調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)在射野銜接中的應(yīng)用研究

李彩虹，王沛沛，李金凱，昌志剛，顧宵寰，孫新臣

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，江蘇 南京 210029

引言

在臨床實(shí)踐中，腫瘤放療靶區(qū)長(zhǎng)度超過醫(yī)用加速器最大射野在等中心處的投影極為常見，例如原發(fā)顱內(nèi)的生殖細(xì)胞瘤、中樞性神經(jīng)系統(tǒng)惡性淋巴瘤和兒童的髓母細(xì)胞瘤等疾病，需要進(jìn)行全腦全脊髓照射[1-2]。傳統(tǒng)的做法有，利用相鄰野在皮膚間隔一定距離，或利用幾何學(xué)原理共線相交，或利用獨(dú)立準(zhǔn)直器的半野照射技術(shù)等。然而，這些方法都存在對(duì)放療擺位精度的要求比較高，靶區(qū)及周圍正常組織容易出現(xiàn)劑量冷熱點(diǎn)，治療過程中需要不斷變換射野銜接位置以確保安全等問題[3-4]。

目前，適型調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)已廣泛應(yīng)用于腫瘤靶區(qū)較長(zhǎng)[5-7]，需要進(jìn)行射野銜接的病例當(dāng)中，其憑借劑量分布更優(yōu)，擺位操作更加方便，不需要移動(dòng)射野銜接位置等優(yōu)點(diǎn)，更容易讓醫(yī)生和患者接受。但在射野銜接時(shí)應(yīng)用適形調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)仍存在許多隱患和不足，如計(jì)劃重疊范圍的長(zhǎng)度，放療計(jì)劃優(yōu)化的次序，擺位誤差對(duì)實(shí)際劑量分布的影響等，筆者利用Axesse加速器和Monaco治療計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)部分隱患和不足進(jìn)行了分析，現(xiàn)將有關(guān)研究結(jié)果報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 一般資料

2016年10月至2017年6月，在南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放療科行調(diào)強(qiáng)放療，腫瘤靶區(qū)長(zhǎng)度大于45 cm的9例患者，其中男性5例，女性4例；年齡6～45歲，中位年齡18歲；髓母細(xì)胞瘤4例，生殖細(xì)胞瘤2例，淋巴瘤2例，骨轉(zhuǎn)移1例。規(guī)定所有治療計(jì)劃需要滿足95%的靶區(qū)體積達(dá)到100%的處方劑量，靶區(qū)長(zhǎng)度大于45 cm，但小于60 cm者，設(shè)置2個(gè)計(jì)劃等中心；靶區(qū)長(zhǎng)度大于60 cm，但小于90 cm者，設(shè)置3個(gè)等中心。

1.2 設(shè)備資料

大孔徑CT模擬定位機(jī)（西門子），螺旋掃描，重建層厚取5 mm。Axesse直線加速器（醫(yī)科達(dá)），其最大野為40 cm×40 cm，配有80對(duì)多葉光柵，等中心處葉片投影寬度均為5 mm；Monaco V5.1治療計(jì)劃系統(tǒng)，支持靜態(tài)調(diào)強(qiáng)、動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)，采用蒙特卡洛算法，計(jì)算網(wǎng)格取0.3 cm。

1.3 重疊長(zhǎng)度和擺位誤差對(duì)靶區(qū)劑量的影響

靶區(qū)A和B的總長(zhǎng)度超過45 cm，需要進(jìn)行射野銜接，見圖1。設(shè)定兩個(gè)調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃A和B，其中Plan A對(duì)應(yīng)靶區(qū)A，Plan B對(duì)應(yīng)靶區(qū)B和部分靶區(qū)A，兩者等中心間距取25 cm左右，計(jì)劃重疊長(zhǎng)度分別取1、2、4、8 cm。每例患者均選擇4種不同長(zhǎng)度的計(jì)劃銜接過渡范圍，將Plan A和Plan B放在同一治療計(jì)劃內(nèi)同時(shí)進(jìn)行逆向優(yōu)化，并通過改變其中一個(gè)治療計(jì)劃的等中心坐標(biāo)，模擬頭腳方向±3、±5、±10 mm的擺位誤差，研究不同重疊長(zhǎng)度的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃具體執(zhí)行時(shí)腫瘤靶區(qū)的實(shí)際劑量分布。

