射波刀治療計劃中計算框大小對靶區劑量分布影響研究*

高行新 王洪花 陸 軍 李 莎 張 超 崔曉磊 黃永輝

射波刀治療計劃中計算框大小對靶區劑量分布影響研究*

高行新①王洪花②陸 軍①李 莎①張 超①崔曉磊①黃永輝①

目的：研究射波刀治療計劃中計算框的大小對靶區劑量分布的影響，為射波刀治療計劃設計時計算框的選擇提供參考。方法：選擇3個腫瘤最大直徑分別為10 mm、30 mm和50 mm的靶區，計算框大小分別為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積，然后進行計劃設計，并分析計算框的大小和靶區劑量分布之間的關系。結果：①計算時間隨著計算框的增大而大幅度減少，而治療時間隨著計算框的增加均有減少的趨勢，但變化不大；②隨著計算框的增大，等劑量曲線數值呈下降的趨勢，由開始輕微改變到在最大掃描體積時變化最大，如10 mm靶區，曲線數值由89%～70%，而30 mm靶區，曲線數值由85%～74%，對50 mm靶區，曲線數值由77%～70%。射線束變化趨勢和等劑量曲線類似；③對不同大小的靶區，適形度會隨著計算框的增大而增加，但隨著靶區的增大，適形度增加幅度變小。結論：受計算時間和其他靶區劑量分布影響，對于腫瘤直徑為10 mm的靶區，計劃設計時選擇較小的計算框，如靶區外15 mm；對于腫瘤直徑為30 mm靶區，選擇適中的計算框為宜，如靶區外30～50 mm；而對于腫瘤直徑為50 mm的靶區，計算框可以選擇大些，如靶區外50 mm或更大范圍計算框，可以有效減少計算時間，提高工作效率。

射波刀；計算框；靶區劑量分布；放射治療

射波刀是一種新型的立體定向放射治療設備，也是目前世界上最先進的醫學技術之一，由美國斯坦福大學醫學院神經外科醫師John.Adler博士于1992年發明，并于2001年由美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration，FDA)認證，可用于治療全身各部位腫瘤[1-5]。射波刀采用實時影像引導和同步呼吸追蹤等技術，確保治療的準確性和重復性，使腫瘤外放邊界明顯縮小，更多相鄰的正常組織免受放射線輻射[6-7]。

隨著射波刀技術的不斷研制，第四代射波刀采用Multiplan4.0治療計劃系統，在計劃開始階段有劑量計算框的選擇，而劑量計算框定義了一個體積，在該體積中，系統將以當前選定的精度計算劑量，并為用于優化的每個感興趣器官提取約束點，只有處于劑量計算框內部的感興趣區域部分才會受到約束。而在Multiplan4.0計劃系統中有3種精度分別為低分辨率(64×64×64)、中分辨率(128×128×128)和高分辨率(掃描的主CT像素)。在治療計劃設計時，一般選擇低分辨率來進行初步計算，最后用高分辨率去評估并發送。低分辨率中的像素點相對較少，這樣落在靶區和危急器官上的限制點也相應的減少，運算時間就會變短，方便治療計劃設計。對于計算框的選擇原則上不可太大或太小，計算框太大會減少每個感興趣區的限制點數，而太小又有可能會漏掉危及器官。為此，本研究針對不同腫瘤直徑的靶區，研究計算框的選擇對靶區劑量分布的影響，并分析其之間的關系，對于射波刀治療計劃設計中計算框的選擇有著指導和借鑒意義。

1 資料與方法

1.1 資料選取

蘭州總醫院引進的第四代射波刀(美國Accuray公司)，于2012年10月開始在臨床應用治療。選取腫瘤最大直徑分別為10 mm、30 mm和50 mm的靶區進行計劃設計，計算框的選擇分別為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積，靶區基本位于體部中心處。

