王志強 王志偉 張勇 岳麒 馮旭東 簡薇 肖斌 李榮清
·臨床研究與應用·
鼻咽癌螺旋斷層放射治療過程中實際受照射劑量的研究*
王志強 王志偉 張勇 岳麒 馮旭東 簡薇 肖斌 李榮清
目的:通過螺旋斷層放射治療(tomotherapy)系統的自適應模塊,分析鼻咽癌患者靶區和危及器官的劑量在治療過程中與初始計劃的差異,為臨床提供幫助。方法:回顧性分析2014年2月至2015年2月昆明醫科大學第一附屬醫院運用tomotherapy系統治療的10例鼻咽癌患者,通過tomotherapy系統中的自適應模塊和Mimvista 6.50軟件的計算,將初始計劃定義為Plan 1;進行圖像引導患者總的實際受照射劑量定義為Plan 2。比較兩項計劃中腫瘤靶區及危及器官的劑量學差異。結果:Plan 2中計劃靶區體積(planning gross target volume,PGTV)的D98、D95的劑量較Plan 1分別下降11.91%、6.88%(P=0.001,P=0.006)。Plan 2中左側腮腺的Dmean、D50較Plan 1分別增加42.23%、63.82%(P<0.001、P=0.001);Plan 2中右側腮腺的Dmean、D50較Plan 1分別增加38.64%、66.76%(P=0.002,P=0.004)。Plan 2中脊髓的D2劑量較Plan 1也明顯增加,增加了16.49%(P=0.026)。結論:鼻咽癌患者在行tomotherapy過程中,非常有必要進一步糾正因解剖結構和擺位所帶來的誤差,保證放療計劃的精準性。
鼻咽癌 自適應放療 圖像引導放射治療
在鼻咽癌的綜合治療中,調強放射治療是非常重要的治療手段[1-3]。但是鼻咽癌患者在6~7周的治療過程中,存在擺位誤差、腫瘤原發灶及轉移淋巴結的退縮和體質量減輕等變化[4]。這些變化導致患者的實際受照射劑量與初始計劃之間存在一定的差異,調強放療(intensity-modulated radiotherapy,IMRT)計劃中危及器官受照劑量明顯增加,同時增加放療的不良反應[5-7]。
螺旋斷層放射治療(tomotherapy)系統,提供兆伏級的CT掃描系統(mega-voltage computed tomogra?phy,MVCT),患者經過X射線掃描后可得到MVCT,然后將MVCT圖像與定位CT圖像進行配準,用于患者每日擺位及內部器官移動變化的校正,進而完成圖像引導的放射治療(image guided radiotherapy,IGRT)[8-9]。該系統還根據患者每日擺位變化做到實時在線校正[10-11],而且能用于計算每次照射的實際受照射劑量[12]。本研究通過tomotherapy系統的自適應模塊,回顧性分析患者行圖像引導放射治療過程中靶區和危及器官的受照射劑量與初始計劃之間的差異,為臨床診療提供幫助。
1.1 病例資料
回顧性分析2014年2月至2015年2月昆明醫科大學第一附屬醫院就診的10例鼻咽癌患者,其中男性6例、女性4例,年齡為32~77歲,腫瘤分期采用2008年鼻咽癌福州分期標準,其中Ⅲ期7例、ⅣA期2例、ⅣB期1例。
1.2 方法
1.2.1 體位固定及模擬定位 所有患者在治療前,采用頭-頸-肩熱塑面膜作為CT(computed tomogra?phy,CT)機定位和放療治療時的固定裝置。將平掃和增強兩套定位圖像CT傳至軟件Mimvista 6.50計劃操作系統,采用該軟件自帶的剛性配準算法,將增強定位CT融合至平掃定位CT,以增強定位CT和定位當天的鼻咽部磁共振成像(magnetic resonance imag?ing,MRI)為參考,在平掃定位CT上勾畫靶區和危及器官。
1.2.2 靶區勾畫 根據頭頸部腫瘤放射治療圖譜[13],結合影像學資料等逐層勾畫靶區,由兩名放療科主治醫師共同在Mimvista 6.50上勾畫靶區和危及器官。鼻咽原發腫瘤體積(gross target volume of the na?sopharynx,GTVnx)為GTVnx。臨床靶區(clinical tar?get volume,CTV)包括GTV(gross target volume,GTV)和腫瘤可能侵犯的區域。CTV分為CTV1和CTV2。CTV1定義為包括GTV及其外放邊界為0.5 cm和直徑≥1 cm和(或)MRI圖像上有轉移的區域淋巴結為高危侵犯區。CTV2定義為低危侵犯的區域,包括無淋巴結轉移的下頸和鎖骨上區。CTV外擴3 mm的邊界為計劃靶區(planning target volume,PTV),其考慮了擺位誤差。GTVnx外擴3 mm形成鼻咽腫瘤計劃靶區體積(planning gross target volume of the nasophar?ynx,PGTVnx),CTV外擴3 mm形成計劃靶區體積(planning gross target volume,PGTV)。
