重离子放射治疗靶区边缘剂量跌落分析

重离子放射治疗靶区边缘剂量跌落分析

马霄云,张雁山,张梦灵,孟万斌,卢小丽

(甘肃省武威肿瘤医院重离子中心,甘肃武威733000)

摘要:[目的]分析重离子放疗时靶区后缘的剂量跌落梯度,利用重离子治疗计划系统(Treatment planningsystem,TPS),分析固定束照射时在不同的入射方式、多种剂量分割条件下靶区边缘的剂量跌落速度,为重离子放射治疗时,靶区与危及器官之间的相对安全距离提供参考数据。[方法]在TPS中选择重离子均匀扫描模式,在均匀水模体中设计多种常用分割条件下单野照射、两野对穿照射、两野正交照射的重离子计划,以射野后缘中心轴线上剂量开始快速下降的位置为基准,采集各计划的剂量跌落数据。[结果]剂量跌落数据分析显示,单野照射时,射野后缘5mm距离后剂量可跌落至约20%;两野对穿照射时,射野后缘5mm距离后剂量可跌落至约50%;两野正交照射时,射野后缘5mm距离后剂量可跌落至约30%~38%。重离子射束后缘的剂量跌落迅速,远优于X射线,在设计放射治疗计划时,可在满足靶区照射剂量的同时,使紧邻靶区的危及器官剂量限值达到临床可接受范围内。[结论]通过计划系统中的数据分析,可以看出重离子束射野后缘剂量的锐度是优于侧缘的,但其产生的X线污染也不容忽视;在实际情况中,重离子束穿射的人体组织是不均匀的,这也会对射野后方的剂量跌落曲线产生影响。故在实际临床中,还需考虑不均匀的CT值对重离子射束剂量跌落的影响。

主题词:重离子;均匀扫描;剂量跌落

中图分类号:R730.55文献标识码:A

重离子指原子序数大于等于2且失去核外电子的离子。重离子具有倒转的深度剂量分布,即布拉格峰(Bragg Peak)。带电重离子穿过人体组织时,在浅层部位剂量曲线相对保持恒定,形成低剂量平坦区,而在射程末端时离子速度瞬间变得很低,残余能量完全释放,从而形成一个高电离密度的峰,即布拉格峰。按照肿瘤形状和部位决定重离子速度并控制强度,使重离子高剂量分布区(Bragg峰)被调整嵌合在肿瘤靶区上,可以三维扫描进行适形治疗,使肿瘤组织被最大限度杀灭,而周围正常组织很少或几乎不受到照射,从而得到有效的保护。另外,相对于X射线来说,重离子在Bragg峰区具有较高的相对生物学效应(relative biological effectiveness,RBE),因此被认为是一种较好的放射治疗射线[1],可在杀死靶区肿瘤细胞的同时,尽可能地保护周围和辐射通道上的正常组织以使其少受损伤。其中,碳离子因其峰区与坪区之间的RBE值差别最大,被认为是目前发现的最适用于临床放射治疗的重离子。碳离子应用于临床对肿瘤进行放射治疗时,治疗副作用小,疗程短、疗效好,特别适合于不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分实体肿瘤的治疗。到2020年,世界范围内已开展临床治疗的重离子治疗系统均不具备旋转机架,都为固定机头照射,多设计为水平、垂直、45°角三种方向的治疗头,可实现肿瘤病灶的多种照射方式,又因重离子独特的物理学优势,物理师在设计放射治疗计划时,不需要像X射线放疗计划一样通常需要5~7个,或者更多的射野才能调节好靶区剂量,并对危及器官剂量进行限制。重离子放射治疗计划往往仅需2~3个射野即可满足临床要求。对于固定机头治疗来说,以单野照射、两野对穿照射、两野正交照射最为常见。单个布拉格峰尖锐狭窄,只有几毫米厚,为使重离子束可以覆盖各种大小的肿瘤,重离子有两种束流配送方式:一是被动式束流配送,使用固定的布拉格峰展宽(spread一out Bragg peak,SOBP);另一种是主动式点扫描。均匀扫描是重离子应用于临床放射治疗时的一种被动式束流配送模式,采用三角波等扫描方式横向扩展束流,脊形过滤器纵向展宽束流的Bragg峰,配合多叶准直器进行横向上适形照射的一种治疗模式[2]。针对重离子独特Bragg峰形成的靶区边缘剂量跌落分析较少,临床医师在收治重离子患者时,常需要考量患者肿瘤的位置和周围重要器官的位置关系,来评估此患者可否在保障靶区剂量的同时,也能达到邻近危及器官的剂量限值。本文是在碳离子均匀扫描模式下,分析了各射野方式、多种剂量分割条件下靶区边缘的剂量跌落速度,可以为重离子放射治疗时,临床医师收治患者提供参考数据,也可为勾画轮廓时,靶区与危及器官之间的相对安全距离提供参考数据。