圖1 靶區(qū)A和B射野銜接示意圖

1.4 計(jì)劃優(yōu)化次序和擺位誤差對(duì)靶區(qū)劑量的影響

將上述第3步中推薦的計(jì)劃重疊長(zhǎng)度，即射野銜接過渡區(qū)的靶區(qū)分成n部分。本研究如圖1所示分成3段，命名為PTV1、PTV2、PTV3。關(guān)于射野銜接過渡區(qū)的處方劑量計(jì)算，公式定義如下：

其中，n表示射野銜接過渡區(qū)的總分段數(shù)，i表示從計(jì)劃等中心一側(cè)到射野邊界的第幾段。以圖1為例，n=3，根據(jù)公式1，計(jì)算處方劑量如下，PTV1：75%的處方劑量；PTV2：50%的處方劑量。PTV3：25%的處方劑量。

不同于第3步的Plan A和Plan B同時(shí)優(yōu)化，此處先根據(jù)上述靶區(qū)A的劑量銜接處方定義方案進(jìn)行逆向優(yōu)化，得到Plan A；第二步，再以Plan A為Base Plan，對(duì)Plan B進(jìn)行逆向優(yōu)化，使靶區(qū)A和B同時(shí)滿足100%的處方劑量定義。最后，通過改變其中一個(gè)治療計(jì)劃的等中心坐標(biāo)，模擬頭腳方向±3、±5、±10 mm的擺位誤差，研究不同計(jì)劃優(yōu)化次序得到的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃具體執(zhí)行時(shí)腫瘤靶區(qū)的實(shí)際劑量分布。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

靶區(qū)劑量分布評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：計(jì)劃重疊區(qū)域95%和1%靶區(qū)體積所受到的照射劑量D95%和D1%，其中，擺位誤差方向相向時(shí)（+），取1%體積的照射劑量D1%，擺位誤差方向相反時(shí)（-），取95%體積的照射劑量D95%。利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 21.0對(duì)靶區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。

2 結(jié)果

2.1 重疊長(zhǎng)度和擺位誤差對(duì)靶區(qū)劑量的影響

9例患者，利用相同的目標(biāo)函數(shù)和逆向優(yōu)化算法得到了36個(gè)調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃。統(tǒng)計(jì)顯示，隨著重疊長(zhǎng)度的增加，計(jì)劃重疊區(qū)域的D95%均值增加，D1%均值變小，具體見表1，對(duì)D95%和D1%進(jìn)行單因素方差分析，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=144.890，7.878，P＜0.05）。模擬擺位誤差時(shí)發(fā)現(xiàn)，擺位誤差對(duì)計(jì)劃重疊區(qū)域的D95%和D1%有影響 （F=1121.185，1286.928，P＜0.01），重疊長(zhǎng)度對(duì)計(jì)劃重疊區(qū)域的D95%和D1%也 有 影響（F=297.908，203.171，P＜0.01）， 并且兩者存在交互作用（F=34.887，37.403，P＜0.05），即在不同擺位誤差和重疊長(zhǎng)度水平的組合上還存在附加影響。

為更好的說明擺位誤差對(duì)射野銜接處劑量分布的影響，模擬頭腳方向擺位誤差為10 mm時(shí)，某例患者不同重疊長(zhǎng)度的靶區(qū)劑量分布（冠狀面），見圖2～3。由圖可見，當(dāng)射野銜接重疊長(zhǎng)度≤2 cm時(shí)，形成的高劑量區(qū)或低劑量區(qū)是重疊在一起的，尤其在1 cm的時(shí)候，高劑量區(qū)和低劑量區(qū)形成了二次疊加，使得高劑量區(qū)劑量更高，低劑量區(qū)劑量更低；當(dāng)重疊長(zhǎng)度≥4 cm時(shí)，射野銜接處的高劑量區(qū)或低劑量區(qū)被中間滿足劑量處方要求的靶區(qū)分成了兩段。

表1 擺位誤差對(duì)靶區(qū)劑量的影響（%）

圖2 擺位誤差+10 mm時(shí)射野銜接處的劑量分布圖

圖3 擺位誤差-10 mm時(shí)射野銜接處的劑量分布圖

2.2 計(jì)劃優(yōu)化次序和擺位誤差對(duì)靶區(qū)劑量的影響

計(jì)劃重疊長(zhǎng)度取4 cm，分成3段，每段1.33 cm。以某患者為例，Plan A和Plan B同時(shí)優(yōu)化及分段優(yōu)化的射野銜接劑量分布，見圖4。由圖可見，同時(shí)優(yōu)化時(shí)，兩個(gè)計(jì)劃對(duì)射野銜接處的劑量貢獻(xiàn)基本是平分的；而基于Base Plan的分段優(yōu)化，由于劑量處方的分段定義，可見兩個(gè)計(jì)劃對(duì)射野銜接處的劑量貢獻(xiàn)是呈線性變化的。