1.2.3 計劃設計 將勾畫的腫瘤靶區、危及器官及平掃定位CT圖像傳至tomotherapy系統,最終由物理師進行計劃設計,95%的PGTVnx處方劑量為70 Gy,95%的PGTV1處方劑量為60 Gy,治療分33次完成。計劃均經副主任級別以上醫師確認,并在Arecheck軟件上通過后開始治療。
1.2.4 治療過程中MVCT的獲取 所有患者在進行治療前均行MVCT掃描,將得到的MVCT圖像與定位KVCT(kilo-voltage computed tomography,KVCT)圖像進行配準,校正擺位誤差。開始實施治療后,獲取患者治療第一次、以后每隔5次及最后一次治療的掃描范圍包括全靶區及重要危及器官的MVCT圖像,將獲取得到的MVCT圖像用于劑量計算。
1.2.5 實際受照射劑量的計算 應用tomotherapy系統的自適應功能應用軟件,可以根據每日治療前獲得的MVCT圖像,經配準融合后來計算患者單次實際受照射劑量[12]。利用Mimvista 6.50軟件中的形變配準算法,然后將各單次劑量乘以此次MVCT代表的次數,通過形變矩陣后疊加,得到總受照射劑量。
1.2.6 MVCT靶區的勾畫及計劃比較 將治療最后一次的全靶區MVCT和計劃KVCT進行剛性配準,然后將初始計劃KVCT上的靶區融合并保存至MVCT,最后比照初始計劃在MVCT上重新修改靶區。初始治療計劃定義為Plan 1,將最后一次MVCT圖像、進行圖像引導放療總的實際受照射劑量所組成的計劃定義為Plan2,比較兩項計劃的靶區及危及器官的劑量。
1.2.7 靶區及危及器官的劑量情況 本研究根據ICRU 83號[14]文件的推薦,靶區和危及器官的劑量評估采用以下幾個參考點:D近似最小值=D98,D近似最大值=D2;并行器官:Dmean、D50(D50在相對均勻的受照體積中,是很好的代表性劑量);串行器官:D2。
1.3 統計學分析
采用SPSS 19.0軟件進行統計學分析。組間比較采用配對t檢驗,全部數據均進行雙側檢驗,檢驗水準為α=0.05。兩項計劃中靶區及危及器官的劑量是否有差異通過配對t檢驗來檢測,當P<0.05時則兩項計劃中靶區與危及器官的劑量差異具有統計學意義。
本研究Plan 2采用的是離線ART(adaptive radio?therapy)干預,并非用于患者的治療,所有患者的放療治療方案仍然按照初始計劃Plan 1執行,且按照初始計劃完成放射治療。
2.1 靶區劑量比較
鼻咽癌tomotherapy治療過程中,Plan 2中靶區劑量較初始計劃Plan 1有不同程度的減少。Plan 2中PGTVnx的D98、D95、D2劑量較Plan 1略有下降,但差異無統計學意義(P值分別為0.092、0.147、0.220);Plan 2中PCTV1的D2劑量較Plan1稍有增加,差異無統計學意義(P=0.873);Plan 2中PCTV1的D98、D95的劑量較Plan 1分別下降11.91%、6.88%,差異具有統計學意義(P值分別為0.001、0.006,表1)。
2.2 危及器官的劑量差異
Plan 2中雙側眼球、晶狀體、顳頜關節、視神經、視交叉及腦干的最大劑量較Plan 1稍有增減,未見顯著性差異。而Plan 2中左側腮腺的Dmean、D50較Plan 1分別增加42.23%、63.82%(P<0.001);Plan 2中右側腮腺的Dmean、D50較Plan 1分別增加38.64%、66.76%(P值分別為0.002、0.004)。Plan 2中脊髓的最大劑量較Plan 1也明顯增加,增加16.49%,呈顯著性差異(P=0.026,表2)。
2.3 放療過程中雙側腮腺的體積變化比較
鼻咽癌患者放療結束以后,PGTVnx和PGTV1靶區體積分別縮?。?8.96±10.68)mL,9.73%、(-41.49± 36.10)mL,7.01%(P值分別為0.026、0.005),患者外輪廓縮小、腫瘤退縮等使得PGTV1靶區向內側位移(表3,圖1~4)。左、右腮腺的體積較放療開始之前均明顯縮小,分別縮?。?6.91±5.14)mL,28.38%、(-6.27±4.57)mL,26.05%(P值分別為0.002、0.002)。本研究患者的體質量由治療前的(63.09±7.28)kg下降至放療后的(56.98± 6.81)kg,平均下降9.7%?;颊唧w質量下降主要導致身體外輪廓縮小,外輪廓縮小會導致腮腺質心向內側位移,腮腺由低劑量區向高劑量區位移(圖4~6)。

