基于正交雙層光柵的調(diào)強(qiáng)放射治療臨床應(yīng)用

中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心 放射治療科，北京 100853

引言

射束適形在提高放射治療的準(zhǔn)確性、效率和質(zhì)量方面起著核心作用。多葉準(zhǔn)直器（Multi-leaf Collimator，MLC）在放射治療已有三十多年的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）的重要設(shè)備。IMRT是目前放射治療的主流技術(shù)手段，主要應(yīng)用方式之一為動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，其主要特征是葉片運(yùn)動(dòng)過程中，射線一直處于出束狀態(tài)，通過葉片的連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)射野內(nèi)的劑量調(diào)制[1]，動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)多采用滑窗技術(shù)，推動(dòng)了動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)在臨床上的應(yīng)用[2-4]。

對(duì)于IMRT技術(shù)，傳遞給腫瘤靶區(qū)的劑量對(duì)于MLC葉片位置的精確性和穿透性非常敏感。設(shè)計(jì)良好的MLC應(yīng)具備特點(diǎn)是：葉片透射低，凹凸槽效應(yīng)小，半影小，葉片定位準(zhǔn)確，速度更快[5-8]。因此，MLC的設(shè)計(jì)與控制在不斷地改進(jìn)，其葉片運(yùn)動(dòng)速度越來越快，葉片越來越薄，近年來還出現(xiàn)了多層的MLC設(shè)計(jì)，其目的均在于進(jìn)一步提高放射治療的效率與精度。例如瓦里安公司于2017年發(fā)布了HalcyonTM系統(tǒng)配置了平行雙層多葉光柵，這種設(shè)計(jì)能提供快速的光束調(diào)制，并可大幅減少M(fèi)LC葉片之間的漏射[9]。

VenusX加速器作為一款國產(chǎn)多模態(tài)智能醫(yī)用直線加速器，不同于傳統(tǒng)加速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其嚴(yán)格的安裝與調(diào)試過程能夠保證各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。最終驗(yàn)收結(jié)果表明其設(shè)備安全性、精確性和有效性均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并滿足臨床要求。該加速器采用了獨(dú)特的正交雙層光柵設(shè)計(jì)，由正交安裝的上下兩層光柵組成，可在互相垂直的兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)方式可以顯著提升放射治療的效率，并且可能會(huì)帶來潛在的劑量學(xué)的優(yōu)勢。同時(shí)擁有MV級(jí)EPID系統(tǒng)及kV級(jí)CBCT系統(tǒng)，能夠利用圖像引導(dǎo)，為放療的精確實(shí)施提供了基本保障。本研究以9個(gè)不同病種的臨床病例為基礎(chǔ)，探討正交雙層光柵在動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析其在劑量學(xué)方面的優(yōu)勢，為正交雙層光柵在國產(chǎn)加速器上的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用進(jìn)行初步探索和研究。

1 材料與方法

1.1 正交雙層光柵系統(tǒng)

正交雙層光柵是LinaTech首次提出并研發(fā)設(shè)計(jì)，每一層的葉片運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠卮怪庇谏渚€方向，且兩層葉片運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?，兩個(gè)方向均能夠達(dá)到小于1 mm的走位精度；上層光柵具有6 mm等中心厚度，共51對(duì)準(zhǔn)直器，下層光柵有4 mm等中心厚度，共51對(duì)準(zhǔn)直器；與傳統(tǒng)加速器相比，最大的不同在于其較高劑量率、較小等中心葉片厚度[10]，此外正交雙層的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有望提高靶區(qū)CI及更為快速地走位。

1.2 病例資料

選取2018年12月至2019年10月期間在解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放射治療科接受治療的42例病例，病例類型、病例數(shù)及處方劑量和分次信息、危及器官，見表1。

