放射治疗是当前治疗肿瘤的重要手段之一，旨在保护肿瘤周围正常组织，同时给予肿瘤最大的杀灭剂量。尽管光子治疗仍然是目前主流的放射治疗模式，但随着对临床治疗不良反应的日渐重视，其发展已经进入了瓶颈期。由于质子束具有布拉格峰等独特的物理特性和优越的放射生物学特性，近年来质子放射治疗越来越受到青睐^[1-3]。

随着科技和设备的不断进步，质子放疗也从最初的被动散射模式发展到如今主流的笔形束扫描(PBS)模式。相较于散射质子放疗，PBS在充分利用质子特性的前提下，对打出的质子进行更精准的控制，治疗过程中产生的中子更少，对复杂形状的肿瘤照射更加精准^[4]。同时配合多角度旋转机架和多功能六维床，可实现复杂的调强质子治疗(IMPT)，大大提升疗效。一方面，IMPT能减少靶区外的剂量沉积，使得远离靶区的正常组织接受很低的照射剂量^[5]；另一方面，由于质子的散射特性，其具有较大的半影，靠近靶区的正常组织则会接受较高的照射剂量，这也限制了质子治疗的发展^[6]。

为解决上述问题，美国迈胜医疗系统公司(Mevion Medical System, USA)设计了一款用于PBS质子治疗系统的自适应多叶光栅(Adaptive Aperture^TM, AA)，它能有效减小射野半影，降低靶区外正常组织受照剂量，充分发挥质子治疗的优势。本研究通过分析脑肿瘤PBS治疗计划的剂量分布，评估AA在IMPT中的临床应用价值。

1. 迈胜自适应多叶光栅：同济医学院附属同济医院配置的S250i是迈胜公司在中国的首台单室紧凑型PBS质子治疗系统，它配备HYPERSCAN束流输运系统和自适应多叶光栅，利用安装在185°旋转机架上的超导同步回旋加速器，提供标称能量为230 MeV的脉冲质子束，可以进行IMPT治疗。如图 1所示，光栅安装在治疗机头离源端，贴近患者。它有7对镍制叶片，上下两对端叶片可以面对面靠近，叶片间采用舌槽结构，可以防止漏射，减少中子污染。主驱动器可带动部件整体“上下”移动，两个副驱动器可“左右”移动叶片组件，每个叶片还可以独立“左右”移动。该设计可以让光栅逐层适形扫描射野，以达到最大化降低射野半影的目的。

图 1 自适应光栅的设计   A.光栅的结构; B.光栅的位置 Figure 1 The design of the adaptive aperture (AA)   A. Structure of AA; B. Position of AA

2. 病例选择：选取2022年1月至2022年12月收治的20例脑肿瘤术后再行放疗的患者，患者年龄为32~74岁，中位年龄为48岁；女性7例，男性13例；胶质瘤18例(TNM Ⅱ~Ⅳ期)，恶性脑膜瘤2例(TNM Ⅲ~Ⅳ期)。所有患者均无放疗禁忌证。

3. 靶区定义：所有患者头部定位CT图像经MANTEIA智能软件(Manteia公司，厦门)自动勾画危及器官(OAR)后导入RayStation治疗计划系统(瑞速医疗器械公司，上海)，由一名资深放射肿瘤医师检查OAR后勾画肿瘤临床靶区(CTV)。经统计显示，本次研究中患者靶区CTV体积为41.35~430.62 cm³，平均体积为(205.48 ±164.12) cm³。

4. 治疗计划设计及处方限定：统一使用RayStation治疗计划系统，采用3~4个固定照射野的静态IMPT模式，在同样优化条件下为每个病例分别设计使用AA(方案Ⅰ)和不使用AA(方案Ⅱ)的PBS治疗计划。鲁棒性优化空间不确定度设定为3 mm，射程不确定度设定为3%。选择蒙特卡罗(MC)算法进行计算，不确定度设定为0.5%。所有计划设计与评估均采用相对生物效应(RBE)，取恒定RBE系数1.1。CTV处方剂量(D_T)为54~60 Gy，1.8~2 Gy/d。计划设计完成后归一到CTV D₉₅=D_T，限制条件为CTV最大剂量(D_max)＜105% D_T，眼球D_max≤50 Gy、平均剂量(D_mean)＜35 Gy，晶状体D_max≤8 Gy，视神经D_max＜54 Gy，耳蜗D_mean≤35 Gy，脑干V₅₄ ≤10%、V₆₀≤1%。

