计算网格分辨率和射程回缩对碳离子治疗计划的影响

《Medical Dosimetry》：Dosimetric impact of computational grid resolution and range pull-back on carbon-ion treatment planning

　　

作者：易晓国、洪义才、刘新国、徐志国

中国科学院近代物理研究所，中国甘肃省兰州市，730000

摘要

碳离子放疗（C-ion RT）的效果受到治疗计划过程中使用的计算网格分辨率和范围调节策略的影响。本研究旨在评估网格分辨率和范围回缩（位移）对肿瘤靶区覆盖率和风险器官（OARs）保护的剂量学影响，以确定特定解剖部位的剂量安全边际或误差容忍度。使用内部治疗计划系统（TPS）在1至4毫米的网格分辨率下，评估了点扫描（SS）和均匀扫描（US）碳离子计划的剂量体积参数。范围回缩量被有意设置为1至5毫米之间，以1毫米为增量。采用逻辑回归模型来描述范围回缩与靶区和OARs剂量指标之间的剂量响应关系。与1毫米网格相比，4毫米网格下的US计划在D₉₅和D₉₈指标上显示出相对稳定的靶区覆盖率（ΔD_95US = 0.12％，ΔD_98US = 0.86％），而SS计划在这些覆盖率指标上略有下降（ΔD_95SS = 1.09％，ΔD_98SS = 1.59％）。在1至2毫米网格下，OAR的剂量体积参数保持高度一致，但在3至4毫米网格下出现显著偏差。通常为胸部靶区设定±1毫米的安全边际，头部和颈部靶区为±2毫米，腹部靶区为±3毫米，盆腔靶区为±2至3毫米。根据我们的研究结果，建议在大多数碳离子放疗临床场景中使用2毫米的计算网格；对于靠近连续OAR的靶区或靠近关键OAR的小靶区，建议使用1毫米网格。实施特定解剖部位的安全边际可以在保持肿瘤靶区相对生物效应（RBE）加权剂量覆盖的同时，减少辐射引起的不良事件。

引言

碳离子放疗（C-ion RT）在治疗计划优化和实时范围验证方面取得了显著的技术和方法学进展。然而，这种高精度治疗模式的几个关键方面仍未得到充分研究。其中一个方面是网格分辨率，它极大地影响了布拉格峰远端剂量下降的计算精度。^{1, 2}在放疗中，剂量梯度指数表征了靶区外剂量下降的陡峭程度，而准确捕捉这些剂量梯度依赖于适当的网格分辨率。³与质子放疗相比，碳离子束具有更尖锐的布拉格峰和更窄的峰宽，这增加了剂量计算对网格分辨率的敏感性，尤其是在异质组织中。⁴然而，目前尚缺乏关于临床相关网格分辨率对C-ion RT剂量计算精度影响的系统评估，也未研究针对患者的网格选择策略。这一差距具有重要的临床意义，因为不理想的网格分辨率可能会错误地表示剂量梯度，从而可能影响靶区覆盖并增加邻近风险器官（OARs）的辐射暴露。

范围不确定性是另一个关键但未充分探索的因素，它影响了粒子治疗的精度。⁵更陡峭的远端剂量下降和更高的相对生物效应（RBE）使得C-ion RT对范围不确定性特别敏感，这可能导致布拉格峰超过或低于肿瘤，从而增加OAR的剂量风险。^{6, 7, 8, 9}矛盾的是，控制范围回缩可以实现高线性能量传递（LET）和高RBE分布的空间优化，从而在保持靶区覆盖的同时减少OAR的暴露。这一反直觉的现象表明，可以战略性地利用有意的适度范围位移来微调生物效应。通过将高RBE加权剂量从正常组织重新导向，并在靶区内保留杀肿瘤剂量，这些调整有可能提高治疗效果。因此，提出了范围回缩容忍限（RPTL）作为一个关键的安全参数：一个特定解剖部位的阈值，定义了为保持靶区覆盖和剂量均匀性基准所需的最大允许范围回缩量，同时实现OAR保护的最大化。超过这一阈值，范围回缩会因剂量不足而降低治疗效果。迄今为止，范围回缩调节的剂量学后果尚未明确，C-ion RT的特定解剖部位RPTL也尚未确定。

基于我们之前使用ciPlan治疗计划系统（中国科学院近代物理研究所）对点扫描（SS）和均匀扫描（US）技术的比较分析¹⁰，本研究系统地评估了计算网格分辨率（1至4毫米）和范围回缩（1至5毫米）对C-ion RT治疗计划中靶区覆盖、剂量均匀性和OAR保护的剂量学影响。在这项研究中，我们根据束流输送技术和肿瘤部位提供了网格选择标准建议。此外，我们确定了特定解剖部位的安全边际，并定义了在保持靶区覆盖和治疗效果的同时最大化OAR保护的临床可行RPTL。此外，还评估了肿瘤体积、肿瘤部位、肿瘤深度、束流输送技术、束流数量和肿瘤形状等因素对靶区剂量均匀性的影响。预计这些研究结果将为临床实践提供可操作的见解，提高治疗精度，并减少C-ion RT中的辐射引起的不良事件。

章节摘录

材料与方法

本研究使用了2023年至2024年间甘肃省人民医院的完全匿名放疗数据。从不同解剖部位选取了91名患者，每名患者都有完整的诊断文件。所有入选患者的计划计算机断层扫描（CT）图像和数字医学成像与通信（DICOM）格式的放疗（RT）结构集被导入到ciPlan TPS（版本2.0）中。随后，这些数据集被用于计划制定

网格分辨率对剂量体积参数的影响

如图2所示，剂量体积参数在1至4毫米的计算网格分辨率下进行了评估。对于PTV，剂量参数（包括D_max、D_mean、D₂和D₅）随着网格变粗而增加（图2a?2b）。在US计划中，当比较4毫米和1毫米网格时，靶区覆盖参数（D₉₅和D₉₈）表现出相对稳定性，平均偏差为ΔD_95US = 0.12％和ΔD_98US = 0.86％。相比之下，SS计划在靶区覆盖率上略有下降（ΔD_95SS

讨论

本研究使用内部C-ion RT TPS评估了计算网格分辨率（1至4毫米）对剂量体积参数的影响。我们的分析揭示了技术依赖性的效应，特别是US计划对网格粗化的不敏感性，而SS计划随着网格变粗而逐渐降低靶区覆盖率，强调了高分辨率网格对于SS输送的重要性（图2a和2b）。OAR的剂量可以忽略不计

结论

本研究提供了关于选择网格分辨率、设定范围回缩阈值和定义C-ion RT中范围安全边际的见解。建议在大多数C-ion RT场景中使用2毫米的计算网格作为默认临床标准；对于小体积靶区或靠近关键连续OAR的肿瘤，建议使用1毫米网格。范围回缩策略有效地保护了OARs；然而，其临床效用受到3毫米补偿阈值的限制，这反映了

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国科学院关键技术人才计划（资助编号：E429551Y）、甘肃省卫生健康委员会科学研究管理项目（GSWSKY2024-66）以及甘肃省自然科学基金（23JRRA1284）的支持。