基于运动模体研究呼吸运动对非小细胞肺癌调强放疗剂量的影响

王晓明 徐玉芬 宋燕薇 曹怡健

放射治疗是肺癌的重要治疗手段之一，肺癌放疗过程中呼吸运动导致靶区和周围正常组织的位置和剂量发生变化[1]。4D-CT 可获得肿瘤在各呼吸时相中的位移轨迹，可以减少靶区漏照或正常组织过量[2]，但调强放疗时多叶准直器切换的叶片、出束时间、随呼吸运动变化靶区位置之间存在不确定性，这种效应导致靶区实际接受的受照剂量与计划中医师给出的处方剂量存在差别。本次研究旨在通过自制运动模体研究肺癌调强放疗时呼吸运动导致的肿瘤中心剂量变化情况。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性选取2019 年1 月到2020 年7 月嘉兴市第一医院收治的非小细胞肺癌患者共35 例，其中男性31 例、女性4 例；年龄56～85 岁，平均（69.40±7.89）岁；靶区体积56.23～412.37 m3，平均体积（224.03±92.43）m3；其中中央型肺癌16 例、周围型肺癌19 例。所有患者均经细胞学或病理学证实为恶性肿瘤，放疗前签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 运动模体制作 该模体采用亚克力材质模拟胸廓及肿瘤。传动轴带动球体作往复运动，变频器调节摆动频率，分别模拟呼吸运动幅度及频率。球体中心插入电离室与剂量仪相连。表示头足方向的靶区运动幅度与运动周期关系的运动曲线近似于正弦方式。将0.65 CC的电离室（由德国IBA公司生产）插入球体中心，运动模体按放疗定位要求摆位后，利用大孔径定位CT（由荷兰飞利浦公司生产）进行扫描，采集后图像导入Pinnacle 16.2 计划系统（由荷兰飞利浦公司生产），勾画电离室灵敏体积区域。利用计划系统的质控工具生成验证模体。

1.2.2 计划设计 患者借助热塑膜、臂托等辅助定位装置固定患者体位。根据CT、PET-CT 等影像资料及肿瘤可疑侵犯的范围及亚临床病灶勾画肿瘤区（gross target volume，GTV）及临床靶区（clinical arget volume，CTV）；CTV 外放5～10 mm 并根据患者实际呼吸动度、摆位误差做适当修改形成计划靶区（planning target volume，PTV）。勾画双肺、脊髓及心脏等危及器官。利用Pinnacle16.2 治疗计划系统设计静态调强放疗计划，PTV 处方剂量60 Gy/30 f（2 Gy/f）。所有计划完成后需经高年资物理师和放疗医师共同确认通过。将每位患者治疗计划移植到运动模体，记录电离室灵敏体积区域的平均剂量。电离室灵敏体积区域的最大、最小在平均剂量5%以内[3]。

1.3 测量方法 ①剂量刻度：所用剂量仪及电离室经国家剂量院校正，根据美国医学物理师协会国际质控标准[4]对直线加速器进行绝对剂量刻度。②位置验证：将运动模体放置于Precise 直线加速器（由瑞典医科达公司生产）治疗床上，按放疗要求摆位后利用加速器自带的电子射野影像系统设备拍摄运动模体正侧位验证片与CT 定位生成的重建射野图像进行配准，误差≤1 mm 为验证通过。③数据采集：在直线加速器下对每个治疗计划对应不同呼吸运动幅度及周期采集10 次数据，包括在静态（0 mm）及不同呼吸运动幅度（±5 mm、±10 mm、±15 mm）与运动周期（3 s、3.75 s、5 s），组合测量9 次。测量时单独记录每个照射野的面板读数，根据国际原子能机构398 报告[5]要求进行修正并扣除本底后得到实际吸收剂量。④观察指标：偏差值。

偏差值=∣Dm-Dc∣/Dc×100%，

公式中Dm 为测量值（即单个计划所有照射野剂量总和），Dc 为计划值（即计划系统输出的电离室灵敏体积区域的平均剂量）。偏差值≤3%为定义为计划通过，反之为未通过计划。

1.4 统计学方法 采用SPSS 19.0 统计学软件进行数据分析。计量资料以均数±标准差（）表示。计量资料比较采用t检验。采用Pearson相关性检验比较呼吸运动幅度与未通过计划（偏差值＞3%）数量的相关性。设P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 三种不同呼吸运动幅度在不同运动周期时的偏差值比较见表1

