體位固定裝置對鼻咽癌調強計劃的劑量學影響

辜石勇 ，陳利，馬燕，余義貞

1.中山大學附屬第六醫院放療科，廣東廣州510655；2.中山大學腫瘤防治中心放療科/華南腫瘤學國家重點實驗室/腫瘤醫學協同創新中心，廣東廣州510060

前言

體位固定裝置被廣泛應用于放射治療中［1］，用來保證患者治療體位的固定效果和分次治療時患者體位的重復性。多野調強放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy,IMRT）和容積旋轉調強治療（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）是目前鼻咽癌放射治療的主要技術［2-3］。IMRT和VMAT放療實施過程中，當臂架運動到一定范圍時，射線入射路徑會經過體位固定設備和治療床，這些設備的組成材料與空氣并不等效，其存在會造成射線的衰減和散射。目前很多文獻報道了治療床對放療劑量的影響［4-6］，但在實際的臨床計劃設計時往往忽視了體位固定設備對放療計劃的影響。本文通過計算和分析頭頸體位固定裝置對鼻咽癌IMRT和VMAT計劃的劑量學影響，為臨床實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 病例資料與定位

回顧性選取中山大學附屬第六醫院經病理診斷為鼻咽癌且無放療禁忌癥的9例患者作為研究對象，年齡32～74歲，中位年齡50.2歲，臨床分期T3期5例，T4期4例。所有患者均采用仰臥位，使用科萊瑞迪公司生產的碳纖維底板加發泡膠和頭頸肩熱塑膜進行體位固定（圖 1），采用Philips Brilliance CT（Philips medical system,Cleveland,USA）模擬定位機行螺旋CT掃描，掃描范圍從頭頂至胸骨切跡下2 cm，掃描和重建層厚均取3 mm，掃描得到的CT圖像經放射治療網絡系統傳輸到Monaco5.1計劃系統。

1.2 靶區與外輪廓勾畫

根據ICRU50、62號報告在所有患者CT與MR融合圖像上勾畫鼻咽部腫瘤靶區（Gross Target Volume,GTV）GTVnx、頸部淋巴結腫瘤靶區（GTVnd）、臨床靶區（Clinical Target Volume,CTV）與高危淋巴引流區CTV1以及預防照射淋巴引流區（CTV2）。在CTV的基礎上根據擺位誤差將各靶區外擴3 mm得到對應的計劃靶區（Planning Target Volume,PTV），分別記為 PTVnx、PTVnd、PTV1 以及 PTV2。危及器官（Organs-At-Risk,OAR）包括腦干、脊髓、晶體、視神經、視交叉、垂體、腮腺、內耳、中耳、顳葉、顳頜關節、下頜骨、舌以及喉等。設計計劃時，對每一例患者勾畫兩套外輪廓，即一套外輪廓不包含頭頸固定裝置僅勾畫人體外輪廓，另一套將頭頸固定裝置也勾畫進外輪廓。

1.3 計劃設計及劑量計算

在Monaco5.1計劃系統中設計同步加量計劃［7-8］，采用6 MV能量X線。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的處方劑量分別為70、66、60以及54 Gy，共計32次。TPS內計劃的設計參數為：VMAT計劃，單弧360°，機架從-180°到 180°，設置最大控制點數目為150個；IMRT計劃，9野共面空間均分，每個射野內控制點數量設定為20個，計算網格大小為3 mm×3 mm×3 mm，使用蒙特卡羅（Monte Carlo,MC）算法計算劑量，MC算法的每個控制點不確定度設置為3%。將正常皮膚外輪廓計算優化的調強計劃記為Planwithout，隨后將該計劃移植到該患者包含頭頸固定裝置外輪廓的圖像上，在保證相同的輻射條件下，進行劑量計算，得到包含頭頸固定裝置的計劃，記為Planwith。

1.4 劑量學差異分析

使用劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram,DVH）對同一患者的IMRT/VMAT計劃的PTV、OAR的受照射劑量進行統計學分析。計劃靶區評價指標為靶區平均劑量（Dmean），100%處方劑量覆蓋體積VPrescription（V70Gy對應PTVnx、V66Gy對應PTVnd、V60Gy對應PTV1、V54Gy對應PTV2），靶區劑量均勻性指數（Homogeneity Index,HI）以及靶區劑量適形指數（Conformity Index,CI）［9］。HI，CI通過下述公式分別計算：

