基于兩種旋轉調強全中樞放射治療技術的劑量學研究*

江 楠　解傳濱　叢小虎　戴相昆　陳高翔　葛瑞剛　鞠忠建　曲寶林

全腦全脊髓照射(craniospinal irradiation CSI)主要應用于容易沿腦膜或腦脊液播散轉移的腦惡性腫瘤的治療，有著較高的5年生存率[1-2]。由于CSI靶區貫穿全腦至脊髓圓錐部整個人副體中樞軸區域，照射范圍較大，患者極易出現較大不良反應，如惡心、嘔吐及骨髓抑制等[3]。因此，在保證全中樞靶區接受足夠劑量照射的基礎上，如何進一步降低各危及器官(organ at risk，OAR)的受照劑量成為臨床研究的重點。

螺旋斷層放射治療(helical tomotherapy，HT)和容積旋轉調強放射治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)作為目前較為先進的放射治療技術，在臨床上得到了廣泛的應用。HT從360°分51個射野方向對復雜靶區實行螺旋照射，最大治療長度可達160 cm，在提高靶區適形度的同時可最大限度地保護周圍正常組織，具備了實施CSI的技術優勢[4]。VMAT是在機架旋轉的同時通過改變劑量率和多葉準直器(multi-leaf collimator，MLC)射野形狀來實現靶區劑量覆蓋的一種動態調強技術，并可通過多中心計劃優化的方式實現對較長靶區的高度適形照射，使其在全中樞照射的臨床應用成為可能[5-6]。本研究通過比較快速容積(rapid arc，RA)旋轉調強放射治療與HT兩種旋轉調強技術在全中樞照射中的劑量學差異，為臨床應用標準的選擇提供參考。

1　資料與方法

1.1　一般資料

回顧性選取2015年6月至2017年8月在解放軍總醫院放射治療科接受CSI的8例患者，其中男性3例，女性5例；年齡3～26歲，中位年齡14.5歲；髓母細胞瘤術后4例，急性髓系白血病移植后2例，T淋巴母細胞瘤2例。所有患者均行全中樞定位掃描，完成靶區及相應OAR勾畫，分別設計HT及RA兩種旋轉調強計劃，處方劑量為36 Gy/20 F。

1.2　儀器設備

定位掃描采用大孔徑C T模擬定位機(德國SIEMENS)；pinnacle9.3系統(荷蘭Philips)；HT計劃設計采用Hi.ART4.3計劃系統(美國Accuray)；RA計劃設計采用Eclipse10.0計劃系統(美國Varian)。

1.3　靶區定義及處方劑量

患者固定裝置為頭肩模+體模及頭頸肩一體板；定位掃描范圍自頭頂至坐骨結節，掃描層厚為5 mm。由醫師在pinnacle9.3系統上進行全腦全脊髓的勾畫，定義為臨床靶區(clinical target volume，CTV)，并完成晶體、眼球、肺、心臟、肝臟、腎臟及小腸等相關OAR的勾畫，CTV外放5 mm定義為計劃靶區(planning target volume，PTV)，并將Body輪廓排除PTV定義為正常組織(normal tissue，NT)。處方劑量36 GY/20 F。

1.4　調強放射治療計劃

(1)HT計劃。計劃設計采用計算網格為Fine，射野寬度(field width，FW)設置為5.05 cm，螺距值(pitch)設置為0.43，調制因子(modulation factor，MF)設置為2.0，并將晶體外放3 mm區域設置為全屏蔽模式(completed block)。

(2)RA計劃。計劃設計采用Clinac iX直線加速器(美國Varian)6 MV的X射線多中心銜接優化的方式，根據患者靶區長度設為2～4個中心，每個中心采用2個全弧照射(順時針180.1°～179.9°，逆時針179.9°～180.1°)，為避免射野銜接處劑量冷熱點的出現，相鄰中心射野重疊要求＞2 cm。將全腦部位2個射野的準直器設置為90°，其余中心射野的準直器分別設置為5°和355°。

1.5　計劃評估

靶區劑量評估包括：①靶區劑量(D95%)及覆蓋度體積(V95%)；②近似最大劑量(D2)；③近似最小劑量(D98%)；④平均劑量(Dmean)以及劑量分布的均勻性指數(homogeneity index，HI)；⑤適形度指數(conformity index，CI)，其計算為公式1：