1 资料与方法

1.1研究工具

利用重离子计划系统为工具,版本为ciPlan1.0,该重离子计划系统的原理是利用CT作为基础输入数据,提取CT值(hounsfield unit,HU),在对CT值沿束流贯穿方向上进行水等效转换后,利用生物模型计算重离子在人体或介质中的射程、能量沉积及剂量分布。该计划系统依托微型计算机编程语言Mi一Crosoft Visual C++模拟加速电场(加速环)、偏转和聚焦磁场等相应设备功能特性,配合脊型过滤器和降能片调用,可数字化调控束斑面积、束流标称能量和Bragg峰展宽,准直器内置榫卯结构的多媒介钨铜合金叶片,与治疗终端兼容一致。内置算法以高能碳离子(12C6+)束在水介质中剂量Bragg峰形的剂量分布特性为基础构建模型,利用剂量笔形束算法(PBC,Pencil Beam Calculation)原理,计划系统内部包括了治疗室机架角度、能量档位、束流径向剂量分布和相对生物效应比值统计汇总表等设备参数,可实现患者定位CT图像导入、图像刚性融合配准、靶区及正常器官勾画、计划制作、计划数据采集、计划对比、计划报告导出和制作验证计划等基本功能。

1.2研究统计方法

重离子计划系统内设置均匀立方体水模体,靶区尺寸10cm×10cm×10cm,设计多种常用分割条件下单野照射、两野对穿照射、两野正交照射的重离子计划。在完成计划设计后,利用计划系统位置与剂量采集工具,沿射野中心轴线精确采集横向曲线分布数据,提取射野后方靶区边缘的剂量变化数据,以射野中心轴线后缘95%等剂量线的位置为基准,定义其剂量为100%,距离为0mm,采集距离20mm内各点的剂量数据。我们采集了总剂量60GY(RBE),分次分别为20次、15次、10次、6次的均匀模体标准计划的剂量跌落数据。

2 结果

2.1射野后缘一定距离的相对剂量

不同分次条件下同一种照射方式的剂量跌落趋势大致相同(Table1)。在单个射野进行照射时,射野中心轴线后缘在距95%等剂量线3mm的地方,重离子剂量可快速跌落至处方剂量的50%~60%左右;射野中心后缘在距95%等剂量线5mm的地方,剂量可跌落至处方剂量的20%~30%左右。可使重离子治疗危及器官离靶区较近的病例,在设计治疗计划时,物理师可以在满足靶区剂量要求的基础上,将紧邻的危及器官剂量降低到限值以内。

2.2不同射野方式下剂量跌落曲线

选取计划系统中单次4GY(RBE)的计划,将不同射野方式的剂量曲线(Figure1)对比。从图中可以看出,单野照射剂量跌落最快,这直观地反映了Bragg峰后方的剂量陡降,也就是重离子均匀扫描模式二维适形治疗的特征:靶区后缘适形。双野对穿剂量跌落最慢,这是由于双野计划其中一野的后缘是另一野的前缘,重离子束在物体中穿射时,由于SOBP的原因,多个Bragg峰的坪区剂量会叠加,导致SOBP后Bragg峰前缘剂量是相对较高的,同时双野对穿计划剂量在跌落后,在相对远的距离还保持一个较高的水平(20mm位置均大于35%)也是同样的原因。两野正交照射时,射野后方的剂量跌落速度居中,正交野一野的后缘是另一野的侧缘,其剂量是Bragg峰后缘和剂量边缘半影的叠加,相较于单纯Bragg峰后缘跌落略慢,跌落到平缓区域的距离也更长。射野陡降之后剂量曲线变得平缓,在这个平缓区域,两野正交照射的后缘剂量是要低于单野照射的。而这部分X线贡献的剂量在布拉格峰后方形成了一个“尾巴”,使得Bragg峰后方有一段低剂量区,而由于侧向散射的X线量较少,故在射野侧缘并不存在这样的低剂量区,双野正交照射叠加了射野后缘与侧缘的剂量,在两野权重1:1的情况下单野后方的低剂量区剂量基本上是双野正交照射射野后方剂量的两倍。

