鉛門寬度和螺距在肺癌腦轉(zhuǎn)移患者螺旋斷層放療計劃設計中的研究

朱夫海，吳偉章，王 勇，郭 靜，王穎杰，夏廷毅

中國人民解放軍空軍總醫(yī)院腫瘤放療科，北京市，100142

鉛門寬度和螺距在肺癌腦轉(zhuǎn)移患者螺旋斷層放療計劃設計中的研究

【作 者】朱夫海，吳偉章，王 勇，郭 靜，王穎杰，夏廷毅

中國人民解放軍空軍總醫(yī)院腫瘤放療科，北京市，100142

對7例肺癌腦轉(zhuǎn)移患者按照鉛門寬度(1 cm，2.5 cm和5 cm)和螺距(0.15, 0.30和0.45)的組合設計螺旋斷層放療計劃，對其靶區(qū)、正常組織和治療時間差異分析比較。所有計劃均給予全腦CTV 30 Gy，轉(zhuǎn)移灶GTV 50 Gy，計劃分次為10次。結果證明靶區(qū)僅GTV的平均劑量和適形度(CI)差異有統(tǒng)計學意義(P =0.0021, P =0.0128)，危及器官均在正常劑量限制范圍以內(nèi)，治療時間與鉛門寬度近似成反比例，螺距對其影響較小。研究表明5 cm的鉛門寬度能夠有效縮短治療時間、提高治療效率。

螺旋斷層放療；鉛門寬度；螺距；肺癌腦轉(zhuǎn)移

0 引言

目前腦轉(zhuǎn)移患者的治療方式主要是手術、全腦放射治療、立體定向外科(stereotactic radiosurgery, SRS)或者立體定向放射治療(stereotactic radiation therapy, SRT)，臨床中全腦放射治療后給予殘存腫瘤SRS或者SRT以期提高患者的生存期[1-2]。傳統(tǒng)的二維全腦放療受限于放療技術和方法，均未能有效地將劑量集中到靶區(qū)內(nèi)，病灶的靶區(qū)劑量難以提高。國外對于腦部三維放療研究表明，局部加量放療相比于單純?nèi)X放療，能夠得到更好的局部控制率[3]。螺旋斷層放療系統(tǒng)（HT）將一臺6 MV能量的小型直線加速器安裝在機架上，病人平臥于治療床上勻速向機架方向前進，機架以恒定速度圍繞病人旋轉(zhuǎn)，射線束沿360o從51個投射角度(間隔大約7o)進行劑量輸出。每一射線束都經(jīng)其獨特的64片二元氣動多葉準直器進行深強度的調(diào)節(jié)，由此達到理想的靶區(qū)劑量分布和均勻度，正常組織也能最大限度的得到保護，HT可以一次計劃完成給予不同靶區(qū)不同的處方劑量，實現(xiàn)不同靶區(qū)不同劑量的治療模式[4-5]。

HT用逆向調(diào)強計劃方式實現(xiàn)臨床目標，它將處方劑量建模為數(shù)學目標函數(shù)，通過改變每個子野權重(sinogram)的優(yōu)化算法尋找目標函數(shù)的最優(yōu)值。HT的優(yōu)化進程分兩部分：第一部分是根據(jù)靶區(qū)的位置和長度設置鉛門寬度和螺距，計算所有的子野；第二部分是優(yōu)化每個子野的權重，得到所需的劑量分布。鉛門寬度和螺距決定了子野。其中一個參數(shù)的改變將會導致所有的子野重新計算。子野計算(Batch Beamlets)是HT計劃設計中時間最長的過程，所以仔細合理的選擇這個兩個參數(shù)將節(jié)省計劃進程的時間[6]。該研究擬通過設定不同的鉛門寬度和螺距組合，在滿足靶區(qū)處方劑量和正常組織限制要求的前提下，有效的縮短治療

時間，為臨床制定肺癌腦轉(zhuǎn)移的HT計劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 患者資料

