射波刀治療計劃中計算框大小對靶區(qū)劑量分布影響研究*

高行新 王洪花 陸 軍 李 莎 張 超 崔曉磊 黃永輝

射波刀治療計劃中計算框大小對靶區(qū)劑量分布影響研究*

高行新①王洪花②陸 軍①李 莎①張 超①崔曉磊①黃永輝①

目的：研究射波刀治療計劃中計算框的大小對靶區(qū)劑量分布的影響，為射波刀治療計劃設(shè)計時計算框的選擇提供參考。方法：選擇3個腫瘤最大直徑分別為10 mm、30 mm和50 mm的靶區(qū)，計算框大小分別為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積，然后進(jìn)行計劃設(shè)計，并分析計算框的大小和靶區(qū)劑量分布之間的關(guān)系。結(jié)果：①計算時間隨著計算框的增大而大幅度減少，而治療時間隨著計算框的增加均有減少的趨勢，但變化不大；②隨著計算框的增大，等劑量曲線數(shù)值呈下降的趨勢，由開始輕微改變到在最大掃描體積時變化最大，如10 mm靶區(qū)，曲線數(shù)值由89%～70%，而30 mm靶區(qū)，曲線數(shù)值由85%～74%，對50 mm靶區(qū)，曲線數(shù)值由77%～70%。射線束變化趨勢和等劑量曲線類似；③對不同大小的靶區(qū)，適形度會隨著計算框的增大而增加，但隨著靶區(qū)的增大，適形度增加幅度變小。結(jié)論：受計算時間和其他靶區(qū)劑量分布影響，對于腫瘤直徑為10 mm的靶區(qū)，計劃設(shè)計時選擇較小的計算框，如靶區(qū)外15 mm；對于腫瘤直徑為30 mm靶區(qū)，選擇適中的計算框為宜，如靶區(qū)外30～50 mm；而對于腫瘤直徑為50 mm的靶區(qū)，計算框可以選擇大些，如靶區(qū)外50 mm或更大范圍計算框，可以有效減少計算時間，提高工作效率。

射波刀；計算框；靶區(qū)劑量分布；放射治療

射波刀是一種新型的立體定向放射治療設(shè)備，也是目前世界上最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)技術(shù)之一，由美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)外科醫(yī)師John.Adler博士于1992年發(fā)明，并于2001年由美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)認(rèn)證，可用于治療全身各部位腫瘤[1-5]。射波刀采用實時影像引導(dǎo)和同步呼吸追蹤等技術(shù)，確保治療的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，使腫瘤外放邊界明顯縮小，更多相鄰的正常組織免受放射線輻射[6-7]。

隨著射波刀技術(shù)的不斷研制，第四代射波刀采用Multiplan4.0治療計劃系統(tǒng)，在計劃開始階段有劑量計算框的選擇，而劑量計算框定義了一個體積，在該體積中，系統(tǒng)將以當(dāng)前選定的精度計算劑量，并為用于優(yōu)化的每個感興趣器官提取約束點，只有處于劑量計算框內(nèi)部的感興趣區(qū)域部分才會受到約束。而在Multiplan4.0計劃系統(tǒng)中有3種精度分別為低分辨率(64×64×64)、中分辨率(128×128×128)和高分辨率(掃描的主CT像素)。在治療計劃設(shè)計時，一般選擇低分辨率來進(jìn)行初步計算，最后用高分辨率去評估并發(fā)送。低分辨率中的像素點相對較少，這樣落在靶區(qū)和危急器官上的限制點也相應(yīng)的減少，運(yùn)算時間就會變短，方便治療計劃設(shè)計。對于計算框的選擇原則上不可太大或太小，計算框太大會減少每個感興趣區(qū)的限制點數(shù)，而太小又有可能會漏掉危及器官。為此，本研究針對不同腫瘤直徑的靶區(qū)，研究計算框的選擇對靶區(qū)劑量分布的影響，并分析其之間的關(guān)系，對于射波刀治療計劃設(shè)計中計算框的選擇有著指導(dǎo)和借鑒意義。

1 資料與方法

1.1 資料選取

蘭州總醫(yī)院引進(jìn)的第四代射波刀(美國Accuray公司)，于2012年10月開始在臨床應(yīng)用治療。選取腫瘤最大直徑分別為10 mm、30 mm和50 mm的靶區(qū)進(jìn)行計劃設(shè)計，計算框的選擇分別為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積，靶區(qū)基本位于體部中心處。