2.3不同分次下剂量跌落曲线

分别在单野照射、两野对穿照射和两野正交照射三种不同照射方式下,分别绘制不同分次下剂量跌落曲线的对比图(Figure2~4)。可以看出相同照射方式情况下不同分次的剂量跌落曲线趋势基本相同,大分割(单次10GY(RBE))时剂量总体略微偏高,尤其是单野照射和两野对穿照射时较为明显。

3 讨论

由于重离子具有布拉格峰的物理特征,在进行放射治疗时,相对于传统X射线治疗,重离子剂量分布在靶区边缘会有陡峭的跌落,从而能够更好地保护周围的危及器官。重离子的这个优势,使其可以治疗一些特别靠近危及器官的靶区。本研究的目的是分析重离子放疗时靶区后缘的剂量跌落梯度,可以为临床上提供参考数据。在设计重离子治疗计划时,具体选用何种照射方式一般取决于周围危及器官的位置,选取合适的射野角度可使正常器官受量达到最低。束流配送既将重离子束流从加速器输运到靶区进行照射治疗的过程,其目的是将束流构形,形成治疗需要的照射野,使患者靶区受均匀且足够的剂量照射,同时健康组织尽可能小的受到伤害。重离子有两种束流配送方式:一是被动式束流配送,使用固定的布拉格峰展宽;另一种是主动式点扫描。主动式束流配送时,加速器主动改变粒子的能量,从而改变离子束入射深度,同时利用磁扫描系统引导笔形束对肿瘤靶区进行适形或调强照射治疗。点扫描治疗时,为了减少分层照射的次数及缩短照射时间,一般需要把单能束流尖锐的Bragg峰做适当的展宽,这由迷你型脊型过滤器完成,它把单能束流的Bragg峰展宽成峰区为高斯型分布的微小展宽峰(min一isoBP)。被动式束流配送时,加速器提供固定能量的束流,通过扫描磁铁与散射体将束流横向扩宽成大的照射场;脊型过滤器将单能束流尖锐的峰在纵向展宽到与肿瘤厚度一致的Bragg峰;在束流通过路径上放置射程移位器,调节束流能量以达到不同的入射深度;通过多叶准直器在横向上截取与肿瘤靶区在束流方向上的投影轮廓相适形的照射野。展宽Bragg峰高剂量区的后沿形状由置于患者体表的组织补偿器来调整,这样可避免高剂量区对肿瘤靶区后方紧要器官的照射。本文中数据均在重离子被动式束流配送均匀扫描模式下进行分析,可以看出利用重离子束进行放射治疗时,由于其独特的物理学特性,靶区边缘剂量跌落非常迅速,重离子射束中心后缘在距95%等剂量线5mm的地方,剂量可跌落至处方剂量的20%~30%左右,即5mm可衰减掉70%~80%,这是重离子的优势,使得重离子可以对一些肿瘤靠近危及器官的患者进行安全的放射治疗。在使用X/Y射线进行放射治疗时,有一项研究比较了射波刀,螺旋断层治疗(Tomo),Edge加速器,Trilogy加速器和伽马刀5种设备在胰腺癌立体定向放疗中靶区边缘剂量梯度的跌落,5种放疗设备均能很好地完成满足临床要求的胰腺癌立体定向放疗计划,其中射波刀和伽马刀拥有更优的剂量跌落梯度[7]。在另一项研究中,利用射波刀系统实施立体定向放射治疗(SBRT)技术治疗椎体转移瘤,分析了在脊髓方向的相对剂量跌落速度,认为是40Gy组相对剂量跌落为(0.87±0.60)mm/5%Dmax,33Gy组相对剂量跌落为(0.69±0.16)mm/5%Dmax[8]。从这些研究可以看出,利用X/Y射线放疗时,立体定向放疗的剂量跌落速度较快,其中射波刀和伽马刀拥有更优的剂量跌落梯度,约为0.8mm跌落5%。但重离子束在射野后缘1mm的距离,剂量即可衰减掉8%~19%左右,所以X/Y射线放疗和重离子放疗相比,仍然是重离子束流的剂量跌落速度要最快。这就使得重离子可治疗危及器官离靶区特别近的疑难病例,在设计治疗计划时,物理师可以在满足靶区剂量要求的基础上,将紧邻的危及器官剂量降低到限值以内。由于本文分析数据来源于重离子治疗计划系统,所有数据在均匀水模体中设计治疗计划采集得到,在实际情况中,重离子束穿射的人体组织是不均匀的,而计划系统对计量的计算基于CT值,人体内不均匀的组织组织也会对射野后方的剂量跌落曲线产生影响,故在实际收治重离子患者时,还需以计划系统中实际计算的数值为基准,勾画靶区时,充分考虑与邻近危及器官的位置关系,保证在靶区达到处方剂量的同时,邻近危及器官的受照剂量也在临床可接受的范围内。重离子治疗系统因其昂贵的成本,使得重离子放射治疗费用较高,因此重离子放疗常会收治较多常规射线治疗后复发的肿瘤,还有因肿瘤特别靠近危及器官而被常规放疗拒绝的患者,如何有效安全地治疗此类患者是对重离子从业医生和物理师的挑战。