選擇自2011年10月～2012年12月在HT治療機治療的7例肺癌腦轉(zhuǎn)移患者，其中男性5例，女性2例，年齡范圍(49～69)歲，中位年齡50歲。

1.2 定位方法

患者仰臥位，雙手置于身體兩側，采用頭頸肩熱塑成型面網(wǎng)進行固定，使用西門子16排75 cm孔徑螺旋CT掃描，掃描層厚4 mm，層間距4 mm，掃描范圍自頭頂至下頜下緣。掃描完成后通過網(wǎng)絡傳輸至Focal醫(yī)生工作站進行靶區(qū)和周圍危及器官的勾畫。

1.3 靶區(qū)和危及器官定義

在Focal醫(yī)生工作站進行靶區(qū)勾畫，如果患者有PET/CT或者MR圖像，將其與定位CT圖像融合，作為勾畫靶區(qū)的參考。GTV定義為腦轉(zhuǎn)移病灶，如果靶區(qū)內(nèi)有多個病灶，可將其全部命名為GTV；CTV定義為全腦組織。危及器官主要評估腦干、晶體、眼球和視神經(jīng)組織。

1.4 靶區(qū)劑量和危及器官限值

統(tǒng)一給予GTV和CTV處方劑量分別為50 Gy和30 Gy，要求處方劑量至少覆蓋95%的靶區(qū)體積；危及器官最大劑量要求：腦干〈54 Gy，晶體〈5 Gy，眼球〈35 Gy，視神經(jīng)〈45 Gy。

1.5 計劃設計

將勾畫好的CT定位圖像和結構傳至HT計劃系統(tǒng)(Version4.0.4.17)，每例患者均按照3個鉛門寬度(1 cm，2.5 cm和5 cm)和3個螺距(0.15，0.30和0.45)的組合設計治療計劃，每例患者產(chǎn)生9個治療計劃，所有治療計劃的計算網(wǎng)格設置為精細(0.176 cm×0.176 cm)，調(diào)制因子為2.5，給予相同的處方劑量、優(yōu)先級、權重和約束因子進行迭代優(yōu)化，迭代次數(shù)為200次。

表1 7例患者不同鉛門寬度和螺距組合的靶區(qū)劑量學參數(shù)(x±s)Tab.1 Target dosimetric parameters of HT plans produced with different fi eld widths and pitches for the seven patients(x±s)

1.6 劑量學評估

1.7 統(tǒng)計學方法

用Graphpad Prism 5軟件行Kruskal-Wallis H檢驗方法，對所有數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，P 〈 0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 三種不同鉛門寬度和螺距組合的放療計劃橫斷面劑量分布圖（圖1）

圖1 3種不同鉛門寬度和螺距組合的放療計劃橫斷面劑量分布圖Fig.1 Transverse section dose distribution of HT plans produced with different fi eld widths and pitches

表2 7例患者不同鉛門寬度和螺距組合的危及器官劑量學參數(shù)(X±s)Tab.2 OARs dosimetric parameters of HT plans produced with different fi eld widths and pitches for the seven patients(X±s)

2.2 靶區(qū)劑量學參數(shù)統(tǒng)計分析結果（表1）

通過Kruskal-Wallis H檢驗方法對靶區(qū)劑量學參數(shù)進行單因素方差分析，結果顯示GTV的最大劑量、最小劑量差異沒有統(tǒng)計學意義(P=0.2207，P=0.8913)，平均劑量差異有統(tǒng)計學意義(P=0.002 1)；CTV的最大劑量、平均劑量和最小劑量差異均沒有統(tǒng)計學意義(P=0.234 1，P=0.651 3，P=0.585 9)。

