放射与肿瘤学杂志

ISSN：2573-7724

研究文章

3例脑肿瘤患者单场和多场优化IMPT方案中使用可变RBE的生物剂量计算

Ryosuke Kohno^{1 - 3 *}，文华曹²,巴勃罗耶佩斯², Xuemin呗²，福克·波尼什²大卫·R·格罗斯山(David R grosshan)说², Tetsuo Akimoto^3.还有拉德莫汉⁴

¹国家放射科学研究所医学物理科，地址：日本千叶263-8555，稻谷阿纳川4-9-1
²辐射物理学系，第94单元，德克萨斯大学MD安德森癌症中心，休斯敦，美国德克萨斯州77030
^3.国家癌症中心放射肿瘤学和粒子治疗科，Kashiwa, 277-8577，千叶，日本
⁴放射肿瘤学系，第1150单元，德克萨斯大学MD Anderson癌症中心，休斯敦，TX 77030，美国

*通信地址:Ryosuke Kohno，国家放射科学研究所医学物理科，地址：日本千叶市稻谷县Anagawa 4-9-1，263-8555，电子邮件：Kohno。ryosuke@qst.go.jp

日期：提交:2019年2月4日；经核准的：2019年2月13日;发表:2019年2月14日

如何引用这篇文章：王志强，王志强，王志强，等。3例脑肿瘤患者单场和多场优化IMPT方案中使用可变RBE的生物剂量计算J Radiol Oncol. 2019;3: 001 - 007。DOI:10.29328 / journal.jro.1001027

版权:©2019 Kohno R等人。这是一篇根据知识共享署名许可证发行的必威体育西汉姆联开放获取文章，允许在任何媒体中不受限制地使用、发行和复制，前提是正确引用了原始作品。

关键词:变量RBE;调强质子治疗(IMPT);蒙特卡罗

在目前的质子束治疗中，临床剂量通常是通过使用质子相对生物效应（RBE）相对于光子1.1的物理质子剂量来规定的。然而，质子的RBE取决于线性能量转移（LET）、每部分剂量和组织类型[1]。由于RBE不同，假设RBE为1.1的恒定值——即固定RBE（FRBE）——可能会限制质子束治疗的潜力。Wedenberg等人评估了在质子和光子治疗方案的比较中忽略RBE变化的影响[2]，Paganetti和Chen等人讨论了可变RBE（VRBE）的潜在临床影响[3,4]。

最新的质子束扫描技术[5-7]可以比被动散射质子束疗法提供更一致的剂量，并且可以满足使用最先进的强度调制质子疗法（IMPT）的临床限制[8]。Frese等人已经对IMPT的VRBE计算的临床影响进行了评估[9]。目前，Kohno等人报告了脑肿瘤SFO和MFO IMPT中RBE和VRBE的生物剂量比较[10]。对于临床靶体积，VRBE获得的生物剂量比FRBE获得的生物剂量大1%-2%。另一方面，对于位于束末端的危险器官（OAR），传统FRBE的生物剂量在IMPT计划中存在任何剂量误差。

在这里，由于他们只评估了一个案例，因此不足以支持他们的结论。因此，在本文中，我们研究了三名不同肿瘤体积和肿瘤位置的脑肿瘤患者在SFO和MFO IMPT计划中获得的FRBE和VRBE之间的生物剂量比较。

我们选择了三名脑瘤患者，他们在德克萨斯大学MD安德森癌症中心接受质子治疗。图1显示了计算机断层扫描图中脑肿瘤治疗计划中的靶体积、靶位置和危险器官。肿瘤以复杂的方式被神经、脑、脑干、骨和窦腔包围。每个病例的肿瘤体积(GTV)和临床靶体积(CTV)分别为(A) 6.3 cc和111.8 cc， (B) 37.4 cc和70.4 cc， (C) 27.1 cc和84.4 cc。

SFO和MFO IMPT计划是由Eclipse治疗计划系统设计的（版本13.5; Varian Medical Systems，Inc。，Palo Alto，CA）。我们在每个患者的IMPT计划中使用了相同的三个共面光束。规定的质子放射疗法剂量分别为30分馏分，分别为GTV和CTV为5700和5000cgy（RBE）。使用最小剂量和最大剂量目标函数对IMPT计划的相同优化条件，所有计划都被设计为覆盖100％的GTV和CTV，并最大限度地减少脑干的最大剂量，光学Chiasma，双光镜最大剂量约束的神经是5400 CGY（RBE）。

使用内部“快速剂量计算器”(FDC)重新计算每个计划的物理剂量和LET分布[11,12]。FDC是一种快速的蒙特卡罗方法，可以在不到5分钟的时间内计算出每个患者的剂量分布，适用于常规临床工作。FDC已被Geant4验证为IMPT计划[13]，并与Eclipse治疗计划系统[14]进行了比较。

使用FRBE为1.1的FDC和Wilkens等人发布的VRBE模型计算生物剂量分布[15]。使用带参数的参考辐射一个_十、和β_十、基于线性二次(LQ)模型，计算了质子剂量下的RBED_p关于平均剂量LET让_d是给予

$RBE（D_p，lE{T}_d，{\alpha }_0，\lambda ，{\alpha }_{\mathrm{十、}}，{\beta }_{\mathrm{十、}}）＝\frac{\sqrt{{\alpha }_{\mathrm{十、}}{}^2+4{\beta }_{\mathrm{十、}}{D}_p（{\alpha }_0+\lambda lE{T}_d+{\beta }_{\mathrm{十、}}{D}_p）}-{\alpha }_{\mathrm{十、}}}{2{\beta }_{\mathrm{十、}}{D}_p}\text{(1）}$

