《International Journal of Particle Therapy》：Evaluations of penumbra reduction using multi-leaf collimator and 3D bolus in scanned proton therapy
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目的：质子治疗提供了优异的远端组织保护；然而，横向半影的精确控制对于保护邻近健康组织至关重要。本研究系统评估了在质子笔束扫描（pencil beam scanning, PBS）中，使用表面接触式三维打印补偿器（three-dimensional printe
目的：质子治疗提供了优异的远端组织保护；然而，横向半影的精确控制对于保护邻近健康组织至关重要。本研究系统评估了在质子笔束扫描（pencil beam scanning, PBS）中，使用表面接触式三维打印补偿器（three-dimensional printed bolus, 3DBS）改善横向半影的效果，并与采用机架安装射程移位器（range shifter, RS）的常规计划进行比较，同时考虑有无多叶准直器（multi-leaf collimator, MLC）的情况。方法：在水的立方体靶区（60×60×54 mm3）中，共生成460个均匀剂量PBS计划，靶区位于9个不同深度（0 mm至280 mm）。计划配置包括三种不同材料（硅胶、树脂和热塑性聚氨酯[TPU]）的3DBS计划，并与聚乙烯RS计划进行比较。每种配置进一步细分为有MLC和无MLC的计划。评估了从50 mm到300 mm的空气间隙。评估了横向半影宽度和30 mm边缘内周围危及器官（organs at risk, OARs）的平均剂量。使用二维电离室阵列和辐射变色胶片对选定射束的二维剂量分布进行了实验验证。结果：在等效MLC条件下，除深度大于200 mm且空气间隙最小的有限子集外，所有使用3DBS的计划相比使用RS的计划均改善了横向半影并降低了OAR平均剂量。测量的剂量分布与计算计划表现出可接受的一致性。三种3DBS材料的比较表明，可根据所需补偿器几何形状和临床实施考虑进行材料选择的可行性。结论：MLC和3DBS的联合使用为质子PBS中的横向半影控制提供了系统且有效的策略。该方法能够在临床敏感场景中实现更高的剂量精度，即使对周围组织剂量的微小减少也至关重要。
**研究背景与问题**
质子治疗（proton therapy）凭借其布拉格峰（Bragg peak）特性，在提供远端组织保护方面具有显著优势。然而，在质子笔束扫描（pencil beam scanning, PBS）系统中，横向半影（lateral penumbra）的控制对于保护邻近危及器官（organs at risk, OARs）至关重要，尤其是在浅表治疗部位（如头颈部肿瘤）中，射程移位器（range shifter, RS）的引入会加剧束流散射，导致半影展宽。既往研究尝试通过患者特定准直器、动态准直系统等改善横向半影，但尚未系统评估表面接触式三维打印补偿器（three-dimensional printed bolus, 3DBS）与多叶准直器（multi-leaf collimator, MLC）联合使用的剂量学效果。论文发表在《International Journal of Particle Therapy》。
**研究目的**
为填补上述空白，本研究旨在定量评估在PBS系统中，使用机架安装RS与表面接触式3DBS（有无MLC准直）的横向半影和剂量分布，通过治疗计划计算和实验剂量验证，探讨替换RS为3DBS能否减少下游束流散射并保留MLC的剂量学优势。
**关键技术方法**
1. **质子治疗系统与MLC配置**：使用大阪质子治疗诊所（Osaka Proton Therapy Clinic, OPTC）的MELTHEA V系统（Hitachi, Tokyo, Japan），配备92个离散能量层（70.7–235.0 MeV）和54对铁制MLC叶片（等中心处标称宽度3.75 mm）。
2. **3DBS材料与等效水厚度（water equivalent thickness, WET）测量**：选用硅胶、树脂和热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane, TPU）三种材料，通过单能质子束测量WET，并在RayStation 2024B治疗计划系统（treatment planning system, TPS）中建模为自定义材料。
3. **评估计划设计**：生成460个均匀剂量PBS计划（立方靶区60×60×54 mm3，深度0–280 mm），空气间隙50–300 mm，分别采用RS或3DBS（含/不含MLC），MLC边缘设为0.5σ（水中束斑尺寸）。
4. **剂量验证**：使用OCTAVIUS Detector 729二维电离室阵列（2%/2 mm gamma分析）和EBT4 Gafchromic胶片进行高空间分辨率半影测量，对45个计划和15个计划分别验证。
**研究结果**
- **2D阵列与胶片测量**：所有3DBS联合MLC计划的gamma通过率（2%/2 mm）均值≥94.7%，仅4个计划（大空气间隙配置）低于90%；计算与测量半影宽度差异在±1.5 mm以内（除一个硅胶计划外），临床可接受。
- **横向半影宽度比较**：在等效MLC条件下，3DBS计划（硅胶）相比RS计划在几乎所有深度均减小了半影宽度，且无MLC的3DBS计划在多数深度与有MLC的RS计划半影相当（图3）。无RS但有MLC的计划获得最小半影，但联合3DBS与MLC仍优于无MLC的无RS计划（图3e–h）。树脂和TPU材料趋势一致。
- **OAR剂量比较**：OAR平均剂量（D
mean）变化与半影趋势基本一致：3DBS计划相比RS计划显著降低OAR剂量（p<0.05），尤其在浅层（<100 mm）优势明显。联合MLC进一步降低剂量，但由于MLC叶片有限宽度，质优-劣方向的边缘无法减至0.5σ，导致部分深度OAR剂量与半影改善不完全同步（图4c）。
- **深度依赖性行为**：半影在中间深度（约150 mm）出现最小值，归因于束流散射与水中多次库仑散射（multiple Coulomb scattering, MCS）的竞争；3DBS使该最小值向浅层移动，增强了浅层半影控制。
**讨论与结论**
研究表明，3DBS联合MLC可系统改善PBS横向半影，且三种材料均临床可行，但需注意：对浅层靶区（<100 mm）大空气间隙配置，TPS中MLC二次粒子建模不足导致gamma通过率下降；无MLC的3DBS计划在半影上可与有MLC的RS计划媲美，对无MLC系统具有临床价值。
**研究结论**：与常规机架安装RS相比，表面接触式3DBS在广泛靶区深度和空气间隙条件下持续改善横向半影并降低周围正常组织剂量。MLC准直进一步提高了3DBS计划的剂量适形性，MLC与3DBS联合使用获益最大。硅胶基3DBS一般获得最小横向半影宽度。实验测量证实了TPS预测的剂量学趋势。研究提示，用3DBS替换RS可改善质子PBS的剂量适形性，且联合MLC可获得额外增益，该结果适用于多种质子治疗设施。
