靶區(qū)形變在體部立體定向放射治療三維適形計劃設計中的應用研究

吳魁 水永杰 張懷文

1浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院放療科（杭州310009）；2江西省腫瘤醫(yī)院放療中心（南昌330029）

體部立體定向放射治療（SBRT）是指在短療程內(nèi)通過圖像引導來實施大劑量的放射治療，以達到腫瘤消融的目的。SBRT正逐漸成為某些腫瘤的常規(guī)治療手段［1］。SBRT一般采用一到五次大劑量照射（每次6～30 Gy），與每周五次、全程6 ～7周的常規(guī)分割放療方式顯著不同［2］。放療在殺滅腫瘤細胞的同時也會引起腫瘤靶區(qū)周圍正常組織不同程度的放射性損傷，嚴重時會導致不可避免的放療并發(fā)癥［3］。而單次分割劑量大的SBRT由于生物等效劑量（BED）［4］大大增加可能造成靶區(qū)周圍危及器官（OAR）損傷更加嚴重，放療醫(yī)生們一直致力于在正常組織可接受的劑量范圍內(nèi)給予腫瘤最大的治療劑量。所以在設計SBRT計劃時應該盡量提高靶區(qū)劑量適形度，讓處方劑量充分照射在腫瘤區(qū)域，并且要增加劑量梯度，靶區(qū)外的劑量快速下降有利于保護正常組織。不同于常規(guī)分割模式，SBRT計劃對于靶區(qū)內(nèi)非均勻性劑量是可以接受的，并且認為靶區(qū)內(nèi)的熱點對提高腫瘤內(nèi)乏氧區(qū)域的療效有潛在優(yōu)勢［5］。

三維適形放療（3D-CRT）、調(diào)強放療（IMRT）以及容積調(diào)強放療（VMAT）都可以被使用到SBRT中來，各種技術(shù)最終療效的優(yōu)劣目前并無定論。但3D-CRT技術(shù)由于計劃設計相對更簡單、機器跳數(shù)（MU）少、治療時間短等優(yōu)勢，被各大中心廣泛采用。

研究發(fā)現(xiàn)，3D-CRT技術(shù)簡單，劑量調(diào)節(jié)能力較差，容易造成靶區(qū)劑量適形度差，靶區(qū)外劑量跌落不夠快等問題［6］，目前大多數(shù)關(guān)于SBRT劑量學的研究主要集中在IMRT、VMAT和Tomo等計劃上。本研究針對以上情況，運用靶區(qū)形變技術(shù)重新設計3D-CRT計劃，并評估該方法的劑量學優(yōu)勢。

1 資料與方法

1.1 病例資料選擇2015年10月至2020年4月在我院放療科接受SBRT的30例肺癌患者作為研究對象，年齡35 ～76歲，中位年齡48.5歲。所有患者無既往心臟疾病史以及呼吸系統(tǒng)疾病史，患者心肺功能基本正常，無其他放療禁忌癥。所有研究對家均知情同意。

1.2 體位固定、CT 掃描和靶區(qū)勾畫所有患者均取仰臥位，均使用Klarity一體床板和真空墊抽負壓進行體位固定，美國GE公司放療專用大孔徑CT模擬機行4DCT掃描，掃描范圍從下頜到膈下10 cm處，掃描層厚為2.5 mm，將患者CT圖像三維重建后傳送至Eclipse10.0（美國Varian公司）計劃系統(tǒng)。專業(yè)放療醫(yī)生根據(jù)4DCT圖像勾畫出ITV，各個方向均勻外擴5 mm后生成PTV，放療物理師根據(jù)確定后的靶區(qū)進行計劃設計。

1.3 常規(guī)三維適形計劃設計（CCP）使用直線加速器為美國Varian Trilogy，其內(nèi)置40對多葉光柵（MLC），中間20對葉片厚度為5 mm，兩邊各10對為10 mm厚度。由于25例患者PTV靶區(qū)在頭腳方向的長度均未超過10 cm，故本研究中所有計劃設計均使用Trilogy加速器中間較薄的20對葉片來進行。肺癌患者的每個計劃要求設置7 ～9個共面野，并且各個照射野在射野方向觀（BEV）上使MLC端面的中間緊貼PTV，間隙為0 mm［7］。這樣既可以提高腫瘤靶區(qū)中心劑量，有利于殺滅腫瘤中心的乏氧細胞［8］；又可以迅速降低靶區(qū)周圍組織吸收劑量，從而更好的保護周圍正常組織。計劃設計采用6 MV的X射線，AAA算法，計算網(wǎng)格大小為2 mm［9］。每個計劃都需經(jīng)過高年資放療醫(yī)生評估審核，以確保完全達到臨床放療劑量學要求。處方劑量50 Gy覆蓋95%的PTV體積，99%的PTV體積受到劑量即D99% ＞47.5 Gy，最大劑量Dmax在處方劑量的111% ～167%之間［10］。最大劑量可以通過MLC端面到PTV的間隙來調(diào)節(jié)，本研究都采用0 mm的間隙，以保證最大劑量為處方劑量的130%～150%左右［11］。該計劃命名為CCP。

