基于螺旋斷層放療的立體定向放射治療多參量數(shù)據(jù)分析

程曉龍，劉吉平，楊雙燕，時建芳

浙江省腫瘤醫(yī)院放射物理室，浙江杭州310022

前言

體部立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）是一種非侵入性治療，在精確的影像技術(shù)引導下給予局部腫瘤以高劑量、低分割的放射治療，具有分割劑量大、精度高等特點，可獲得＞95%的腫瘤局部控制，已成為拒絕或不可手術(shù)的肺癌標準治療方法［1-3］。螺旋斷層放療（Tomotherapy,TOMO）技術(shù)是結(jié)合調(diào)強放射治療（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）和影像引導放射治療（Image-Guided Radiotherapy,IGRT），應用逆向CT成像原理，采用調(diào)強的扇形射束，以螺旋旋轉(zhuǎn)的方式進行放射治療［4］。TOMO獨有兆伏級CT成像技術(shù)，成像源和照射源相同，機械精度相同，成像精度和照射精度都是±0.1 mm，遠遠高于傳統(tǒng)加速器的±1 mm，且可在每次治療時進行擺位驗證，確保射線對腫瘤靶區(qū)的精確照射。TOMO每個螺旋周期中有51弧形照射野，每個弧形照射野都有64個可調(diào)節(jié)的子野，每個子野都有100級強度可調(diào)，其單位劑量率達到850 MU/min，可減少單次治療時間［5］。本研究旨在明確TOMO的SBRT計劃設計中參數(shù)設置原則和劑量驗證通過標準，并基于MVCT的擺位誤差確定合適的靶區(qū)邊界外擴值（ITV-PTV）。

1 材料與方法

1.1 病例信息

選擇浙江省腫瘤醫(yī)院2015年1月至2018年5月行TOMO的45名早期原發(fā)性非小細胞肺癌（NSCLC）患者，單次劑量 5.0～12.5 Gy，中位劑量 7 Gy，治療次數(shù)4～12次，中位次數(shù)8次。其中25例使用熱塑體膜固定，20例使用真空負壓墊固定?；颊呔谄届o呼吸狀態(tài)下，行螺旋CT模擬機4DCT圖像掃描，掃描范圍從第4頸椎上緣到第2腰椎下緣，層厚3 mm。選取吸氣末（EI）與呼氣末（EE）的10個序列圖像以及最大強度投影圖像傳輸至Raystation計劃系統(tǒng)進行靶區(qū)與危及器官勾畫。在每個時相上分別勾畫大體靶區(qū)（GTV），所有時相的GTV疊加在EE圖像（計劃CT圖像）中即為ITV，對ITV再均勻外擴3～5 mm形成計劃靶區(qū)（PTV），最后在計劃CT圖像上勾畫雙側(cè)肺、脊髓、心臟等。

1.2 計劃設計

物理師首先在Raystation計劃系統(tǒng)中添加輔助結(jié)構(gòu)，主要是做圍繞PTV外擴1 cm的劑量限制環(huán)，有時也根據(jù)PTV與雙肺的位置關(guān)系，通過增加block結(jié)構(gòu)來約束射束對肺的直接照射范圍。計劃再傳輸至TOMO工作站，將靶區(qū)和危及器官排位后，設置計劃相關(guān)核心參數(shù)：（1）射野寬度（Field Width,FW），如靶區(qū)最大徑長＜6 cm，F(xiàn)W選擇1 cm或2.5 cm；如＞6 cm，F(xiàn)W選擇2.5 cm。（2）螺距（Pitch），根據(jù)單次劑量設置范圍為0.1～0.5，具體取值后文會詳細討論。（3）調(diào)制因子（Modulation Factor,MF），初始設定為2。（4）劑量計算網(wǎng)格（Dose Grid），選擇精細（Fine）。選定PTV為Prescription，并填入分次計數(shù)，其他參數(shù)可暫時默認為0，點擊Bitch進行子野計算，一般需要2～5 h。子野計算完成后，再通過更改參數(shù)值來進行計劃優(yōu)化。確保處方劑量覆蓋95%PTV、100%GTV，雙肺 V20＜20%，脊髓 Dmax＜25 Gy，心臟 Dmax＜35 Gy、Dmean＜15 Gy。