表1 計劃1與計劃2中靶區的劑量學比較Table 1 Dose parameters of targets in Plans 1 and 2 for 10 nasopharyngeal carcinoma patients

表2 計劃1與計劃2中危及器官的劑量學比較Table 2 Dose parameters of at-risk organs in Plans 1 and 2 for 10 nasopharyngeal carcinoma patients

表3 雙側腮腺的體積變化比較Table 3 Volume of targets and double parotids in Plans 1 and 2 for 10 nasopharyngeal carcinoma patients

圖1 初始計劃Plan 1中GTVnx(綠色)和PGT?Vnx(紅色)的靶區覆蓋范圍Figure 1 Distribution of GTVnx(green)and PGTVnx(red)in the initial Plan 1

圖2 放療結束后Plan 2中GTVnx(綠色)和PGTVnx(紅色)的靶區覆蓋范圍Figure 2 Distribution of GTVnx(green)and PGTVnx(red)in Plan 2 after radiotherapy

圖3 初始計劃Plan 1中CTV1(粉色)和PGTV1(深紅色)的靶區覆蓋范圍Figure 3 Distribution of CTV1(pink)and PGTV1(crimson)in Plan 1

圖4 放療結束后Plan1中CTV1(粉色)和PGTV1(深紅色)的靶區覆蓋范圍Figure 4 Distribution of CTV1(pink)and PGTV1(crimson)in Plan 1 after radiotherapy

圖5 初始計劃Plan 1中左/右腮腺的范圍;劑量曲線:紅色-70 Gy,綠色-60 Gy,藍色-50 Gy,橙色-30 GyFigure 5 Distribution of left(Kelly)and right (pink)parotids in Plan 1.Depth-dose curve:red, 70 Gy;green,60 Gy;blue,50 Gy;orange,30 Gy

