成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模的研制*

潘文才 趙 鵬 周一兵 戴紅婭 錢金棟 種銀保*

隨著放射治療進(jìn)入到高精度放射治療時(shí)代，其實(shí)施技術(shù)和流程日趨復(fù)雜，在放射治療過程中劑量驗(yàn)證作為放射治療質(zhì)量保證的重要組成部分顯得越來越重要[1]。劑量驗(yàn)證的目的是避免因靶區(qū)的錯(cuò)誤照射而造成欠劑量或照射劑量不均勻，從而保護(hù)正常組織所受劑量在耐受范圍內(nèi)。劑量驗(yàn)證方法是將靜態(tài)體模(固體水或水體模)按照與患者定位時(shí)相同條件進(jìn)行X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(X-ray computed tomography，CT)，再將患者的治療計(jì)劃導(dǎo)入到體模CT圖像序列進(jìn)行計(jì)算，得到理論劑量分布，然后以體模代替患者將放射治療計(jì)劃在加速器上執(zhí)行，并將實(shí)測的劑量分布與計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算的劑量分布進(jìn)行比較[2-3]。然而，目前放射治療驗(yàn)證普遍的模式是建立在目標(biāo)位置和形狀是己知且保持靜止的基礎(chǔ)上，其剛性關(guān)系在某些情況下不成立，如胸腔會(huì)受到呼吸和心跳等運(yùn)動(dòng)的影響，在放射治療過程中目標(biāo)區(qū)會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)器官一起運(yùn)動(dòng)，造成治療計(jì)劃中的劑量分布和目標(biāo)實(shí)際接受的劑量分布存在差異[4-5]。

對于胸腹部腫瘤，肺、心臟等器官的運(yùn)動(dòng)干擾是放射治療計(jì)劃劑量驗(yàn)證的行業(yè)難題。隨著四維(four dimensional，4D)-CT的出現(xiàn)并在臨床上的應(yīng)用，放射治療中補(bǔ)償目標(biāo)位置隨時(shí)間變化在臨床應(yīng)用成為可能。目前，基于4D-CT治療計(jì)劃在臨床上處于初級階段，4D-CT圖像與真實(shí)器官運(yùn)動(dòng)的關(guān)系尚且未知，存在不確定性。此外，當(dāng)前放射治療驗(yàn)證主要采用γ通過率來判斷驗(yàn)證計(jì)劃的通過與否，γ通過率只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，不包含空間信息，而實(shí)際臨床中在某些時(shí)刻更關(guān)注γ值未通過點(diǎn)的空間位置，如高熱點(diǎn)是否位于脊髓區(qū)域等。因此，迫切需要具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系已知、能夠提供空間信息的仿真數(shù)字人體運(yùn)動(dòng)模型。

為提供探究呼吸運(yùn)動(dòng)對放射治療的劑量分布和劑量驗(yàn)證的研究工具，近年來，醫(yī)療設(shè)備公司先后開發(fā)出了Model 008A型胸部動(dòng)態(tài)體模和QUASAR呼吸運(yùn)動(dòng)體模[6-8]。雖然這2個(gè)體模能夠模擬3D呼吸運(yùn)動(dòng)，但Model 008A型胸部動(dòng)態(tài)體模存在組織材料非等效，使得劑量衰減與真實(shí)人體差距較大，體模僅能測量運(yùn)動(dòng)插件內(nèi)有限的點(diǎn)劑量，不能對其他感興趣點(diǎn)(如骨髓或其他肌肉組織)或空間進(jìn)行劑量測量等缺點(diǎn)，而QUASAR呼吸運(yùn)動(dòng)體模除上述缺點(diǎn)外，其最大的缺陷是電機(jī)負(fù)載能力非常有限，同時(shí)帶動(dòng)呼吸傳感器和運(yùn)動(dòng)插件時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。為此，本研究基于目前的放射治療驗(yàn)證體模和劑量驗(yàn)證方法，提出新的模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的數(shù)字人體劑量模型，即成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模，從組織材料、體模功能結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)測控方面進(jìn)行研制，重點(diǎn)解決組織材料等效和空間劑量測量的難題。

1 成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模的研制

1.1 總體結(jié)構(gòu)

成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模由成年人胸腹部體模和運(yùn)動(dòng)測控系統(tǒng)兩部分組成，胸腹部體模模擬正常成年人的胸廓結(jié)構(gòu)和比例，采用與人體CT值等效材料制作而成。運(yùn)動(dòng)測控系統(tǒng)是利用上位機(jī)控制3組電機(jī)組件產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，來模擬人體的呼吸3D運(yùn)動(dòng)和胸壁上下運(yùn)動(dòng)(如圖1所示)。

