不同鉛門寬度和螺距對宮頸癌放射治療計劃設計的影響研究

高 強 邱 杰 全 紅 龐廷田 楊 波 劉 峽 劉 楠 董婷婷

不同鉛門寬度和螺距對宮頸癌放射治療計劃設計的影響研究

高 強①邱 杰②*全 紅①龐廷田②楊 波②劉 峽②劉 楠②董婷婷②

目的：在宮頸癌患者螺旋斷層放射治療計劃設計中設置不同的鉛門寬度和螺距，研究其與計劃質量和治療時間的關系，從而得到鉛門寬度和螺距的最佳組合。方法：隨機抽取7例宮頸癌患者，按照3種鉛門寬度(1 cm、2.5 cm和5 cm)與3種螺距(0.287、0.43和0.86)的相互組合方式進行螺旋斷層放射治療計劃設計，并進行計劃評估。結果：對結果進行方差分析，鉛門寬度，PCTV的靶區劑量均勻性指數和治療時間相比，差異有統計學意義；螺距與治療時間相比，差異無統計學意義(P=0.322)，危及器官受量均在劑量限制范圍內。結論：鉛門寬度和螺距越小，靶區劑量均勻性和適形度越好，危機器官受量越低；鉛門寬度越小，治療時間越長。螺距對治療時間影響不大，5 cm鉛門寬度和0.43螺距組合的治療計劃治療時間較短，治療效率較高。

螺旋斷層放射治療；鉛門寬度；螺距；宮頸癌；計劃質量；治療時間

[First-author's address]Academy of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China.

宮頸癌是女性生殖系統中最為常見的惡性腫瘤之一，目前已經成為我國女性腫瘤發病率最高的癌癥。放射治療為宮頸癌的主要治療方法，適用于各臨床分期患者[1]。由于宮頸癌臨床靶區(clinical target volume，CTV)包括宮頸、子宮、宮旁及部分陰道，盆腔淋巴結區域以及腹主動脈淋巴結區，危及器官較多且與靶區位置關系復雜。在所有宮頸癌外照射治療技術中，調強是對腫瘤劑量適形度最高、對危及器官保護最好的治療技術[2-3]。因此，調強放射治療是宮頸癌重要的外照射治療技術。

螺旋斷層放射治療設備將6 MV的直線加速器安裝在類似螺旋CT的滑環機架上，在治療床運動的同時滑環機架環繞患者做360o的螺旋照射治療，滑環機架每旋轉一圈，從51個射野方向產生51個調制射野。螺旋斷層放射治療以逆向CT成像原理進行調強自適應治療，有32對二元多葉光柵調制射野大小[4-7]。與步進方式的斷層治療相比，螺旋照射解決了層與層銜接處劑量不均勻問題。通常螺旋斷層放射治療計劃有數百個子野，數萬個射野，更多的子野意味著在設計治療計劃時有更高的調制能力，因此即使對于形狀非常復雜的靶區，靶區劑量均勻性和適形度同樣非常好，危及器官受量也相對較低。螺旋斷層放射治療有自適應放射治療(adaptive radiation therapy，ART)計劃系統[8-9]。螺旋斷層放射治療采用逆向調強計劃方式，首先根據鉛門寬度和螺距對所有的子野進行計算，其次對每個子野設置權重從而得到合適的劑量分布[10]。本研究通過設置不同的鉛門寬度和螺距，探索出其與計劃質量和治療時間相關性，從而為制定宮頸癌的螺旋斷層放射治療計劃提供參考和依據。

1 設備與方法

1.1 掃描設備

采用飛利浦64排Brilliance CT(荷蘭，飛利浦公司)掃描設備。

1.2 CT掃描方法

患者排空直腸，膀胱為半充盈狀態，在陰道內標記，并靜脈注入增強劑后仰臥，雙手抱頭，用低溫熱塑胸腹部體模對患者進行固定。CT掃描層厚為5 mm，掃描范圍為第10胸椎上緣至坐骨結節下緣5 cm處，將CT圖像導入tomotherapy治療計劃系統中。

1.3 靶區和危及器官

(1)靶區勾畫范圍。勾畫腫瘤體積(gross tumor volume，GTV)包括宮頸腫瘤及其侵犯區、盆腔增大淋巴結和腹主動脈增大淋巴結。CTV包括宮頸、子宮、宮旁及部分陰道，盆腔淋巴結區域以及腹主動脈淋巴結區。

