二维碳离子放疗计划中摆位误差对靶区剂量的影响

二维碳离子放疗计划中摆位误差对靶区剂量的影响

卢小丽¹ 马霄云¹ 张雁山² 孟万斌¹ 张福元¹ 吴嘉明¹ 李万国³ 朱芳芳¹

（甘肃省武威肿瘤医院，甘肃 武威 733000 1  放射治疗物理室；2  放疗三科；3  放射技术室）

［摘要］ 目的 探讨二维碳离子放疗计划中摆位误差对靶区剂量的影响。方法 基于现有的放疗计划系统 ciPlan，分别在水膜体和人体 CT 影像中建立一个 6cm×6cm×6cm 大小的规则计划靶区，采用碳离子二维均匀扫描，模拟靶区中心在左－右(L-R)、前－后(A-P) 和头－脚(H-F) 三个维度中单个方向、2个方向和3个方向分别偏离 0.5、1.0、2.0、3.0 和 5.0 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化。结果 在水模体当中，靶区中心偏移量≤1 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量很小；当靶区中心偏移量＞1mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量存在不同程度的增大，但靶区中心偏移量<2 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的偏差低于5%；当靶区中心偏移量＞3 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量变化剧烈，偏差甚至达到近50%。在人体 CT 影像中，靶区中心偏移量≤1 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量很小；当靶区中心偏移量＞1mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量就会出现比较复杂的变化。另外，不管是在水膜体中还是在人体 CT 影像中，剂量偏差均具有方向性，且靶区95%体积所受剂量相对于靶区90%体积所受剂量对位置精确度表现出更加明显的相关性。结论 在碳离子二维均匀扫描过程中，为了保证靶区的剂量，摆位误差应≤1 mm；靶区95%体积所受剂量相对于靶区90%体积所受剂量对摆位精确度的依赖更强；在非均匀模体 CT 影像中，位置的偏移对靶区剂量的影响更为复杂。

［关键词］ 重离子放射疗法；碳离子放射疗法；放射治疗剂量；放疗计划设计；被动扫描；摆位误差

［中图分类号］ R73-33;R815.6 ［文献标志码］ A

EFFECTS OF POSITIONING ERROR ON DOSE TO TARGET VOLUME IN TWO-DIMENSIONAL CARBON ION RADIOTHERAPY PLANNING

LU Xiaoli, MA Xiaoyun, ZHANG Yanshan, MENG Wanbin, ZHANG Fuyuan, WU Jiaming, LI Wanguo, ZHU Fangfang (Department of Radiotherapy Physics, Gansu Wuwei Tumour Hospital, Wuwei 733000, China)

[ABSTRACT] Objective To investigate the influence of positioning error on the dose to the target volume in two-dimensional (2D) carbon ion radiotherapy planning. Methods Using the existing ciPlan planning system, a regular planning target volume 6cm × 6cm × 6cm in size was established in a water phantom and human CT images. With 2D uniform carbon ion scanning, we simulated the changes in doses to 90% and 95% of the target volume when the center of the target volume was deviated by 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, or 5.0 mm in single, two, or three directions of left-right, anterior-posterior, and head-foot directions. Results In the water phantom, when the offset of the target center was ≤1 mm, the changes in doses to 90% and 95% of the target volume were both very small. When the offset was >1 mm, the changes in doses to 90% and 95% of the target volume showed different degrees of increases, but smaller than 5% if the offset was <2mm. When the deviation was >3mm, the doses to 90% and 95% of the target volume showed dramatic changes, which could reach nearly 50%. In human CT images, when the center offset was ≤1mm, the changes in doses to 90% and 95% of the target volume were very small. When the center offset was >1 mm, the doses to 90% and 95% of the target volume showed more complex changes. In addition, dose changes showed directionality in both the water phantom and human CT images, and the dose to 95% of the target volume was more dependent on the accuracy of position than that to 90% of the target volume. Conclusion In 2D uniform carbon ion scanning, the positioning error should be ≤1mm to ensure the dose to the target volume. The dose to 95% of the target volume is more dependent on positioning accuracy than the dose to 90% of the target volume. The influence of positioning error on the target dose is more complex in the inhomogeneous CT image phantom.

