自動(dòng)羽化技術(shù)在射野銜接處的劑量魯棒性研究

魏夏平，蘇潔洪(通信作者)，黃小偉，朱毅，董彥鑫，劉葉明，黃明超

1 廣州中醫(yī)藥大學(xué)金沙洲醫(yī)院腫瘤放射治療中心 (廣東廣州 510080)；2 東莞理工學(xué)院 (廣東東莞 523808)

在放射治療中，使用直線加速器對(duì)長(zhǎng)靶區(qū)(長(zhǎng)度超過(guò)40 cm)進(jìn)行照射是較為復(fù)雜的技術(shù)，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)直線加速器最大射野為40 cm×40 cm，1個(gè)射野往往不能覆蓋全靶區(qū)，如全腦全脊髓放射治療，通常需設(shè)置多個(gè)等中心進(jìn)行射野銜接才能完成整個(gè)靶區(qū)的照射[1-2]。由于擺位誤差的存在，傳統(tǒng)照射方法極易在射野銜接處出現(xiàn)劑量冷熱點(diǎn)[3-4]。靶區(qū)內(nèi)出現(xiàn)劑量冷點(diǎn)容易導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)，靶區(qū)內(nèi)出現(xiàn)劑量熱點(diǎn)則可導(dǎo)致嚴(yán)重不良反應(yīng)。目前，基于直線加速器設(shè)備的調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)和容積調(diào)強(qiáng)弧形治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)、基于螺旋斷層放射治療(helical tomotherapy，TOMO)已被廣泛用于全腦全脊髓等長(zhǎng)靶區(qū)的治療中[5-7]。但是基于直線加速器的IMRT、VMAT技術(shù)在治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)未搭配自動(dòng)羽化技術(shù)的情況下對(duì)長(zhǎng)靶區(qū)進(jìn)行照射則較為煩瑣。為了避免冷熱點(diǎn)重復(fù)在同一區(qū)域出現(xiàn)，在治療過(guò)程中需多次修改計(jì)劃，調(diào)整射野銜接位置。TOMO設(shè)備的照射范圍為40 cm×135 cm，可輕松地照射長(zhǎng)靶區(qū)，且不存在射野銜接問(wèn)題。但目前國(guó)內(nèi)擁有TOMO設(shè)備的放療醫(yī)療中心較少，因此TOMO放療尚未被推廣。美國(guó)瓦里安公司的治療計(jì)劃系統(tǒng)Eclipse 15.6版本具有自動(dòng)羽化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)讓2個(gè)銜接射野在射野交疊處的劑量1個(gè)緩慢減少，另1個(gè)緩慢增加，形成柔性平緩疊加，使交疊區(qū)域的劑量達(dá)到100%的處方劑量。因此，在直線加速器上設(shè)計(jì)雙中心或多中心計(jì)劃變得更簡(jiǎn)單，治療過(guò)程中操作更便捷、劑量更安全[8]。自動(dòng)羽化技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)即射野銜接處射野的劑量自動(dòng)羽化，無(wú)須進(jìn)行額外處理，僅需在布野時(shí)，使射野之間有一定交疊長(zhǎng)度即可。本研究通過(guò)在雙中心VMAT計(jì)劃中設(shè)置不同的射野交疊長(zhǎng)度來(lái)評(píng)估和驗(yàn)證Eclipse 15.6的自動(dòng)羽化技術(shù)在射野銜接處的劑量學(xué)特點(diǎn)及引入擺位誤差時(shí)劑量的魯棒性，為長(zhǎng)靶區(qū)的雙中心自動(dòng)羽化計(jì)劃設(shè)計(jì)提供射野銜接長(zhǎng)度設(shè)置的參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

治療機(jī)器為美國(guó)瓦里安公司的TrueBeam 2.7直線加速器，模擬定位CT采用德國(guó)西門子公司的SOMATOM Confidence 4D大孔徑CT，TPS是美國(guó)瓦里安公司的Eclipse 15.6版本；測(cè)量設(shè)備為德國(guó)PTW公司的鉆石探頭；模體為美國(guó)CIRS公司的胸部模體Thorax model 002LFC。