式中Vptv1為處方劑量覆蓋靶區的體積；Vptv為靶區體積；Vt為處方劑量的體積。

CI值越接近1，表明靶區適形度越高；其靶區HI的計算為公式2：

HI值越接近0，表明靶區劑量均勻性越好[7]。各OAR評估通過劑量-體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)讀取各劑量學參數，并根據各器官臨床劑量限制要求分別對其Dmax、Dmean及V5，V10，V20，V30等劑量學參數進行統計學分析比較，最后通過總機器跳數及計劃實施時間來評估兩種計劃的實施效率。

1.6　統計學方法

采用IBM SPSS statistics 22.0統計軟件進行數據分析。采用配對t檢驗的方式對兩種計劃的各劑量學參數進行統計分析，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2　結果

2.1　靶區劑量參數比較

通過對兩種計劃靶區各劑量參數分析比較發現，兩種旋轉調強技術均能得到較好的靶區劑量分布，并且達到了相當的靶區劑量覆蓋度及靶區均勻性。在靶區適形度方面，RA技術有略優于HT技術的優勢，CI值分別為0.90±0.06和0.86±0.01，但差異無統計學意義(t=2.532，P＞0.05)，見表1。

表1　RA和HT計劃的靶區參數統計學比較

表1　RA和HT計劃的靶區參數統計學比較

注：表中CI為適形指數；HI為均勻指數。

參數項目　RA計劃　HT計劃　t值　P值D2%(Gy)　39.00±0.35　38.66±0.45　1.965　0.107 D98%(Gy)　35.33±0.28　35.00±0.22　1.173　0.294 V95%(%)　99.00±0.21　98.77±0.20　1.819　0.129 D95(Gy)　36.04±0.10　36.12±0.04　-0.613　0.567 Dmean(Gy)　37.43±0.08　37.34±0.14　0.444　0.676 CI　0.90±0.06　0.86±0.01　2.532　0.052 HI　0.098±0.01　0.097±0.01　0.137　0.897

2.2　OAR劑量參數比較

通過對兩種計劃各OAR劑量學參數進行比較發現，兩種計劃僅達到了各器官的臨床劑量限制要求。HT計劃通過射野屏蔽設置得到的晶體Dmax明顯低于RA計劃，但眼球Dmean卻較RA計劃高出了40.8%；而在腮腺、口腔、肺、肝臟、胃、腎臟以及小腸的各百分體積參數比較中，HT計劃均低于RA計劃，且V5除心臟以外，兩種計劃的其他OAR劑量學參數比較均具有統計學意義(t=17.523，t=8.421，t=5.862，t=5.001，t=5.334，t=4.020，t=3.369；P＜0.05)；V10除口腔、肺臟外其他器官差異均有統計學意義，而V20只有腮腺、肝臟及腎臟差異有統計學意義(t=2.318，t=2.768，t=2.423；P＜0.05)；在Dmean比較中，除胃和小腸的差異無統計學意義外，其他器官HT計劃均明顯低于RA計劃；而對NT的劑量參數評估發現，除V10外，RA計劃均較優于HT計劃，但差異均無統計學意義，見表2。

2.3　計劃實施效率評估

通過對兩種計劃總機器跳數及計劃實施時間比較發現，RA計劃實施效率要明顯高于HT計劃，HT總機器跳數和計劃實施時間分別為RA計劃的6.5倍和1.16倍，表明RA技術具有更高的射線利用率，見表3。