表1 病例類型、病例數(shù)、處方劑量及分次

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

將所有病例的CT影像及相關(guān)結(jié)構(gòu)勾畫經(jīng)由DICOM傳輸?shù)絋iGRT計(jì)劃系（LinaTech公司，中國蘇州），由同一物理師進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)[11]。在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，參照原臨床計(jì)劃，僅更換光柵配置，即將原來的Elekta SynergyTM40對(duì)單層光柵更換為VenusX正交雙層光柵，其他計(jì)劃設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化條件不變，42例病例計(jì)劃均采用動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)。

1.4 計(jì)劃比較與評(píng)估

1.4.1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)

靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)包括D95、適形度指數(shù)（Conformal Index，CI）、均勻性指數(shù)（Homogeneity Index，HI）。其中CI定義如公式(1)，CI越接近1，適形度就越好[12]。

HI定義如公式(2)，D2表示為最大劑量，D98表示最小劑量，D50為平均劑量，HI值越大，靶區(qū)內(nèi)劑量分布均勻性越差。

1.4.2 危及器官劑量學(xué)參數(shù)

參照表1中各病種危及器官對(duì)兩種計(jì)劃進(jìn)行比較分析，最大劑量評(píng)估包括腦干、脊髓、晶體等，平均劑量及劑量百分體積的評(píng)估包括腮腺、肺、心臟、肝臟、膀胱、直腸等。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

由于各病例的處方不同，且不同病例危及器官種類也不一樣，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將不同數(shù)據(jù)歸一化后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。例如，對(duì)于D95的處理，是將原單層光柵計(jì)劃和雙層光柵計(jì)劃的D95都?xì)w一到靶區(qū)處方劑量，得到相對(duì)于各靶區(qū)處方劑量的相對(duì)值；對(duì)于危及器官的處理，是將各病種危及器官按照臨床要求包括最大劑量、平均劑量、劑量體積的限值都?xì)w一到原計(jì)劃，即單層光柵計(jì)劃的危及器官的值都為1，再計(jì)算基于正交雙層光柵計(jì)劃的OAR的限值相比于原計(jì)劃OAR限值的比值。通過這樣的處理以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。用SPSS 20.0分析軟件對(duì)兩種光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃各項(xiàng)參數(shù)作Independent Sample t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異具有顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 劑量分布及DVH

2.1.1 常規(guī)病例

從肝癌、肺癌及食管癌等劑量曲線分布圖可以看出，基于雙層光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃的靶區(qū)包繞更好，且周圍低劑量線分布范圍更小，同時(shí)給出了肝癌、肺癌、食管癌病例對(duì)應(yīng)的DVH劑量分布圖，從DVH可以看出，基于雙層光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃對(duì)危及器官的保護(hù)要優(yōu)于基于單層光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃如圖1～3所示。

圖1 肝癌同步推量計(jì)劃等劑量曲線分布圖

圖2 肺癌同步推量計(jì)劃

圖3 食管癌同步推量計(jì)劃等劑量曲線分布圖

2.1.2 顱內(nèi)多發(fā)腫瘤病例計(jì)劃

顱內(nèi)多發(fā)腫瘤的計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮可以照射到多個(gè)靶區(qū)的角度，從圖4的BEV圖中可以看出，正交雙層光柵在兩個(gè)腫瘤之間的區(qū)域交疊可以大大減少光柵的透射，從而降低正常腦組織的受量[13]；此外，正交雙層光柵計(jì)劃可以從兩個(gè)方向?qū)Π袇^(qū)進(jìn)行適形調(diào)強(qiáng)，優(yōu)于單層光柵計(jì)劃只能從一個(gè)方向?qū)Π袇^(qū)適形調(diào)強(qiáng)。