1.3 計劃劑量驗證

計劃劑量驗證分為點絕對劑量驗證和膠片相對劑量驗證。將膠片置于圓柱形模體兩半球中間，按照紅激光燈擺位模體，并按照綠激光燈標記好4點位置以及膠片正方向位置；然后，連接電離室，調(diào)用每例患者的DQA計劃出束照射。讀取當時的溫度及壓強，在使用EBT3膠片進行劑量驗證的同時用電離室測量靶區(qū)感興趣點的點劑量（圖1），要求點劑量偏差≤±3%，膠片γ（3 mm/3%）＜1通過率＞90%。

圖1 EBT3膠片劑量驗證擺位圖Fig.1 Replacement of EBT3 film dose verification

1.4 數(shù)據(jù)處理

靶區(qū)感興趣點劑量采集及計算依據(jù)AAPM TG-51號報告［6］，按照電荷劑量轉(zhuǎn)換公式：DcGy=Pctp·C·Ccf·Ecf，其中，是計算出的劑量值（單位cGy），C是靜電計讀出數(shù)據(jù)（單位nC），Ccf是電離室轉(zhuǎn)換因子（單位cGy/C），Ecf是靜電計修正因子，Cdegree是機房溫度（單位℃），Pbar是機房氣壓（單位kPa），具體計算表格如表1所示。γ分析通過率將測量得到的劑量分布數(shù)據(jù)定義為“參考分布”，將計算出的劑量分布數(shù)據(jù)定義為“被評估分布”。對“被評估分布”中所有數(shù)據(jù)與計算“參考分布”中每個參考點的γ指數(shù)進行比較，γ＜1為通過，γ＞1為不通過，通過的參考點個數(shù)占參考點總數(shù)的百分比即為γ分析通過率［7-8］。設置γ分析通過率標準為3 mm/3%，即在3 mm的距離上計算劑量與測量劑量偏差不超過3%，在TOMO的DQA軟件中獲得γ分析的通過率。

表1 絕對劑量計算表Tab.1 The computation sheet of absolute dose

1.5 統(tǒng)計學分析

分類記錄兩組患者每次MVCT左右（X）、頭腳（Y）、前后（Z）和橫斷面旋轉(zhuǎn)（Roll）方向的擺位誤差值，用均數(shù)±標準差表示，均數(shù)代表治療過程中的系統(tǒng)體位誤差（Σ），標準差代表隨機體位誤差（δ），根據(jù)公式M=2.5Σ+0.7δ計算 PTV 外放范圍［9-10］。利用SPSS 22軟件進行分析，使用秩和檢驗分析組間各項差異，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

圖2 絕對劑量偏差Fig.2 Absolute dose deviation

圖3 γ通過率Fig.3 Gamma passing rate

2 結(jié)果

TOMO計劃均滿足95%PTV體積的處方劑量覆蓋，靶區(qū)體積、劑量分布、計劃執(zhí)行時間與危及器官的受照劑量如下：GTV為（10.84±9.91）cm3，ITV為（17.27±12.56）cm3，PTV 為（33.67±19.81）cm3，PTV最大徑長為（4.73±1.07）cm；靶區(qū)均勻性指數(shù)為1.05±0.06，適形度指數(shù)為0.73±0.08；計劃平均執(zhí)行時間為（15.85±4.34）min，肺 V5、V20、V30分別為 17.08%±10.62%、5.43%±2.96% 和 3.27%±2.0%；脊髓 Dmax（12.19±8.43）Gy；心臟Dmean為（3.92±3.08）Gy。

SBRT計劃劑量驗證的絕對劑量偏差為-0.71%±1.32%，偏差范圍為-2.61%～2.63%，在±3%的評價值范圍內(nèi)，其中，有36例（80%）的結(jié)果在±2%的范圍內(nèi)（圖2）。SBRT計劃劑量驗證的γ通過率為98.1%±1.1%，范圍為95.1%～99.6%，全部大于95%（圖3）。

熱塑體模組和真空負壓墊組的平均擺位誤差及ITV-PTV外擴邊界值如表2所示。

3 討論

3.1 計劃參數(shù)設置

3.1.1 FW的設置FW是治療區(qū)域在機器等中心處的縱向范圍，可選數(shù)值為1.0、2.5和5.0 cm。對于SBRT當PTV的徑向長度＜6 cm，F(xiàn)W選擇1 cm或2.5 cm；如＞6 cm，F(xiàn)W選擇2.5 cm，這樣設置是在保證計劃質(zhì)量的情況下調(diào)整合理的治療時間［10-11］。