(2)勾畫危及器官。勾畫的危及器官包括小腸、膀胱、直腸、左右腎、肝臟、脊髓、胃、骨髓、左右股骨頭以及脾臟。

1.4 靶區和危及器官劑量限定

患者計劃臨床靶體積(planning clinical target volume，PCTV)和計劃腫瘤體積(planning gross tumor volume，PGTV)分別給予36 Gy和43 Gy劑量，治療次數為20次。要求100%的處方劑量覆蓋95%的靶區體積。危及器官劑量約束條件見表1。

表1 危及器官劑量約束條件

1.5 放射治療計劃優化

(1)設置R1為PCTV和小腸重合的部分，則PCTV1為PCTV減去PGTV外放0.6 cm的部分。R1和PCTV1單獨進行優化，將勾畫后的CT圖像導入到ART計劃系統當中。對每例患者采用1 cm、2.5 cm及5 cm的3種鉛門寬度和螺距為0.287、0.43及0.86的3種組合方式生成9個治療計劃。

(2)螺距選擇根據公式1:

式中n=1、2、3，其目的是為了減少治療計劃的螺紋效應[9-10]。

(3)調制因子(modulation factor，MF)決定治療計劃的強度水平，MF越大射線調制水平越好。MF為1則表明射線無調制能力，更大的MF意味著更好的靶區劑量均勻性和適形度，但治療時間更長[11]。

(4)本實驗MF設置為2.5。計劃系統中ART系統為2.2.4版本，網格設置為精細，所有的計劃給予相同的優先權、重要性及權重進行優化。重要性、權重設置為1優化100次，改變重要性和權重再優化300次。

1.6 治療計劃評估方法與標準

(1)治療計劃優化完成經過最后劑量計算，得到劑量-體積直方圖(dose volume histogram，DVH)和物理參數，然后對治療計劃進行評估。

(2)PCTV、PGTV分別采用D95、V100、靶區劑量均勻性指數(dose homogeneity index，DHI)以及適形性指數(conformity index，CI)進行評估。其中D95為95%的靶區體積所接受的劑量，V100為100%的處方劑量所包含的靶區體積。DHI＝(DMAX-DMIN)/D處，其中DMAX為靶區最大劑量，DMIN為靶區最小劑量，D處為處方劑量。DHI值越大表明靶區劑量均勻性越差[12]。

(3)采用Paddick[11]所描述的方法，CI=VREF×VREF/ (VTAR×VVOL)，其中VREF為參考等劑量線所包含的靶區體積，VTAR為靶區體積，VVOL為參考等劑量線所包含的體積。CI越大，表明靶區適形度越好(數值范圍從0到1)[13-14]。危及器官按照劑量約束條件進行評估。

1.7 統計學方法

所有實驗數據均采用SPSS 20.0分析軟件進行數據分析，統計方法采用多變量方差分析，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 實驗結果

2.1 冠狀面劑量分布的比較

采用螺距為0.43的不同的鉛門寬度，對患者治療計劃冠狀面的劑量分布進行比較。當鉛門寬度為5 cm時，靶區劑量均勻性和適形度比較差，靶區內存在“冷熱點”現象。靶區周圍有螺紋效應，其中Y方向螺紋效應明顯，周圍正常組織受量較多。當鉛門寬度為1 cm時，靶區劑量均勻性和適形度較好，靶區內基本不存在“冷熱點”現象。靶區周圍螺紋效應減小，Y方向減小顯著，周圍正常組織受量減少，如圖1所示。

圖1 三種不同鉛門寬度的治療計劃冠狀面劑量分布圖

采用鉛門寬度為2.5 cm的不同螺距，對患者治療計劃冠狀面的劑量分布的比較結果顯示，隨著螺距的增加，劑量分布變差，周圍正常組織受量增加，靶區周圍螺紋效應增大，其中Y方向增大明顯，如圖2所示。

圖2 三種不同螺距的治療計劃冠狀面劑量分布圖

2.2 PGTV和PCTV劑量學參數的比較

當鉛門寬度和螺距越大時，PCTV和PGTV的劑量均勻性指數DHI也越大，適形度指數CI越小，表明靶區劑量均勻性和適形度越差，見表2。

表2結果顯示，通過多變量方差分析得出對于不同的鉛門寬度，PGTV的D95、Dmax與PCTV的Dmax、CI的P值分別為0.011，差異有統計學意義，因此鉛門寬度對PGTV的D95、Dmax和PCTV的Dmax、CI有顯著的影響。對于不同的螺距，PGTV的Dmax和PCTV的Dmax的P值分別為0.042和0.02，具有明顯差異，表明螺距對其有顯著影響。

