放射治療中靜態(tài)與動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的對(duì)比研究

吳曉玲 李 盼 鄧昭逸

(1成都理工大學(xué)，四川成都市 610059;2重慶市第九人民醫(yī)院腫瘤放療中心，重慶市400700)

放射治療發(fā)展至今已經(jīng)一個(gè)多世紀(jì)了。如今，放射治療仍是治療惡性腫瘤的重要手段，以調(diào)強(qiáng)適形放射治療［1，2］(IMRT)為代表的治療模式乃是當(dāng)今放射治療技術(shù)的主流。近年來，調(diào)強(qiáng)計(jì)劃在許多研究中已被證明具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)，能夠使劑量分布形狀與靶區(qū)形狀基本一致，提高腫瘤控制率，減少危及器官和正常組織的輻射損傷［3］。與常規(guī)放射治療計(jì)劃不同，IMRT采用的是逆向計(jì)劃系統(tǒng)，即根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的目標(biāo)函數(shù)，形成不均勻的照射野強(qiáng)度分布。通過采用step＆shoot與sliding window兩種不同的模式，可設(shè)計(jì)出靜態(tài)調(diào)強(qiáng)與動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)兩種放療計(jì)劃。

靜態(tài)調(diào)強(qiáng)，是將照射野要求的射線強(qiáng)度分布進(jìn)行分級(jí)［4］(可用二維數(shù)組表示)，形成多個(gè)子野(segment)進(jìn)行分步照射。其特征是，每個(gè)子野照射完畢后，切斷照射，MLC調(diào)到另外一個(gè)子野，再繼續(xù)照射，直到所有子野照射完畢，所有子野貢獻(xiàn)的射線強(qiáng)度相加，形成所要求的強(qiáng)度分布［5］。在靜態(tài)調(diào)強(qiáng)中，每個(gè)子野的形狀和權(quán)重是由TPS計(jì)劃系統(tǒng)根據(jù)所給的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化得到的，并計(jì)算得到最終的劑量分布。在所得到子野中，有些子野尺寸較小，將影響劑量計(jì)算的精度值，造成劑量分布不平滑，產(chǎn)生劑量噪聲，影響體內(nèi)的劑量分布與靶區(qū)的適形度。除此之外，由于多次多個(gè)子野的照射，會(huì)增加照射時(shí)間和降低射線利用效率，以上影響因素都會(huì)降低劑量與靶區(qū)的適形度。但是，靜態(tài)調(diào)強(qiáng)不受劑量率的影響。動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，即在射線出束時(shí)多葉準(zhǔn)直器葉片處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過控制多葉準(zhǔn)直器每對(duì)葉片的相對(duì)位置和停留時(shí)間而形成相應(yīng)形狀的縫隙來對(duì)靶區(qū)進(jìn)行掃描，從而調(diào)節(jié)照射野的強(qiáng)度。因此，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)受直線加速器劑量率穩(wěn)定性的影響較大。另外，在動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)中，對(duì)于靶區(qū)中任意一個(gè)點(diǎn)，至少會(huì)有一組開放的照射野或者一對(duì)閉合的葉片在其上方劃過，顯然將帶來更高的多葉光柵透射因子。本文通過對(duì)兩種調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的劑量分布圖、DVH圖參數(shù)和跳數(shù)的分析，以得到臨床應(yīng)用中合理的選擇調(diào)強(qiáng)計(jì)劃。

1 材料與方法

1．1 研究對(duì)象及靶區(qū)勾畫 隨機(jī)選擇了6例臨床上比較典型的食管癌病例，在TiGRT TPS放射治療計(jì)劃系統(tǒng)上設(shè)計(jì)靜態(tài)調(diào)強(qiáng)與動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃。將CT圖像導(dǎo)入治療計(jì)劃系統(tǒng)，由放療醫(yī)生勾畫腫瘤區(qū)GTV、臨床靶區(qū)CTV(在CTV的基礎(chǔ)上外擴(kuò)0．6 cm的區(qū)域?yàn)橛?jì)劃靶區(qū)PTV)和危及器官OAR。