其中D5%和D95%分別是感興趣區域（Region Of Interest,ROI）5%和95%體積接受的照射劑量。HI的值越小（越接近1）表示靶區劑量的均勻性越好，反之表明靶區劑量越不均勻。

其中VT為ROI的體積，VRI為參考劑量等劑量線包繞的總體積，VRX為參考劑量包繞ROI的體積。CI值的范圍為0～1，CI的值越大，表明該結構對應處方劑量的適形度越好。對于OAR，腦干和脊髓評價指標為Dmean與Dmax，其他OAR評價指標為Dmean。

同時，對同一個患者，在Monaco計劃系統中將兩個計劃的計算結果相減得到頭頸固定裝置對劑量計算的影響，患者體內某一特定位置處（x,y,z）的劑量偏差計算為Planwith與Planwithout在該處的劑量差值：

1.5 統計學方法

采用SPSS19軟件對Planwithout和Planwith計劃DVH的劑量參數進行配對t檢驗，P＜0.05為二者差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量

從圖2中9野IMRT（9F IMRT）的DVH結果可以看出，考慮體位固定裝置后，Planwith計劃中各ROI曲線都有一定程度的向左移動，各PTV的處方劑量覆蓋體積以及 Dmean均有降低。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2 4個靶區的處方劑量覆蓋分別降低了2.14%、10.34%、0.88%、2.86%；平均劑量分別降低了0.96%、1.94%、1.07%、1.26%，且差異具有統計學意義（表1）。頭頸肩固定裝置對各個靶區的劑量均勻性指數HI影響較小，9例患者的平均偏差均在1%以內。頭頸體位固定裝置對各個靶區的劑量適形度指數CI影響比較大，9例患者的平均偏差分別為11.28%、0.48%、6.90%、3.89%。

從圖3可以看出，對于VMAT計劃，與僅考慮外輪廓的計劃Planwithout相比，Planwith計劃中各ROI曲線均有一定程度的向左移動，各PTV的處方劑量覆蓋體積和Dmean均有所降低。表1中的結果顯示，PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的靶區劑量覆蓋分別降低了2.56%、22.42%、0.66%、1.30%，其中對PTVnd的影響最大；靶區的Dmean分別降低了0.86%、2.45%、0.93%、1.59%，且差異具有統計學意義。頭頸固定裝置對各個靶區的劑量均勻性指數HI影響較小，9例患者的平均偏差均在1%以內。頭頸固定裝置對各個靶區的劑量適形度指數CI影響比較大，由于固定裝置的影響，9例患者的靶區的適形度指數分別變化了10.52%、-32.52%、9.97%和3.03%。

圖2 1例典型的鼻咽癌患者9F IMRT計劃的DVH圖Fig.2 Dose-volume histogram of 9-field intensity-modulated radiotherapy(9F-IMRT)for nasopharyngeal carcinoma(NPC)in a typical patient

2.2 OAR劑量

如表2所示，由于頭頸固定裝置對射線的衰減，除腦干外，VMAT與9F IMRT各OAR的平均劑量和最大劑量均有所減小（最大偏差1.69%），且差異均具有統計學意義。其中對脊髓、喉和舌的劑量影響相對較大。

2.3 Planwith與 Planwithout劑量差值

在TPS內對同一患者兩套計劃直接相減，可以得到如圖4所示的劑量差異分布圖。圖中色標從藍色到紅色的漸變代表絕對劑量的變化，范圍從-6 Gy至30 Gy。可見，由于頭頸固定裝置的存在，患者體內劑量與不考慮固定設備時相比有所降低，如圖4b、c、e、f中所示，靠近體位固定裝置的下頸部劑量降低明顯，主要是由于入射射線經過體位固定裝置時對射線的衰減造成的。同時，在患者的頸部與底板托架之間，由于有低密度的發泡膠存在，造成了射線的散射和建成效應發生變化，導致患者后頸的皮膚劑量增加了6～15 Gy，如圖4a、d所示。

圖3 1例典型的鼻咽癌患者VMAT計劃的DVH圖Fig.3 Dose-volume histogram of volumetric modulated arc therapy(VMAT)for NPC in a typical patient