1.4 靶區(qū)形變勾畫技術(shù)的計劃（DCP）設計方法對每個設計好的CCP計劃，通過Eclipse 10.0 TPS自身的劑量形成結(jié)構(gòu)（dose shaping structure，DSS）功能［12］，把CCP的處方劑量線包繞范圍轉(zhuǎn)換成組織結(jié)構(gòu)，命名為D50。然后復制PTV生成新的靶區(qū)PPTV，在計劃系統(tǒng)的勾畫界面打開PTV、PPTV和D50，根據(jù)PTV和D50外輪廓的位置關(guān)系，對PPTV逐層進行形變調(diào)整。如果在某一層D50的某處邊界超過PTV，則PPTV在該處進行一定的回縮，使該處的PPTV和D50基本以PTV成鏡像對稱。如果D50邊界在PTV內(nèi)，則該處PPTV需要外擴一定程度（圖1）。在計劃設計中，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)常有靶區(qū)的最上面或者最下面一層缺失D50，則可以對靶區(qū)最上或者最下層復制后生成PPTV再做調(diào)整。然后對經(jīng)過調(diào)整變形后的PPTV進行計劃設計，射野角度、權(quán)重以及等中心都不變，MLC需要重新進行適形，各射野的MLC邊界從BEV上緊貼新生成的PPTV。劑量計算后按照PTV進行劑量歸一得到新的計劃，該計劃命名為DCP。

圖1 PTV 和D50的位置關(guān)系以及PPTV 的生成方法Fig.1 The position relation of PTV and D50 and the generation method of PPTV

1.5 治療計劃評估對比觀察兩組計劃的劑量分布和機器MU總跳數(shù)，進行統(tǒng)計學分析。分析指標包括靶區(qū)適形度指數(shù)（CI）、劑量梯度（DG）、靶區(qū)近似最小劑量（D99%）、靶區(qū)外2 cm處最大劑量（D2 cm）和機器跳數(shù)（MU）。按照RTOG 0915號報告建議PTV最大劑量在處方劑量的111%到167%之間。CI計算公式為：CI=（TVPV/VPTV）/（VTV/ TVPV），其中TVPV為處方劑量所覆蓋的靶區(qū)體積，VPTV為靶區(qū)體積，VTV為處方劑量所覆蓋的總體積，CI的值越接近1，表示適形度越好［13］；DG的計算方法為：50%的處方劑量體積與靶區(qū)體積的比值，DG的值越低，表示PTV周圍正常組織劑量下降越快；D99%表示99%的PTV體積受到的照射劑量，以這個值代替靶區(qū)內(nèi)最小劑量；D2 cm是PTV外任何方向上2 cm以外的正常組織內(nèi)的最大劑量。最后，比較兩組計劃的機器總跳數(shù)（MU）。

1.6 統(tǒng)計學方法應用SPSS 19.0軟件建立數(shù)據(jù)庫，并對計劃所得DVH數(shù)據(jù)進行錄入和分析。計量資料采用均數(shù)±標準差表示。采用配對t檢驗的方法對各參數(shù)進行比較。P ＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

圖2 兩種計劃的PTV、PPTV 和D50的位置關(guān)系Fig.2 The position relationship between the two plans of PTV，PPTV，and D50

圖3 兩種計劃PTV 的劑量體積直方圖Fig.3 Dose volume histogram for PTV of two planning

2.1 靶區(qū)劑量分布和劑量體積直方圖（DVH）從等劑量線分布圖（圖2）和劑量體積直方圖（DVH）（圖3）中可以看到，兩種計劃的PTV劑量分布均滿足臨床處方要求，DCP組靶區(qū)DVH更加陡峭，劑量適形度更好。

2.2 劑量學參數(shù)和MU 比較見表1。DCP組的CI、DG、D99%、和D2 cm均優(yōu)于CCP組（t = 4.55、5.95、4.37、3.86，P ＜0.05），MU也有所減少（t = 2.82，P ＜0.05）。