圖1 成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模作為放射治療的對象，其與真實(shí)人體器官的等效性非常重要，因此制作體模要求采用等效材料(CT值或電子能密度等效材料)。本研究前期課題組團(tuán)隊(duì)已經(jīng)攻克了組織材料的等效性難題，為成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9-11]。

成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模主要組成結(jié)構(gòu)分為四部分：①肺組織，其CT值設(shè)計(jì)為-800～-1000 HU；②等效人體肌肉組織的外輪廓，其CT值設(shè)計(jì)為40～90 HU；③等效脊柱骨組織，CT值設(shè)計(jì)要求＞600 HU；④圓柱形肺部運(yùn)動(dòng)插桿，為滿足臨床實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)插桿包含有模擬腫瘤插桿、4D-CT質(zhì)量控制插桿等。其中模擬腫瘤插桿為附帶有球形的模擬腫瘤靶體，分別為φ1 cm、φ2 cm和φ3 cm球體，CT值大于肺組織CT值，可放置電離室。此外，成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模還設(shè)置了膠片夾層和插桿預(yù)留插孔，膠片夾層用來放置膠片，多張膠片可獲得感興趣位置的劑量空間分布；插桿預(yù)留插孔主要是為后期的功能擴(kuò)展而設(shè)置，可用研究兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)組織的劑量分布、劑量驗(yàn)證等(如圖2所示)。

1.3 運(yùn)動(dòng)測控設(shè)計(jì)

圖2 胸腹部體模結(jié)構(gòu)圖

(1)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測控設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括插桿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和胸壁運(yùn)動(dòng)平臺(tái)：①插桿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由2個(gè)電機(jī)組構(gòu)成，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能，2個(gè)電機(jī)組通過電機(jī)連接桿帶動(dòng)肺部運(yùn)動(dòng)插桿進(jìn)行3D運(yùn)動(dòng)，用來模擬腹式呼吸運(yùn)動(dòng)；②胸壁運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由1個(gè)電機(jī)組構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)的主要目的是在CT掃描定位時(shí)采集患者的胸廓呼吸信號。人體肺部隨著吸氣和呼氣做3D往復(fù)呼吸運(yùn)動(dòng)，一般正常成年人的呼吸頻率＜60 bpm，呼吸幅度＜50 mm，旋轉(zhuǎn)角度≤60°。因此，本研究將插桿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和胸壁運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)(呼吸)頻率為0～60次/min，運(yùn)動(dòng)幅度為0～50 mm，以及插桿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)幅度最大為±60°(如圖3所示)。

圖3 運(yùn)動(dòng)插桿(左)和胸壁平臺(tái)(右)運(yùn)動(dòng)示意圖

(2)運(yùn)動(dòng)測控流程。程序啟動(dòng)后先要對硬件進(jìn)行連接，硬件連接后電機(jī)回到初始狀態(tài)(即0點(diǎn)位置)，然后選擇運(yùn)動(dòng)控制信號，可選標(biāo)準(zhǔn)曲線或載入自定義和(或)第三方呼吸曲線兩種方式。當(dāng)選擇標(biāo)準(zhǔn)曲線(正弦波形或三角波形)時(shí)，需對3個(gè)電機(jī)的頻率、幅度或角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)選擇載入自定義或第三方曲線時(shí)，由于頻率和幅度已定，只需對循環(huán)次數(shù)和間隔時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完畢，載入和保存電機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線數(shù)據(jù)，啟動(dòng)后各電機(jī)將按照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過采集電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，換算后實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)曲線，可通過設(shè)置運(yùn)行時(shí)間或手動(dòng)點(diǎn)擊結(jié)束。成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模運(yùn)動(dòng)測控流程如圖4所示。

圖4 軟件控制流程圖

(3)為能模擬真實(shí)人體的呼吸運(yùn)動(dòng)，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號除了正弦、三角等基礎(chǔ)波形外，還允許上載自定義控制波形或來自第三方機(jī)器采集的真實(shí)人體呼吸信號。

2 成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模的研制方法

2.1 體模材料與制備

成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模通過組織等效材料制備，胸部結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)，胸部結(jié)構(gòu)制備及組織器官一體化集成等制作流程，及采用注模和切割工藝制成。其中肌肉組織等效材料由聚氨基甲酸脂合成，肺部組織等效材料由微孔聚氨基甲酸脂合成，脊骨等效組織由不飽和聚酯樹脂和超微磷酸鈣合成，經(jīng)測試這些組織的CT值與人體相應(yīng)組織CT值相符(如圖5所示)。

圖5 成年人胸腹部體模實(shí)物圖

2.2 測控系統(tǒng)開發(fā)