1．2 治療計(jì)劃設(shè)計(jì) 本研究中均使用北京醫(yī)療器械研究所BJ-6B 6MV醫(yī)用X射線加速器。為了方便比較研究兩種計(jì)劃的特點(diǎn)，同一個(gè)病例在兩種計(jì)劃中設(shè)置的OAR約束條件為一致。在DVH圖中，當(dāng)兩種計(jì)劃的90%的靶體積滿足處方劑量要求，即可看成兩種計(jì)劃具有比較的意義。兩種計(jì)劃都以PTV為參考中心設(shè)5個(gè)照射野，優(yōu)化方式選擇Intensity-Map Based Optimization。在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，為使靶區(qū)劑量符合劑量要求，可微調(diào)靶區(qū)劑量，但兩種計(jì)劃的照射野角度、OAR的約束條件及優(yōu)先級(jí)應(yīng)保持不變。由于調(diào)強(qiáng)計(jì)劃是逆向計(jì)劃，是根據(jù)所設(shè)置的約束條件來計(jì)算得到優(yōu)化解。當(dāng)約束條件設(shè)置不同時(shí)，得到的解也不同。在研究中，我們只是以使兩種計(jì)劃具有比較的意義為目的來設(shè)置約束條件，并沒有改變危及器官的目標(biāo)函數(shù)來達(dá)到劑量學(xué)要求，所以得到的解有可能并非最優(yōu)解。

1．3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 13．0軟件分析，計(jì)量資料比較采用t檢驗(yàn)，以P＜0．05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2．1 靶區(qū)的優(yōu)化結(jié)果 兩種計(jì)劃的靶區(qū)劑量分布圖類似，而靶區(qū)DVH圖卻有明顯的差異。見表1。表中分別列出了GTV、CTV、PTV的劑量最大值和最小值。從表中可以看出，靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的靶區(qū)劑量分布區(qū)間大于動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，即靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的靶區(qū)劑量標(biāo)準(zhǔn)差大于動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的靶區(qū)劑量分布更均勻(P＜0．001)。HI為靶區(qū)劑量均勻性指數(shù):HI=D2/D98，D2和D98分別是2%和98%的靶區(qū)體積所對(duì)應(yīng)的劑量，HI值越大，劑量分布越均勻;CI為適形指數(shù)，CI=(VT，ref/VT)× (VT，ref/Vref)，VT，ref為等劑量線所包繞的靶區(qū)體積，Vref為等劑量線所包繞的體積，VT為靶區(qū)體積，CI值越大，適形度越好［6，7］。單從靶區(qū)的劑量分布來看，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)優(yōu)于靜態(tài)調(diào)強(qiáng)，但兩種計(jì)劃的均勻性指數(shù)和適形指數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 兩種計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù) (±s)

表1 兩種計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù) (±s)

劑量(Gy) 靜態(tài) 動(dòng)態(tài) t值 P值36．63 ±2．02 39．33 ±1．63 －2．548 ＜0．001 PTV Dmax 78．34 ±3．67 77．69 ±3．09 0．333 ＜0．001 CTV Dmin 47．28 ±3．84 50．21 ±2．69 －1．531 ＜0．001 CTV Dmax 78．35 ±3．67 77．69 ±3．09 0．336 ＜0．001 GTV Dmin 62．14 ±2．38 63．49 ±2．07 －1．050 ＜0．001 GTV Dmax 78．35 ±3．67 77．69 ±3．09 0．336 ＜0．001 HI 1．70 ±0．100 1．60 ±0．119 1．629 0．999 PTV Dmin CI 0．82 ±0．033 0．85 ±0．018 －1．983 0．999

2．2 危及器官的優(yōu)化結(jié)果 兩種調(diào)強(qiáng)計(jì)劃中的危及器官劑量差異并不顯著，除了雙肺V5靜態(tài)調(diào)強(qiáng)優(yōu)于動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)(P＜0．01)，其他參數(shù)差異并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)于脊髓Dmax，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)比靜態(tài)調(diào)強(qiáng)降低了3．2%，但兩種計(jì)劃的Dmax都遠(yuǎn)小于45 Gy。兩種計(jì)劃中，危及器官受照劑量并無明顯差異。見表2。

表2 兩種計(jì)劃肺的劑量體積參數(shù)和脊髓的最大值比較 (x?s)

表2 兩種計(jì)劃肺的劑量體積參數(shù)和脊髓的最大值比較 (x?s)

器官 靜態(tài) 動(dòng)態(tài) t值 P值65．27 ±10．09 65．99 ±9．83 －0．126 0．010左肺 V20(%) 26．79 ±4．49 26．98 ±4．39 －0．077 0．198 V30(%) 10．02 ±2．44 9．64 ±2．31 0．276 0．333 V5(%) 63．67 ±11．56 64．19 ±11．87 －0．077 0．000右肺 V20(%) 26．28 ±5．41 26．17 ±5．60 0．035 0．041 V30(%) 9．85 ±2．79 9．12 ±2．51 0．479 0．193脊髓 Dmax(Gy)V5(%)26．35 ±3．19 25．54 ±1．11 0．583 0．000