3 討論

肺癌的SBRT治療是一個復雜的流程，包括圖像采集、計劃設計、劑量驗證［14］和位置驗證［15］以及治療實施等，在選取合適的治療技術(shù)時必須把流程的每一步都考慮進去。好的治療技術(shù)不僅要有好的計劃，還需要保證在治療執(zhí)行過程中有更小的偏差。由于肺癌患者自身呼吸運動的存在，筆者相信3D-CRT與IMRT和VMAT相比，計劃劑量和傳輸劑量的一致性可能會更好，所以在計劃設計時常常優(yōu)先選擇3D-CRT技術(shù)。但是，由于3D-CRT技術(shù)不能像IMRT和VMAT那樣對靶區(qū)內(nèi)的任一點劑量進行調(diào)節(jié)，其靶區(qū)劑量分布適形度稍差。

本研究對30例行SBRT治療的肺癌患者分別設計了CCP和DCP兩組計劃，CCP組計劃的MLC對PTV適形，DCP組對PPTV適形，得到的靶區(qū)劑量分布有顯著不同。兩組計劃采用相同的劑量歸一方式，雖然都滿足95%的PTV體積接受臨床處方劑量的要求，但也都存在5%左右的PTV靶區(qū)體積沒有達到處方劑量。詳細觀察分析兩計劃，發(fā)現(xiàn)靶區(qū)中心劑量是可以滿足的，PTV周邊則有可能欠量，CCP組計劃欠量區(qū)域比較集中，DCP組則比較分散；CCP組計劃PTV外側(cè)有些區(qū)域有明顯多余的處方劑量，而DCP組計劃則幾乎沒有多余劑量。三維適形計劃的劑量分布主要靠MLC的形狀來調(diào)節(jié)，任一點劑量是由穿過該點的射線和該點附近的散射線提供的。CCP組計劃MLC緊貼PTV，靶區(qū)邊緣散射劑量主要來自PTV內(nèi)側(cè)，而PTV外側(cè)被MLC遮擋幾乎沒有射線經(jīng)過，也就不能提供相應的散射劑量。但是PTV邊緣劑量不足時，為了滿足處方劑量覆蓋95%的靶區(qū)體積，則需要更多的射線穿過PTV并提供更多的散射劑量，這也就造成了CCP組計劃的MU比DCP組高。CCP組計劃因為更多的MU，其射線經(jīng)過路徑上的正常組織劑量更高，導致D2 cm更大。

表1 兩種計劃方法的劑量學比較Tab.1 The dosimetry comparison of two planning methods ±s

表1 兩種計劃方法的劑量學比較Tab.1 The dosimetry comparison of two planning methods ±s

計劃名稱CCP DCP例數(shù)30 30 CI 0.74±0.05 0.82±0.06 DG 4.21±0.58 3.94±0.53 D99%（cGy）4 608.79±56.55 4 745.24±46.25 D2 cm（cGy）3 125.15±500.12 2 755.95±323.86 MU 1 741.89±169.89 1 710.58±199.22

在設計DCP組計劃時，已經(jīng)事先知道PTV周邊何處欠量，則針對該處PTV邊界外擴；反之，若某處劑量過多，則該處PTV邊界內(nèi)縮，進而生成新的靶區(qū)PPTV。此時對MLC按照PPTV適形，實際上是對MLC位置進行了反向調(diào)整。劑量過多則MLC內(nèi)縮，擋住此處過多的射線，降低該處劑量；欠量則MLC外擴，提供更多的散射劑量，提高此處劑量。這樣得到的處方劑量與PTV適形指數(shù)（CI）明顯更高。

兩組計劃都有5%的PTV體積沒有達到處方劑量，靶區(qū)近似最低劑量D99%在此區(qū)域內(nèi)，在DCP組計劃里此區(qū)域附近的MLC都進行了外擴，散射劑量增加，所以D99%劑量也會增加。

綜上所述，經(jīng)過形變靶區(qū)方法設計的SBRT三維適形計劃靶區(qū)劑量分布更好，靶區(qū)外劑量下降更快有利于保護正常組織，而且機器跳數(shù)更少，計劃執(zhí)行效率更高。另外，對肝臟、胰腺等SBRT的三維適形計劃做同樣研究，證明這種計劃設計方法也是適用的?？傊?，靶區(qū)形變方法在SBRT三維計劃設計中值得進行推廣。