呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)Sliding Window調(diào)強(qiáng)射野劑量學(xué)的影響

沐金明，田源，戴建榮

國(guó)家癌癥中心/國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院，北京100021

前言

目前，調(diào)強(qiáng)放療已經(jīng)成為腫瘤放射治療的主要方式，調(diào)強(qiáng)技術(shù)按葉片運(yùn)動(dòng)模式主要分為Step&Shoot（SS）［1］和 Sliding Window（SW）［2］。SW 方式因其能產(chǎn)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(duì)固定的頭頸部腫瘤。近年來(lái)，越來(lái)越多的胸腹部腫瘤也開(kāi)始采用SW方式的調(diào)強(qiáng)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(duì)劑量分布要求的不斷提高，窄束野射野寬度也越來(lái)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(yùn)動(dòng)的影響而產(chǎn)生移動(dòng)。這些位移對(duì)窄束野劑量分布的影響也越來(lái)越明顯。

本研究以乳腺癌放射治療為模型，通過(guò)使用膠片分別測(cè)量MLC在不同的葉片移動(dòng)速度和不同射野寬度條件下，窄束野在呼吸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)下膠片上的劑量分布，研究在呼吸運(yùn)動(dòng)影響下射野寬度與葉片速度等因素對(duì)SW射野劑量分布的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

使用Quasar呼吸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)驅(qū)動(dòng)IBA調(diào)強(qiáng)驗(yàn)證模體在治療床面上沿GT（Gun-Target）方向做水平運(yùn)動(dòng)［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(jī)架角度為0°，準(zhǔn)直器角度為90°，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental device and setup

1.2 窄束野的設(shè)計(jì)

依據(jù)Elekta提供的RTPConnect Interface格式［10］，設(shè)計(jì)一組SW窄束照射野。窄束野平滑地掃過(guò)照射區(qū)域（總射野寬度），形成類(lèi)似于常規(guī)矩形野的劑量分布；出束時(shí)間大于一個(gè)呼吸周期（3.33 s［11］），照射過(guò)程中MLC葉片運(yùn)動(dòng)方向保持不變；葉片速度保持一致；射野寬度（相對(duì)葉片間端與端的距離）保持一致；射野長(zhǎng)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(jìn)行多次重復(fù)照射。實(shí)驗(yàn)中保持輸出劑量率不變，將照射野MLC運(yùn)動(dòng)速度和Quasar運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)同比例降低，增加MU。窄束野具體參數(shù)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(guò)的距離，TL=V×Pr+G，其中Pr為呼吸周期；TT是持續(xù)出束的時(shí)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(fù)照射的次數(shù)，M=Max（150÷DG,1）；MT為降低速度后的出束時(shí)間，MT=TT×M；MU為治療機(jī)跳數(shù)，MU=DR×MT。

表1 窄束野的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of narrow-beam fields

1.3 呼吸波形與運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向與模體在呼吸運(yùn)動(dòng)曲線吸氣段時(shí)運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系設(shè)計(jì)了3種相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式：模式A為葉片運(yùn)動(dòng)方向與模體運(yùn)動(dòng)方向一致（采用圖2a的波形）；模式B為葉片運(yùn)動(dòng)方向與模體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬的呼吸運(yùn)動(dòng)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(qū)動(dòng)平臺(tái)，加載該照射野對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)文件后，同時(shí)啟動(dòng)加速器與Quasar驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，完成照射野的出束與膠片的照射（Profile膠片）。并對(duì)膠片進(jìn)行灰度劑量定標(biāo)。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(guò)程序?qū)rofile膠片轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組后，將二維數(shù)組中每一列數(shù)據(jù)的平均值作為劑量分布曲線對(duì)應(yīng)位置的灰度值，這樣在有效減小鋸齒的同時(shí)，保留了劑量分布曲線的特性，如圖3所示。

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

1.5 數(shù)據(jù)分析

將劑量分布曲線進(jìn)行分組比對(duì)分析。（1）相同射野不同運(yùn)動(dòng)模式之間的比對(duì)：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(yùn)動(dòng)模式不同射野下之間的比對(duì)：分析A、B模式下每條劑量曲線的最大劑量、最小劑量；對(duì)比相同射野寬度下不同葉片速度的射野劑量分布；對(duì)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(jì)軟件進(jìn)行分析，對(duì)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(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(nèi)區(qū)域平坦，邊緣迅速跌落，與直接大野照射類(lèi)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，大部分照射區(qū)域劑量偏低，在吸氣段時(shí)劑量有較大的差異，而呼氣段時(shí)及其它時(shí)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，在吸氣段時(shí)，劑量偏低，同時(shí)在照射范圍中部出現(xiàn)了一個(gè)尖峰，最大劑量增幅達(dá)到（204.79±49.35）%。結(jié)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(duì)結(jié)果如圖5所示，伴隨葉片速度的增大，劑量波動(dòng)幅度隨之顯著增大，同時(shí)射野的照射范圍也隨之增大。隨著射野寬度的增大，射野內(nèi)劑量波動(dòng)幅度與葉片速度之間的關(guān)系逐漸減弱，但照射范圍與葉片速度之間的關(guān)系未見(jiàn)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(duì)結(jié)果如圖6所示，隨著射野寬度的增大，射野內(nèi)劑量波動(dòng)幅度隨之減小，射野波動(dòng)范圍無(wú)顯著變化。射野內(nèi)劑量變化的幅度與射野寬度的關(guān)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(dòng)主要變化集中在吸氣段區(qū)域內(nèi)，模式B主要集中在呼吸運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)比Fig.6 Comparison of profiles with the same leaf velocity and different field widths