2．3 計(jì)劃跳數(shù)及執(zhí)行時(shí)間比較 靜態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)為(538．83 ±67．56)，少于動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的(580±77．56)，兩 者 比 較，差 異 有 統(tǒng) 計(jì) 學(xué) 意 義(t= －0．988，P=0．000)。但是在治療過程中，由于靜態(tài)調(diào)強(qiáng)中有多個(gè)小子野，每照射完一個(gè)小子野都需要使光柵重新走位，需耗費(fèi)較長時(shí)間，所以在治療過程中，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)執(zhí)行時(shí)間較靜態(tài)調(diào)強(qiáng)節(jié)約了約40%。

3 討論

放射治療已廣泛應(yīng)用于惡性腫瘤的治療，而調(diào)強(qiáng)治療在照射方向上能使照射野的形狀與靶區(qū)的形狀一致，同時(shí)也能保證靶區(qū)劑量與表面劑量處處相等，從而提高了腫瘤的控制率。對(duì)6例食管癌觀察了靜態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的特點(diǎn)，通過對(duì)靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)、危及器官的劑量體積參數(shù)和機(jī)器跳數(shù)及執(zhí)行時(shí)間的比較，可以得出以下結(jié)論:①采用sliding window方式的動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)更具有劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)。在動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃中，靶區(qū)劑量的均勻度HI和適形度CI優(yōu)于靜態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，與DVH圖曲線結(jié)果一致，但兩種計(jì)劃的HI值和CI值并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。由于逆向計(jì)劃系統(tǒng)得到的通量是空間連續(xù)變化的，采用step＆shoot方式的靜態(tài)調(diào)強(qiáng)只能對(duì)這連續(xù)變化的通量進(jìn)行梯度近似，失去了精度，即降低了與靶區(qū)的適形度。②通過對(duì)兩種計(jì)劃產(chǎn)生的DVH圖的比較，危及器官劑量體積參數(shù)曲線并無明顯差異?？紤]到光柵透射因子對(duì)DVH圖的影響，在此筆者做了一個(gè)計(jì)算:當(dāng)關(guān)閉整個(gè)光柵時(shí)，輸入機(jī)器跳數(shù)為200 MU時(shí)，測(cè)得的透射射線約為3%，可算出散射射線劑量約為5 cGY。在6例中，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的跳數(shù)最多比靜態(tài)調(diào)強(qiáng)僅多82 MU，散射射線劑量差可忽略，即可知道在實(shí)際過程中可認(rèn)為光柵透射因子對(duì)兩種計(jì)劃的影響基本可忽略。③通過對(duì)患者治療執(zhí)行時(shí)間和機(jī)器跳數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)較靜態(tài)調(diào)強(qiáng)節(jié)約時(shí)間。本研究中，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的最大優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間上，而一個(gè)照射時(shí)間短的治療模式無疑能減少因位子變化而產(chǎn)生的誤差。葛寧等［8］在多葉準(zhǔn)直器動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)與靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方式的比較中，得出靶區(qū)劑量分布動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)優(yōu)于靜態(tài)調(diào)強(qiáng)，靜態(tài)調(diào)強(qiáng)的總機(jī)器跳數(shù)比動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)少了9．0% ～23．0%，總治療時(shí)間卻是動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的2倍，與本結(jié)論相似。但是在危及器官的保護(hù)上，靜態(tài)調(diào)強(qiáng)優(yōu)于動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，與本結(jié)論不同?？紤]到本研究的機(jī)器跳數(shù)較少，透過的光柵葉片的小劑量也較少，即可忽略多葉光柵透射因子帶來的影響，所以在靜態(tài)調(diào)強(qiáng)與動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)中對(duì)危及器官和正常組織的保護(hù)并無明顯差異。

綜上所述，在對(duì)中下段食管癌調(diào)強(qiáng)放射治療中，當(dāng)直線加速器劑量率比較穩(wěn)定時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃能更好的保證靶區(qū)劑量均勻度和適形度。當(dāng)加速器劑量率不穩(wěn)定時(shí)，則可優(yōu)先選擇靜態(tài)調(diào)強(qiáng)。但是，本文僅以一種計(jì)劃系統(tǒng)為基礎(chǔ)，至于其他計(jì)劃系統(tǒng)是否有相似的結(jié)論，還有待進(jìn)一步研究。

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