2.2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

插桿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)3D運(yùn)動(dòng)測控的前后運(yùn)動(dòng)部分是由直流伺服電機(jī)和減速機(jī)組合作為位移驅(qū)動(dòng)器件，采用直線運(yùn)動(dòng)模組作為傳動(dòng)元件和導(dǎo)向元件，既能保證直線運(yùn)動(dòng)的直線度，也能保證高速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分也采用直流伺服電機(jī)和減速機(jī)組合作為驅(qū)動(dòng)器件，采用深溝球和角接觸的組合來保證旋轉(zhuǎn)的圓度和高速運(yùn)動(dòng)(如圖6所示)。

圖6 插桿運(yùn)動(dòng)平臺(tái)硬件開發(fā)設(shè)計(jì)圖

胸壁運(yùn)動(dòng)平臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)測控硬件主要由直流伺服電機(jī)、同步組件和導(dǎo)向光軸構(gòu)成(如圖7所示)。

圖7 胸壁運(yùn)動(dòng)平臺(tái)硬件開發(fā)示意圖

2.2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

基于PMAC Executive Pro2 Suite平臺(tái)開發(fā)軟件系統(tǒng)，已開發(fā)出第一代應(yīng)用軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①電機(jī)控制信號可以選擇正弦、三角等標(biāo)準(zhǔn)波形，也可以允許上載來自第三方的波形，支持多種文件格式，如Varian RPM v 1.6(*.VXP)、Respisens數(shù)據(jù)(*.CSV)、Philips Bellows文件(*.DCM)、CyberKnife Marker文件(*.LOG)以及Siemens(*.IMA)等；②可對電機(jī)控制信號進(jìn)行時(shí)序(同步或異步)調(diào)節(jié)、頻率及幅度編輯，以及對載入波形進(jìn)行濾波和降噪處理等；③電機(jī)或位移信號反饋，閉環(huán)控制，保證位移精度；④支持測試結(jié)果的導(dǎo)入，具有統(tǒng)計(jì)分析模塊；⑤簡潔的軟件界面，后期可根據(jù)臨床實(shí)際需求對其進(jìn)行修改和完善。軟件系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行顯示如圖8和圖9所示。

圖8 軟件系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)界面圖

圖9 軟件系統(tǒng)運(yùn)行顯示界面圖

3 成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模的集成與測試

(1)將成年人胸腹部體模和運(yùn)動(dòng)測控系統(tǒng)兩部分進(jìn)行集成，集成后的體模運(yùn)動(dòng)頻率范圍為0～60 bpm，運(yùn)動(dòng)幅度范圍為0～50 mm、角度為-60°～60°，經(jīng)測試體模的運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。集成實(shí)物如圖10所示。

圖10 體模集成實(shí)物圖

(2)在CT機(jī)上進(jìn)行測試，測量點(diǎn)的肌肉組織CT值為(58.7±12.4)HU，肺組織CT值為(-882.9±16.8)HU，脊骨CT值為(830.2±9.2)HU，空氣CT值為(-990.2±8.5)HU，表明體模各組織的CT值與真實(shí)人體的CT值相符，且符合設(shè)計(jì)要求(如圖11所示)。

圖11 體模集成CT測試圖

4 結(jié)論

體模作為放射治療臨床質(zhì)量保證(quality assurance，QA)和質(zhì)量控制(quality control，QC)的重要工具，目前臨床上普遍使用的密度均勻的固體水、水體模以及密度非均勻的仿人體結(jié)構(gòu)劑量驗(yàn)證體模，這些體模均屬于靜態(tài)體模。應(yīng)用靜態(tài)體模對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(肺或心臟)作劑量驗(yàn)證時(shí)，由于受位移偏差等的影響，導(dǎo)致治療計(jì)劃中的劑量分布和目標(biāo)實(shí)際接受的劑量分布存在較大差異。然而，具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系已知、能夠提供空間信息的劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模為解決以上難題提供了研究工具，顯示出了重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

目前，本研究已成功研制了成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模，重點(diǎn)解決了組織材料等效性和空間劑量測量的問題。經(jīng)測試，其運(yùn)動(dòng)效果達(dá)標(biāo)，能較真實(shí)模擬腹式呼吸運(yùn)動(dòng)和胸式呼吸運(yùn)動(dòng)，體模組織材料與人體組織CT值具有等效性，相比其他體模更接近于人體組織，成像效果良好，能滿足臨床放射治療的需求。

成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模不僅可以應(yīng)用于呼吸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的劑量空間分布研究，讓感興趣點(diǎn)和空間分析變成可能，也可以應(yīng)用于對相關(guān)輻照劑量驗(yàn)證軟件系統(tǒng)作符合性評價(jià)，對解決臨床實(shí)際問題具有重要意義。

成年人胸腹部輻照劑量驗(yàn)證動(dòng)態(tài)體模的成功研制，為臨床研究運(yùn)動(dòng)器官的放射治療劑量分布和劑量驗(yàn)證提供了研究工具，后續(xù)將根據(jù)臨床實(shí)際應(yīng)用和反饋的問題對該體模做進(jìn)一步改進(jìn)和完善。