盧小麗 馬霄云 張雁山 孟萬斌 張福元 吳嘉明 李萬國 朱芳芳

(甘肅省武威腫瘤醫(yī)院，甘肅 武威 733000 1 放射治療物理室； 2 放療三科； 3 放射技術(shù)室)

放射治療是癌癥治療的三大方法之一，隨著科技的發(fā)展，重離子放療因其特殊的物理特性和生物特性，逐漸展現(xiàn)出對腫瘤治療的獨(dú)特優(yōu)勢。在物理學(xué)方面，帶電重離子穿過物質(zhì)時，在淺層部位形成低劑量平坦區(qū)，而在射程末端時殘余能量完全釋放形成一個高電離密度峰，即Bragg峰。在生物學(xué)方面，重離子束也具有顯著的優(yōu)勢。首先，其相對生物效應(yīng)(RBE)高。重離子照射可導(dǎo)致70%的DNA分子發(fā)生兩處以上的雙鏈斷裂，且關(guān)鍵位點(diǎn)更易受到損傷，難以被修復(fù)，可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡[1-3]。由于碳離子存在Bragg峰，傳能線密度(LET)在射程末端劇增，且對應(yīng)的RBE值也會增加，因此可考慮通過設(shè)計(jì)脊形過濾器來降低遠(yuǎn)端物理劑量的相對權(quán)重，此方面日本和德國相關(guān)研究較多[4-6]。其次，重離子殺滅腫瘤無細(xì)胞周期依賴性，不受細(xì)胞周期的限制。重離子顯著的物理學(xué)和生物學(xué)特性，使碳離子治療被臨床廣泛地應(yīng)用于頭頸部腫瘤、肺癌、肝細(xì)胞肝癌和惡性黑色素瘤等多種惡性腫瘤的治療[7]。

正是由于重離子具有的這些獨(dú)特物理和生物學(xué)特性，與光子放療相比，重離子放療提高了治療的精確性，但其中擺位誤差對重離子治療的精準(zhǔn)度和療效具有重要影響[8]。伴隨圖像引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于擺位誤差對于治療影響的研究也日益深入和精細(xì)[9-11]，包括針對不同部位[12-13]、不同腫瘤[14-16]、不同影像設(shè)備擺位誤差的分析[17-18]等。如日本在前列腺癌、直腸癌和胰腺癌碳離子放療中擺位誤差對計(jì)劃治療劑量分布和危機(jī)器官的影響，以及位置的重復(fù)性對計(jì)劃治療劑量分布的影響方面均已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究[19-20]。另一方面，相比于光子治療的強(qiáng)度調(diào)節(jié)和拉弧照射等技術(shù)，國產(chǎn)碳離子放療目前還處于二維適形階段，對于這樣一個特殊的二維適形技術(shù)，放療過程中需要達(dá)到怎樣的擺位精度仍待探索。本研究通過在模體中模擬擺位誤差對碳離子放療計(jì)劃治療劑量的影響，探究二維碳離子放療技術(shù)中擺位誤差的精度。

1 材料與方法

利用碳離子放療計(jì)劃系統(tǒng)ciPlan，分別在水膜體和人體CT影像中建立一個6 cm×6 cm×6 cm大小的規(guī)則計(jì)劃靶區(qū)(PTV)，觀察PTV中心在左-右(L-R)、前-后(A-P)和頭-腳(H-F)3個維度發(fā)生0.5、1.0、2.0、3.0和5.0 mm偏移后靶區(qū)劑量的變化情況。

由于目前本中心僅有垂直和水平兩個固定治療頭，因此本研究采用的是單野和雙野計(jì)劃模擬擺位誤差對靶區(qū)劑量的影響，其中水膜體和人體CT影像中計(jì)劃的射野方式分別如圖1、2所示。所有的計(jì)劃均采用的單次4 Gy(RBE)的劑量，共15次，總劑量60 Gy(RBE)，計(jì)劃計(jì)算網(wǎng)格均為1 mm大小。

A、B分別為單野計(jì)劃(H)和(H180)，C、D分別為兩野計(jì)劃(H+V)和(H180+V)，其中H和V分別代表90°和0°機(jī)頭，180表示治療床角度

A和B：單野計(jì)劃，C：兩野計(jì)劃

2 結(jié) 果

水膜體中靶區(qū)位置在各個方向發(fā)生偏移后，靶區(qū)的劑量分布變化見圖3。在水膜體中，首先，單個方向的靶區(qū)中心位置偏移導(dǎo)致的劑量變化較2個和3個方向偏移小。另外，由于束流的方向固定，不同方向的偏移帶來的劑量偏差也不相同。其次，靶區(qū)中心偏移量≤1 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化量很??；當(dāng)靶區(qū)中心偏移量>1 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化量存在不同程度的增大，但是靶區(qū)中心偏移量≤2 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的偏差d90和d95低于5%(表1)；當(dāng)靶區(qū)中心偏移量>3 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量變化劇烈，劑量偏差甚至接近50%，其中從圖3(A)和圖3(B)的比較可知，靶區(qū)劑量受束流方向位置偏移的影響較大。另外，圖3(A)位置偏移方向?yàn)镽-L方向，從(H)和(H180)兩個單野計(jì)劃靶區(qū)的變化可以看出，位置偏移方向逆向束流方向明顯比沿著束流方向?qū)Π袇^(qū)劑量的影響更大，這個結(jié)果從圖3(C)和(D)中也可以看到。然而，在人體CT影像當(dāng)中，當(dāng)靶區(qū)中心偏移量≤0.5 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化量很小；當(dāng)靶區(qū)中心偏移量≤1 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的偏差d90和d95低于3%(表2)。當(dāng)靶區(qū)中心偏移量為2 mm時,在人體CT影像當(dāng)中，當(dāng)2個方向同時出現(xiàn)偏移時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的偏差d90和d95超過5%。當(dāng)靶區(qū)中心偏移量>2 mm時，劑量偏差會更大，甚至達(dá)到40%。