1.2 CT定位及靶區(qū)勾畫

使用PET-CT模擬定位機(jī)(德國Siemens公司)對患者行CT掃描?；颊卟捎醚雠P位，真空墊固定，掃描層厚、層距均為1 mm。由醫(yī)生勾畫靶區(qū)和危及器官。

1.3 治療計劃設(shè)計

由Multiplan4.0治療計劃系統(tǒng)分別對3個不同大小的腫瘤靶區(qū)進(jìn)行計劃設(shè)計，對每一個靶區(qū)，計算框的選擇分別為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積，這樣就得出3組治療計劃。

1.4 治療計劃評估

靶區(qū)劑量分布參數(shù)主要有計算時間、等劑量曲線、靶區(qū)體積覆蓋率、治療時間、適形度、新適形度以及射線束等[8]。在靶區(qū)體積覆蓋率＞99%情況下，分別研究不同大小的腫瘤靶區(qū)在不同計算框下靶區(qū)劑量分布參數(shù)的變化，并對計算框的選擇給出合理的建議。

2 結(jié)果

最大徑為10 mm的腫瘤靶區(qū)，計算框分別為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進(jìn)行計劃設(shè)計，所有治療計劃的靶區(qū)劑量分布參數(shù)見表1。

最大徑為30 mm的腫瘤靶區(qū)，計算框分別為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進(jìn)行計劃設(shè)計，所有治療計劃的靶區(qū)劑量分布參數(shù)見表2。

最大徑為50 mm的腫瘤靶區(qū)，計算框分別為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進(jìn)行計劃設(shè)計，所有治療計劃的靶區(qū)劑量分布參數(shù)見表3。

3 討論

射波刀作為新型的立體定向放射治療設(shè)備，在全身各部位腫瘤治療中都取得了很好的療效，如頭頸部腫瘤[9-12]、肺癌[13-15]、肝癌[16-17]、胰腺癌[18]以及腎癌[19]等。本研究使用引進(jìn)的第四代射波刀，采用的治療計劃系統(tǒng)是Multiplan4.0版本，有5～60 mm范圍內(nèi)12種不同尺寸的準(zhǔn)直器[20]。在治療計劃設(shè)計時需要選擇一個計算框進(jìn)行計算，對于計算框的選擇理論上不宜太大和太小，而本研究探討計算框的大小對于腫瘤靶區(qū)劑量分布的影響，從而為以后治療計劃中計算框的選擇提供借鑒和指導(dǎo)。

表1 腫瘤最大徑為10 mm的靶區(qū)劑量分布參數(shù)

表2 腫瘤最大徑為30 mm的靶區(qū)劑量分布參數(shù)

表3 腫瘤最大徑為50 mm的靶區(qū)劑量分布參數(shù)

選擇最大徑分別為10 mm、30 mm和50 mm的腫瘤靶區(qū)，每個靶區(qū)又分別選擇計算框為靶區(qū)外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進(jìn)行治療計劃設(shè)計，對每組治療計劃中不同計算框下靶區(qū)劑量分布進(jìn)行分析。表1、表2和表3的3組治療計劃中靶區(qū)劑量分布參數(shù)都有相似的變化，但變化程度不同，按照靶區(qū)劑量分布參數(shù)分析顯示：①計算時間和治療時間。計算時間基本上隨著計算框的增大而變小，對于10 mm的靶區(qū)，計算時間從50 s降至18 s，而30 mm的靶區(qū)計算時間則從9 min降至24 s，當(dāng)靶區(qū)為50 mm時，計算時間從18 min降至2 min。治療時間隨著計算框的增大都有減少的趨勢，但變化不大；②等劑量曲線和射線束。隨著計算框的增大，等劑量曲線數(shù)值呈下降的趨勢，在計算框由15 mm增大到50 mm時，等劑量曲線有輕微的下降，但變化不大，當(dāng)計算框增大為最大掃描體積時，等劑量曲線變化增加，如10 mm靶區(qū)，曲線數(shù)值由89%降低為70%，而30 mm靶區(qū)，曲線數(shù)值由85%降低為74%，對50 mm靶區(qū)，曲線數(shù)值由77%降低為70%，等劑量曲線數(shù)值變化有隨靶區(qū)增大而減小的現(xiàn)象，射線束變化趨勢和等劑量曲線類似；③靶區(qū)適形度。對不同大小的靶區(qū)，適形度均隨著計算框的增大而增加，如在10 mm靶區(qū)，適形度由1.39增大到2.81，而30 mm的靶區(qū)，適形度由1.26增至1.81，當(dāng)靶區(qū)為50 mm時，適形度由1.19增至1.29，其結(jié)果是隨著靶區(qū)的變大，適形度隨著計算框的增大的幅度變小。

