基于新型模拟模型的碘化油沉积对肝细胞癌光子束放疗剂量学影响及校正

《Journal of Hepatocellular Carcinoma》：Dosimetric Impact and Correction of Lipiodol Deposition on Photon-Beam Radiotherapy for Hepatocellular Carcinoma Using a Novel Simulation Model

　　

目的：评估肝细胞癌患者中碘化油区域在光子束放疗计划系统内对放疗剂量分布的影响，并开发一种新的碘化油沉积模拟模型。 患者与方法：研究人员使用碘化油-猪肝混合物开发了碘化油沉积模拟模型，以模拟经导管动脉化疗栓塞术后肝脏内的碘化油区域。在Pinnacle3治疗计划系统中，通过比较使用6 MV X射线、不同分次剂量(1–10 Gy/f)的平坦化(FF)滤片及无平坦化(FFF)滤片光束时TPS计算剂量(DTPS)与探测剂量(DDET)，评估剂量差异。回顾性分析了60名接受TACE治疗的HCC患者的计算机断层扫描(CT)图像，并进行了相对电子密度校正和剂量学评估。剂量偏差在不同TPS平台和计算算法之间进行了评估。 结果：在采用卷积叠加(CCC)算法的Pinnacle3TPS中，LDSM揭示了因碘化油区域导致的光子束TPS剂量低估，且剂量偏差因子(δ)随碘化油浓度增加而增加(p < 0.001)。FF和FFF光束的影响范围分别为0.3%至4.3%和0.5%至5.7%，但剂量偏差与分次剂量无关。在患者放疗计划重新评估中，大体肿瘤体积的处方剂量覆盖率平均改善了3.42% ± 0.92%（范围：2.00–4.99%）。正常肝脏的50%处方剂量覆盖率增加了0.72% ± 0.36%（范围：0–1.3%），胃肠道组织的最大剂量(DMAX)增加了183.22 ± 138.80 cGy（范围：2.00–453.00 cGy）。肿瘤与胃肠道组织之间的最短距离是胃肠道剂量学偏差的独立预测因子。 结论：TACE术后，碘化油区域具有临床显著的剂量学效应，导致TPS低估了光子束给予的胃肠道DMAX。这种剂量学偏差应予校正，特别是在使用卷积算法的TPS中。

研究背景与目的

肝细胞癌(HCC)是全球癌症相关死亡的主要原因之一。对于不可切除的HCC，经导管动脉化疗栓塞是主要的治疗选择，而联合放疗可提高患者生存率。在光子束放疗计划系统中，放疗剂量分布是基于CT图像亨氏单位值到相对电子密度的转换来计算的。碘化油作为TACE术中广泛使用的栓塞剂，会在HCC病灶中选择性沉积，并在CT图像上长时间保持较高的HU值，从而可能导致TPS中的剂量评估不准确。尽管碘对比剂的剂量学效应已有研究，但碘化油区域在光子束放疗中的剂量学影响和校正此前尚未得到充分研究。目前存在的主要问题是，TPS可能因高原子序数材料（如碘化油）的存在而系统性地低估实际递送给肿瘤和危及器官的剂量，这增加了放疗毒性风险，特别是对邻近的胃肠道组织。为了量化这种影响并提供校正方法，本研究得以开展。

研究方法概览

本研究主要采用了三种关键技术方法。首先，开发了一种新颖的碘化油沉积模拟模型(LDSM)，该模型通过混合不同比例的碘化油与猪肝来模拟TACE术后肝内不同浓度的碘化油区域，并将其装载于可放置电离室探测器的腹部仿真模体中。其次，通过剂量学实验，在Pinnacle³TPS中使用CCC算法，比较了TPS计算剂量与在加速器上实际测量的探测剂量，量化了剂量偏差。最后，对来自单一中心、在2019年5月至2024年9月期间接受TACE和光子束放疗的60名HCC患者的回顾性队列数据进行了分析，在对其CT图像进行RED校正后，重新评估了放疗计划的剂量分布，并分析了影响剂量偏差的临床因素。