圖6 放療結束后Plan 2中腮腺的范圍;劑量曲線:紅色-70 Gy,綠色-60 Gy,藍色-50 Gy,橙色-30 GyFigure 6 Distribution of left(Kelly)and right (pink)parotids in Plan 2 after radiotherapy.Depthdose curve:red,70 Gy;green,60 Gy;blue,50 Gy; orange,30 Gy
目前國內外關于鼻咽癌調強放療的研究主要集中在個別危及器官上,而對靶區劑量及危及器官兩方面的研究較少。本研究通過以上兩方面的研究,重點分析患者治療過程中實際受照射劑量與初始計劃的差別,找出規律及影響因素,為進一步實現精準放射治療提供解決方法。
本研究發現,Plan 2中PGTVnx的D98、D95和D2的劑量同初始計劃Plan 1相比稍有減少,但差異無統計學意義。而PGTV1的D98和D95的劑量發現明顯降低,下降幅度分別為11.91%、6.88%,差異具有統計學意義。分析原因可能是放療結束之后PGTVnx靶區腫塊體積雖然比放療開始之前稍有縮小,縮小(8.96±10.68)mL,9.73%,但腫瘤靶區并未脫靶,所以靶區劑量差異無統計學意義。PCTV靶區中D98為靶區的最小劑量,劑量曲線分布于靶區的邊緣,最容易受到解剖結構的變化和擺位誤差等影響,容易造成靶區的部分脫靶,導致靶區劑量欠量。Lu等[15]在鼻咽癌患者調強放療中解剖結構和劑量變化的研究中發現,用樞椎齒突橫徑代表患者頸部的外輪廊,在患者行25次放療后,患者的橫徑從開始放療時的(15.4±1.0)cm減小至放療(14.4±1.1)cm,差異具有統計學意義(P<0.05),表示頸部外輪廓發生顯著的改變。Fung等[16]研究發現在完成放療計劃全程的1/4時,頸部組織縮小明顯,下降率為(11.91土5.57)%(P=0.001),平均每天下降0.39%;在完成全程放療的2/3時,尤其下頸部位置改變明顯。Bhide等[17]研究也發現,隨著治療開始以后,CTV在治療第2周時,靶區就縮小3.2%。上述變化均會影響靶區劑量的覆蓋,使部分靶區脫靶,使得靶區欠量,正常組織受照劑量增加。PCTV1中D95劑量下降,同樣與此有關。靶區體積的變化影響靶區劑量的分布,最終影響了靶區實際的受照射劑量。
Plan 2與Plan 1相比,Plan 2中左、右眼球,左、右側視神經,視交叉的最大劑量較初始計劃有不同程度的降低,左、右晶狀體及左、右顳頜關節D2%劑量較初始計劃有不同程度的增加,但差異均無統計學意義??赡芘c患者治療時的擺位誤差、自主運動等因素相關。
關于腮腺體積劑量的變化,國內外已有很多報道[18-21],主要集中在以下兩個方面:1)腫瘤患者在治療過程中腮腺受到低劑量射線照射,腺體細胞經歷退行性改變、纖維化等使得總腮腺體積縮小,腮腺體積變化導致雙側腮腺從低劑量區向高劑量區靠近,導致腮腺實際接受劑量明顯增加;2)患者在治療過程中因放療不良反應導致體質量下降,患者外輪廓縮小,也會使腮腺向高劑量區靠近,導致腮腺實際受照射劑量增加。Lu等[15]研究發現放療25次后,患者左、右腮腺的平均體積相較于放療開始時,分別下降(24.6±11.9)%、(35.1±20.1)%。Fung等[16]研究也得到類似的結果,放療后腮腺的體積呈顯著下降,平均每天下降1.35%。本研究中左、右腮腺的體積由放療前(24.36±8.97)mL、(24.07±6.63)mL縮小至放療后(17.45±4.64)mL、(17.80±3.85)mL,平均縮小28.36%、26.05%,這與國內外的研究一致。Barker等[22]研究還發現隨著放療結束,腮腺的質心向內側平均位移3.1 mm,并且體質量下降與腮腺質心向內側移位有高度的相關性。
關于腦干和脊髓實際劑量的變化,分析原因可能是患者在治療過程中使用頭-頸-肩熱塑面膜固定,患者治療過程中頭顱相對固定,腦干位移較小,而在熱塑面膜頸胸交界處,熱塑面膜不能很好地固定患者的治療體位,而且脊髓的范圍較大,活動度較大,最終經MVCT掃描獲取得到治療前的MVCT圖像與初始計劃時的KVCT進行剛性配準時,不能解決患者擺位時的旋轉位移,可能促使脊髓脫離勾畫區域,受照劑量增加?;颊唧w質量下降導致熱塑面膜松動,也會進一步促使脊髓脫離勾畫區域,最終導致脊髓實際受照劑量偏高。本研究結果與國內外多個中心的研究結果基本一致[6,15,17]。這一系列研究均顯示鼻咽癌患者在放療過程中,脊髓的最大受照射劑量會升高。圖像引導的放射治療雖然可以減少脊髓的受照射劑量,但脊髓的最大劑量仍有不同程度的升高。因此,在無圖像引導的放射治療的單位,對于擺位誤差和脊髓受照劑量的限制必須更加嚴格。
綜上所述,鼻咽癌tomotherapy治療過程中,如果不進行再計劃,腫瘤靶區實際受照射劑量較初始計劃存在一定差異,腫瘤淋巴引流區實際受照射劑量較初始計劃會明顯偏低,而鼻咽原發腫瘤靶區劑量變化差異不大。脊髓和腮腺實際受照射劑量明顯增加,有必要進一步糾正擺位誤差及實施再計劃放療等,減少放射治療的不良反應。
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(2016-10-24收稿)
(2016-12-12修回)
(編輯:孫喜佳 校對:楊紅欣)
Image-guided determination of actual dose for nasopharyngeal carcinoma patients treated with helical tomotherapy
