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4D血流模型评估颅内放疗期间血液的受照剂量:质子治疗优于光子放疗

2020/3/23 作者:质子中国

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放疗会损伤免疫系统,最近的研究发现,放疗导致的淋巴细胞减少症与放疗后低存活率有关。为了更好地了解放疗如何影响颅内肿瘤患者循环淋巴细胞的减少,麻省总医院/哈佛医学院的研究人员开发了4D人体血流模型来计算放疗期间血液的受照剂量。


文章第一作者Abdelkhalek Hammi表示:“创建人体血流模型的目的是评估分割放疗过程中循环血液的受照剂量,提高放疗对患者免疫系统抑制作用以及放疗导致淋巴细胞减少症的认识。”

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从左至右依次是Harald Paganetti,Abdelkhalek Hammi和Clemens Grassberger。


研究方法


Hammi及其同事根据从患者MRI数据库中提取的主要脑血管分布情况开发了颅内血流模型,并将其扩展为一个整体脑血管网络。他们参考人体模型建立了脑外血流模型。脑部模型包括1050条血管,模拟了266,000多个血液微粒(blood particle, BP),整个人体模型包含2217.8万个微粒。

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左:基于强度的脑血管分割。中:分段动脉(红色)和静脉(蓝色)的侧视图。右:大脑的整个血管网络,动脉(红色)和静脉(蓝色)相连以保证连续的血液流动。


为了确定循环血液的受照剂量,研究小组使用蒙特卡罗模型来模拟每个血液微粒在大脑和随时间变化的照射场中的运动轨迹,以及累计受照剂量。在单次治疗中,血液的受照剂量近似于循环淋巴细胞的受照剂量。然而,对于跨越数周的治疗,淋巴细胞增殖和更替的影响不容忽视,这一点将在今后进行深入研究。


对于临床应用,该模型将使用特定患者的输入数据。Hammi解释说:“模型本身不会改变,但治疗区域和放疗时间等参数会改变。此外,模型参数可以根据患者的年龄、性别、血压和其他血液动力学参数进行调整。”


研究人员使用创建的模型生成颅内光子调强放疗(IMRT)和被动散射质子治疗的血液剂量-体积直方图(DVH)。他们为同一患者和靶区制定IMRT和质子治疗计划,模拟了30次分割治疗(2 Gy/f, 2 Gy/min),并计算了每种治疗方式的血液DVH。


研究结果


第1次分割治疗结束后,质子治疗的血液平均受照剂量为0.002 Gy,IMRT为0.004 Gy。30次分割治疗结束后,质子治疗的血液平均受照剂量为0.061 Gy,IMRT的为0.133 Gy,累计剂量差异超过118%;质子治疗和IMRT对1%血液的最高照射剂量分别为0.196 Gy和0.343 Gy。

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质子治疗与光子放疗第1次(a)和第30次(b)分割治疗结束后的血液DVH。


1次分割治疗结束后,质子治疗和光子放疗分别有10.1%和18.4%的血液受到照射。第11次IMRT和第21次质子治疗后,大约90%的血液受到照射。为了优化治疗参数,研究小组研究了剂量率对循环血液受照剂量的影响。剂量率不会影响血液的平均受照剂量,但剂量率的增加(从而缩短光束照射时间)会降低接受小剂量照射的血液量,增大接受大剂量照射的血液量。


对于IMRT,增加剂量率并不会显著降低30次分割治疗后的受照血液量(5 Gy/min和12 Gy/min分别对应97.7%和94.2%的血液)。另一方面,对于质子治疗,较高的剂量率可减少治疗结束后的受照的血液量:剂量率2 Gy/min、5 Gy/min和12 Gy/min分别对应95%、78.8%和60%的血液。

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IMRT(左)和质子治疗(右)在不同剂量率的分割治疗中,>0 Gy剂量的累积受照血液量。


研究小组还量化了接受超过阈值0.43 Gy(此剂量可使CD8淋巴细胞计数降低10%)照射的血液比例,发现更高的剂量率增加了接受该剂量的血液量,而质子治疗受到该阈值照射的血液量比IMRT小五倍。

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IMRT(左)和质子治疗(右)的累积剂量达到阈值0.43 Gy(CD8淋巴细胞)的累积受照血液量。


最后,研究人员检查了患者个体变量(例如心输出量、性别和年龄)是否影响血液DVH。结果显示较高的心输出量增加了低剂量的受照血液量,降低了高剂量的受照血液量,这主要是由于较高的血液流速所致。男性和女性患者之间的差异很小(最高4.3%),主要是由于总血容量和心输出量的差异较小造成。在年轻患者中,达10%的循环血液受到了低剂量照射,与性别和治疗方式无关。


结论


研究人员得出结论,他们创建的血流模型有效地估计了颅内放射治疗期间循环血液的受照剂量,使用质子治疗并提高剂量率可以减少受到照射的循环血液量。Hammi说:“我们正在根据测得的放射治疗患者的淋巴细胞减少情况对模型进行端到端验证。我们还希望将模型扩展到其他器官和放射治疗部位。”(质子中国 编译报道)


信息来源:physics world

参考文献:Hammi A,Paganetti H. 4D blood flow model for dose calculation to circulating blood and lymphocytes[J].Physics in medicine and biology,2020,65(5):055008.DOI:10.1088/1361-6560/ab6c41.

质子专区介绍:
相比传统放疗,质子治疗作为“精准治疗”的新一代代表,利用质子射线所具有的独特物理特性,以极快的速度、很小的放射剂量进入人体,迅速到达肿瘤组织并释放全部剂量,而肿瘤后方和侧方的正常组织及器官受到的照射剂量几乎为零,从而实现以最大的照射剂量杀伤肿瘤组织的同时又最大限度地避免了周围组织及器官的损伤,实现更加精确的“精准治疗”。
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质子优于光子

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