变周期呼吸引导的运动靶区重离子点扫描照射新方法研究

The irradiation of moving tumor target caused by respiration with heavy-ion spot scanning become the research frontier and hotspot in the field of ion beam radiotherapy. In our previous studies, a fixed-cycle respiratory guidance method was developed under the passive beam delivery model according to the characteristics of pulsed beam provided by heavy-ion synchrotron. With the feature of variable beam extraction cycle under spot scanning beam delivery model, this research project planned to establish variable-cycle respiratory guidance curve by designing variable-cycle breathing model between the adjacent beam extraction platform of the magnet excitation cycle, where a short breathing hold phase that coincides with the beam extraction platform is added at the end of the breathing model. The patients are guided to breath with the method of audio-visual biofeedback to synchronize the breathing period with beam extraction period. There are some markedly advantages with this new method such as improving the pencil beam delivery precision, decreasing the dose penumbra around the target boundary and shorting the scanning time. Through the validation of volunteer simulation test and measurement of dose distribution within a moving phantom under scanned beam delivery model, the theory and method of respiratory guidance with audio-visual biofeedback based on variable-cycle respiratory guidance curve would be elegantly established. Therefore, this study is of great importance in making full use of the advantages of heavy-ion cancer therapy, and further improving the clinical outcome of heavy-ion radiotherapy.

随呼吸运动肿瘤靶区的重离子点扫描照射技术研究是当前离子束放疗研究领域的前沿与热点。本课题在前期研究中，根据重离子同步加速器提供脉冲式束流的特点建立了一种被动式束流配送方式下的固定周期呼吸引导方法并得以研究和应用，计划在本研究中结合点扫描束流配送方式下加速器束流引出周期变化的特征，通过在磁激励周期中相邻束流引出平台之间设计变周期呼吸模型，并在呼吸模型末端添加短暂屏气相，使其和束流引出平台重合，从而建立变周期呼吸引导曲线，利用该曲线以视听反馈方式引导患者进行呼吸，使呼吸周期和束流引出周期同步，以达到提高运动靶区点扫描照射精度、降低靶区边界剂量半影和缩短扫描时间的目的。本项目拟通过志愿者模拟测试及运动模体点扫描照射实验证实这一方法的有效性，最终建立运动靶区重离子放射治疗中变周期呼吸引导曲线的生物视听反馈患者呼吸引导理论与方法，这对充分发挥重离子治癌的优势、进一步提高重离子放疗的疗效具有重要意义。

运动靶区重离子点扫描放射治疗是放疗领域的难点和热点问题。靶区运动和动态束流配送过程相互作用会导致辐射场内剂量分布严重畸变，同时对周围正常组织造成损伤，严重影响了重离子放射治疗的疗效。医用重离子加速器通常采用同步加速器作为主加速器，其特点是提供脉冲式的束流配送模式。对于点扫描束流配送方式，由于离子束射程和能量之间并非线性关系，从而导致相邻能量束流引出时间间隔不固定。本项目提出了一种点扫描束流配送方式下的变周期呼吸引导方法，通过设计呼吸引导曲线使其适应加速器磁激励波形随能量的变化，从而保证治疗过程中呼吸引导曲线和磁激励波形始终保持同步，一方面提高离子束照射的精度，另一方面提高束流的照射效率。对8名志愿者进行了呼吸引导测试，包括固定周期引导和变周期引导，将测试得到的呼吸曲线加载到自主开发的四维剂量计算程序中，计算了不同运动模式下靶区的四维剂量分布。结果显示，采用固定周期引导呼吸曲线和加速器磁激励波形逐渐错开，导致照射效率和剂量分布均匀性的下降。然而，采用变周期呼吸引导方法，呼吸引导曲线和加速器磁激励波形始终保持同步，在加速器束流引出平台靶区正好处于引导曲线末端的屏气相，这样治疗效率和精度都得到大幅度提升，剂量分布恢复到了和静态情况类似的均匀分布，从而证实了变周期呼吸引导方法应用在点扫描束流配送方式下的有效性。通过本项目系统的研究，建立起了重离子放射治疗中变周期呼吸引导的运动靶区重离子点扫描照射的理论和方法，为充分发挥重离子放射治疗的疗效提供了强有力的支撑。