在哪里一个₀和λ分别为对质子的生物反应a的线性参数和初始参数。我们可以简单地将RBE描述为剂量、LET和组织特异性参数的函数。本研究采用Frese等人[9]给出的生物学参数。为了比较FRBE和VRBE模型，我们对每个计划在每个感兴趣地区的剂量分布进行了比较分析。比较分析使用最小剂量、最大剂量和平均剂量的剂量学参数。

图2举例说明了SFO进口计划中FRBE（a）和VRBE（b）的iso剂量分布，以及图1（a）中患者MFO进口计划中FRBE（c）和VRBE（d）的iso剂量分布。我们无法从视觉上观察到他们之间的差异。图3和图4显示了SFO IMPT计划中每位患者的目标体积（如GTV和CTV）以及风险器官（OAR）（如脑干、视交叉、左视神经和右视神经）的剂量-体积直方图（DVH）。MFO进口计划中的DVH如图5和图6所示。然后，图7和图8显示了剂量平均LET让_d每个患者SFO和MFO输入的体积直方图。

对于GTV，由FRBE和VRBE模型获得的3例患者的SFO IMPT计划的平均(±标准差)差异为最小剂量1.7±0.4%，最大剂量1.5±0.4%和平均剂量1.4±0.2%。MFO IMPT方案的差异分别为2.6±0.9%、1.7±0.2%和1.5±0.2%。对于CTV, SFO IMPT方案的最小剂量差异为2.7±1.8%，最大剂量差异为1.5±0.4%，平均剂量差异为1.4±0.1%。MFO IMPT方案的差异分别为2.7±1.8%、1.8±0.3%和1.4±0.1%。总的来说，VRBE针对目标体积获得的剂量比FRBE获得的剂量以及之前的研究[10]的结果大约大2%。

对于每个桨，最小剂量的差异明显大于最大和平均剂量的差异。对于患者SFO IMPT的脑干(C)， VRBE获得的最小剂量比FRBE获得的最小剂量大139.5%，这是由于最大而产生的最大差异让_d12.6 kev /μm。然而，剂量差异仅为5.3 CGY（RBE）。此外，最大和平均剂量的差异为2.0％，但103.4 cgy（RBE），6.9％但79.7 CGY（RBE）。在右侧的靶（a）的SFO的情况下，VRBE与左视神经的FRBE之间的最小剂量的差异为54.9％，但仅为2.8 CGY（RBE）。最大和平均剂量的差异为9.9％，但66.7 cgy（RBE），41.3％但23.8 CGY（RBE）。在左侧患者（B）的SFO患者（B）的IMPT中，VRBE与右视神经之间的最小剂量的差异为73.9％，但仅为1.7 CGY（RBE）。最大剂量和平均剂量的差异为12.7％但78.4 cgy（RBE）和31.2％但18.6克（RBE）。

对这些关键器官的最大剂量是最重要的临床参数。对于患者(A)的MFO IMPT的视交叉，FRBE获得的最大剂量为4641.4 cGy(RBE)， VRBE获得的最大剂量为4790.6 cGy(RBE)。即视交叉最大剂量差值小于3.2%，但构成了最大剂量差值149.2 cGy (RBE)。这一最大剂量远远小于5400 cGy (RBE)的最大剂量限制。

因此，我们观察到，VRBE获得的OAR剂量大于常规FRBE获得的剂量，并且这些剂量差异取决于OAR的位置。顺便说一句，我们还确认SFO计划和MFO IMPT计划之间每个剂量差异的一对一相关系数R2为0.9883，并且两个计划之间没有差异。我们还发现，这两种方法没有重大差异让_d每个患者的SFO IMPT计划和MFO IMPT计划之间的体积直方图。即我们没有观察到辐照方法的任何影响。

很明显，用VRBE计算的生物剂量在临床病例中给出了任何剂量差异。这些差异可能能够更准确地解释临床效果。当然，生物剂量分布取决于RBE计算模型。尽管Wilkens等人[15]提出的现象学RBE模型已用于本研究，但已开发出各种RBE模型[16-19]。然而，Patel等人报告说，他们的RBE模型显示，对于较高的LETd值，差异越来越大[20]。由于这些细胞对质子束辐照的反应尚未明确建模，因此有必要提高现有RBE模型的准确性或开发新模型。

我们评估了三名脑肿瘤患者在SFO和MFO IMPT计划中常规FRBE和VRBE之间的生物剂量差异。VRBE模型获得的GTV和CTV剂量比FRBE模型获得的剂量大约2%。另一方面，VRBE获得的OAR剂量略大于FRBE获得的剂量，其剂量差异取决于OAR的位置。我们还发现，每个OAR的最小剂量差异大于最大和平均剂量差异。

我们感谢来自MD安德森科学出版部门的Sarah Bronson编辑了这份手稿。

利益冲突

本文所述的研究得到了国家癌症研究所和德克萨斯州癌症预防和研究所（RP160232）的U19 CA021239资助。德克萨斯大学MD安德森癌症中心部分由国立卫生研究院/国家癌症研究所通过癌症中心资助计划P30CA016672提供支持。