蔡春雅，戴振暉，張白霖，朱琳，招什武，楊耕，朱遠湖，李飛，王學濤

廣州中醫(yī)藥大學第二附屬醫(yī)院，廣東廣州510006

前言

由呼吸運動導致的腫瘤運動仍是當今放射治療的一大難點，特別是在基于MLC 的調強放療中可導致最高47.8%的靶區(qū)劑量偏差［1］。近年來，放射治療方案漸趨于以立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiotherapy,SBRT）為主的大劑量、大分割治療，對靶區(qū)劑量的精確度要求更高。呼吸門控、4D-CT等技術可在一定程度上預測腫瘤運動范圍，但由于缺乏可靠的腫瘤實時運動信息，無法保證靶區(qū)治療精度。Varian Edge 直線加速器配置的Calypso 4D 電磁跟蹤系統(tǒng)，可通過對植入到病人體內(nèi)或者放置在體表的Beacon 轉發(fā)器反饋的電磁信號進行檢測，在三維空間內(nèi)實現(xiàn)對靶區(qū)的實時連續(xù)跟蹤，精度達亞毫米級［2-4］。本研究基于Calypso電磁跟蹤技術，利用三維半導體探測陣列Delta4系統(tǒng)與自制呼吸運動平臺，探討對運動靶區(qū)的實時4D劑量驗證。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

1.1.1 Delta 4三維劑量驗證系統(tǒng) 圓柱形模體中嵌有兩個正交的二維半導體探測器矩陣，共有1 069個P型半導體探測器，探測面積20 cm×20 cm，中心6 cm×6 cm范圍內(nèi)探頭間隔為5 mm，周圍探頭間隔為1 cm，各向同性，可完成任意角度的測量，分辨率0.007 8 cm2，劑量響應最小為1 mGy。在實際測量前，Delta4需按步驟依次進行參考點測量、相對劑量校準、絕對劑量校準和方向性校準，其中參考點的劑量測量使用0.6 cc指形電離室插入Delta4校準模體內(nèi)進行。

1.1.2 Calypso電磁定位跟蹤系統(tǒng) 由Beacon轉發(fā)器、控制臺、電磁陣列、光學定位系統(tǒng)和監(jiān)測工作站5 個部分組成。Beacon 轉發(fā)器分為植入式與表面式，植入式轉發(fā)器將3個轉發(fā)器植入到靶區(qū)內(nèi)，對于離體表較近的腫瘤可在體表放置轉發(fā)器，以精確反饋腫瘤位置。當Calypso 系統(tǒng)檢測到運動靶區(qū)超出預先設定的運動閾值，立即觸發(fā)脈沖開關電路控制加速器停止出束，以保證治療過程中腫瘤靶區(qū)的位置自始至終處于高劑量區(qū)域，實現(xiàn)較小偏差的精確照射。

1.1.3 可編程呼吸運動平臺 自主研發(fā)的運動平臺最大運動幅度40 mm，最大載重20 kg，可通過程序控制前后（SI）方向運動頻率和運動幅度實現(xiàn)周期往返運動。

1.2 放療計劃

在Eclipse計劃系統(tǒng)上，基于Delta4的CT圖像分別創(chuàng)建一個6 MV X線，5 cm×5 cm方野計劃；10 cm×10 cm方野計劃；直徑10 cm圓形野計劃。計算模體中的劑量，把三維劑量文件通過DICOM RT 傳輸?shù)紻elta4系統(tǒng)。

從2018年在廣東省中醫(yī)院接受調強放療的胸腹部腫瘤患者中隨機挑選接受靜態(tài)調強（Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT）計劃患者5 例，接受旋轉調強（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）計劃患者5 例，將所有計劃移植到Delta4 模體，分別重新計算模體中的劑量，導出RTDose 劑量分布文件。

1.3 驗證方法

1.3.1 實驗設置 如圖1所示，運動平臺置于Edge 直線加速器治療床上并搭載Delta4模體，模體表面十字線與機房激光十字線對齊。Delta4在驗證前預熱20 min，并完成一個盒式射野計劃測量。Calypso 陣列置于Delta4 上方，3 個植入式Beacon 轉發(fā)器固定在Delta4圓柱形模體表面（圖2），根據(jù)Calypso 系統(tǒng)跟蹤范圍要求，3 個轉發(fā)器相對于等中心坐標分別為A（-6,-1.5, 5）、B（-6, 1.5, 5）和C（6.0, 0.0, 5），單位為cm。電磁轉發(fā)器持續(xù)輸出三維空間實時位置信息，采集頻率為25 Hz［5-6］。在計劃系統(tǒng)的CT圖像上確定3個轉發(fā)器（Apex、Left、Right）位置并將轉發(fā)器坐標和計劃等中心坐標輸入Calypso工作站。

