鼻咽癌螺旋斷層治療中物理參數優化因素的分析

解傳濱 徐壽平 戴相昆 鞏漢順 葛瑞剛 馬 林 杜 鐳

鼻咽癌作為我國常見的惡性腫瘤之一，放射治療已成為其最主要且行之有效的治療手段。由于鼻咽部解剖結構復雜，臨近許多危及器官包括腦干、眼球、晶體、視神經、視交叉、垂體、顳頜關節、內耳、脊髓、腮腺、口腔和喉-氣管-食管等，且靶區與危及器官耐受劑量差別較大，因而鼻咽癌調強放療(IMRT)計劃設計始終在臨床研究中扮演著較為重要的地位[1～5]。螺旋斷層治療(helical tomotherapy,HT)作為1種新興的調強放射治療技術，其51個射野方向(約每隔7°)相對于標準常規加速器IMRT(7～9個固定射野)在逆向治療計劃優化過程中擁有額外角度的自由度優勢，從而以良好的劑量均勻性和更好的正常組織保護在復雜的頭頸部放射治療中顯示出較明顯的優勢[6,10～13]。螺旋斷層治療采用傳統加速器中不曾有的鉛門寬度、螺距和調制因子3種重要物理參數，而這些參數與計劃優化質量、治療照射時間間的相互影響如何，目前未曾見太多報道。我們在深入理解螺旋斷層治療中物理參數的基礎上，探討實現鼻咽癌計劃設計的參數最佳組合及其劑量學影響，從而為臨床計劃設計提供較為現實的臨床依據。

1 資料與方法

1.1 圖像采集

選取5例在我院接受螺旋斷層治療的鼻咽癌患者?；颊卟捎妙^枕仰臥位，S型頭頸肩熱塑體模固定。應用Philips BrillianceTM大孔徑CT進行平掃+增強掃描，掃描范圍從頭頂到氣管隆突,掃描層厚為3 mm。

1.2 靶區勾畫

將定位圖像傳至Pinnacle38.0 m TPS上進行圖像融合后，在平掃圖像序列上勾畫靶區及危及器官輪廓，包括腦干、顳葉、眼球、晶體、視神經、視交叉、垂體、顳頜關節、內耳、脊髓、腮腺、口腔和喉-氣管-食管，靶區定義參考ICRU50、62號文件，將CT或MRI可見的腫瘤范圍定義為GTVnx，外擴5 mm命名為pGTVnx(根據情況調整靶區與腦干、脊髓、視交叉、視神經的距離)；頸部轉移性腫大淋巴結定義為GTVnd，外擴3 mm命名為pGTVnd。將高危淋巴引流區命名為CTV1，范圍包括pGTV、全鼻咽黏膜、顱底、斜坡、咽旁間隙、咽后間隙、蝶竇下部、翼腭窩、鼻腔及上頜竇后1/3、口咽及淋巴引流區中的Ⅱ、Ⅴ區。CTV1外擴3 mm命名為PTV1，并根據情況在臨近腦干、脊髓等危及器官部分調整外擴距離，與皮膚至少保持3 mm的距離。CTV2為低危區，給予預防照射劑量,CTV2外擴3 mm命名為PTV2。

1.3 處方劑量及計劃要求

采用鼻咽癌常規處方劑量及分割方式。pGTVnx和pGTVnd給予70 Gy/33F，2.12 Gy/F；PTV1給予60 Gy/33F，1.82 Gy/F；PTV2給予54 Gy/33F，1.64 Gy/F。計劃優化結果要求處方劑量覆蓋95%的靶體積。正常器官限量要求：腮腺V30<50%，口腔V40<30%，喉-氣管-食管(E-T)V40<30%，腦干<54 Gy，脊髓<45 Gy，內耳、顳頜關節<60 Gy,晶體<7 Gy等。

1.4 治療計劃優化

將勾畫好的患者圖像傳到TomoTherapy (Hi-ART 3.1.2.9)計劃系統后，在選用1.05 cm、2.5 cm、5.0 cm鉛門寬度情況下，分別與不同螺距(0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)進行組合，生成不同治療計劃，并選用相同的目標函數進行優化，優化過程中調整強度調制因子，在達到較理想劑量分布的基礎上保證計劃的機架旋轉周期在16～20 s間(盡量接近理想值17 s)。 計劃設計中網格大小的計算采用正常模式,優化算法采用卷積/迭代算法，優化目標統一定為PTV1體積的95%接受60 Gy的處方劑量。

1.5 計劃評估

2 結果

2.1 物理參數比較

表1 3種鉛門寬度計劃組物理參數比較

2.2 劑量學比較

選用JW=1.05 cm情況下，各螺距組合通過優化調整后，其劑量分布(DVH)易達到理想結果，危及器官可得到較好的避讓，同時靶區劑量達到較高的均勻性與適形度，基本不存在"冷熱點"劑量(圖1a)。選用JW=2.5 cm情況下，不同螺距計劃所得到的劑量分布較均勻，但縱向劑量分布隨螺距增大而變差(圖1b)。而當JW=5.0 cm時劑量分布明顯變差，且隨螺距增大變化更明顯，而且縱軸方向出現明顯的螺紋效應(圖1c)。而在相同JW情況下，隨螺距增加劑量分布逐漸變差，并且在較大螺距情況下縱軸亦體現了螺紋效應的存在(圖2)。