2.3 危及器官劑量學參數的比較

通過多變量方差分析得出對于不同的鉛門寬度，小腸的D50、膀胱的D50、右腎的D33、肝臟的D33、右股骨頭的D5以及脾臟的D50，其P值分別為0.01、0.006、0.028、0.046、0.001和0.001，具有明顯差異。因此，鉛門寬度對小腸的D50、膀胱的D50、右腎的D33、肝臟的D33、右股骨頭的D5和脾臟D50有顯著的影響。隨著螺距的增加，危及器官受量逐漸增加，但增加不明顯。對于不同的螺距，脊髓的D0.1cc、左股骨頭的D5和脾臟D5的P值分別為0.021、0.001和0.001，具有明顯差異。因此，螺距對骨髓的D0.1cc、左股骨頭的D5和脾臟D50有顯著的影響。隨著鉛門寬度的增加，危及器官的受量逐漸增加，見表3。

表3結果與Moldovan等[12]的研究結果一致，即鉛門寬度越小，螺距越小，危及器官越能得到有效的保護。

2.4 物理參數比較

對物理數據做多變量方差分析，得出對于鉛門寬度、實際調制因子、治療時間、機架旋轉圈數以及機器跳數的P值均＜0.001，具有顯著差異。對于螺距、機架旋轉周期的P值＜0.001，具有顯著差異，見表4。

表4顯示，隨著鉛門寬度的增加，實際調制因子越來越小。而隨著螺距的增加，實際調制因子越來越大。治療時間和鉛門寬度成反比，螺距對治療時間的影響極小，差異無統計學意義。

表2 PGTV和PCTV劑量學參數的比較(x-±s)

表3 危及器官不同鉛門寬度及螺距的劑量學參數比較(x-±s)

表4 物理參數的比較(x-±s)

2.5 鉛門寬度和螺距與治療時間的關系

鉛門寬度、螺距與治療時間(t)的關系。最短治療時間約為6 min，最長治療時間約為29 min。機架旋轉圈數隨鉛門寬度增加而減少，隨螺距增加而增加，螺距對其影響較小，差異無統計學意義。機架旋轉周期與螺距成正比，與鉛門寬度成反比，鉛門寬度對機架旋轉周期影響較小，差異無統計學意義。機器跳數隨鉛門寬度增加而減少，隨螺距增加而增加，對于螺距，機器跳數的差異無統計學意義，如圖3所示。

圖3 鉛門寬度和螺距與治療時間關系示圖

3 討論

本研究的目的是在宮頸癌靶區劑量均勻性和適形度較好以及危及器官受量達到臨床要求的前提下，尋找出鉛門寬度和螺距的最佳組合，從而提高治療效率。通過研究發現，鉛門寬度對計劃質量和治療時間的影響要遠遠大于螺距影響。臨床上鉛門寬度為1 cm時治療計劃適用于小靶區照射，如立體定向放射外科(stereotaxic radiosurgery，SRS)等。1 cm的鉛門寬度可以提高計劃質量，但會花費更多的時間。在宮頸癌治療計劃設計中，1 cm鉛門寬度的治療計劃比2.5 cm鉛門寬度的治療時間增加約18 min，而5 cm鉛門寬度的治療時間增加約24 min。對于不同的鉛門寬度，PGTV的D95、Dmax與PCTV的Dmax、CI相比較P值均＜0.001，差異有統計學意義，但均在臨床可以接受的范圍內。PGTV的V100、Dmin、DHI、CI的P值分別為0.422、0.653、0.850和0.311，PCTV的D95、V100、Dmin、DHI的P值分別為0.927、0.316、0.702和0.152，差異無統計學意義，危及器官受量均在劑量限制范圍內。但對于治療計劃5 cm鉛門寬度的計劃治療時間僅為6 min左右，可大幅度減少治療時間，減少機器損耗，提高治療效率。為了滿足機架旋轉周期為16～20 s的要求，螺距應設為0.43[10]。