1.2 定位方法

將CIRS胸部模體在CT模擬機(jī)上按1 mm層厚掃描，然后傳輸至瓦里安Eclipse 15.6版本TPS上。如圖1所示，在模體的IC_1位置上畫1個(gè)底面直徑2.5 cm、高20 cm的圓柱體作為計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)。由于整個(gè)胸部模體的長(zhǎng)度都不超過(guò)40 cm，因此只能將這個(gè)20 cm長(zhǎng)的PTV假設(shè)為長(zhǎng)靶區(qū)，然后對(duì)PTV設(shè)計(jì)2組雙中心計(jì)劃。

圖1 CIRS胸部模體

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

1.3.1自動(dòng)羽化計(jì)劃

自動(dòng)羽化計(jì)劃和不使用自動(dòng)羽化的計(jì)劃都是使用2個(gè)治療中心，1個(gè)治療中心使用1條全弧。組1中，2條弧射野交疊5 cm，PTV內(nèi)劑量分布盡量均勻；用Dose Profile工具在冠狀面頭腳方向畫1條直線，顯示出靶區(qū)頭腳方向Profile劑量曲線，如圖2所示，交疊區(qū)域中Field 1的劑量逐漸減少，F(xiàn)ield 2的劑量則逐漸增加。組2的自動(dòng)羽化計(jì)劃，2條弧射野交疊10 cm，PTV內(nèi)劑量分布盡量均勻，如圖3的Dose Line Profile可見，交疊區(qū)域中Field 1的劑量逐漸減少，F(xiàn)ield 2的劑量則逐漸增加，使得整個(gè)交疊區(qū)域的靶區(qū)劑量達(dá)到100%。

圖2 射野交疊5 cm自動(dòng)羽化的雙中心計(jì)劃

圖3 射野交疊10 cm自動(dòng)羽化的雙中心計(jì)劃

1.3.2不使用自動(dòng)羽化的計(jì)劃

不使用自動(dòng)羽化的計(jì)劃與自動(dòng)羽化計(jì)劃布野方式和優(yōu)化參數(shù)一致，優(yōu)化計(jì)算時(shí)關(guān)閉自動(dòng)羽化技術(shù)。組1不使用自動(dòng)羽化計(jì)劃的射野交疊5 cm，如圖4的Dose Line Profile可見，交疊區(qū)域中Field 1的劑量逐漸減少，到橫坐標(biāo)Distance=12 cm處出現(xiàn)了1個(gè)“平臺(tái)”，然后再繼續(xù)減少；Field 2的劑量逐漸增加，到Distance=12 cm處出現(xiàn)了1個(gè)“平臺(tái)”，然后再繼續(xù)增加；在Distance為10～11 cm，F(xiàn)ield 1由100%迅速地遞減至50%，在14～15 cm，F(xiàn)ield 1由30%迅速降至1%。組2不使用自動(dòng)羽化計(jì)劃的射野交疊10 cm，如圖5的Dose Line Profile可見，在Distance為6～7 cm，F(xiàn)ield 1由100%迅速地遞減至60%，在16～17 cm，F(xiàn)ield 1由40%迅速地降至1%。

圖4 射野交疊5 cm不使用自動(dòng)羽化的雙中心計(jì)劃

圖5 射野交疊10 cm不使用自動(dòng)羽化的雙中心計(jì)劃

1.4 點(diǎn)劑量測(cè)量

如圖1右下角所示，在模體中插入PTW的鉆石探頭來(lái)測(cè)量點(diǎn)劑量，首先使用錐形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)確認(rèn)模體正確擺位，然后將Field 1和Field 2出束測(cè)得模體正確擺位的劑量讀數(shù)作為參考值，F(xiàn)ield 1測(cè)量位置不變，F(xiàn)ield 2模擬擺位偏差，分別為進(jìn)床1 mm(退床1 mm)、進(jìn)床3 mm(退床3 mm)、進(jìn)床5 mm(退床5 mm)，將測(cè)得的劑量與參考值進(jìn)行比較。