圖1 不同鉛門寬度情況下各計劃冠狀位等劑量曲線的比較

圖2 不同螺距情況下冠狀位等劑量曲線

靶區評估選用JW=1.05/2.5/5.0 cm及Pitch=0.20/0.25/0.30/0.35/0.40/0.45/0.50計劃組,由表2、3可見，在靶區劑量包繞(D95,V100)方面無明顯差異，但靶區適形度及均勻性方面JW小及螺距小具有明顯優勢，特別是pGTV(含 pGTVnx、pGTVnd)上更為突出。各計劃組中危及器官劑量亦存在一定的差異，由表4可見，較小的JW對降低危及器官的劑量具有一定優勢，其中與靶區呈縱向分布的眼球、晶體以及分布于靶區側向邊緣的內耳、顳頜關節的最大劑量，受JW大小的影響尤為明顯，JW越大其劑量最大值越大。然而在縱軸方向上與靶區并行分布的腦干、脊髓卻無明顯差異。由表5可見，相同JW情況下螺距越小更有利于降低危及器官受量，特別是腮腺、口腔，表現較為突出，而對靶區縱向邊緣范圍外眼球、晶體則無明顯差異。

表2 不同鉛門寬度計劃分組靶區劑量評估比較

表3 不同螺距計劃分組靶區劑量比較

3 討論

類似于傳統大多數IMRT計劃設計過程，螺旋斷層治療計劃可通過逆向優化每個投影子野的束流強度以更好地滿足臨床目標函數，其優化過程通常分為兩步，首先根據靶區位置、鉛門寬度和螺距計算出所使用的子野；然后基于每個子野的權重優化得到所需的劑量分布[8]。這些物理參數包括：鉛門寬度(JW)相當于CT的層厚即射野打開的寬度，治療過程中通常為固定值。螺距(Pitch)定義為機架旋轉1個周期間床運動的距離與旋轉軸上所投影的鉛門寬度(即層厚)之間的比值，其值決定了機架旋轉的圈數；較小的螺距則意味著每個點接受到更多的旋轉周束流照射，典型值為0.2～0.5。而調制因子(MF) 決定了束流的強度調制水平,其定義為葉片最大強度與所有非零開啟葉片的平均強度水平之比；MF=1則意味其子野不存在強度調制，更高MF則意味著可能提供更高的劑量梯度。

表4 不同鉛門寬度計劃危及器官劑量評估比較

表5 不同螺距計劃分組危及器官劑量評估比較

計劃中設定JW越大，相同靶區照射所需機架旋轉圈數也就越少，治療實施效率也就越高，治療照射時間與JW成近似反比關系。螺距越大機架旋轉周期(GP)則越長，同時劑量會在靶區側向邊緣形成螺旋梯形狀的分布；而若選較小的螺距，這種螺紋重疊效應將會不明顯。因此為減少劑量分布中螺紋效應的產生，我們推薦根據公式 (n為整數)選擇設定螺距如0.43/0.287/0.215等[14]，而本研究未給予探討。

當然，計劃過程中為滿足GP 16～20 s的要求(常規約2.0 Gy/F而言)，較大螺距時需將MF設定較小值。Pitch>0.4時，MF則需小于2.0，而使得計劃難以得到理想結果；可適當增加MF解決，但這勢必會增加治療時間。而當Pitch<0.3時，為滿足GP要求MF一般需大于3.0；這種情況下計劃雖會理想，但Final Dose運算后則會出現靶區欠量可能。這是由于計劃最后分次計算模式需考慮到照射執行系統的物理限制如將刪除時間太短的子野。

螺旋斷層治療中理論上若不考慮臨床治療時間因素，更小JW、更緊Pitch和更高MF將產生更好的計劃質量。Woch等[15]通過在不同部位腫瘤設定更大Pitch可有效地減少治療時間。Daveau等[16]認為JW、MF比Pitch在計劃質量有更大的影響。而其他研究表明[7,17～19]利用更大JW實施頭頸部腫瘤、全身放療(TBI)、全淋巴照射(TMI)及同時避讓、補量照射全腦放療的計劃設計，可減少約50%治療時間；但這種治療時間的減少會以計劃質量為代價的。我們研究分析了潛在的物理參數優化組合，需得到較理想的靶區適形度和周圍危及器官保護的前提下，探討了降低螺旋斷層治療鼻咽癌的治療時間可能。實驗研究表明靶區復雜(如徑向變化梯度大)計劃更趨向于選擇小JW，原因在于小JW允許縱向上實現劑量的快速遞降，從而最大限度地減小相鄰像素間"涂抹"劑量的可能。本著提高臨床實施效率以及減少機器損耗的原則，在較為理想機架旋轉周期17s以及劑量分布條件下，建議對鼻咽癌治療計劃選擇FW=2.5 cm、Pitch=0.287～0.43、MF= 2.0～3.0的物理參數實施優化。

總之，JW比Pitch在治療時間和計劃質量上有更大的影響，而MF增加提升劑量分布同時會輕微地影響治療時間的改變。

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