研究结果

基线RED评估与LDSM剂量低估

研究人员首先利用LDSM建立了碘化油浓度与平均RED之间的校准曲线，其相关系数高达0.9994。无碘化油样本的平均RED为1.062 g/cm³，与正常人体肝组织的RED范围一致，证实了LDSM可准确模拟人体肝内碘化油沉积。剂量比较显示，在Pinnacle³TPS的CCC算法下，D_TPS低于D_DET，表明因未校正碘化油区域的RED，光子束TPS存在剂量低估。剂量偏差因子(δ)随碘化油浓度（即RED）增加而增加，FFF光束的整体δ值高于相同分次剂量下的FF光束。剂量偏差与分次剂量无关。

患者队列特征

研究回顾了60名患者的资料，患者中位年龄60岁，中位GTV为491.6 mL。肿瘤与胃肠道组织的最短距离中位数为2.65 cm。正常肝组织的平均密度为1.07 g/cm³，而碘化油区域的初始平均密度为1.61 g/cm³，校正后降至1.35 g/cm³。

患者放疗计划的重新评估

对患者放疗计划进行重新计算后发现，在RED校正后，GTV的V100%平均增加了3.42%，CI无显著变化。正常肝组织的V50%平均增加了0.72%。胃肠道D_MAX平均增加了183.22 cGy，其中26名患者的增加值超过200 cGy。直观上，校正后显示更高剂量的等剂量线与胃肠道有更多重叠。例如，在一名患者中，胃肠道D_MAX从5573 cGy增加至6058 cGy，增幅达485 cGy，这使得剂量从临床可接受水平变为超出推荐最大剂量。

影响RED校正的因素

研究发现，肿瘤与胃肠道组织之间的最短距离是胃肠道D_MAX显著增加（>200 cGy）的独立预测因子。ROC曲线分析显示，该距离对是否需要临床剂量学校正具有很强的预测价值，曲线下面积为0.868，最佳临界值为2.75 cm。

不同TPS间的剂量偏差比较

不同TPS及其算法的剂量计算精度存在差异。具体而言，使用CCC算法的RayStation和Pinnacle³TPS低估了剂量；使用蒙特卡洛算法的RayStation和Monaco显示出最小的剂量偏差；使用各向异性分析算法的Eclipse显示出中等程度的剂量偏差；而使用基于卷积算法的TomoTherapy则显示出显著的剂量偏差。

讨论与结论

讨论部分总结：本研究首次通过整合模体测量与患者放疗计划评估，量化了碘化油对TACE术后光子束放疗的剂量学影响并提出校正方法。在光子束TPS中，基于卷积或各向异性分析算法未能准确估算碘化油区域的放射密度，导致TPS中临床显著的剂量低估，在FFF模式下尤其明显。这是因为这些算法主要考虑电子密度，而未充分模拟高原子序数材料中增强的光电效应和次级电子生成。而基于蒙特卡洛的算法通过跟踪粒子路径，显著减少了剂量差异。本研究提出通过调整RED值来进行校正，以克服当前TPS算法的固有局限，为TACE术后患者的精确放疗计划提供了理论基础。研究建立的LDSM确保了精度和可重复性。ROC分析为临床校正提供了实用临界值参考。本研究的局限性包括单中心回顾性设计可能的选择偏倚、对不均匀碘化油沉积进行了均一化简化处理，以及未全面评估肿瘤大小和位置对剂量分布的影响。

结论翻译：本研究所开发的LDSM用于评估碘化油区域对光子束放疗剂量分布的影响。使用基于卷积或各向异性分析的算法未能准确估算碘化油区域的放射密度，导致TPS中临床显著的剂量低估。研究人员建议对碘化油区域进行剂量学校正，以实现对靶区和危及器官的精确剂量评估，尤其是在使用基于卷积或各向异性分析算法的TPS中。所提出的方法对不均匀碘化油沉积的适用性有待进一步研究，长期临床结果需要更多的随访研究。