1.2 CT定位及靶區勾畫

使用PET-CT模擬定位機(德國Siemens公司)對患者行CT掃描。患者采用仰臥位，真空墊固定，掃描層厚、層距均為1 mm。由醫生勾畫靶區和危及器官。

1.3 治療計劃設計

由Multiplan4.0治療計劃系統分別對3個不同大小的腫瘤靶區進行計劃設計，對每一個靶區，計算框的選擇分別為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積，這樣就得出3組治療計劃。

1.4 治療計劃評估

靶區劑量分布參數主要有計算時間、等劑量曲線、靶區體積覆蓋率、治療時間、適形度、新適形度以及射線束等[8]。在靶區體積覆蓋率＞99%情況下，分別研究不同大小的腫瘤靶區在不同計算框下靶區劑量分布參數的變化，并對計算框的選擇給出合理的建議。

2 結果

最大徑為10 mm的腫瘤靶區，計算框分別為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進行計劃設計，所有治療計劃的靶區劑量分布參數見表1。

最大徑為30 mm的腫瘤靶區，計算框分別為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進行計劃設計，所有治療計劃的靶區劑量分布參數見表2。

最大徑為50 mm的腫瘤靶區，計算框分別為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進行計劃設計，所有治療計劃的靶區劑量分布參數見表3。

3 討論

射波刀作為新型的立體定向放射治療設備，在全身各部位腫瘤治療中都取得了很好的療效，如頭頸部腫瘤[9-12]、肺癌[13-15]、肝癌[16-17]、胰腺癌[18]以及腎癌[19]等。本研究使用引進的第四代射波刀，采用的治療計劃系統是Multiplan4.0版本，有5～60 mm范圍內12種不同尺寸的準直器[20]。在治療計劃設計時需要選擇一個計算框進行計算，對于計算框的選擇理論上不宜太大和太小，而本研究探討計算框的大小對于腫瘤靶區劑量分布的影響，從而為以后治療計劃中計算框的選擇提供借鑒和指導。

表1 腫瘤最大徑為10 mm的靶區劑量分布參數

表2 腫瘤最大徑為30 mm的靶區劑量分布參數

表3 腫瘤最大徑為50 mm的靶區劑量分布參數

選擇最大徑分別為10 mm、30 mm和50 mm的腫瘤靶區，每個靶區又分別選擇計算框為靶區外15 mm、30 mm、50 mm和最大掃描體積進行治療計劃設計，對每組治療計劃中不同計算框下靶區劑量分布進行分析。表1、表2和表3的3組治療計劃中靶區劑量分布參數都有相似的變化，但變化程度不同，按照靶區劑量分布參數分析顯示：①計算時間和治療時間。計算時間基本上隨著計算框的增大而變小，對于10 mm的靶區，計算時間從50 s降至18 s，而30 mm的靶區計算時間則從9 min降至24 s，當靶區為50 mm時，計算時間從18 min降至2 min。治療時間隨著計算框的增大都有減少的趨勢，但變化不大；②等劑量曲線和射線束。隨著計算框的增大，等劑量曲線數值呈下降的趨勢，在計算框由15 mm增大到50 mm時，等劑量曲線有輕微的下降，但變化不大，當計算框增大為最大掃描體積時，等劑量曲線變化增加，如10 mm靶區，曲線數值由89%降低為70%，而30 mm靶區，曲線數值由85%降低為74%，對50 mm靶區，曲線數值由77%降低為70%，等劑量曲線數值變化有隨靶區增大而減小的現象，射線束變化趨勢和等劑量曲線類似；③靶區適形度。對不同大小的靶區，適形度均隨著計算框的增大而增加，如在10 mm靶區，適形度由1.39增大到2.81，而30 mm的靶區，適形度由1.26增至1.81，當靶區為50 mm時，適形度由1.19增至1.29，其結果是隨著靶區的變大，適形度隨著計算框的增大的幅度變小。