3.1.2 MF的設置MF=（最長子野打開時間-最小子野打開時間）/子野平均打開時間，更大的MF意味著射束強度有很多變化，調(diào)制水平更高。

表2 不同固定方式的擺位誤差及ITV-PTV外放值Tab.2 Setup errors and ITV-PTV margins of different fixation techniques

3.1.3 螺距的設置螺距是機架旋轉(zhuǎn)1周進床距離與FW的比值，決定著每次機架旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)的射束重疊。螺距值越大，射束重疊越少、治療床速度更快、機架旋轉(zhuǎn)周期更長；螺距值越小，射束重疊越多、治療床速度越慢、機架旋轉(zhuǎn)周期更短［12-13］。TOMO計劃的螺距默認值為0.43，但是當分次施用大劑量時，機架旋轉(zhuǎn)周期可能超出其在一個旋轉(zhuǎn)周期的最大持續(xù)時間（60 s）。在調(diào)整螺距或分次劑量前，無法繼續(xù)分次（Fractionation）。如果無法成功計算一個分次的處方劑量的機架旋轉(zhuǎn)周期，Planning Station會出現(xiàn)一對話框，顯示該機架旋轉(zhuǎn)周期占最大持續(xù)時間的百分比（圖4）。

圖4 錯誤提示Fig.4 Error message

通過查詢資料，與Accuracy工程師溝通并結(jié)合實踐經(jīng)驗，可采取兩種方法來設置螺距值，從而解決上述問題，即機架旋轉(zhuǎn)周期百分比計算法和經(jīng)驗公式法［14-15］：（1）機架旋轉(zhuǎn)周期百分比法，在計算螺距調(diào)整值時，考慮使用更大的百分比來確保獲得更大劑量分次的有效機架旋轉(zhuǎn)周期，計算得出的機架旋轉(zhuǎn)周期超過允許的最大機架旋轉(zhuǎn)周期37%，將百分比從37%增加到41%，再將螺距或分次劑量乘以0.59（100%－41%），計算出減小的螺距（0.25×0.59=0.14）。如果減小螺距仍不能創(chuàng)建需要的機架旋轉(zhuǎn)周期，則減小MF值，MF值按照2.7、2.4、2.2、2.0、1.7、1.4和1.2取值。（2）經(jīng)驗公式法，依據(jù)機架旋轉(zhuǎn)周期（GP）與分次劑量（D）、MF和螺距的關(guān)系，得出經(jīng)驗公式：，其中GP范圍為 0.2～1.0 min；D為分次劑量（單位Gy）；MF推薦取值為1.2、1.4、1.7、2.0、2.2、2.4和2.7。根據(jù)螺紋效應，螺距也有對應的經(jīng)驗公式［16］，螺距=0.86/N，N取值2～8整數(shù)值。最佳機架旋轉(zhuǎn)周期為20 s，當機器達到20 s的最佳GP時，治療計劃可實現(xiàn)更短的治療時長，放射期間TOMO的更高效性能，減小對TOMO治療系統(tǒng)組件的不必要壓力［17-18］。螺距推薦取值按照最佳機架旋轉(zhuǎn)周期來計算，得出表3。

表3 分次劑量D與Pitch對照表Tab.3 Comparison table of fractional dose and pitch

3.1.4 劑量計算網(wǎng)格的設置指定橫斷面（X、Z）的體素維度，分辨率用于優(yōu)化和劑量計算。（1）粗糙（Coarse），使用系數(shù)4進行降低采樣率處理的Ctrue影像計算得出的劑量；（2）正常（Normal），使用系數(shù)2進行降低采樣率處理的Ctrue影像計算得出的劑量，適應于大多數(shù)計劃；（3）精細（Fine），沒有經(jīng)過降低采樣率處理的Ctrue影像計算得出的劑量。

