸運動吸氣時方向一致，如治療乳腺癌時（仰臥），當機架處于患者兩側時，應使得葉片沿患者AP方向運動。

窄束野的射野寬度增大可以有效地減小射野內劑量波動幅度及范圍，因此建議SW模式下射野的最小射野寬度應大于5 mm，盡可能大于10 mm。盡管設置最小射野寬度會增加治療計劃設計的難度，但是仍然是可以接受的。而葉片速度的減小可以有效地抑制劑量分布的波動。

田源等［4］研究表明可結合臨床需求使用大野照射貢獻主要劑量，適當補以調強射野的方式來達到劑量調制的目的；既可以保證單次照射劑量的穩(wěn)定性，也可以充分利用調強技術的劑量調制能力。但是對于靶區(qū)較小或與危及器官鄰近的腫瘤，呼吸運動會使得劑量偏離靶區(qū)。可使用呼吸管理技術如呼吸門控技術［19］或靶區(qū)跟蹤技術［20-21］等減少劑量分布的不確定性。

雖然在臨床治療中，最為關心的是患者的整個療程治療結束后的劑量分布，很少直接關注單個子野的劑量分布。但是臨床上依然希望患者在治療過程中受到穩(wěn)定的照射。本文研究得到的射野照射幅度增幅值、最大劑量增幅值、最小劑量增幅值等并非患者療程結束后實際的值，而是患者在治療過程中呼吸運動對劑量分布產生的潛在影響值，會對劑量分布產生不確定性。通過研究發(fā)現(xiàn)并減少這些潛在影響將有助于提高整個療程結束后劑量分布的穩(wěn)定性和精確性，從而使得臨床上可以將重心放在患者的整個療程治療結束后的劑量分布情況。當然實際臨床治療中照射野的射野寬度、葉片速度對患者全療程的劑量影響仍需要做進一步的研究。呼吸運動對劑量學影響的因素有很多，本文僅針對射野寬度、葉片速度等因素對劑量學的影響進行研究，對于患者的呼吸幅度與頻率等因素對劑量學的影響還需要做進一步研究。

4 結論

本研究通過使用膠片在呼吸模體驅動下在不同射野寬度和不同葉片速度下的劑量分布進行對比，發(fā)現(xiàn)射野寬度小、葉片速度高對劑量分布的影響最為顯著。在設計SW模式下的計劃時可以考慮加大射野寬度和（或）降低葉片速度的方式來減少運動對劑量分布的影響；而患者也可以采用淺呼吸，或使用呼吸控制裝置來有效地減小劑量的波動幅度。