表2　RA和HT計劃OAR參數統計學比較

表2　RA和HT計劃OAR參數統計學比較

RA計劃　HT計劃　t值　P值晶體　Dmax(Gy)　6.30±0.23　5.40±0.26　2.355　0.038眼球　Dmean(Gy)　9.44±0.35　13.03±1.71　-2.108 0.059口腔Dmean(Gy)　9.32±0.477　7.31±0.44　10.793　0.000 V5(%)　99.98±0.02　67.75±3.83　8.421　0.000 V10(%)　31.27±8.07　19.6±3.10　2.082　0.092 V20(%)　0.04±0.04　1.00±0.75　-1.353 0.234腮腺Dmean(Gy)　12.57±0.30　8.43±0.24　9.445　0.000 V5(%)　79.98±0.06　70.01±5.92　17.523　0.000 V10(%)　56.46±4.03　31.66±2.14　8.730　0.000 V20(%)　4.37±1.42　1.10±0.32　2.318　0.041肺Dmean(Gy)　6.27±0.25　5.92±0.25　2.095　0.060 V5(%)　57.83±2.14　44.50±3.00　5.862　0.000 V10(%)　12.81±3.33　9.54±1.41　1.110　0.291 V20(%)　1.14±0.38　1.28±0.40　-0.491 0.633心臟Dmean(Gy)　12.83±0.99　8.22±0.43　0.003　0.003 V5(%)　99.96±0.03　94.94±2.32　2.158　0.083 V10(%)　47.67±14.37 21.25±4.32　2.783　0.039 V20(%)　5.99±2.92　0.19±0.12　2.023　0.099肝臟Dmean(Gy)　8.30±0.69　5.63±0.74　5.160　0.004 V5(%)　73.93±5.50　59.23±5.63　5.001　0.004 V10(%)　32.62±7.25　10.18±2.75　4.308　0.008 V20(%)　0.71±0.26　0.03±0.02　2.768　0.039腎臟Dmean(Gy)　5.69±0.19　4.64±0.11　5.271　0.000 V5(%)　40.07±2.46　26.55±1.57　5.334　0.000 V10(%)　10.43±1.18　4.04±0.87　4.462　0.001 V20(%)　0.75±0.23　0.24±0.12　2.423　0.034胃Dmean(Gy)　8.70±0.51　6.37±0.27　5.555　0.003 V5(%)　91.29±3.79　73.29±5.62　4.020　0.010 V10(%)　28.57±7.97　5.01±2.18　3.732　0.014 V20(%)　0.25±0.14　0.03±0.03　1.528　0.187小腸Dmean(Gy)　10.86±1.17　9.00±0.77　1.889　0.118 V5(%)　88.79±5.20　83.89±5.30　3.369　0.020 V10(%)　50.78±8.74　34.48±8.47　2.064　0.094 V20(%)　6.38±3.63　1.63±0.60　1.393　0.222正常組織Dmean(Gy)　7.00±0.79　7.29±0.54　-1.098 0.353 V5(%)　48.43±3.66　49.79±2.67　-1.108 0.349 V10(%)　23.09±4.05　21.65±2.44　0.800　0.482 V20(%)　6.57±1.89　7.38±1.36　-1.368 0.265

表3　RA和HT計劃實施效率比較

表3　RA和HT計劃實施效率比較

注：表中RA為快速容積治療；HT為螺旋斷層放射治療。

治療計劃　參數項目機器跳數(MU)　計劃實施時間(s)RA　1128±105.45　450±38.73 HT　7381.17±706.14　522.72±49.04 t值　-9.422　-3.679 P值　0.000　0.014

3　討論

隨著放射治療技術的發展，現代放射治療已經發展到精確定位、精確計劃以及精確治療的高級階段，以二維射野計劃為基礎的CSI已漸漸淡出歷史舞臺。三維適形放射治療(three dimensional conformal radiation therapy，3D-CRT)的出現使CSI進入精確放射治療時代[8]。采用左右等中心半野對穿實現對全腦部分的照射，通過等中心接野并周期性移動射野銜接邊界的辦法來完成全脊髓部分的照射，并最大可能避免接野處靶區局部劑量冷熱點的累加，但也不同程度的造成了相應靶區部分劑量欠量情況的出現[9]。普通調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)技術在CSI臨床應用中有效改善了靶區劑量分布，并明顯降低了正常器官受量，但臨床實施的復雜程度及相鄰射野間的劑量銜接等問題禁錮了其在CSI臨床應用的普及與推廣[10]。