3.2 計劃劑量驗證通過率

全部病例的絕對劑量偏差基本滿足±3%的評價標準，實際測量中會偶爾出現(xiàn)偏差，分析原因如下：（1）測量興趣點的選擇，一般選擇膠片下5 mm的點為感興趣點，也可以在體模影像查看器內(nèi)選擇靶區(qū)與圓柱形模體中軸重合的點（圖5），電離室應按照興趣點的位置放置，如位置與感興趣點不一致會直接影響計劃值和測量值的偏差；（2）物理師在做綠激光燈指示虛擬等中心準確性的檢測時會將圓柱形模體180°旋轉(zhuǎn)，而測量旋轉(zhuǎn)劑量時沒有及時復位會造成電離室的位置并非在半球面下0.5 cm而是在1.5 cm處；（3）放療計劃本身有問題，需要重新進行優(yōu)化。

圖5 感興趣點選擇Fig.5 Selection of interest points

膠片相對劑量驗證采用γ（3 mm/3%）分析法，當膠片劑量γ≤1像素點通過率＞90%時，才認為該計劃滿足臨床要求。實際該方法也受多種因素影響：（1）γ分析的結(jié)果對劑量梯度和空間分辨率具依賴性，且該方法是不對稱分析法，分析結(jié)果與參考劑量分布的選擇有關(guān)；（2）膠片配準過程出現(xiàn)偏差，本組分析采用DQA軟件中的“Coronal plus 4 lasers”模式，利用標記的4個點來實現(xiàn)校準，標記點的位置和大?。擞淈c直徑≤0.5 mm）都會對結(jié)果產(chǎn)生影響；（3）讀取的校準文件與膠片不匹配，因膠片批次、存放時間和存放條件都會對其劑量相應造成影響［19-20］，所以需要定期重新刻度膠片劑量響應曲線，不同階段膠片的刻度曲線是有一定偏差的，如圖6所示，其中，1～7表示不同時期的膠片刻度曲線。

結(jié)果表明SBRT的計劃通過率較高，可將通過率標準設定為：絕對劑量偏差＜±3%，γ(3 mm/3%)＜1通過率＞95%。

3.3 擺位誤差及靶區(qū)外放邊界值

經(jīng)SPSS 22分析平移誤差，熱塑體模組與真空負壓墊組的X、Y、Z方向的擺位誤差相差不大，偏差P＞0.05，沒有統(tǒng)計學意義，因此在選擇體位固定方式的時候可根據(jù)患者的身體素質(zhì)、呼吸情況、患者對不同體位固定技術(shù)在對應的治療時間內(nèi)的耐受力等實際情況等來確定。對于SBRT的X、Y、Z方向的ITVPTV邊界值可分別設定為6、5、4 mm。

圖6 膠片刻度曲線Fig.6 Film calibration curve

3.4 TOMO肺癌治療的呼吸運動管理

對于肺癌治療的呼吸運動管理，射波刀是通過針對建立的呼吸曲線來實時修正機器人的手臂運動來實現(xiàn)實時修正［21］。目前TOMO還沒有實現(xiàn)靶區(qū)運動與機器輸出的實時結(jié)合，但是TOMO自身的機械特性即機架旋轉(zhuǎn)周期（12～60 s）遠遠大于患者的呼吸周期（正常呼吸頻率12～20次/min）［21］，且TOMO葉片具有快速的調(diào)制能力（一次開合時間為20 ms左右），可實現(xiàn)子野迅速切換，再加上考慮了呼吸運動的PTV勾畫，TOMO可實現(xiàn)肺癌治療的準確性。目前TOMO也正在進行靶區(qū)運動與葉片相結(jié)合的研究，以實現(xiàn)呼吸追蹤。

4 結(jié)論

本研究通過對行TOMO的SBRT病例進行分析，著重探討基于TOMO的SBRT計劃設計和劑量驗證的方法。研究表明，SBRT計劃設計的關(guān)鍵在于參數(shù)設置及計劃執(zhí)行時間。SBRT的劑量驗證通過率較高，可適當提升評價標準，即絕對劑量＜±3%，γ（3 mm/3%）＜1通過率＞95%。擺位誤差與放療設備、固定技術(shù)、配準方法、患者個人和放療師的操作密切相關(guān)，有必要根據(jù)實際情況確定可靠的靶區(qū)邊界外擴值。本研究提供了基于TOMO的SBRT治療規(guī)范，為其應用的進一步推廣提供了技術(shù)支持，且在臨床上有較為積極的應用價值。