圖4 顱內(nèi)多發(fā)腫瘤正交雙層光柵計(jì)劃BEV示意圖

2.1.3 鼻咽癌病例

圖5鼻咽癌計(jì)劃單層及雙層光柵的BEV示意圖；從圖中可見雙層光柵在x、y兩個(gè)方向?qū)Π袇^(qū)進(jìn)行適形，特別是對(duì)鼻咽癌中間凹形區(qū)域可以很好的遮擋；在射野范圍內(nèi)，靶區(qū)外的部分由于正交雙層光柵的同時(shí)遮擋，降低了光柵的透漏射，有效地保護(hù)了正常組織；從等劑量曲線評(píng)估上也很好的驗(yàn)證了這一點(diǎn)，即正交雙層光柵計(jì)劃的低劑量線比單層光柵計(jì)劃跌落地更為迅速；體現(xiàn)在計(jì)劃的正常組織上，表現(xiàn)為靶區(qū)外的鼻咽腔黏膜，口腔黏膜，以及后頸部區(qū)域的劑量更低，對(duì)這些正常組織起到了更好的保護(hù)作用[14]。

圖5 鼻咽癌兩種光柵計(jì)劃BEV示意圖

2.2 靶區(qū)劑量學(xué)比較及統(tǒng)計(jì)分析

42例計(jì)劃包括同步推量的靶區(qū)共68個(gè)靶區(qū)（n=68），其中D95是經(jīng)歸一化處理后的結(jié)果[15]。對(duì)其進(jìn)行SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果見表2。兩種不同光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃都能達(dá)到處方要求，即95%的處方線包繞靶區(qū)，且兩者之間的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；基于雙層光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃的靶區(qū)CI比原單層光柵計(jì)劃高3.28%，劑量均勻性優(yōu)于單層光柵計(jì)劃8.41%；且統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著性差異（P＜0.05）。

表2 靶區(qū)及危及器官的劑量分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2.3 危及器官劑量學(xué)比較及統(tǒng)計(jì)分析

9個(gè)不同病種腫瘤的危及器官按照臨床劑量限值要求，包括最大劑量、平均劑量、劑量體積等要求，共有471個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本（n=471），基于雙層光柵設(shè)計(jì)的計(jì)劃對(duì)危及器官的保護(hù)優(yōu)于單層雙柵計(jì)劃12.2%，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表2。

3 討論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和影像醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代放療進(jìn)入了精確放療的新時(shí)代[16]。放射治療的目的是最大限度的殺滅腫瘤細(xì)胞，而周圍正常組織少受或者免受不必要的照射[17]。隨著放射治療設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)醫(yī)用加速器在技術(shù)質(zhì)量以及產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性方面都得到了不同程度的提升，但大多數(shù)國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備相比還存在一定差距。

本研究所涉及的正交雙層光柵由正交安裝的上下兩層光柵組成，可在互相垂直的兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這種不再單一的葉片運(yùn)動(dòng)方式可以顯著提升放射治療的效率[18]。正交雙層光柵包含兩層相互垂直的MLC。相比單層光柵，它具備以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：① 可以在靶區(qū)邊緣位置由上下兩層對(duì)應(yīng)的葉片互相配合來實(shí)現(xiàn)MLC形狀與靶區(qū)邊界的一致性，提高射野與靶區(qū)的適形性；② 兩層葉片在走位時(shí)可以互相遮擋，減少射線的漏射量[19]；③ 增加了射線穿過葉片的厚度，減少了透射量，同時(shí)有效地減小了半影區(qū)；④ 具備相互垂直的運(yùn)動(dòng)方向，為葉片動(dòng)態(tài)分割問題提供了更多自由度，可有效減少葉片運(yùn)動(dòng)距離，縮短走位時(shí)間，提升治療效率；⑤ 能夠有效地支持運(yùn)動(dòng)靶區(qū)的二維動(dòng)態(tài)跟蹤。