圖1 實驗設置Fig.1 Experimental setup

圖2 Calypso Beacon與Delta4模體相對位置Fig.2 Relative position of Calypso Beacon and Delta4 phantom

1.3.2 劑量測量 將Delta4 模體置于運動平臺上，運動平臺靜止不動，在模體上分別執(zhí)行放療計劃并保存測量結果；運動平臺搭載Delta4 模體作SI 方向上周期（T）＝5 s，振幅（A）＝±10 mm 的周期往返運動，分別執(zhí)行放療計劃并保存測量結果；運動平臺搭載Delta4 模體做SI方向上T＝5 s，A＝±10 mm的周期往返運動，使用Calypso 跟蹤模體運動，設置運動閾值分別為±2、±3、±5 mm，分別執(zhí)行放療計劃并保存測量結果。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 通過ScandiDos 軟件對Delta4 實際測量劑量分布與治療計劃系統(tǒng)計算的劑量分布進行對比，按照一般臨床要求，采用3%/3 mm 的γ 判定標準，通過的測量點數(shù)占有效測量點數(shù)百分比≥90.0%表示劑量驗證通過。靜態(tài)、動態(tài)無跟蹤、動態(tài)跟蹤不同閾值下γ 通過率兩組間比較采用配對t 檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 實測劑量γ通過率

靜態(tài)、動態(tài)下Calypso 運動閾值為±2、±3、±5 mm以及動態(tài)無跟蹤時γ 通過率見表1。與靜態(tài)下平均γ通過率比較，使用Calypso動態(tài)運動閾值為±2、±3 mm時γ 通過率差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），Calypso 動態(tài)運動閾值為±5 mm 與動態(tài)無跟蹤時比較γ 通過率差異具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。Calypso 動態(tài)跟蹤下使用±2、±3 mm運動閾值時γ通過率平均值≥90.0%。

表1 總γ通過率比較（%）Tab.1 Comparison of gamma passing rates(%)

2.2 單野劑量分布比較

圖3 單野劑量分布比較Fig.3 Comparison of single-field dose distribution

圖3是使用ScandiDos軟件顯示IMRT、VMAT計劃單個調強野下靜態(tài)、動態(tài)運動閾值±2 mm、動態(tài)無跟蹤情況下測量的冠狀面劑量分布圖及劑量分布曲線，可見在動態(tài)靶區(qū)劑量分布沿運動方向的差異明顯，中心及靶區(qū)周邊均出現(xiàn)劑量跌落的現(xiàn)象，IMRT較VMAT劑量跌落更為明顯。呼吸運動會導致實測劑量分布與IMRT 計劃劑量分布差異很大，使用Calypso 實時跟蹤，設置運動閾值≤±3 mm，動態(tài)下靶區(qū)劑量分布與計劃劑量基本吻合，確保腫瘤不漏照射。

3 結論

對于胸腹部腫瘤患者，呼吸運動導致的腫瘤運動可顯著引起劑量誤差。有學者通過CT掃描分析表明由于呼吸及心臟跳動等因素導致的胸腔內(nèi)腫瘤運動在SI方向上運動范圍最大（平均1 cm）[7-10]，Mechalakos等［11］通過熒光透視影像的研究也得出類似結論。本研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)下靶區(qū)劑量分布可見明顯鋸齒形分布，動態(tài)下靶區(qū)劑量分布出現(xiàn)明顯“模糊效應”，鋸齒分布幾乎消失，靶區(qū)邊緣適形度變差，這種差異主要出現(xiàn)在小野和射野邊緣處（圖3），動態(tài)測量時IMRT計劃各子野劑量偏差平均值約±32%，VMAT計劃各子野劑量偏差平均值約±28%。目前多數(shù)研究是基于模體建立數(shù)學模型等方法來說明呼吸運動對劑量的影響，4DCT界定腫瘤運動范圍、Varian Gating呼吸門控、Elekta ABC自主呼吸技術、CBCT校正擺位等技術雖可以指導臨床腫瘤治療方案和計劃設計，但不能完全消除實際呼吸運動造成的劑量影響[12]。

Balter 等［13］和戴振暉等[14］通過模體研究表明Calypso 系統(tǒng)定位精度可達亞毫米級，Mao 等［15］的研究表明Calypso 植入式轉發(fā)器植入患者體內(nèi)用作腫瘤位置跟蹤是可靠的，位置精度可達±1 mm。本研究中應用Calypso電磁跟蹤系統(tǒng)對靶區(qū)進行實時跟蹤，通過采集靶區(qū)實時位置信息進行在線四維劑量驗證，比較動態(tài)測量時有、無Calypso 引導以及不同運動閾值下實時三維劑量驗證的結果，探討腫瘤實時跟蹤對胸腹部腫瘤治療劑量精度的提高，實現(xiàn)了4D劑量驗證，對運動腫瘤放療有一定指導意義[16-20]。