3 討論

體位固定裝置被廣泛應用于放射治療中，主要作用是保證單次放療內患者體位的固定以及分次間治療體位的重復性。但需要注意的是，體位固定裝置等輔助治療設備材料與空氣并不等效，在放療計劃實施時對放療劑量會產生影響。測量表明，在射線經入射路徑經過治療床、有機玻璃等物體時，射線的衰減效應、皮膚建成效應改變明顯［6,10-13］。Munjal等［14］通過測量發現，當6 MV光子射線（10×10）cm2照射野從120°～160°入射治療床時，劑量衰減約為3.0%；從0°～90°入射有機玻璃板時劑量衰減為5.8%～10.6%。Cheung等［15］的研究表明對于2.5 cm厚的真空袋，由于射線的建成效應，用6 MV（10×10）cm2X線照射野時皮膚的表面劑量相對于無真空袋時增大了一倍，當真空袋厚度繼續增加時皮膚表面劑量相應增大，因此Cheung提醒需要考慮真空袋對皮膚劑量的影響。Puysseleyr等［16］測量了俯臥乳腺托架對劑量的影響，當射線入射碳纖維床板與乳腺托架碳纖維底板時，6 MV X射線衰減約7.6%，當射線經過乳腺托架固定部分時衰減可達12.3%。

表1 9例鼻咽癌患者兩種計劃間計劃靶區劑量學參數結果（±s）Tab.1 Dosimetric parameters of target areas in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

表1 9例鼻咽癌患者兩種計劃間計劃靶區劑量學參數結果（±s）Tab.1 Dosimetric parameters of target areas in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

Diff(%)=(Planwith-Planwithout)/Planwith*100

VMAT 9F-IMRT靶區 參數PTVnx V70 Gy/%Dmean/Gy HI CI Dmean/Gy CIPTV1V60 Gy/%Dmean/Gy HI CIDmean/Gy CIPlanwith 96.29±2.67 72.27±0.45 1.08±0.02 0.71±0.12 66.21±1.96 0.07±0.04 98.99±1.06 68.90±1.66 1.19±0.03 0.43±0.09 60.79±1.30 0.77±0.02Planwithout 98.71±0.73 72.89±0.35 1.07±0.02 0.64±0.16 67.82±1.78 0.08±0.05 99.64±0.51 69.54±1.68 1.19±0.03 0.38±0.07 61.75±1.36 0.74±0.02Diff/%-2.56±2.26-0.86±0.39 0.31±0.47 10.52±10.22-2.45±1.05-32.52±53.48-0.66±0.72-0.93±0.33 0.18±0.36 9.97±6.8-1.59±0.34 3.03±1.58P值＜0.01 0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01Planwith 96.45±1.59 72.19±0.43 1.06±0.01 0.75±0.08 65.59±1.31 0.09±0.07 97.63±0.88 68.50±0.68 1.20±0.02 0.45±0.1 60.13±1.18 0.79±0.02Planwithout 98.56±0.67 72.88±0.38 1.05±0.01 0.68±0.15 66.90±1.37 0.09±0.06 98.50±1.85 69.24±0.66 1.20±0.02 0.42±0.09 60.91±1.42 0.76±0.02Diff/%-2.14±1.30-0.96±0.34-0.19±0.40 11.28±13.53-1.94±0.49-0.48±18.66-0.88±1.82-1.07±0.34 0.42±0.44 6.90±2.80-1.26±0.78 3.89±0.32 P值＜0.01＜0.01 0.17＜0.01＜0.01＜0.01 0.08 0.86 0.15＜0.01 0.02＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01

常規放療和三維放療時射野固定且射野數目少，可以通過人為調整射野入射方向，回避某些入射角度，或利用已測量的射線衰減因子，修正特定角度的射野機器跳數（Monitor Unit,MU），避免體位固定裝置對劑量的影響，但是射野的調整不可避免的導致靶區適形度變差，靶區外高劑量范圍增多。在精確放療時代，多野調強和VMAT，單個計劃內通常含有幾十個甚至上百個位置和形狀各異的子野，采用上述的方法不再適合。Pulliam等［17］在TPS中將治療床的不同部件勾畫并考慮進外輪廓，按原始計劃重新計算劑量，當治療床下方的支撐導軌移出時，對多野調強計劃，劑量衰減4.2%，相應的VMAT計劃劑量衰減3.2%，靶區覆蓋分別下降35%、18%，已經超出±3%的劑量誤差允許范圍［18］，此時計劃已經不適用于臨床治療。Connor等［19］回顧性分析發現由于腹壓板的存在，患者的皮膚劑量從原計劃的27 Gy增大到31～36 Gy，同時靶區的覆蓋由原計劃的95.8%降低到76.5%，此時的計劃同樣不能滿足臨床要求。因此，在計劃設計時需要將體位固定裝置勾畫進外輪廓。