4 結(jié)論

通過對不同大小的腫瘤靶區(qū)分別在不同計算框下進(jìn)行治療計劃設(shè)計，分析計算框的大小對靶區(qū)分布的影響。3組治療計劃研究結(jié)果顯示：在靶區(qū)體積覆蓋＞99%情況下，隨著計算框的增大，不同大小的腫瘤靶區(qū)劑量分布參數(shù)有相似的變化，但變化程度不同。當(dāng)計算框由15 mm增大到50 mm時，靶區(qū)劑量分布中治療時間、射線束和靶區(qū)等劑量曲線均有略微下降的趨勢，但變化不大，而適形度呈現(xiàn)的是增大的趨勢，但計算時間則變化較大，呈倍數(shù)減少。當(dāng)計算框為最大掃描體積時，靶區(qū)劑量分布參數(shù)變化在靶區(qū)為10 mm時變化最大，到50 mm靶區(qū)時，劑量分布參數(shù)變化減弱，呈現(xiàn)劑量分布參數(shù)隨靶區(qū)增大而減弱的趨勢。以上結(jié)果表明，計算框的大小對靶區(qū)劑量分布方面確實存在影響，在計算框較小時，如計算框為15 mm和30 mm時比較，靶區(qū)劑量分布參數(shù)大多數(shù)有著輕微的改變，但改變非常小，只是在計算時間上相差較大。在計算框較大時，如在最大掃描體積時對10 mm靶區(qū)影響最大，對50 mm靶區(qū)影響較小。所以考慮計算時間和其他靶區(qū)劑量分布參數(shù)，在靶區(qū)體積較小時適合較小的計算框，如30 mm左右，不建議選擇非常大的計算框，但選擇的計算框必須包含鄰近靶區(qū)的危急器官；而在靶區(qū)體積較大時，建議選擇較大些的計算框，如靶區(qū)外50 mm大小計算框，可以有效減少計算時間，提高工作效率。以上結(jié)果可以為射波刀治療計劃中計算框的選擇提供參考和指導(dǎo)，在實際治療計劃中根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)赜嬎憧颉?/p>

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The research on the influence of calculation grid size for dose distribution of target region in the therapy plan of CyberKnife system/

GAO Xing-xin, WANG Hong-hua, LU Jun, et al//
China Medical Equipment,2017,14(9):20-23.

Objective: To research the influence of calculation grid size for dose distribution of target region in the therapy plan of CyberKnife so as to provide references for the choosing of calculation grid in the design of therapy plan of CyberKnife. Methods: Three target regions which largest diameters were 10mm, 30mm and 50mm, respectively, were selected. The calculation grid sizes were 15mm, 30mm and 50mm out of target region and the largest scanning volume, respectively. And then, the plan and design were carried out and the relationship between calculation grid size and distribution of target dose was analyzed. Results: (1)The calculation time was reduced with the enlarging of calculation grid and the reduced range was very large, while the treatment time appeared a reducing trend with the enlarging of calculation grid and its change was not obvious. (2)With the enlarging of calculation grid, the value of isodose curve appeared a decreasing trend, and the change was slight in begin and was obvious in largest scanning volume, such as for 10mm target region, the value of curve was from 89% to 70%, and it was from 85% to 74% for 30 mm target region, and it was from 77% to 70% for 50 mm target region. And the change trend of bundle of rays was similar with isodose curve. (3)For differently sized target region, the conformal degree was increase with the enlarging of calculation grid, while its increase range became smaller with the enlarging of target region. Conclusion: Based the influence for the consideration of calculation time and other dose distribution of target region, the planning and design should choose smaller calculation grid for the target region of 10mm tumor diameter, such as 15 mm out of target region. And it should choose medium calculation grid for the target region of 30 mm tumor diameter, such as 30-50 mm out of target region. Further, it should choose more calculation grid for the target region of 50 mm, such as 50 or more than 50mm out of target region. This method can reduce calculation time and increase the work efficiency.

CyberKnife system; Calculation grid; Dose distribution of target region; Radiotherapy

Department of Radiotherapy, The General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730050, China.

1672-8270(2017)09-0020-04

R730.55

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.09.006

2017-01-09

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(81501623)“模擬微重力環(huán)境下TLR9分子在碳離子輻射損傷防護(hù)中的作用及機(jī)理研究”

①蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院放射治療科 甘肅 蘭州 730050

②甘肅省計量研究院 甘肅 蘭州 730070

高行新,男,(1982- ),博士，物理師。蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院放射治療科，從事腫瘤放射物理研究工作。