近年來，以HT及VMAT為代表的治療新技術的臨床推廣應用，為放射治療的發展帶來了革命性的改變，也為CSI技術的不斷完善與發展提供了可能[11-12]。有研究報道，HT在CSI中的劑量學優勢，但其臨床實施需要特殊的螺旋斷層放射治療裝置。而RA技術可以在普通加速器上予以實施，因此更便于在一般放射治療單位的普及開展[13-15]。但是，由于CSI超長靶區的特性，對于普通加速器最大40 cm射野限制，計劃設計必須采用多中心方法。雖然其計劃系統具備了多野多中心同計劃優化的技術優勢，在計劃階段實現了射野間的無縫銜接，但患者實際治療擺位過程中，通過圖像引導對各中心體位進行校準所帶來的輕微體位變化勢必帶來相鄰射野在患者體內劑量銜接的不確定度，這也是RA技術在CSI應用中亟需解決的問題[16-17]。而HT治療計劃只能有一個中心，僅憑治療前單次影像配準很難保證較長靶區在整個治療過程患者體位的準確性[6]。有單位通過在治療實施半程時進行治療中斷，并通過創建后續計劃進行重新擺位校準，以實現對患者體位的及時誤差校對。但由此也帶來了中斷前后劑量銜接不確定性，因此建議在不同的治療次間選擇不同的中斷節點以減少由此帶來的影響。本研究所采用的辦法為在HT每次治療前分別對頭部及胸腹部進行兩次圖像掃描并讀取配準誤差，取兩者平均值進行評估校準后進行治療的實施，然而，該方法對靶區外放要求及體位校準所帶來的患者實際受照劑量影響還需進一步的臨床研究。

由于Clinac iX加速器X軸鉛門動態調強的推薦寬度為15 cm，本研究在RA計劃設計之初將Y軸鉛門設置成與靶區縱軸方向相一致的方式，以盡量減少射野中心的數量，但是優化得到的靶區劑量均勻性較差，分析發現是由于全腦部位靶區橫向范圍較大，15 cm寬度的射野在旋轉的過程中無法實現對全腦靶區的較好覆蓋，因此將該部分射野準直器角度進行了旋轉90°的設置，使得Y軸鉛門與旋轉弧的切線方向垂直[19]并調整射野寬度與靶區大小相一致，其他部分射野準直器保持初始設置。通過這種辦法有效解決了靶區劑量均勻性較差的問題，最終RA計劃得到了與HT近乎相當的靶區劑量均勻性。而在對兩種計劃靶區劑量適形度的比較中，RA計劃體現出了略優于HT的趨勢，分析發現是由于在HT計劃設計中為了有效保護晶體，對LENS外放3 mm區域進行了射野全屏蔽的設置，即經過該區域射野的MLC處于關閉狀態，加之較大射野寬度(5.05 cm)設置所導致的縱向劑量延伸，不可避免的造成了晶體周邊全腦靶區劑量的欠量，尤其在晶體縱向邊緣這種現象更為明顯。

本研究針對兩種旋轉調強技術在全弧照射的情況下進行了比較研究，而為保護相關器官及解決由于旋轉照射所帶來的低劑量區域較高的問題，有學者報道了在旋轉調強CSI計劃設計方面的改進辦法。Wang[14]等提出在全腦部位采用280°照射弧，在面部進行80°避讓的方式以有效降低面部器官受照劑量，而對于脊髓部位則采用前后2個140°照射弧，避讓左右兩側各40°射野以降低肺臟等器官的低劑量區域。但在應用Eclipse計劃系統射野避讓模塊時，計劃優化的次數會受到系統的限制，因此在射野角度減少的情況下對于計劃設計者提出了更高的要求。文婷等[18]在HT全中樞計劃設計中，通過勾畫輔助輪廓進行射野限制的方式有效降低了各OAR的平均劑量，同時治療時間增加了1.23倍。但是輔助區域的勾畫范圍和大小尚無統一共識。而對于女性患者卵巢保護的問題，本研究中未加以考慮，解傳濱等[5]通過螺旋斷層調強放射治療技術和斷層徑照調強放射治療技術接野分段式計劃設計，實現了對女性卵巢的保護，而RA治療技術在女性患者卵巢保護中的可行性還需進一步的臨床研究論證。

對于全腦全脊髓照射，兩種旋轉調強技術均能得到較好的靶區劑量分布，在重要器官的保護上，HT因束流調制能力較強而存在較為明顯的優勢，而RA治療射線利用率更高。