4 結論

通過對不同大小的腫瘤靶區分別在不同計算框下進行治療計劃設計，分析計算框的大小對靶區分布的影響。3組治療計劃研究結果顯示：在靶區體積覆蓋＞99%情況下，隨著計算框的增大，不同大小的腫瘤靶區劑量分布參數有相似的變化，但變化程度不同。當計算框由15 mm增大到50 mm時，靶區劑量分布中治療時間、射線束和靶區等劑量曲線均有略微下降的趨勢，但變化不大，而適形度呈現的是增大的趨勢，但計算時間則變化較大，呈倍數減少。當計算框為最大掃描體積時，靶區劑量分布參數變化在靶區為10 mm時變化最大，到50 mm靶區時，劑量分布參數變化減弱，呈現劑量分布參數隨靶區增大而減弱的趨勢。以上結果表明，計算框的大小對靶區劑量分布方面確實存在影響，在計算框較小時，如計算框為15 mm和30 mm時比較，靶區劑量分布參數大多數有著輕微的改變，但改變非常小，只是在計算時間上相差較大。在計算框較大時，如在最大掃描體積時對10 mm靶區影響最大，對50 mm靶區影響較小。所以考慮計算時間和其他靶區劑量分布參數，在靶區體積較小時適合較小的計算框，如30 mm左右，不建議選擇非常大的計算框，但選擇的計算框必須包含鄰近靶區的危急器官；而在靶區體積較大時，建議選擇較大些的計算框，如靶區外50 mm大小計算框，可以有效減少計算時間，提高工作效率。以上結果可以為射波刀治療計劃中計算框的選擇提供參考和指導，在實際治療計劃中根據需要選擇適當地計算框。

[1]Nomura Suzuki I.CyberKnife radiosurgery--present status and future prospect[J].Brain Nerve，2011，63(3)：195-202.

[2]Dieterich S，Gibbs IC.The CyberKnife in clinical use：current roles，future expectations[J]. Front Radiat Ther Oncol，2011，43：181-194.

[3]Jánváry Z，Jansen N，Coucke P.The CyberKnife as a perfect tool for new therapeutic challenges in radiotherapy[J].Rev Med Liege，2014，69(1)：87-93.

[4]Chen Guang-yao.CyberKnife radiosurgery treatment standard guideline[M].Shanghai：Xuelin Press，2008：23-30.

[5]Colombo F，Francescon P，Cavedon C.A concise history of radiosurgery：From head frames to image guidance.Robotic Radiosurgery[M].The CyberKnife Society Press，2005：13-22.

[6]Chang SD，Main W，Martin DP，et al.An analysis of the accuracy of the CyberKnife：a robotic frameless stereotactic radiosurgical system[J]. Neurosu rgery，2003，52(1)：140-146.

[7]Cheng W，Adler J.An review of Cyberknife radiosurgery[J].Chin J Clin Oncol，2006，3(4)：229-243.

[8]朱錫旭，李兵.CyberKnife立體定向放射治療學[M].南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2014：98.

[9]Zhang M，Ho AL，D'Astous M，et al.CyberKnife Stereotactic Radiosurgery for Atypical and Malignant Meningiomas[J].World Neurosurg，2016，91：574-581.

[10]王鑫，王恩敏，梅廣海，等.射波刀治療腦動靜脈畸形的靶區勾畫和療效分析[J].中華醫學雜志，2014，94(37)：2902-2906.

[11]Yamazaki H，Ogita M，Himei K，et al.Hypofr-actionated Stereotactic Radiotherapy Using CyberKnife as a Boost Treatment for Head and Neck Cancer，a Multi-institutional Survey：Impact of Planning Target Volume[J].Anticancer Res，2014，34(10)：5755-5759.

[12]Jeong WJ，Park JH，Lee EJ，et al.Efficacy and Safety of Fractionated Stereotactic Radiosurgery for Large Brain Metastases[J].J Korean Neurosurg Soc，2015，58(3)：217-224.

[13]王寶虎，袁智勇，莊洪卿，等.立體定向放射治療早期中央型肺癌的療效觀察[J].中國腫瘤臨床，2013，40(2)：100-102.