2.3 危及器官劑量學參數(shù)統(tǒng)計分析結果（表2）

腦干和右側晶體的最大劑量差異沒有統(tǒng)計學意義(P=0.876 8，P=0.344 0)，左側晶體、左側視神經(jīng)、右側視神經(jīng)、左側眼球和右側眼球的最大劑量差異均有統(tǒng)計學意義(P=0.005 1，P=0.001 0，P=0.008 4，P=0.046 6，P=0.013 2)。通過眼球和視神經(jīng)組織的最大劑量可以看出更小的鉛門寬度和螺距組合能夠使得正常組織得到更好的保護，這與國外學者Monica Moldovan等[5]報道的采用更小的鉛門寬度和螺距組合能夠獲得更好的靶區(qū)適形度和危及器官組織保護的結論是一致的；但是晶體組織在相同鉛門寬度的條件下，更小的螺距0.15相比0.30和0.45的組合反而增加了其最大劑量，這一點在計劃設計時應引起劑量師和醫(yī)師們的注意。

2.4 CI指數(shù)分析（圖2）

所有患者GTV的均勻性(HI)差異沒有統(tǒng)計學意義，1 cm鉛門寬度的HI范圍為1.01～1.04 ，2.5 cm鉛門寬度的HI范圍為1.02～1.05，5 cm鉛門寬度的HI范圍為1.02～1.04。GTV的適形度(CI)差異有統(tǒng)計學意義(P=0.012 8)，1cm鉛門寬度的CI范圍為0.73～0.96，2.5 cm鉛門寬度的CI范圍為0.71～0.96，5 cm鉛門寬度的CI范圍為0.56～0.85，詳細GTV的CI指數(shù)平均值差異見圖2。該研究螺距對于GTV的HI和CI影響均較小，采用Kruskal-Wallis H檢驗方法證明差異并沒有統(tǒng)計學意義。

圖2 7例患者GTV的CI指數(shù)平均值Fig.2 Average of CI for GTV of the seven patients

2.5 治療時間對比（圖3）

7例患者采用1 cm、2.5 cm和5 cm的鉛門寬度設計的計劃平均治療時間分別為19.87±1.39 min、8.10±0.57 min和4.45±0.39 min；同一鉛門寬度不同螺距的單次治療時間差異均在1 min以內(nèi)，采用Kruskal-Wallis H檢驗方法證明差異也并沒有統(tǒng)計學意義。圖3直觀的說明了該研究中7例患者不同鉛門寬度和螺距組合的治療計劃的單次平均治療時間，從圖中可以看出，治療時間近似與鉛門寬度成反比，與螺距并沒有太大影響關系。

圖3 7例患者單次平均治療時間Fig. Average treatment time per fraction for the seven patients

3 討論

鉛門的大小決定了扇形束的寬度，照射野的寬度越大，治療實施的效率就越高。1 cm的鉛門寬度多用于小靶區(qū)如SRS治療；2.5 cm的鉛門寬度是臨床較為常用的射野寬度，因為它在滿足靶區(qū)較好適形度的同時，也不至于使治療時間過多的延長，可以說對于較復雜的一些病例，2.5 cm的鉛門寬度是一種比較優(yōu)化的選擇結果；5 cm的鉛門寬度能夠大幅度的降低治療時間，但是折中的是Y軸方向的適形度，如果是在內(nèi)外方向上變化很小的靶區(qū)，5 cm的鉛門寬度仍能產(chǎn)生較好的劑量分布。在該研究中，腦轉(zhuǎn)移病灶的形狀相對比較規(guī)則，1 cm和2.5 cm的鉛門寬度的GTV適形度雖然優(yōu)于5 cm的鉛門寬度，但是5 cm的鉛門寬度的GTV的適形度也在臨床可接受范圍以內(nèi)。