A和B：1個方向偏移，C：2個方向同時偏移，D：3個方向同時偏移。(H+V)、(H)、(H180)和(H180+V)表示機(jī)架的角度和束流的方向，H表示90°機(jī)架，V表示0°機(jī)架，180表示治療床的角度為180°，ΔD90和ΔD95分別表示靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化量。

表1 水膜體中PTV中心不同方向偏移量對靶區(qū)90%和95%體積所受劑量偏差d90和d95影響(χ/%)

表2 人體CT影像中PTV中心不同方向偏移量對靶區(qū)90%和95%體積所受劑量偏差d90和d95影響(χ/%)

3 討 論

本研究參照立體定向放射治療中體部擺位誤差的范圍，進(jìn)一步探討擺位誤差對二維碳離子放療計(jì)劃治療劑量的影響。根據(jù)立體定向放射治療的經(jīng)驗(yàn)，頭部的擺位誤差較體部擺位誤差小。體部的擺位誤差在R-L、A-P以及H-F方向也不盡相同，其中R-L和A-P方向相差不大，單方向擺位誤差均可在5 mm以內(nèi)，H-F方向擺位誤差會相對較大，可以達(dá)到6 mm[10]。

本研究結(jié)果表明，單個方向的偏移帶來的劑量改變較2個和3個方向偏移小，另外，由于束流的方向固定，不同方向的偏移帶來的劑量偏差也有所不同。在水膜體和人體CT影像中，靶區(qū)中心偏移量≤1 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化量很?。划?dāng)靶區(qū)中心偏移量>1 mm時，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化量存在不同程度的增大。當(dāng)靶區(qū)中心偏移量達(dá)到一定程度，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量變化劇烈，偏差甚至能達(dá)到近50%。相對于均勻的水膜體，人體CT影像中靶區(qū)劑量的變化更加復(fù)雜。在ciPlan計(jì)劃系統(tǒng)中，認(rèn)為水的密度為1，其他介質(zhì)可通過一定的轉(zhuǎn)換系數(shù)用水等效來表示，從而將計(jì)劃系統(tǒng)中所有的介質(zhì)最終轉(zhuǎn)換成水模體來計(jì)算靶區(qū)劑量分布，所以，相比于水膜體，人體CT影像中靶區(qū)中心偏移后，靶區(qū)90%和95%體積所受劑量的變化更為復(fù)雜。

另一方面，造成這一現(xiàn)象的原因與碳離子束獨(dú)特的物理特性——Bragg峰有關(guān)。碳離子的Bragg峰導(dǎo)致碳離子束流能量在射程末端急劇沉積，從而在束流末端對位置變化極度敏感。尤其是沿束流方向位置的偏移，束流順向和逆向可以導(dǎo)致完全不同的結(jié)果，同時，國產(chǎn)重離子加速器通過射程移位器(Range Shifter)調(diào)節(jié)束流位置，采用多端口照射，使劑量盡可能落在靶區(qū)，多葉準(zhǔn)直器(Multi-Leaf Collimator)和補(bǔ)償器(Compensater)用于裁剪照射野以及適形照射野所對應(yīng)的PTV的末端形狀[21]，但對束流前端無法適形，從而使靶區(qū)劑量偏差具有方向性。碳離子束在水中的劑量分布是其在介質(zhì)中劑量計(jì)算的基礎(chǔ)，ciPlan將計(jì)算區(qū)域中所有介質(zhì)轉(zhuǎn)換為水，因此在非均勻組織的CT影像中，某個位置的偏移量轉(zhuǎn)換到水等效的位置偏移遠(yuǎn)不是肉眼所看見的偏移結(jié)果，因此對靶區(qū)劑量的影響更為復(fù)雜。但是，從水膜體和人體CT影像模擬結(jié)果來看，對于二維碳離子放療計(jì)劃，若擺位誤差控制在1 mm內(nèi)則靶區(qū)劑量分布的變化量是可接受的。同時，根據(jù)這一結(jié)果，也對碳離子放療中圖像配準(zhǔn)設(shè)備的精度提出了更高的要求。

通過本次研究，可以看出對于被動式碳離子均勻掃描放療，擺位精度至關(guān)重要。僅僅是在規(guī)則形狀的靶區(qū)中，位置的變化對靶區(qū)劑量就已產(chǎn)生如此明顯的影響，那么在實(shí)際放療中要針對各種不同形狀的靶區(qū)，則擺位精度對其劑量的影響將更加難以估計(jì)。另一方面，點(diǎn)掃描和主動式調(diào)強(qiáng)是未來碳離子放療計(jì)劃發(fā)展的必然結(jié)果，其對擺位精度的要求也將更為嚴(yán)格。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。

ConflictsofInterest： All authors disclose no relevant conflicts of interest.