2 結(jié)果及分析

2.1 點(diǎn)劑量測(cè)量

組1射野交疊5 cm時(shí)，測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖6所示，可知在不使用自動(dòng)羽化的計(jì)劃在擺位誤差是+5 mm(即2個(gè)射野過(guò)重疊5 mm)時(shí)，射野交疊處增加了33.61%的劑量，自動(dòng)羽化計(jì)劃僅增加了13.62%，自動(dòng)羽化計(jì)劃表現(xiàn)出相對(duì)高的魯棒性和安全性。組2射野交疊10 cm時(shí)，測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖7所示，可知在不使用自動(dòng)羽化的計(jì)劃在擺位誤差是+5 mm時(shí)，射野交疊處增加了35.37%的劑量，自動(dòng)羽化計(jì)劃僅增加了4.15%，明顯低于組1射野交疊5 cm的自動(dòng)羽化計(jì)劃，說(shuō)明自動(dòng)羽化計(jì)劃射野交疊的距離從5 cm增加到10 cm時(shí)，羽化的效果變得更好，魯棒性更好，出現(xiàn)擺位誤差時(shí)，射野交疊處的劑量不會(huì)出現(xiàn)暴增或者暴減，故治療是安全的。

圖6 組1射野交疊5 cm自動(dòng)羽化計(jì)劃與不使用自動(dòng)羽化計(jì)劃比較

圖7 組2射野交疊10 cm自動(dòng)羽化計(jì)劃與不使用自動(dòng)羽化計(jì)劃比較

2.2 臨床治療的全腦全脊髓自動(dòng)羽化計(jì)劃分析

回顧性分析本科室使用直線加速器治療的6例全腦全脊髓病例的資料，如圖8所示，全腦全脊髓的自動(dòng)羽化計(jì)劃使用3個(gè)等中心，其中全腦靶區(qū)設(shè)置1個(gè)等中心，2個(gè)全?。恍囟伟袇^(qū)設(shè)置1個(gè)等中心，1個(gè)全弧；腰段靶區(qū)設(shè)置1個(gè)等中心，1個(gè)全弧。兩兩等中心之間都設(shè)置了10 cm長(zhǎng)的射野交疊。圖8中交疊區(qū)域Field 2的劑量逐漸減少，F(xiàn)ield 3的劑量逐漸增加，使得整個(gè)交疊區(qū)域的靶區(qū)劑量達(dá)到100%處方劑量。由于臨床病例難以直接測(cè)量，因此該分析僅在TPS中模擬分析。圖8 Field 2的等中心保持不變，F(xiàn)ield 3的等中心引入±1、±3、±5 mm的擺位誤差，使得Field 2和Field 3過(guò)重疊。引入擺位誤差后射野重疊區(qū)域靶區(qū)的最高點(diǎn)劑量與原計(jì)劃射野重疊區(qū)域的最高點(diǎn)劑量進(jìn)行比較。6例全腦全脊髓病例自動(dòng)羽化計(jì)劃的TPS模擬擺位誤差結(jié)果如表1所示，當(dāng)出現(xiàn)1 mm擺位誤差時(shí)，射野交疊處劑量增加了0.25%；當(dāng)出現(xiàn)3 mm擺位誤差時(shí)，射野交疊處劑量增加了2.26%；當(dāng)出現(xiàn)5 mm擺位誤差時(shí)，射野交疊處劑量增加了5.56%。由此說(shuō)明，全腦全脊髓自動(dòng)羽化計(jì)劃射野銜接處的射野交疊長(zhǎng)度為10 cm時(shí)，射野銜接處的劑量的羽化效果較好。

