基于动态呼吸模型的小野剂量学研究

肖杨 黄顺平 李恒 吴艳 李进

(重庆医科大学附属第二医院肿瘤中心，重庆 410000)

人体呼吸运动会导致肺组织体积与密度等发生较大的变化，据统计每个独立期的全肺体积差大约8%，膈位差约9 mm[1]。ROSENBLUM等[2]研究显示，正常人体呼吸导致的肺组织CT值的变化范围为-900 Hu～-300 Hu，肺密度最低值可至0.08 g/cm3。陈宁等[3]分析了目前常用探测器在小野数据采集中的局限性，结果显示，电离室体积的大小对于加速器数据的测量有较大影响，导致加速器小野数据采集与计划系统(TPS)模型建立受限。目前商用TPS考虑计算效率的问题，不能详细模拟次级电子在低密度组织的输运。有研究分析了不同低密度组织带来的侧向电子不平衡等问题，结果显示当组织密度小于0.4 g/cm3时，剂量计算误差较大且随密度变化明显，电子不平衡现象严重[4-5]。BEILLA等[6]分析了在深吸气屏气技术(DIBH)下几种常见算法出现的剂量差异，结果显示TPS在低密度组织剂量计算精确度方面具有一定局限性。针对以上问题，本研究首次结合4D-CT技术，建立肺部动态呼吸模型。采用蒙特卡罗方法探讨呼吸运动对立体定向放射治疗剂量计算的影响，并结合临床常见呼吸运动管理方式与TPS算法进行剂量学评估，为临床使用提供参考。

1 材料与方法

1.1

使用加拿大国家研究院(NRCC)开发研究的EGSnrc[7]系列程序进行模拟计算，并使用系统BEAMnrc[8]进行6 MV医用电子直线加速器机头建模，机头主要由靶材料、初级准直器、均整器、监测电离室、反射镜、次级准直器以及多叶光栅组成。参考SHEIKH-BAGHERI等[9]的研究结果，本研究选择BEAMnrc 19号电子源。构建的加速器机头模型以及射野模型结构如图1所示。设置入射电子源能量为5.8 MeV，能量展宽为10%，径向强度分布半高宽FWHM为0.5 mm，射野大小分别设置为3 cm×3 cm、2 cm×2 cm以及1 cm×1 cm，SSD设置为100 cm。

1.2 标准模型的建立

肺部标准模体用于评价小野照射下肺密度变化引起的正常肺组织与肿瘤接收剂量差异，并进行侧向电子不平衡现象评估。如图2所示，在外层建立厚2 cm的TISSUE700ICRU模体，在中间建立厚10 cm 的LUNG700ICRU模体，正中心建立体积为1 cm ×1 cm ×1 cm大小的TUMOUR模体，体素大小为0.10 cm×0.10 cm×0.10 cm，整个模型周围为AIR700ICRU模体。基于ROSENBLUM等[2]的研究结果，正常人体内肺组织密度范围为0.08～0.40 g/cm3，本研究用于对比分析的肺组织密度分别设置如下：吸气末状态A 0.10 g/cm3，吸气中期B 0.20 g/cm3，呼气末状态C 0.30 g/cm3。

1.3

目前在放射治疗剂量计算过程中，大多基于静态CT图像进行靶区勾画与计划设计，且目前关于小野在不同低密度组织中的剂量计算差异的研究均存在类似问题[4-5]。本研究采用指定组织替换法建立更加符合实际的动态呼吸模型。由于国际相关机构并未发布有关呼吸运动的标准人体模型。本研究选择一例相对具有代表性的小细胞肺癌患者DICOM格式的4D-CT图像，肺部肿瘤呈球形，直径约为2 cm，扫描时患者自由呼吸，在呼吸周期中的10个不同点重建扫描图像，形成不同的10个时相，由于呼吸周期具有对称性，因此一次深吸气动作具有5个时相。分别选择其中重建的10%、30%、50%时相，仅用于构建胸部轮廓模型，反映呼吸运动引起肺体积的变化。同时参照SCHNEIDER等[10]提出的“SCHNEIDER方法”对3种不同状态的肺组织以及肌肉、骨等结构进行元素成分及密度定义，利用EGSgui通过PEGS Date生成相应材料的反应截面，建立适用于EGSnrc的材料数据库，选择来自CIRS的CT电子密度模体，将定义的数据进行CT值电子密度转换生成CT RAMP，并将定义的材料分别填入对应的轮廓模型。生成的模型图如图3所示，显示在同一位置肺组织密度分别为0.09、0.25、0.41 g/cm3，符合本次所要求的呼吸动态模型。

A～C：同一位置肺组织密度分别为0.09、0.25、0.41 g/cm3

使用DOSXYZznrc[11]进行体素能量沉淀计算，以生成的相空间文件作为入射源，全局范围的电子截止能量(ECUT)为0.70 MeV，全局范围的光子截止能量(PCUT)为0.01 MeV，采用辐射光子分裂技术(BPS)提高剂量产生效率[12]，边界穿越算法采用PRESTA-Ⅱ以提高高能粒子的利用效率[13]，并利用直接韧致辐射(DBS)技术减小方差[14]，模拟粒子数109个[15]，其余采用默认设置。使用statdose[16]、dosxyzshow与3ddose-tools进行数据提取。

1.4

本研究PDD数据分析纵坐标直接采用能量沉淀计数，可直接反映剂量接收差异。Profile纵坐标采用归一化处理，可反映半影差异[17]，引入相对深度剂量因子(RDDF)[18]来描述对应深度侧向电子不平衡的严重程度。RDDF值越小表示侧向电子不平衡现象越严重，在未考虑该现象进行剂量计算时的计算误差越大。