Hui等[15]發現，1 cm鉛門寬度的治療計劃的治療時間是5 cm的鉛門寬度治療計劃的4倍以上，是2.5 cm的鉛門寬度計劃的2倍左右。本研究1 cm和5 cm這兩個數字分別為鉛門寬度治療計劃的4.9倍和2.5倍。Daveau等[16]研究發現，螺距對治療計劃質量的影響比鉛門寬度小得多，本研究也得出了相同的結論。對于不同的鉛門寬度，PGTV的D95、Dmax和PCTV的Dmax、CI、小腸的D50、膀胱的D50、右腎的D33、肝臟的D33、右股骨頭的D5和脾臟的D50差異有統計學意義。對于不同的螺距，PGTV的Dmax和PCTV的Dmax、脊髓的D0.1cc、左股骨頭的D5和脾臟的D50差異有統計學意義。Woch研究表明，大的螺距可以有效的減少治療時間[17]。然而本研究結果表明，螺距對治療時間影響非常小，P值為0.322，差異無統計學意義。螺距對治療時間有影響的原因可能是由于宮頸癌靶區結構較為復雜，使螺旋斷層放射治療計劃系統調整機器參數去維持治療計劃目標函數，從而影響了治療時間[12]。

減少治療時間可以有效提高治療效率，是本研究的主要目的。靶區劑量均勻性和適形度能夠達到臨床要求，危及器官受量在可以接受的前提下，減少治療時間可以有效提高治療效率。此外，減少治療時間可減少機器損耗和患者的位置移動概率，提高患者的舒適感和配合度，更有利于放射治療的開展[12]。對于宮頸癌1 cm的鉛門寬度的計劃治療時間較長，臨床應用受限。5 cm的鉛門寬度的治療計劃比2.5 cm的靶區劑量均勻性和適形度較差，危及器官受量也比較高，但都在臨床可以接受的范圍內，且治療時間較短，適合于宮頸癌的治療計劃設計。

本研究表明，影響螺旋斷層放射治療計劃設計的物理參數包括鉛門寬度、螺距、MF、實際MF、機架旋轉圈數、周期和機器跳數等，鉛門寬度和螺距的改變，可對其產生影響。

然而，目前尚無法解釋在靶區適形度和均勻性較好，危及器官受量較低的前提下，是否可以通過減小實際調制因子、機架旋轉圈數和周期以及機器跳數等減少機器治療時間。此外，本研究的MF設置為2.5，并不能夠比較不同的MF對計劃質量和治療時間的影響。因此，在滿足臨床要求的前提下，對于不同的鉛門寬度、螺距以及MF的組合對計劃質量和治療時間的影響有待進一步研究。

4 結語

5 cm的鉛門寬度和0.43的螺距是宮頸癌患者螺旋斷層放射治療計劃設計中物理參數的最佳組合，可以有效減少放射治療時間，提高治療效率。

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Research on the investigation of impact to different jaw width and pitch in treatment plans for cervical cancer/

GAO Qiang, QIU Jie, QUAN Hong, et al//
China Medical Equipment,2015,12(12):47-52.

Objective:To investigate the best fitting Helical tomotherapy treatment planning parameters, Helical Tomotherapy plans using a combination of jaw widths and pitches for cervical cancer obtained the relations with plan quality and treatment time.Methods:Helical Tomotherapy plans were produced using a combination of jaw widths 1 cm, 2.5 cm and 5 cm and pitches 0.287, 0.43 and 0.86 for 7 patients previously treated for cervical cancer and then were assessed.Results:Analysis of variance was used to the results. To jaw width, and the result was statistical difference. To pitch, and the result was not statistical difference(P=0.322). OARs were within the normal range.Conclusion:The treatment plans with smaller jaw widths and pitches showed better plan target volume dose heterogeneity and conformity and sparing of normal tissues. Treatment time increased inversely proportional to the jaw widths and had much less impact on the pitch. The treatment plan using a combination of 5 cm jaw width and pitch of 0.43 demonstrated the shortest treatment time and the highest treatment efficiency.

Helical tomotherapy; Jaw width; Pitch; Cervical cancer; Plan quality; Treatment time

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.015

1672-8270(2015)12-0047-06

R737.33

A

2015-04-20

①武漢大學物理科學與技術學院 湖北 武漢 430032

②北京協和醫院放療科 北京 100730

*通訊作者：13501015586@139.com

高強,男,(1988- ),碩士研究生。武漢大學物理科學與技術學院，研究方向：腫瘤放射物理。