[14]孟玲玲，邸玉鵬，蔡博寧，等.射波刀治療早期周圍型非小細胞肺癌初步療效觀察[J].中國醫學裝備，2015，12(7)：15-18.

[15]Patel NR，Lanciano R，Sura K，et al.Stereotactic body radiotherapy for re-irradiation of lung cancer recurrence with lower biological effective doses[J].J Radiat Oncol，2015，4(1)：65-70.

[16]Yuan ZY，Meng MB，Liu CL，et al.Stereotactic body radiation therapy using the CyberKnife(?) system for patients with liver metastases[J]. Onco Targets Ther，2014，7：915-923.

[17]Liang P，Huang C，Liang SX，et al.Effect of CyberKnife stereotactic body radiation therapy for hepatocellular carcinoma on hepatic toxicity[J].Onco Targets Ther，2016，9：7169-7175.

[18]沈澤天，武新虎，李兵，等.射波刀治療局部晚期胰腺癌的臨床療效分析[J].中國癌癥雜志，2012，22(8)：589-594.

[19]Harada Y，Miyazaki S.Adrenocortical Carcinoma Treated by CyberKnife[J].Intern Med，2016，55(15)：2031-2034.

[20]高行新，陸軍，李莎，等.射波刀治療計劃準直器對劑量分布和治療時間影響的研究[J].中國醫學裝備，2015，12(10)：39-42.

The research on the influence of calculation grid size for dose distribution of target region in the therapy plan of CyberKnife system/

GAO Xing-xin, WANG Hong-hua, LU Jun, et al//
China Medical Equipment,2017,14(9):20-23.

Objective: To research the influence of calculation grid size for dose distribution of target region in the therapy plan of CyberKnife so as to provide references for the choosing of calculation grid in the design of therapy plan of CyberKnife. Methods: Three target regions which largest diameters were 10mm, 30mm and 50mm, respectively, were selected. The calculation grid sizes were 15mm, 30mm and 50mm out of target region and the largest scanning volume, respectively. And then, the plan and design were carried out and the relationship between calculation grid size and distribution of target dose was analyzed. Results: (1)The calculation time was reduced with the enlarging of calculation grid and the reduced range was very large, while the treatment time appeared a reducing trend with the enlarging of calculation grid and its change was not obvious. (2)With the enlarging of calculation grid, the value of isodose curve appeared a decreasing trend, and the change was slight in begin and was obvious in largest scanning volume, such as for 10mm target region, the value of curve was from 89% to 70%, and it was from 85% to 74% for 30 mm target region, and it was from 77% to 70% for 50 mm target region. And the change trend of bundle of rays was similar with isodose curve. (3)For differently sized target region, the conformal degree was increase with the enlarging of calculation grid, while its increase range became smaller with the enlarging of target region. Conclusion: Based the influence for the consideration of calculation time and other dose distribution of target region, the planning and design should choose smaller calculation grid for the target region of 10mm tumor diameter, such as 15 mm out of target region. And it should choose medium calculation grid for the target region of 30 mm tumor diameter, such as 30-50 mm out of target region. Further, it should choose more calculation grid for the target region of 50 mm, such as 50 or more than 50mm out of target region. This method can reduce calculation time and increase the work efficiency.

CyberKnife system; Calculation grid; Dose distribution of target region; Radiotherapy

Department of Radiotherapy, The General Hospital of Lanzhou Military Region, Lanzhou 730050, China.

1672-8270(2017)09-0020-04

R730.55

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.09.006

2017-01-09

國家自然科學基金青年科學基金(81501623)“模擬微重力環境下TLR9分子在碳離子輻射損傷防護中的作用及機理研究”

①蘭州軍區蘭州總醫院放射治療科 甘肅 蘭州 730050

②甘肅省計量研究院 甘肅 蘭州 730070

高行新,男,(1982- ),博士，物理師。蘭州軍區蘭州總醫院放射治療科，從事腫瘤放射物理研究工作。