参考文献 :

[1]夏文龙 ,胡伟刚 ,戴建荣,等.粒子治疗技术的进展[J]. 中华放射肿瘤学杂志 ,2017 ,26(8):951-955.

Xia WL ,Hu WG ,Dai JR ,et al. Progress in charged particle therapy[J]. Chinese Journal of Radiationoncology , 2017 ,26(8):951-955.

[2]戴中颖 . 重离子三维点扫描技术及相关重离子剂量学研 究[D]. 北京. 中国科学院研究生院 ,2012.1-112.

Dai ZY. Heavy ion 3D spot scanning technology and related heavy ion dosimetry[D]. Beijing:Graduate school of Chinese Academy of sciences ,2012.1-112.

[3] Mitsutaka Yamaguchi ,Chih一Chieh Liu ,Hsuan一Ming Huang , et al. Dose image prediction for range and width verifications from carbon ion-induced secondary electron bremsstrahlung x一rays using deep learning workflow[J]. Med Phys ,2020 , 47(8):3520-3532.

[4]康月航 ,盛尹祥子 ,赵静芳 ,等 .质子束流蒙特卡罗模型 的建立及对脊形滤波器的探究[J]. 中国医学物理学杂 志 ,2020 ,37(5):535-540.

kang YH ,shengyin XZ ,zhao JF ,et al. Monte carlo simulation of proton beams and investigation on ripple filters[J]. Chinese Journal of Medical physics ,2020 ,37(5):535-540.

[5]李小波 ,江柳清 ,吴晓东 ,等 . 高剂量格栅状放疗技术及应用[J]. 中华放射肿瘤学杂志 ,2018 ,27(6):624-628.

Li XB,Jiang LQ ,Wu XD ,et al. The application of high-dose grid radiotherapy technique [J]. Chinese Journal of Radiation Oncology,2018,27(6):624-628.

[6]盛尹祥子 ,Kambiz Shanazi,王巍伟 ,等.  点扫描质子束治疗机头的蒙特卡罗模拟和验证[J].  中华放射医学与防护杂志 ,2019,39(8):635-640.

ShengYinXz ,KambizShanazi,WangWW,etal. Monte Carlo simulation and verification of a scanning proton beam nozzle[J]. chinese Journal of Radiological Medicine and protection,2019,39(8):635-640.

[7]上海医学会肿瘤放射治疗分会立体定向放疗学组 ,曹洋 森 , 张建英 ,等 . 五种光子放疗设备在胰腺癌立体定向 放疗中剂量学比较[J].中华放射肿瘤学杂志 ,2021 ,30(2) : 156-163.

Stereotactic radiotherapy group of Shanghai Medical Association,Cao YS,zhang JY ,et al. Comparison of dose distributions among five radiotherapy apparatuses in stereo tactic body radiation therapy for pancreatic cancer [J]. Chinese Journal of Radiation Oncology,2021,30(2):156-163.

[8]王金媛 ,鞠忠建 ,王小深 ,等. 椎体转移瘤立体定向放射治 疗剂量跌落梯度分析[J].中国医学装备,2015,(9):1-4 ,5.

WangJY, Ju ZJ, WangXS ,etal. The analysis of dose falling gradient in the treatment of spinal metastatic tumors implementing SBRT[J]. China Medical Equipment , 2015,(9) : 1-4,5.