表1 三种不同呼吸运动幅度在不同运动周期时的偏差值比较

由表1 可见，呼吸运动幅度为±5 mm 时，各运动周期下的偏差值与静态比较，差异均无统计学意义（t分别=-0.55、-0.84、0.47，P均＞0.05）。呼吸运动幅度为±10 mm、±15 mm 时，偏差值逐渐增加，除运动幅度为±10 mm，运动周期3.0 s 与静态比较差异无统计学意义外（t=0.05，P＞0.05），其余测量结果偏差值均高于静态，差异均有统计学意义（t分别=-2.92、-2.66、-3.32、-2.53、-2.05，P均＜0.05）。

同一运动幅度运动周期变化对测量结果的影响仅在运动幅度为±15 mm，运动周期为3 s 时的剂量偏值差低于运动周期为5 s 时，差异有统计学意义（t=2.51，P＜0.05）。其余同一运动幅度在不同运动周期下的测量结果比较，差异均无统计学意义（t分别=-0.32、1.16、1.89、0.81、0.82、0.22、2.51、1.46，P均＞0.05）。

2.2 三种不同呼吸运动幅度在不同运动周期下的未通过计划数见表2

表2 三种不同呼吸运动幅度在不同运动周期下的未通过计划数/次

由表2 可见，35 例患者三种运动幅度各运动周期的315 次测量，结果偏差值＞3%的未通过计划数54 次。运动周期3 s、3.75 s、5 s出现未通过计划数均随着运动幅度的增加而增加，与幅度呈正相关（r分别=0.30、0.23、0.22，P均＜0.05）。

3 讨论

在肺癌放疗过程中，呼吸运动导致放疗剂量出现偏差从而影响其治疗效果。很多学者利用呼吸门控技术、屏气技术等以减弱或消除放疗中呼吸运动产生的靶区运动伪影。但由于治疗复杂度增加，治疗时间延长，同时需要患者有较高的配合度及良好的肺功能，临床使用受限[6,7]。因此，自由呼吸下的调强放疗仍然是目前肺癌放疗的主流技术。在静态调强放疗中，通过多叶光栅调制生成的一个个子野叠加生成具有带有强弱信息的照射野，子野的出束时间与随呼吸运动不断变化的肿瘤位置均是不确定的，这种呼吸运动导致的模糊效应影响了整个靶区剂量的再归。

本次研究基于自制模体，通过执行电机驱动球体模拟肿瘤在胸廓内做往复运动，与静态验证模体相比加入了“位置—时间”的因素，从而能更加真实地反应肿瘤在运动过程中等中心点剂量的变化情况。本次研究结果显示，当呼吸运动幅度为± 5 mm时，三种呼吸运动周期对测量结果均影响较小，各周期动态测量结果与静态偏差值比较，差异均无统计学意义（P均＞0.05）。运动幅度增加至±10 mm、±15 mm 时影响效应增大，未通过计划（偏差值＞3%）数量逐渐上升，偏差值增大，随着运动幅度增加计划通过数呈现下降趋势。吴先想等[8]使用呼吸运动模拟平台带动二维电离室矩阵模体分析采集剂量与治疗计划输出剂量的γ 通过率指标，结果显示，呼吸幅度超过8 mm 时γ 通过率＜90%，且随着幅度的增大计划通过率下降。这与本次研究结果相似，但基于二维电离室矩阵的测量主要观察靶区整体的剂量分布情况。本次研究通过自制运动模体中插入电离室采集测量区的绝对剂量，能更加精确反应不同呼吸运动状态下靶区内局部微观剂量变化情况。

在对呼吸运动周期导致的剂量变化中，本次研究结果显示，运动幅度为±5 mm、±10 mm 时运动运动周期对于剂量偏差影响微弱。但当运动幅度为±15 mm、运动周期为3 s 时剂量偏差值较运动周期为5 s 时减小（P＜0.05）。Court 等[9]通过半导体植入到肿瘤模体模拟呼吸运动的剂量变化情况，结果显示，对于复杂计划，剂量率从600 Mu/min 降到200 Mu/min 时剂量偏差减少，计划多次执行后叠加剂量偏差亦呈现下降。有研究利用执行器带动模体在3D 空间做正弦运动，通过电离室测量靶区中心剂量静态与动态时的剂量变化情况，结果显示，2 Gy 及15 Gy分次剂量运动导致的剂量差异分别为7.8%和4.5%[10]。因此，当测量时灵敏体积始终保持在射野内或者射野外时测量结果不变，但当灵敏体积位于射野边缘时，运动频率增加或出束时间的延长会使其进入照射内的次数被平均，从而使随机误差减小，测量结果更接近于静态值。

综上所述，基于运动模体研究呼吸运动对非小细胞肺癌调强放疗剂量的影响与运动幅度呈正相关。运动频率的加快会降低肿瘤中心剂量偏差，但其影响较微弱。但本次研究仅探讨不同呼吸运动状态下肿瘤中心局部剂量的变化情况，临床治疗中还应该密切关注靶区边缘剂量和危及器官的受量以提高疗效。