肺癌的体内三维剂量分布验证：从刚体模型到猪肺模型

《Bio-Design and Manufacturing》：In vivo 3D dose distribution verification for lung cancer: from rigid-body model to porcine lung

肺癌放疗中呼吸运动对三维剂量分布的影响及生物体活体验证方法研究。本研究提出基于3D-BioLungEx外置模拟装置的生物体活体三维剂量验证方法，通过猪肺模型模拟不同呼吸模式，结合Monaco TPS系统与IOSI-BLDose算法进行剂量逆向分析。结果显示，在标准呼吸模拟下gamma通过率达93.61%，而实际不规则呼吸（尤其是幅度变化）导致通过率降至70%-90%，验证了呼吸运动对剂量分布的显著影响，为自适应放疗提供新解决方案。

　　

摘要

本研究提出了一种新的概念——生物体内三维（3D）剂量分布验证方法，旨在探讨呼吸运动如何影响肺癌放疗的效果，这代表了从当前刚性体剂量分布验证标准的一种进步。我们设计了一种3D体外生物肺运动模拟装置（3D-BioLungEx）来模拟人类的呼吸过程。将患者的放疗计划复制到猪的肺部，并通过3D-BioLungEx来模拟治疗过程中出现的各种呼吸模式。为了确保与患者肺部结构的解剖学一致性，在数据传输过程中根据猪肺部的CT图像调整了皮肤、骨骼和器官的位置。随后使用Monaco治疗计划系统（TPS）将患者的放疗计划适配到猪的肺部。接下来，开发了一种基于迭代优化和散射反演的剂量分布回溯分析算法（IOSI-BLDose）来计算治疗过程中的剂量分布。通过伽马射线通过率来量化实际剂量分布与放疗计划之间的差异。当呼吸条件被准确模拟时，该通过率可达到93.61%；而不规则呼吸则使其降至70%–90%，主要是由于呼吸幅度的变化所致。不过，呼吸周期的变化对剂量分布的影响较小。与传统刚性体剂量分布验证方法相比，我们的方法能够提供实时的生物反馈，并更有效地捕捉由运动引起的剂量偏差。因此，这种生物体内3D剂量分布验证方法有潜力提高治疗精度，并在临床实践中实现自适应放疗。

本研究提出了一种新的概念——生物体内三维（3D）剂量分布验证方法，旨在探讨呼吸运动如何影响肺癌放疗的效果，这代表了从当前刚性体剂量分布验证标准的一种进步。我们设计了一种3D体外生物肺运动模拟装置（3D-BioLungEx）来模拟人类的呼吸过程。将患者的放疗计划复制到猪的肺部，并通过3D-BioLungEx来模拟治疗过程中出现的各种呼吸模式。为了确保与患者肺部结构的解剖学一致性，在数据传输过程中根据猪肺部的CT图像调整了皮肤、骨骼和器官的位置。随后使用Monaco治疗计划系统（TPS）将患者的放疗计划适配到猪的肺部。接下来，开发了一种基于迭代优化和散射反演的剂量分布回溯分析算法（IOSI-BLDose）来计算治疗过程中的剂量分布。通过伽马射线通过率来量化实际剂量分布与放疗计划之间的差异。当呼吸条件被准确模拟时，该通过率可达到93.61%；而不规则呼吸则使其降至70%–90%，主要是由于呼吸幅度的变化所致。不过，呼吸周期的变化对剂量分布的影响较小。与传统刚性体剂量分布验证方法相比，我们的方法能够提供实时的生物反馈，并更有效地捕捉由运动引起的剂量偏差。因此，这种生物体内3D剂量分布验证方法有潜力提高治疗精度，并在临床实践中实现自适应放疗。