5. 结果分析与比较：计划完成后通过比较靶区适形指数(CI)、靶区均匀性指数(HI)和正常组织受量对两组方案进行评价。依据van′t Riet等^[7]的研究，取CI=(V_CTV95/V_CTV)×(V_CTV95/V₉₅)，其中，V_CTV95为CTV接受95%处方剂量的体积，V_CTV为CTV的总体积，V₉₅为95%处方剂量覆盖的总体积；取HI= D₉₈/D₂，其中D₉₈为98%靶区体积对应的低剂量，D₂指2%靶区体积对应的高剂量。另外，还对每个计划的MU值做了统计和比较，对每个射野的横截面剂量分布均进行了验证。

6. 统计学处理：统计整理两组计划的靶区CI值、靶区HI值和OAR受量等指标，结果符合正态分布。采用SPSS 19.0软件对数据进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

1. 计划验证结果：使用IBA MatriXX One(IBA dosimetry，德国)电离室矩阵在水中测量各个射野剂量坪区内的横截面剂量分布，测量结果与计划系统计算结果进行γ分析比较(标准为3 mm/3%)，结果显示最大通过率为100%，最低通过率为95.3%，平均通过率为(98.9±1.4)%，结果表明质子治疗系统能准确执行TPS设计的所有射野。

2. 计划的剂量对比：图 2为其中一例患者两种计划的剂量分布比较，在靶区下缘层面，对比A、B两图，可观察到对于靶区边缘外的正常组织，使用AA计划的正常组织受照范围明显小于未使用AA的计划。D图表示的是两个计划在该层面的具体剂量差值，使用AA的计划剂量小于未使用AA的计划剂量的部分用蓝青色表示，大于则用红黄色表示。可见靶区边缘层面的绝大部分收照区域，都可观察到使用AA后剂量明显降低。结果表明使用AA能在保证靶区剂量的同时，明显降低靶区周围正常组织受量。

图 2 脑肿瘤质子放疗两种计划的剂量分布比较   A.使用了AA的计划剂量；B.未使用AA的计划剂量；C. 两计划DVH对比；D.两计划剂量对比 Figure 2 Comparison of dose distribution between the two sets of plans in proton radiotherapy for brain tumors   A. Dose of the plan using AA; B. Dose of the plan not using AA; C. DVH comparison of two sets of plans; D. Dose comparison of two sets of plans

3. 计划数据对比：两组治疗计划对比结果如表 1所示。方案Ⅰ为使用AA的计划，方案Ⅱ为未使用AA的计划。统计了两个计划的患侧耳蜗、脑干、视交叉、视神经、眼晶状体的最大剂量D_max和平均剂量D_mean，以及两个计划的50%处方剂量范围、CI指数、HI指数和MU值。结果显示，方案Ⅰ的50%处方剂量范围明显小于方案Ⅱ(P < 0.05)；方案Ⅰ患侧耳蜗、脑干、视交叉、视神经、晶状体的最大剂量D_max和平均剂量D_mean均低于方案Ⅱ (P < 0.05)；而且靶区CI指数也明显优于方案Ⅱ。另外，靶区的HI指数以及计划MU值在两组方案之间差异无统计学意义(P > 0.05)。

表 1(Table 1)