盡管正交雙層光柵具備上述優(yōu)勢，但一直未能在臨床上得到廣泛應(yīng)用，原因之一是缺少一種有效的動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)實(shí)現(xiàn)算法。不同于單層光柵的Sliding Window技術(shù)，正交雙層光柵在分割強(qiáng)度矩陣時(shí)遇到了“耦合”問題，即強(qiáng)度矩陣中的每一點(diǎn)的強(qiáng)度受上下左右四個(gè)葉片影響，而葉片又是在不斷運(yùn)動(dòng)的，如果為了調(diào)整某一點(diǎn)的強(qiáng)度，而改變對(duì)應(yīng)葉片的速度，那么受限于葉片的物理?xiàng)l件（葉片速度、加速度限制），此葉片后續(xù)時(shí)刻位置也要改變，從而影響強(qiáng)度矩陣中其他點(diǎn)的強(qiáng)度值，最終導(dǎo)致強(qiáng)度矩陣中各個(gè)點(diǎn)受到所有葉片的制約。以51對(duì)光柵為例，雙層光柵動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)問題的優(yōu)化維數(shù)約102倍于單層光柵，大大增加了求解難度。因此，LinaTech提出了一種RotateSweep動(dòng)態(tài)分割方法。該方法采用分象限的方法，將四組葉片分配到不同的象限中，每個(gè)象限包含一組水平和一組垂直的葉片，其中一組為主動(dòng)葉片，一組為從動(dòng)葉片，主動(dòng)葉片向射野中心運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)葉片向射野邊緣運(yùn)動(dòng)。四個(gè)象限的葉片同步運(yùn)動(dòng)，互不干擾。同時(shí)將強(qiáng)度矩陣分配到四個(gè)象限中，此時(shí)原強(qiáng)度分割問題由“四組葉片動(dòng)態(tài)分割強(qiáng)度圖”轉(zhuǎn)化成四個(gè)子問題“一組水平和一組垂直葉片動(dòng)態(tài)分割強(qiáng)度圖”。進(jìn)一步地，使用優(yōu)化方法求得每個(gè)象限中的葉片運(yùn)動(dòng)軌跡，使得分割得到的強(qiáng)度矩陣盡可能接近理想強(qiáng)度矩陣，這樣就完成了正交雙層光柵的動(dòng)態(tài)分割。

基于正交雙層光柵的設(shè)計(jì)，為了留下更多的治療空間，該型加速器取消了鎢門和光野燈；機(jī)頭的正交雙層光柵為我們臨床設(shè)計(jì)提供了更強(qiáng)的調(diào)制能力；但與此同時(shí)，光柵的質(zhì)控更為重要，上下層光柵需要分開質(zhì)控，由于沒有光野燈，其質(zhì)控只能通過EPID來進(jìn)行。通過集成軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了每次光柵質(zhì)控，都能夠量化分析，且有詳盡的數(shù)據(jù)可以保存，便于我們后期對(duì)光柵的狀態(tài)做一個(gè)長期的分析、預(yù)測，當(dāng)然對(duì)于其在下一步臨床應(yīng)用中日常質(zhì)控工作也提出了更高的要求。

正交雙層光柵的結(jié)構(gòu)比常規(guī)單層光柵更為復(fù)雜，對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制精度和兩層MLC葉片序列優(yōu)化算法提出了更高的要求[20]。目前VenusX加速器臨床試驗(yàn)正在開展過程中，前期我們已對(duì)正交雙層光柵的各項(xiàng)性能，如走位精度、半影及透射率等進(jìn)行了詳細(xì)測試，結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)。但雙層光柵在實(shí)際臨床應(yīng)用中的表現(xiàn)及優(yōu)勢仍需進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。本研究在基于9個(gè)不同病種腫瘤的回顧性研究結(jié)果表明，在同樣都能滿足臨床要求的情況下，基于正交雙層光柵的動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃在靶區(qū)適形度、均一性及對(duì)危及器官的保護(hù)都優(yōu)于單層光柵，在臨床上的應(yīng)用具有積極意義。當(dāng)然，其在臨床上的實(shí)際獲益需要進(jìn)一步的臨床應(yīng)用及后期大量的病例來進(jìn)一步證實(shí)。

致謝

感謝雷泰醫(yī)療關(guān)睿雪等工程技術(shù)人員提供的技術(shù)支持。