表2 9例鼻咽癌患者兩種計劃間危及器官劑量學參數結果（±s）Tab.2 Dosimetric parameters of organs-at-risk in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

表2 9例鼻咽癌患者兩種計劃間危及器官劑量學參數結果（±s）Tab.2 Dosimetric parameters of organs-at-risk in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

Diff(%)=(Planwith-Planwithout)/Planwith*100

VMAT 9F-IMRT危及器官 參數腦干脊髓舌腮腺喉Dmean/Gy Dmax/Gy Dmean/Gy Dmax/Gy Dmean/Gy Dmean/Gy Dmean/Gy Planwith 31.42±3.27 57.26±4.85 35.16±1.14 41.69±1.31 42.87±5.99 38.85±2.58 47.33±2.08 Planwithout 31.41±3.37 57.59±4.97 35.61±1.23 42.31±1.39 43.53±5.96 39.05±2.50 47.99±2.03 Diff/%0.05±0.94-0.58±1.25-1.27±0.62-1.50±1.38-1.60±0.57-0.52±0.71-1.40±1.15 P值＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01 Planwith 32.32±3.53 56.41±3.96 33.62±1.36 41.31±1.21 40.42±4.84 46.95±3.38 37.71±1.74 Planwithout 32.28±3.56 56.56±3.98 33.93±1.37 41.67±1.19 41.11±4.93 47.36±3.53 37.96±1.75 Diff/%0.13±0.83-0.25±1.15-0.90±0.44-0.86±0.87-1.69±0.49-0.84±0.83-0.64±0.48 P值0.68 0.50＜0.01 0.01＜0.01 0.01 0.01

圖4 1例典型患者頭頸固定設備對VMAT（a、b、c）和IMRT（d、e、f）計劃劑量影響示意圖Fig.4 Effects of head and neck immobilization device on the dose distribution of VMAT(a,b,c)and 9F IMRT(d,e,f)in a typical case

本文通過在患者CT圖像上完整的勾畫出體位固定設備，并將其考慮進患者的外輪廓內，采用計劃重新計算的方法，計算結果表明頭頸固定裝置會明顯影響鼻咽癌調強計劃劑量分布，勾畫固定裝置輪廓TPS計算劑量相比不考慮固定裝置計劃計算得到的靶區覆蓋和Dmean均有所減小（VMAT 4個靶區的處方劑量覆蓋降低了0.86%～22.42%，Dmean降低了0.86%～2.45%；IMRT 4個靶區的處方劑量覆蓋降低了0.88%～10.34%，Dmean降低了0.96%～1.94%），對PTVnd劑量覆蓋影響較大，主要是因為PTVnd空間上與體位固定裝置相對更接近，且距離體表較近。表1的計算結果顯示，VMAT和IMRT的Planwith計劃的PTVnd處方劑量覆蓋率僅為83.50%和88.16%（均小于95%），可見，此時的計劃已經滿足不了臨床計劃的目標需求。由于頭頸固定設備對射線的衰減作用，除腦干外各OAR的Dmean均有所減小（最大偏差1.69%），且差異具有統計學意義，圖2、3也顯示類似的結果，OAR的曲線都有一定程度的分離且均向左移動。

圖4的結果顯示，在患者的頸部與底板托架之間，由于有低密度的發泡膠存在，造成了射線的散射和建成效應變化，使得后頸的皮膚劑量顯著增加了6～15 Gy。同時應該引起注意的是，如果采用增加MU來修正特定射野的體位固定裝置的衰減效應時，可能會更進一步增加皮膚的照射劑量。Archambeau等［20］的研究發現，在常規分割（2 Gy每次）放療中，皮膚的受照劑量超過25 Gy時可能會產生臨床反應，超過45Gy時會引起皮膚干燥脫皮等反應。Hoppe等［21］報道了在早期非小細胞肺癌的SBRT放療中，由于忽視了治療床等附件的存在增加了患者的皮膚劑量，38%的患者出現了急性皮膚放射毒性。因此建議在設計鼻咽癌計劃時將頭頸固定裝置勾畫在人體輪廓內，充分考慮體位固定裝置引起的皮膚劑量增加，使得TPS計劃劑量計算與實際相符。

綜上所述，頭頸固定裝置的存在，使得鼻咽癌調強計劃的靶區劑量和正常器官的Dmean均有降低，后頸部的皮膚劑量增高。在計劃設計時，需要將體位固定裝置勾畫進外輪廓內，以保證TPS劑量計算的準確性。