應(yīng)用逆向算法實(shí)現(xiàn)三維適形放射治療的初步研究

陳宏林 張旭光 閻 平 宋百鋒 劉 波 周 堃 徐 紅

三維適形(3DCRT)及調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)都屬于精確放療,在臨床中得到廣泛應(yīng)用。調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)屬于逆向算法,它是利用醫(yī)學(xué)物理師預(yù)先給定射野方向及子野數(shù),然后由 TPS根據(jù)數(shù)理最優(yōu)化原則自動(dòng)生成子野形狀,對靶區(qū)實(shí)施適形輻照,從而產(chǎn)生精確的靶區(qū)高劑量分布,降低周圍危及器官的受量。但是也正是由于這種劑量學(xué)特點(diǎn),使得靶區(qū)邊緣劑量梯度變化大[1],因此在做調(diào)強(qiáng)放療時(shí),要求有極高的擺位要求,然而擺位的隨機(jī)誤差幾乎是不可消除的[2];而 3DCRT之于 IMRT技術(shù)存在不足的是醫(yī)學(xué)物理師在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃時(shí)要對射野權(quán)重因子、楔形板補(bǔ)償?shù)茸霾粩嗾{(diào)整,以期滿足劑量學(xué)要求。我們考慮用單野逆向調(diào)強(qiáng)算法來實(shí)現(xiàn)三維適形放射治療,對 5例肺癌患者做了放射治療計(jì)劃,現(xiàn)介紹如下。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選擇 2008年 5月至 2009年 3月我院收治的非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)5例。年齡 45～74歲;男性 3例,女性 2例。TNM分期:Ⅱ期 2例,Ⅲ期 1例,Ⅳ期 2例;鱗癌 3例,腺癌 2例。

1.2 研究設(shè)備

Prowess 6.1 TPS、東芝 CT模擬定位機(jī)、西門子LANTIS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、體架、體模固定系統(tǒng)、LAP激光燈、MatriXX劑量驗(yàn)證系統(tǒng)、0.013 cc電離室及固體水。

1.3 研究方法

1.3.1 CT模擬 患者仰臥于 CT模擬機(jī)適配碳纖維床板上的體架上,雙臂抱頭,熱塑體膜固定胸腹部,令患者均勻呼吸,CT掃描要求:層厚 0.5 cm,肺窗窗寬1 600 HU,窗位 -600 HU,縱隔窗窗寬 400 HU,窗位20 HU,掃描范圍為全胸,位于下葉的腫瘤再往下掃描10 cm。CT圖像經(jīng) LANTIS局域網(wǎng)傳至 TPS。

1.3.2 靶區(qū)勾畫 以 CT圖像為基礎(chǔ)勾畫靶區(qū)。大體靶區(qū)(GTV)為 CT圖像上所見原發(fā)病灶,臨床靶區(qū)(CTV)在 GTV的基礎(chǔ)上,腺癌外放 0.8 cm,鱗癌外放0.6 cm,最后在 CTV上外放 0.5～1.0 cm的運(yùn)動(dòng)及擺位誤差而得到最終計(jì)劃靶區(qū)(PTV)。

1.3.3 處方劑量 PTV予以 6 000 cGy,常規(guī)分割照射,即每天 PTV受量 200 cGy,每周治療 5次。物理師分別用 5野、7野的方式制定 3DCRT治療計(jì)劃,及 5野、7野調(diào)強(qiáng)模式制定治療計(jì)劃。限量要求:雙肺 V20≤30%,脊髓最大受量點(diǎn)≤4 500 cGy。這里強(qiáng)調(diào)的是指計(jì)劃的每個(gè)射野方向只設(shè) 1個(gè)子野。

1.3.4 調(diào)強(qiáng)計(jì)劃驗(yàn)證 將患者計(jì)劃導(dǎo)入固體水模體中,應(yīng)用 Matrixx劑量驗(yàn)證系統(tǒng)分別對 5位患者的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃進(jìn)行相對劑量的驗(yàn)證,用 0.013cc的電離室進(jìn)行絕對劑量的驗(yàn)證。

1.3.5 計(jì)劃評估 各種計(jì)劃完成后,分別對靶區(qū)的適形角、靶區(qū)及危及器官的劑量體積直方(DVH)圖(圖1)、最大(小)劑量、加速器跳數(shù)做出定量統(tǒng)計(jì)(表 1)。

通過研究,我們提出適形角這一概念,它定義為:靶區(qū)在滿足劑量學(xué)的原則前提下,劑量曲線的跌落點(diǎn)與劑量的結(jié)束點(diǎn)的連線,在其中點(diǎn)做一垂線,這兩條線形成的銳角夾角(圖 2),夾角越小則表示適形度越好,較適形指數(shù)(CI)、均勻指數(shù)(HI)來表示靶區(qū)的劑量均勻性、適形度,更直觀、便捷。

表1 5例患者靶區(qū)及危及器官受量的統(tǒng)計(jì)

圖1 7野調(diào)強(qiáng)和 7野適形 DVH的比較

圖2 適形角示意圖

2 結(jié)果

2.1 DVH圖特點(diǎn)

7野 IMRT適形角明顯小于 7野 3DCRT,見圖 1。

2.2 占機(jī)時(shí)間

5F-3DCRT與 5F-IMRT、7F-3DCRT與 7F-IMRT總跳數(shù)相差不大,由于病例較少,未做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2.3 危及器官