國外學者Gutierrez等[10]在對海馬組織避讓同步對腦轉(zhuǎn)移病灶推量的全腦放療計劃研究中得出結論，1 cm的鉛門寬度和2.5 cm的鉛門寬度相比，前者能產(chǎn)生更卓越的治療計劃，獲得更好的劑量分布，但卻是以犧牲治療時間為代價獲取的。Woch等[11]通過增加螺距和降低調(diào)制能力來加速螺旋斷層放療的輸出能力發(fā)現(xiàn)，增大螺距能夠顯著減少治療輸出時間。然而在該研究中，螺距對于治療時間的影響差異均在1 min以內(nèi)，最大的時間差值為一例患者采用鉛門寬度為1 cm時，螺距由0.15增加到0.30，治療時間由21.78 min降低到20.98 min，但是螺距的變化對于鉛門寬度為1 cm、2.5 cm和5 cm的治療時間差異仍然沒有統(tǒng)計學意義(P=0.947 7，P=0.888 7，P=0.836 5)，這一結論與國外學者Monica Moldovan等[5]通過螺距和鉛門寬度的組合來降低頭頸部腫瘤患者螺旋斷層放療的輸出時間的研究所得出的結論是一致的。

在實際應用中，1 cm鉛門寬度設計出的計劃由于治療時間的限制往往很難被臨床接受。該研究中，2.5 cm鉛門寬度計劃從適形度和危及器官保護方面要優(yōu)于5 cm鉛門寬度，但是在治療時間上，需要額外多出約45%的治療時間，增加的治療時間會無意的增加患者在治療中的體位移動概率，所以無論是從治療效率還是從機器損耗方面考慮，2.5 cm鉛門寬度對于肺癌腦轉(zhuǎn)移計劃設計時未必是最優(yōu)的選擇。5 cm鉛門寬度雖然損失了一部分靶區(qū)的適形度，但是靶區(qū)和危及器官的保護要求仍在合理范圍之內(nèi)，并且能提高治療效率從而減少患者治療中體位變化的概率、減少機器出束時間。

該研究所有計劃均用同一調(diào)制因子(2.5)，雖然能夠有效的避免由于調(diào)制因子不同而對靶區(qū)和危及器官劑量學參數(shù)以及治療時間所造成的差異，但是同一計劃不同調(diào)制因子對于靶區(qū)和危及器官劑量學參數(shù)以及治療時間的所造成的影響在該研究中并沒有進行考慮。在以后的工作中，如何將鉛門寬度、螺距和調(diào)制因子合理組合從而提高計劃設計水平仍需進一步探討。

綜合考慮，5 cm鉛門寬度仍是肺癌腦轉(zhuǎn)移患者計劃設計的合理選擇，但其是否能夠提高肺癌腦轉(zhuǎn)移患者的生存期療效仍需進一步臨床觀察。

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lnvestigation of Field Width and Pitch in Tomotherapy Treatment Plans for Brain Metastases from Lung Cancer

【 Writers 】Zhu Fuhai, Wu Weizhang, Wang Yong, Guo Jing,Wang Yingjie, Xia Tingyi
Department of Radiation Oncology, Air Force General Hospital, Beijing, 100142

【 Abstract 】Tomotherapy plans were produced using a combination of fi eld widths (1 cm, 2.5 cm and 5 cm) and pitches (0.15, 0.30, and 0.45) for seven patients with brain metastases from lung cancer, the plans were compared with dosimetric parameters, protection of organs at risk (OAR) dose and treatment times. All plans were de fi ned that CTV with 30Gy and GTV 50 Gy by ten fraction synchronously. The results showed that the mean dose and CI for GTV was statistical difference (P=0.002 1, P=0.012 8), OARs were within the normal range, the treatment time increased inversely proportional to the jaw width, but had lesser impact on the pitch.This study showed plans produced with 5 cm jaw was an effective method for patients with brain metastases from lung cancer.

helical tomotherapy, fi led width, pitch, brain metastases from lung cancer

R739.91

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.04.020

2014-01-08

總后衛(wèi)生部資助課題(08G048)，空軍總醫(yī)院年度臨床攻關項目(Kzg2011001)

朱夫海，E-mail: zhufuhai110@163.com

夏廷毅，E-mail: 68434886@163.com

1671-7104(2014)04-0301-04