[KEY WORDS] Heavy ion radiotherapy; Carbon ion radiotherapy; Radiotherapy dosage; Radiotherapy plan design; Passive scanning; Positioning error

放射治疗是癌症治疗的三大方法之一，随着科技的发展，重离子放疗因其特殊的物理特性和生物特性，逐渐展现出对肿瘤治疗的独特优势。在物理学方面，带电重离子穿过物质时，在浅层部位形成低剂量平坦区，而在射程末端时残余能量完全释放形成一个高电离密度峰，即 Bragg 峰。在生物学方面，重离子束也具有显著的优势。首先，其相对生物效应(RBE)高。重离子照射可导致70%的 DNA 分子发生两处以上的双链断裂，且关键位点更易受到损伤，难以被修复，可导致肿瘤细胞死亡^[1-3]。由于碳离子存在 Bragg 峰，传能线密度(LET)在射程末端剧增，且对应的 RBE 值也会增加，因此可考虑通过设计脊形过滤器来降低远端物理剂量的相对权重，此方面日本和德国相关研究较多^[4-6]。其次，重离子杀灭肿瘤无细胞周期依赖性，不受细胞周期的限制。重离子显著的物理学和生物学特性，使碳离子治疗被临床广泛地应用于头颈部肿瘤、肺癌、肝细胞肝癌和恶性黑色素瘤等多种恶性肿瘤的治疗^[7]。

正是由于重离子具有的这些独特物理和生物学特性，与光子放疗相比，重离子放疗提高了治疗的精确性，但其中摆位误差对重离子治疗的精准度和疗效具有重要影响^[8]。伴随图像引导技术的发展，关于摆位误差对于治疗影响的研究也日益深入和精细^[9-11]，包括针对不同部位^[12-13]、不同肿瘤^[14-16]、不同影像设备摆位误差的分析^[17-18]等。如日本在前列腺癌、直肠癌和胰腺癌碳离子放疗中摆位误差对计划治疗剂量分布和危机器官的影响，以及位置的重复性对计划治疗剂量分布的影响方面均已经进行了相关研究^[19-20]。另一方面，相比于光子治疗的强度调节和拉弧照射等技术，国产碳离子放疗目前还处于二维适形阶段，对于这样一个特殊的二维适形技术，放疗过程中需要达到怎样的摆位精度仍待探索。
本研究通过在模体中模拟摆位误差对碳离子放疗计划治疗剂量的影响，探究二维碳离子放疗技术中摆位误差的精度。

1 材料与方法

利用碳离子放疗计划系统 ciPlan，分别在水膜体和人体 CT 影像中建立一个 6cm×6cm×6cm 大小的规则计划靶区(PTV)，观察 PTV 中心在左-右(L-R)、前－后(A-P)和头－脚(H-F) 3个维度发生 0.5、1.0、2.0、3.0 和5.0mm 偏移后靶区剂量的变化情况。

由于目前本中心仅有垂直和水平两个固定治疗头，因此本研究采用的是单野和双野计划模拟摆位误差对靶区剂量的影响，其中水膜体和人体 CT 影像中计划的射野方式分别如图 1、2 所示。所有的计划均采用的单次 4Gy(RBE)的剂量，共15次，总剂量 60Gy(RBE)，计划计算网格均为1mm大小。