Zhiqiang WANG,Zhiwei WANG,Yong ZHANG,Qi YUE,Xudong FENG,Wei JIAN,Bin XIAO,Rongqing LI
Correspondence to:Rongqing LI;E-mail:lrqmxl@126.com
Department of Radiation Oncology,The First Affiliated Hospital of Kunming Medical University,Kunming 650032,China
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.81560462),the Natural Science Foundation of Yunnan Province(No.2016Fb150)and the Fund of the Science and Technology of Yunnan Province(No.2014RA072)
Objective:To determine the law of dose variation in nasopharyngeal carcinoma patients treated with helical tomotherapy by observing the difference between the actual and planned doses of targets and at-risk organs in these patients.Methods:Ten nasopharyngeal carcinoma patients were treated with helical tomotherapy.Each single dose distribution and the corresponding computed tomography(CT)images were transmitted to the commercial software MIMvista 6.50,which was used to perform deformable image registration on the CT images.The sum of the actual dose was then obtained by accumulating the single doses.The image-guided actual dose was denoted as Plan 2,and the initial plan was called Plan 1.The dose-volume histogram of the dose distribution of targets and at-risk organs in Plans 1 and 2 were compared.Results:The D98 and D95 doses of the planning gross target volume(PGTV)in Plan 2 were significantly lower than those in Plan 1.Compared with Plan 1,the Dmean and D50 doses of double parotids in Plan 2 were higher by 42.23%and 63.82%(P<0.001,P=0.001)on average,respectively,for the left parotid,as well as by 38.64%and 66.76%(P= 0.002,0.004),respectively,for the right parotid.The D2 dose of spinal cord in Plan 2 was significantly higher than that in Plan 1.The doses were higher by 16.49%on average(P=0.026).Conclusion:To achieve precise and individually adaptive radiotherapy,correcting the error between anatomy and placement during tomotherapy for nasopharyngeal carcinoma patients is necessary.
nasopharyngeal carcinoma,adaptive radiotherapy,image-guided radiotherapy

10.3969/j.issn.1000-8179.2017.03.220
昆明醫科大學第一附屬醫院放療科(昆明市650032)
*本文課題受國家自然科學基金項目(編號:81560462),云南省自然科學基金面上項目(編號:2016FB150)和云南省科技廳“惠民”基金項目(編號:2014RA072)資助
李榮清 lrqmxl@126.com
王志強 專業方向為頭頸部腫瘤及肺癌的規范化診治。
E-mail:wzqsg101@163.com