圖4 優(yōu)化次序不同時(shí)射野銜接處的Profile曲線

基于Base Plan的3段銜接計(jì)劃，不同擺位誤差時(shí)，射野銜接處劑量評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值，見表1，與重疊4 cm同時(shí)優(yōu)化的計(jì)劃行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，D95%和D1%差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=9.974，5.357，P＜0.05）。當(dāng)頭腳方向擺位誤差為10 mm時(shí)，某例患者的3段銜接計(jì)劃靶區(qū)劑量分布（冠狀面），見圖5。由圖可見，射野銜接處的高劑量區(qū)和低劑量區(qū)被分成了3～4段，這使得高劑量區(qū)的最大值和低劑量區(qū)的最小值變化趨緩。

圖5 擺位誤差10 mm時(shí)射野銜接處的劑量分布圖

3 討論

隨著放療設(shè)備的不斷發(fā)展和放療技術(shù)的不斷革新，應(yīng)用到射野銜接中的技術(shù)選項(xiàng)越來越多[8-9]。目前，很多研究證實(shí)螺旋斷層放療系統(tǒng)[10-11]較醫(yī)用加速器能夠更好的完成超長(zhǎng)靶區(qū)體積的銜接照射，但該放療設(shè)備價(jià)格昂貴，僅在我國極少數(shù)的放療中心安裝使用，而大部分放療科仍采用醫(yī)用加速器來實(shí)現(xiàn)射野銜接照射。從而，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用醫(yī)用加速器進(jìn)行射野銜接的技術(shù)和方法做了很多改進(jìn)。有研究報(bào)道，在原常規(guī)照射的基礎(chǔ)上，通過手工設(shè)置多個(gè)“野中野”正向調(diào)強(qiáng)羽化銜接線法，可有效降低靶區(qū)銜接區(qū)域的分次高量，然而計(jì)劃設(shè)計(jì)較麻煩，羽化的效果也有限[12]。亦有學(xué)者[13]主張采用多角度照射，如固定野多角度調(diào)強(qiáng)放療、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療等，認(rèn)為調(diào)強(qiáng)放療可顯著降低靶區(qū)及周圍正常組織的高劑量體積，進(jìn)一步提高靶區(qū)適形度和均勻性，但此種技術(shù)對(duì)患者的擺位要求也更加嚴(yán)格。

擺位誤差是不可避免的，很多研究[14-15]結(jié)果顯示體部腫瘤的擺位誤差介于3～10 mm之間，通過圖像引導(dǎo)放療可以減小擺位誤差。Strojnik等[16]使用簡(jiǎn)單的幾何推理證明，采取兩個(gè)預(yù)防措施，擴(kuò)大計(jì)劃重疊區(qū)域和減少重疊區(qū)域的劑量梯度，可減少擺位誤差在射野銜接處所產(chǎn)生的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)。本研究對(duì)調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)在射野銜接中的應(yīng)用細(xì)節(jié)問題進(jìn)行了探討，具體包括射野銜接重疊長(zhǎng)度對(duì)治療靶區(qū)劑量分布有無影響，計(jì)劃優(yōu)化次序是采用同時(shí)優(yōu)化還是選擇分段優(yōu)化，那種組合可以最大程度的減少擺位誤差對(duì)靶區(qū)實(shí)際受照劑量的影響等。研究結(jié)果顯示，利用調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)對(duì)長(zhǎng)靶區(qū)進(jìn)行射野銜接時(shí)，計(jì)劃重疊長(zhǎng)度大于等于4 cm，人為設(shè)置線性劑量過渡處方，并采用分段優(yōu)化的設(shè)計(jì)方式，可減少擺位誤差對(duì)靶區(qū)實(shí)際受照劑量的影響，這與Strojnik等[16]的研究結(jié)果一致。

放射治療計(jì)劃實(shí)施的準(zhǔn)確程度對(duì)治療效果有明顯影響。本研究通過模擬頭腳方向擺位誤差發(fā)現(xiàn)，射野銜接處的劑量偏差隨著擺位誤差的增大變化劇烈，這提示在靶區(qū)需要進(jìn)行射野銜接照射時(shí)，應(yīng)結(jié)合圖像引導(dǎo)放療技術(shù)，通過在線擺位校正擺位誤差。與此同時(shí)，再結(jié)合上述的治療計(jì)劃優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步提高銜接處靶區(qū)劑量分布的均勻性，從而為提高放療療效奠定基礎(chǔ)。