表 1 20例脑肿瘤患者质子放疗两种方案的统计结果比较 Table 1 Comparison of statistics of two sets of proton radiotherapy plans in 20 patients with brain tumor 参数 方案Ⅰ 方案Ⅱ t值 P值 50%DT体积(cm3) 638.15±302.99 797.70±306.41 2.06 < 0.001 耳蜗Dmean(Gy) 16.06±23.39 20.04±21.07 3.02 0.003 耳蜗Dmax(Gy) 22.87±26.27 26.51±23.88 0.43 0.001 脑干Dmean(Gy) 11.02±10.47 17.46±10.24 0.58 < 0.001 脑干Dmax(Gy) 36.01±21.92 43.00±17.04 2.00 0.005 视交叉Dmean(Gy) 16.56±19.85 22.06±18.92 1.06 0.001 视交叉Dmax(Gy) 24.93±22.93 31.58±20.50 0.68 0.001 视神经Dmean(Gy) 9.68±14.88 12.06±13.74 0.72 0.022 视神经Dmax(Gy) 14.33±20.64 20.06±19.74 0.71 0.008 晶状体Dmean(Gy) 0.60±0.54 1.39±1.01 0.92 < 0.001 晶状体Dmax(Gy) 1.21±1.12 2.51±2.30 2.93 0.002 CI 0.66±0.08 0.58±0.11 2.44 < 0.001 HI 0.93±0.02 0.94±0.03 2.67 0.189 MU 1 935.85±570.43 1 895.75±563.35 0.46 0.176 注：方案Ⅰ为使用了自适应多叶光栅设计的计划，方案Ⅱ为不使用自适应多叶光栅设计的计划。CI. 靶区适形指数；HI. 靶区均匀性指数；MU. 计划预估的机器执行跳数；DT. 处方剂量；Dmean. 平均剂量；Dmax. 最大剂量

表 1 20例脑肿瘤患者质子放疗两种方案的统计结果比较 Table 1 Comparison of statistics of two sets of proton radiotherapy plans in 20 patients with brain tumor

近年来，随着计算机和影像技术的迅速发展，开启了肿瘤精准放疗时代。为提高治疗精度，质子治疗也从传统的被动散射模式发展为当今主流的PBS模式。PBS使用电子引导扫描系统和偏转磁铁，可精确控制几毫米宽质子束的位置和射程，从而在肿瘤体积内传递高度靶向的辐射剂量，实现IMPT精准治疗^[8-9]。同时，为了提升治疗效率，PBS模式摒弃了传统散射模式中笨重的适形挡块，这也导致射野半影得不到修饰，靶区周围正常组织内低剂量难以控制，使得质子治疗难以最大限度发挥其不良反应小的优势^[10-11]。

迈胜公司设计的AA准直系统为进一步优化PBS辐射剂量提供了帮助。Kang和Pang^[12]的研究表明，它不仅能提供如传统铜挡块般的适形效果，还能对扫描射野进行逐层准直。而且静态挡块只能在射野方向靶区最大投影面积上提供准直，无法为靶区狭窄处的临近OAR提供遮挡，AA则可以动态调整以在每个扫描层上都修饰出陡峭的射野半影，使得临近OAR在每个能量层都获得保护。

脑肿瘤放疗的靶区范围往往较大，靶区剂量普遍偏高，临近靶区的OAR也较多，尽量减少正常脑组织和OAR的受照剂量，降低急性和长期的放疗不良反应是提高脑肿瘤治愈率的关键，对儿童患者尤为重要^[13-14]。Grewal等^[15]表示在不同部位的治疗计划中，AA的应用都能使CTV周围的剂量衰减更明显，尤其在脑部和头颈部肿瘤中更好地降低了OAR剂量。本研究结果同样表明，在使用了AA准直系统制定的质子放疗计划中，患侧脑干、视神经、眼晶状体等OAR的受量，以及50%处方剂量范围，都明显优于不使用AA准直系统制定的质子放疗计划。

另外，Grewal等^[16]研究还表明，在没有射野挡块的情况下，想要获得射野边缘陡峭的剂量跌落，束斑边缘就需要尽量紧贴靶区，受机器扫描精度的影响，在靶区边缘就容易产生低剂量冷点。虽然可以通过减小束斑尺寸改善该不足之处，但也会面临一些新的问题。一方面，使用过小的束斑会大幅增加射野内的扫描点位，对机器扫描精度和性能提出更高的要求；另一方面，实际照射过程中靶区可能会发生位移，使用过小束斑则容易产生漏扫描，导致靶区低剂量。在使用AA后，可使用较大束斑进行照射，不仅增加了靶区内剂量的鲁棒性，还能获得更优化的靶区外剂量。

本研究比较了不同方案的脑肿瘤PBS质子调强治疗计划，结果显示迈胜自适应多叶光栅能显著降低靶区周围正常组织的照射剂量，对保护靶区外危及器官具有积极作用，具有良好的临床应用前景，其临床应用效果有待后续进一步深入研究。

利益冲突  无

作者贡献声明  吴韦清、卢晓光负责实验操作及论文撰写，刘飞、李倩负责指导实验操作；郑仁超负责数据统计；袁响林、胡广原负责修改