適形計(jì)劃由于設(shè)計(jì)的射野方向較多,均未超過正常組織耐受量。

2.4 不同計(jì)劃同一射野方向的射野面積比較

選取 7F-3DCRT、7F-IMRT相同射野方向的射野面積進(jìn)行比較。前者面積 89 cm2,后者面積為 110 cm2,同一射野方向的調(diào)強(qiáng)野面積大于適形野面積,見圖 3。

2.5 調(diào)強(qiáng)計(jì)劃驗(yàn)證結(jié)果

美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(AAPM)53號任務(wù)組報(bào)告建議:采用 3%(3mm DTA)和 4%(4mm DTA)的標(biāo)準(zhǔn)對放療劑量結(jié)果進(jìn)行分析[3],本研究樣本相對劑量通過率 ＞98%,絕對劑量通過率 ＞97.7%,符合 AAPM 53號報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同計(jì)劃同一射野方向的射野面積比較BEV為射野方向觀

3 討論

精確放療是 21世紀(jì)放療的發(fā)展方向,由此而衍生出圖像引導(dǎo)的放療(IGRT)、劑量引導(dǎo)的放療(DGRT)及生物引導(dǎo)(BGRT)的放療。但是由于我們目前的國情,一方面是放療設(shè)備資源匱乏,不可能每臺加速器都配備錐形束 CT(CBCT)或電子射野影像裝置(EPID)等設(shè)備,另一方面每臺加速器所治療的患者也較多,也不可能在每次治療前都能得到充分而準(zhǔn)確的劑量及位置驗(yàn)證,因此用簡單的方法處理復(fù)雜的問題,似乎更符合我們目前的醫(yī)療行業(yè)現(xiàn)狀,我們以逆向調(diào)強(qiáng)算法的方式來實(shí)現(xiàn)三維適形放療,其優(yōu)點(diǎn)如下:每個(gè)射野方向的唯一子野面積最大化,避免了子野過多造成的 MLC拉動(dòng)次數(shù)多,從而減少了設(shè)備磨損。占機(jī)時(shí)間少,與適形治療相比無大的差別,使患者不至于在較長時(shí)間內(nèi)保持一種姿勢而產(chǎn)生不適感。從物理劑量學(xué)角度看,逆向算法代替了醫(yī)學(xué)物理師正向設(shè)野時(shí)所考慮的各射野的權(quán)重因子及物理補(bǔ)償物(楔形板),節(jié)約時(shí)間的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了物理劑量最優(yōu)化。靜態(tài)調(diào)強(qiáng)由于占機(jī)時(shí)間長,從而導(dǎo)致相對劑量率不足,是否對靶區(qū)有影響尚不可知,因而本文介紹的這種技術(shù)避免了以上缺陷,而目前調(diào)強(qiáng)治療要求較高,MLC誤差要小于 1mm,這是因?yàn)樾∫霸斐蓜┝坎?從劑量學(xué)上看,這種以逆向代替正向算法的技術(shù),只要符合臨床劑量學(xué)原則,應(yīng)無可厚非。調(diào)強(qiáng)的治療面積大于適形治療的面積,這樣避免了傳統(tǒng)調(diào)強(qiáng)放療子野數(shù)量多、面積較小,靶區(qū)劑量較陡的缺陷,從而減少了由擺位誤差造成的劑量誤差。

通過對 5例患者的治療,我們總結(jié)出以下幾條適應(yīng)癥:靶區(qū)較為規(guī)整,近似于圓或橢圓形;患者心肺功能較差,不能長時(shí)間處于 1個(gè)治療體位;靶區(qū)離脊髓較近,用三維適形無法降低脊髓劑量。

對于危及器官(OAR)肺的放射損傷,兩肺是相互獨(dú)立的,還是將兩肺看做 1個(gè)器官,目前還存在爭議。美國光子治療協(xié)作組發(fā)表的 26個(gè)器官耐受量表中,肺TD5/5、TD50/5值均把肺做為 1個(gè)器官來看待,而Kutcher等卻認(rèn)為肺功能相對獨(dú)立,治療評價(jià)時(shí)應(yīng)把它看做兩個(gè)器官較合適。且多種文獻(xiàn)顯示,在放射治療中,肺 V20可做為 1個(gè)獨(dú)立因子來評價(jià)肺損傷程度[4]。在本研究項(xiàng)目中,我們將肺作為 1個(gè)器官來對待,并對雙肺 V20進(jìn)行評估。美國放射腫瘤學(xué)協(xié)作組(RTOG)研究顯示,肺 V20＜20%時(shí),無放射性肺炎發(fā)生,V20在22%～31%時(shí),8%的患者會發(fā)生 2級放射性肺炎[5]。雖然本組病例設(shè)野較多,存在肺低劑量區(qū)較大的問題,但是,“小劑量大體積”或“大劑量小體積”對肺的影響究竟有多大,現(xiàn)在還尚無定論[6]。因此我們認(rèn)為,只要制定出的治療計(jì)劃符合劑量學(xué)四原則,就是 1個(gè)可以用于治療患者的計(jì)劃。

2006年耿輝等[7]提出簡易調(diào)強(qiáng)概念,周立慶等[8]研究得出簡易調(diào)強(qiáng)僅在放療中心初起實(shí)施時(shí)進(jìn)行計(jì)量學(xué)驗(yàn)證,以后驗(yàn)證方法同三維適形治療。因此,本文介紹的這種以逆向調(diào)強(qiáng)的方式代替適形放療可遵循以上原則。同時(shí),本樣本研究也是簡易調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)的 1個(gè)延續(xù)研究。這種治療模式也可以用于其它病種。

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