2 结  果

水膜体中靶区位置在各个方向发生偏移后，靶区的剂量分布变化见图3。在水膜体中，首先，单个方向的靶区中心位置偏移导致的剂量变化较2个和3个方向偏移小。另外，由于束流的方向固定，不同方向的偏移带来的剂量偏差也不相同。其次，靶区中心偏移量≤1mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量很小；当靶区中心偏移量＞1 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量存在不同程度的增大，但是靶区中心偏移量≤2 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的偏差 d90 和 d95 低于5%（表1); 当靶区中心偏移量＞3 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量变化剧烈，剂量偏差甚至接近50%，其中从图3(A)和图3(B)的比较可知，靶区剂量受束流方向位置偏移的影响较大。另外，图3(A)位置偏移方向为 R-L 方向，从(H)和(H180)两个单野计划靶区的变化可以看出，位置偏移方向逆向束流方向明显比沿着束流方向对靶区剂量的影响更大，这个结果从图3(C)和(D)中也可以看到。然而，在人体 CT 影像当中，当靶区中心偏移量≤0.5mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量很小；当靶区中心偏移量≤1mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的偏差 d90 和 d95 低于3%（表2)。当靶区中心偏移量为2 mm 时，在人体 CT 影像当中，当2个方向同时出现偏移时，靶区90%和95%体积所受剂量的偏差 d90 和 d95 超过5%。当靶区中心偏移量＞2mm 时，剂量偏差会更大，甚至达到40%。

3 讨  论

本研究参照立体定向放射治疗中体部摆位误差的范围，进一步探讨摆位误差对二维碳离子放疗计划治疗剂量的影响。根据立体定向放射治疗的经验，头部的摆位误差较体部摆位误差小。体部的摆位误差在 R-L、A-P 以及 H-F 方向也不尽相同，其中 R-L 和 A-P 方向相差不大，单方向摆位误差均可在5mm以内，H-F方向摆位误差会相对较大，可以达到6mm^[10]。

本研究结果表明，单个方向的偏移带来的剂量改变较2个和3个方向偏移小，另外，由于束流的方向固定，不同方向的偏移带来的剂量偏差也有所不同。在水膜体和人体CT影像中，靶区中心偏移量≤1mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量很小；当靶区中心偏移量＞1 mm 时，靶区90%和95%体积所受剂量的变化量存在不同程度的增大。当靶区中心偏移量达到一定程度，靶区90%和95%体积所受剂量变化剧烈，偏差甚至能达到近50%。相对于均匀的水膜体，人体 CT 影像中靶区剂量的变化更加复杂。在 ciPlan 计划系统中，认为水的密度为1，其他介质可通过一定的转换系数用水等效来表示，从而将计划系统中所有的介质最终转换成水模体来计算靶区剂量分布，所以，相比于水膜体，人体 CT 影像中靶区中心偏移后，靶区90%和95%体积所受剂量的变化更为复杂。

另一方面，造成这一现象的原因与碳离子束独特的物理特性———Bragg 峰有关。碳离子的 Bragg 峰导致碳离子束流能量在射程末端急剧沉积，从而在束流末端对位置变化极度敏感。尤其是沿束流方向位置的偏移，束流顺向和逆向可以导致完全不同的结果，同时，国产重离子加速器通过射程移位器(Range Shifter)调节束流位置，采用多端口照射，使剂量尽可能落在靶区，多叶准直器(Multi-Leaf Collimator)和补偿器(Compensater)用于裁剪照射野以及适形照射野所对应的 PTV 的末端形状^[21]，但对束流前端无法适形，从而使靶区剂量偏差具有方向性。碳离子束在水中的剂量分布是其在介质中剂量计算的基础，ciPlan 将计算区域中所有介质转换为水，因此在非均匀组织的 CT 影像中，某个位置的偏移量转换到水等效的位置偏移远不是肉眼所看见的偏移结果，因此对靶区剂量的影响更为复杂。但是，从水膜体和人体 CT 影像模拟结果来看，对于二维碳离子放疗计划，若摆位误差控制在1 mm内则靶区剂量分布的变化量是可接受的。同时，根据这一结果，也对碳离子放疗中图像配准设备的精度提出了更高的要求。

通过本次研究，可以看出对于被动式碳离子均匀扫描放疗，摆位精度至关重要。仅仅是在规则形状的靶区中，位置的变化对靶区剂量就已产生如此明显的影响，那么在实际放疗中要针对各种不同形状的靶区，则摆位精度对其剂量的影响将更加难以估计。另一方面，点扫描和主动式调强是未来碳离子放疗计划发展的必然结果，其对摆位精度的要求也将更为严格。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。

Conflicts of Interest: All authors disclose no relevant conflicts of interest.

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初审：张莉红

复审：张   洁