3 討論

在放射治療中，照射長(zhǎng)靶區(qū)是1項(xiàng)復(fù)雜的治療技術(shù)，因?yàn)樵谟?jì)劃中需使用多中心技術(shù)，不同等中心射野之間的銜接問(wèn)題就變得非常重要[9-10]。如全腦全脊髓照射，傳統(tǒng)的方法是全腦對(duì)穿聯(lián)合脊髓單野照射，為使交疊處劑量均勻，需設(shè)置合適的準(zhǔn)直器角度、床角和射野大小。但在治療過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于擺位誤差的存在，導(dǎo)致無(wú)法避免交疊處的冷熱點(diǎn)。而為了避免冷熱點(diǎn)重復(fù)在同一區(qū)域出現(xiàn)，在治療過(guò)程中需多次修改計(jì)劃，調(diào)整射野銜接位置，導(dǎo)致整個(gè)治療過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力。IMRT、VMAT、TOMO等調(diào)強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，使全腦全脊髓等長(zhǎng)靶區(qū)照射更加容易[11-12]。然而，射野銜接處的處理依然是一個(gè)挑戰(zhàn)，在治療時(shí)既要保證無(wú)擺位誤差時(shí)射野交疊區(qū)域劑量均勻，又要保證有擺位誤差時(shí)射野交疊區(qū)域的劑量魯棒性。Fogliata等[13]和Lee等[14]提出了將靶區(qū)交疊法策略應(yīng)用于全腦全脊髓VMAT治療中，但未指出等中心偏移對(duì)射野銜接處劑量均勻性的影響。Myers等[15]和Strojnik等[16]提出通過(guò)梯度優(yōu)化法來(lái)行全腦全脊髓VMAT治療，報(bào)道了在射野交疊長(zhǎng)度均大于10 cm時(shí)，頭腳方向有5 mm的偏移，靶區(qū)交疊法策略和梯度優(yōu)化法技術(shù)的最大劑量分別為118%和108%。

本研究中的自動(dòng)羽化計(jì)劃采用瓦里安Eclipse 15.6版本的TPS上的自動(dòng)羽化技術(shù)，可讓2個(gè)銜接射野在射野銜接處的劑量1個(gè)緩慢減少，另1個(gè)緩慢增加，形成柔性平緩疊加，使得交疊區(qū)域的劑量達(dá)到100%的處方劑量。射野銜接處的劑量不會(huì)因?yàn)閿[位誤差出現(xiàn)較大冷熱點(diǎn)，表現(xiàn)出極好的劑量魯棒性，使得在直線加速器上的雙中心或多中心計(jì)劃的設(shè)計(jì)更容易，治療操作更便捷、劑量更安全。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，使用自動(dòng)羽化技術(shù)的雙中心計(jì)劃比不使用自動(dòng)羽化技術(shù)的雙中心計(jì)劃能更好地降低擺位誤差帶來(lái)的劑量不確定性，確保治療的安全性，不會(huì)由于出現(xiàn)擺位誤差而使射野交疊，從而導(dǎo)致劑量暴增。隨著射野交疊長(zhǎng)度的增加，當(dāng)交疊長(zhǎng)度為10 cm時(shí)，自動(dòng)羽化的效果更好，即當(dāng)出現(xiàn)同等擺位誤差數(shù)據(jù)時(shí)，射野銜接處的劑量變化更小、更安全。但如過(guò)多地增加射野交疊長(zhǎng)度，因此會(huì)使得射野不夠長(zhǎng)，覆蓋不全靶區(qū)，可能需要增加等中心設(shè)置，計(jì)算起來(lái)將更耗時(shí)，治療時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。

綜上所述，在雙中心計(jì)劃中使用自動(dòng)羽化技術(shù)的射野銜接處靶區(qū)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)明顯冷點(diǎn)或熱點(diǎn)，有較好的劑量魯棒性。將射野銜接處的交疊長(zhǎng)度設(shè)置為10 cm，既能滿足臨床治療安全需要，又不會(huì)增加計(jì)劃計(jì)算和治療時(shí)間。