2 结 果

2.1

由图4可以看出低密度组织随着深度增加，能量沉淀计数差异呈先增大后降低的趋势，在模体下7 cm处差异值达到最大。在3 cm×3 cm大小射野下，肺组织、肿瘤以及软组织模体剂量接收差异最大分别为23.72%、0.60%、1.15%(图4A)；在2 cm×2 cm大小射野下，肺组织模体剂量接收差异最大为35.12%，肿瘤模体剂量接收差异最大为1.25%，软组织模体剂量接收差异最大为12.23%(图4B)；在1 cm×1 cm大小射野之下，肺组织模体剂量接收差异最大为44.25%，肿瘤模体剂量接收差异最大为2.56%，软组织模体剂量接收差异最大为13.82%(图4C)。本研究显示，RDDF值随密度与射野改变变化较大，射野越小RDDF值越小，密度越低RDDF值越小。在1 cm×1 cm大小射野下，A状态时达到最低为0.59。在相同射野下密度越低RDDF值差异越大，在3 cm×3 cm大小射野下，A、C状态相对于B状态差异分别为-15.90%与4.54%。在2 cm×2 cm大小射野下，A、C状态相对于B状态差异分别为-19.51%与8.54%。同时在1 cm×1 cm大小射野下，A、C状态相对于B状态的差异分别为-22.37%与11.84%。由图5模体下7.5处Profile可以看出，在3 cm×3 cm大小射野下，在射野边缘A状态的半影区域明显高于B、C状态，随射野的减小该差异逐渐降低，靶区剂量平坦度随射野减小逐渐降低。

A:射野为3 cm×3 cm大小，B:射野为2 cm×2 cm大小，C:射野为1 cm×1 cm大小

A:射野为3 cm×3 cm大小，B:射野为2 cm×2 cm大小，C:射野为1 cm×1 cm大小

2.2

由图6可以看出，三种状态下的正常肺组织在低剂量区与高剂量区等剂量线分布具有一定差异，30%等剂量线(绿色)A状态明显低于B、C状态。由图7可以看出，低密度肺组织在低剂量区接收体积更大，在4 Gy处体积差异最大达8%，A、B、C三种状态V5Gy分别为28%、30%、34%。但低密度肺组织在高剂量区接受体积更小，在16 Gy位置差异最大达-5%，A、B、C三种状态V15Gy分别为10%、12%、13%。靶区接收剂量随密度降低而逐渐升高，靶区最大剂量设置为60 Gy，在40 Gy位置体积差异最大，达15%，同时随着剂量的增加体积差异逐渐降低。

A1、B1、C1分别为A、B、C三种状态横断面图像，A2、B2、C2分别为A、B、C三种状态的冠状面图像

图7 三种状态下DVH图

3 讨 论

小野剂量计算受数据采集时的体积效应以及TPS算法不能完全考虑侧向电子不平衡现象的影响存在较大误差[3-4]，而蒙特卡罗算法作为放射治疗领域算法的金标准[19-20]，本次研究实现了利用蒙特卡罗算法在标准模体与人体模体下对小野的剂量进行计算，可为同类研究提供方法参考。

本研究结果显示，在低密度肺组织中，肺上游次级电子减少，能量沉淀突然降低，但在交界面后会形成剂量累积区。在肺-软组织交界面，由于肺组织中会产生大量次级电子，产生了剂量累积区，在短距离内形成电子平衡。在吸气末状态由于肺组织密度较低，剂量接收明显减小，且射野越小接收剂量越小。但在密度较低时侧向电子不平衡现象更严重，在该状态进行剂量计算时误差较大。同时在低密度组织中对射野半影影响更大，考虑主要原因为本次加速器模型为模式FFF[21]，其次为小野侧向电子不平衡现象对于边缘剂量影响较大。基于已有研究发现，笔形束算法会高估正常肺组织接收剂量[22]，卷积叠加法与蒙特卡罗算法一致性较好[23]，AAA算法在中低密度组织剂量计算方面效果较好，但在较低密度组织中会高估剂量[24]。标准模体中由于肿瘤体积设置较小，在肺组织-肿瘤交界面产生的次级电子射程大于肿瘤体积[25]，导致在小体积肿瘤中剂量接收差异不大，但在肺组织-软组织交界面，由于下游软组织具有较大体积，在软组织中A状态接收剂量明显高于B、C状态。

在对人体模型的剂量计算中，本研究首次基于4D-CT技术建立动态呼吸模型，DVH图中正常肺组织与靶区剂量的提取范围来源于CT值，可有效避免几何形变对体积采集的影响，可准确地反映出三种模式剂量接收差异，靶区由于体积较小，用于统计能量沉淀的体素较少，所以靶区数据波动较大。在吸气阶段由于肺组织体积增加，在低剂量区低密度肺组织所占体积甚至高于高密度肺组织，只有在高剂量区肺组织接收剂量与标准模体下剂量接收规律一致，且差异小于在标准模体下的结果。由于肿瘤体积大于标准模体下的体积，在DVH图中靶区剂量差异明显，符合在标准模体下获得的结论。

综上所述，在肺部立体定向放射治疗中，呼吸运动对于正常肺组织与靶区剂量影响较大，在采用呼吸门控治疗时可选择在吸气末波段进行靶区勾画，同时对于肺功能较好的患者采用DIBH技术进行呼吸运动管理可能会有更佳的效果，同时应结合TPS算法合理评估肺组织接收剂量。