在實(shí)際臨床治療中，患者的生理運(yùn)動(dòng)是極其復(fù)雜的。通常情況下胸腹部器官運(yùn)動(dòng)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(xí)勉等［16］通過(guò)4DCT對(duì)腹部器官的研究顯示腹部器官受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響主要為SI方向，最大幅度不超過(guò)11 mm。Brandner等［17］應(yīng)用4DCT對(duì)13例患者進(jìn)行腹部呼吸動(dòng)度的研究，顯示肝、脾、左右腎臟在頭足方向的移動(dòng)度分別達(dá)到13、13、11、13 mm。無(wú)論是哪種方向的運(yùn)動(dòng)，都會(huì)造成劑量學(xué)上的差異。當(dāng)呼吸運(yùn)動(dòng)的方向與射野照射方向一致（或相反）時(shí)，由于照射部位除射野邊緣外始終處于照射野內(nèi)，因此劑量差異較??；當(dāng)呼吸運(yùn)動(dòng)方向與葉片方向垂直時(shí)，由于SW射野中相鄰葉片的劑量貢獻(xiàn)，會(huì)對(duì)劑量波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償；而當(dāng)呼吸運(yùn)動(dòng)方向與葉片方向一致（或相反）時(shí)，由于照射部位會(huì)脫離或追隨照射野，造成的劑量波動(dòng)將最為顯著。而在治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)葉片方向通常會(huì)在患者橫斷面上運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)影響的位移幅度為6～15 mm，主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)锳P方向。再根據(jù)乳腺癌放療時(shí)，射野通常處于患者兩側(cè)，因此本文選用AP方向來(lái)研究呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)SW射野劑量學(xué)最大潛在影響。

結(jié)合上文結(jié)果，射野葉片運(yùn)動(dòng)方向與呼吸運(yùn)動(dòng)吸氣時(shí)的方向一致時(shí)影響幅度和范圍均較小，因此治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)建議盡量使葉片與腫瘤在呼吸運(yùn)動(dòng)吸氣時(shí)方向一致，如治療乳腺癌時(shí)（仰臥），當(dāng)機(jī)架處于患者兩側(cè)時(shí)，應(yīng)使得葉片沿患者AP方向運(yùn)動(dòng)。

窄束野的射野寬度增大可以有效地減小射野內(nèi)劑量波動(dòng)幅度及范圍，因此建議SW模式下射野的最小射野寬度應(yīng)大于5 mm，盡可能大于10 mm。盡管設(shè)置最小射野寬度會(huì)增加治療計(jì)劃設(shè)計(jì)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(dòng)。

田源等［4］研究表明可結(jié)合臨床需求使用大野照射貢獻(xiàn)主要?jiǎng)┝?，適當(dāng)補(bǔ)以調(diào)強(qiáng)射野的方式來(lái)達(dá)到劑量調(diào)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(diào)強(qiáng)技術(shù)的劑量調(diào)制能力。但是對(duì)于靶區(qū)較小或與危及器官鄰近的腫瘤，呼吸運(yùn)動(dòng)會(huì)使得劑量偏離靶區(qū)?？墒褂煤粑芾砑夹g(shù)如呼吸門(mén)控技術(shù)［19］或靶區(qū)跟蹤技術(shù)［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(guān)心的是患者的整個(gè)療程治療結(jié)束后的劑量分布，很少直接關(guān)注單個(gè)子野的劑量分布。但是臨床上依然希望患者在治療過(guò)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(jié)束后實(shí)際的值，而是患者在治療過(guò)程中呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)劑量分布產(chǎn)生的潛在影響值，會(huì)對(duì)劑量分布產(chǎn)生不確定性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)并減少這些潛在影響將有助于提高整個(gè)療程結(jié)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(gè)療程治療結(jié)束后的劑量分布情況。當(dāng)然實(shí)際臨床治療中照射野的射野寬度、葉片速度對(duì)患者全療程的劑量影響仍需要做進(jìn)一步的研究。呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)劑量學(xué)影響的因素有很多，本文僅針對(duì)射野寬度、葉片速度等因素對(duì)劑量學(xué)的影響進(jìn)行研究，對(duì)于患者的呼吸幅度與頻率等因素對(duì)劑量學(xué)的影響還需要做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)使用膠片在呼吸模體驅(qū)動(dòng)下在不同射野寬度和不同葉片速度下的劑量分布進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)射野寬度小、葉片速度高對(duì)劑量分布的影響最為顯著。在設(shè)計(jì)SW模式下的計(jì)劃時(shí)可以考慮加大射野寬度和（或）降低葉片速度的方式來(lái)減少運(yùn)動(dòng)對(duì)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(lái)有效地減小劑量的波動(dòng)幅度。