基于正交雙層光柵的調強放射治療臨床應用

中國人民解放軍總醫院第一醫學中心 放射治療科，北京 100853

引言

射束適形在提高放射治療的準確性、效率和質量方面起著核心作用。多葉準直器（Multi-leaf Collimator，MLC）在放射治療已有三十多年的應用，是實現調強放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）的重要設備。IMRT是目前放射治療的主流技術手段，主要應用方式之一為動態調強，其主要特征是葉片運動過程中，射線一直處于出束狀態，通過葉片的連續運動實現射野內的劑量調制[1]，動態調強多采用滑窗技術，推動了動態調強在臨床上的應用[2-4]。

對于IMRT技術，傳遞給腫瘤靶區的劑量對于MLC葉片位置的精確性和穿透性非常敏感。設計良好的MLC應具備特點是：葉片透射低，凹凸槽效應小，半影小，葉片定位準確，速度更快[5-8]。因此，MLC的設計與控制在不斷地改進，其葉片運動速度越來越快，葉片越來越薄，近年來還出現了多層的MLC設計，其目的均在于進一步提高放射治療的效率與精度。例如瓦里安公司于2017年發布了HalcyonTM系統配置了平行雙層多葉光柵，這種設計能提供快速的光束調制，并可大幅減少MLC葉片之間的漏射[9]。

VenusX加速器作為一款國產多模態智能醫用直線加速器，不同于傳統加速器的機械結構，其嚴格的安裝與調試過程能夠保證各項參數指標達到驗收標準。最終驗收結果表明其設備安全性、精確性和有效性均符合國家相關標準并滿足臨床要求。該加速器采用了獨特的正交雙層光柵設計，由正交安裝的上下兩層光柵組成，可在互相垂直的兩個方向運動，這種設計方式可以顯著提升放射治療的效率，并且可能會帶來潛在的劑量學的優勢。同時擁有MV級EPID系統及kV級CBCT系統，能夠利用圖像引導，為放療的精確實施提供了基本保障。本研究以9個不同病種的臨床病例為基礎，探討正交雙層光柵在動態調強計劃設計中的應用，分析其在劑量學方面的優勢，為正交雙層光柵在國產加速器上的進一步推廣和應用進行初步探索和研究。

1 材料與方法

1.1 正交雙層光柵系統

正交雙層光柵是LinaTech首次提出并研發設計，每一層的葉片運動方向為沿垂直于射線方向，且兩層葉片運動方向為正交，兩個方向均能夠達到小于1 mm的走位精度；上層光柵具有6 mm等中心厚度，共51對準直器，下層光柵有4 mm等中心厚度，共51對準直器；與傳統加速器相比，最大的不同在于其較高劑量率、較小等中心葉片厚度[10]，此外正交雙層的自身結構特點有望提高靶區CI及更為快速地走位。

1.2 病例資料

選取2018年12月至2019年10月期間在解放軍總醫院第一醫學中心放射治療科接受治療的42例病例，病例類型、病例數及處方劑量和分次信息、危及器官，見表1。

表1 病例類型、病例數、處方劑量及分次

1.3 計劃設計

將所有病例的CT影像及相關結構勾畫經由DICOM傳輸到TiGRT計劃系（LinaTech公司，中國蘇州），由同一物理師進行計劃設計[11]。在計劃設計時，參照原臨床計劃，僅更換光柵配置，即將原來的Elekta SynergyTM40對單層光柵更換為VenusX正交雙層光柵，其他計劃設計方案和優化條件不變，42例病例計劃均采用動態調強計劃設計。

1.4 計劃比較與評估

1.4.1 靶區劑量學參數

靶區劑量學參數包括D95、適形度指數（Conformal Index，CI）、均勻性指數（Homogeneity Index，HI）。其中CI定義如公式(1)，CI越接近1，適形度就越好[12]。

HI定義如公式(2)，D2表示為最大劑量，D98表示最小劑量，D50為平均劑量，HI值越大，靶區內劑量分布均勻性越差。

1.4.2 危及器官劑量學參數

參照表1中各病種危及器官對兩種計劃進行比較分析，最大劑量評估包括腦干、脊髓、晶體等，平均劑量及劑量百分體積的評估包括腮腺、肺、心臟、肝臟、膀胱、直腸等。

1.5 統計分析

由于各病例的處方不同，且不同病例危及器官種類也不一樣，在數據處理時將不同數據歸一化后再進行統計學分析。例如，對于D95的處理，是將原單層光柵計劃和雙層光柵計劃的D95都歸一到靶區處方劑量，得到相對于各靶區處方劑量的相對值；對于危及器官的處理，是將各病種危及器官按照臨床要求包括最大劑量、平均劑量、劑量體積的限值都歸一到原計劃，即單層光柵計劃的危及器官的值都為1，再計算基于正交雙層光柵計劃的OAR的限值相比于原計劃OAR限值的比值。通過這樣的處理以便進行數據分析。用SPSS 20.0分析軟件對兩種光柵設計的計劃各項參數作Independent Sample t檢驗，以P＜0.05為差異具有顯著性統計學意義。

2 結果

2.1 劑量分布及DVH

2.1.1 常規病例

從肝癌、肺癌及食管癌等劑量曲線分布圖可以看出，基于雙層光柵設計的計劃的靶區包繞更好，且周圍低劑量線分布范圍更小，同時給出了肝癌、肺癌、食管癌病例對應的DVH劑量分布圖，從DVH可以看出，基于雙層光柵設計的計劃對危及器官的保護要優于基于單層光柵設計的計劃如圖1～3所示。

圖1 肝癌同步推量計劃等劑量曲線分布圖

圖2 肺癌同步推量計劃

圖3 食管癌同步推量計劃等劑量曲線分布圖

2.1.2 顱內多發腫瘤病例計劃

顱內多發腫瘤的計劃設計優先考慮可以照射到多個靶區的角度，從圖4的BEV圖中可以看出，正交雙層光柵在兩個腫瘤之間的區域交疊可以大大減少光柵的透射，從而降低正常腦組織的受量[13]；此外，正交雙層光柵計劃可以從兩個方向對靶區進行適形調強，優于單層光柵計劃只能從一個方向對靶區適形調強。

圖4 顱內多發腫瘤正交雙層光柵計劃BEV示意圖

2.1.3 鼻咽癌病例

圖5鼻咽癌計劃單層及雙層光柵的BEV示意圖；從圖中可見雙層光柵在x、y兩個方向對靶區進行適形，特別是對鼻咽癌中間凹形區域可以很好的遮擋；在射野范圍內，靶區外的部分由于正交雙層光柵的同時遮擋，降低了光柵的透漏射，有效地保護了正常組織；從等劑量曲線評估上也很好的驗證了這一點，即正交雙層光柵計劃的低劑量線比單層光柵計劃跌落地更為迅速；體現在計劃的正常組織上，表現為靶區外的鼻咽腔黏膜，口腔黏膜，以及后頸部區域的劑量更低，對這些正常組織起到了更好的保護作用[14]。

圖5 鼻咽癌兩種光柵計劃BEV示意圖

2.2 靶區劑量學比較及統計分析

42例計劃包括同步推量的靶區共68個靶區（n=68），其中D95是經歸一化處理后的結果[15]。對其進行SPSS統計學分析，結果見表2。兩種不同光柵設計的計劃都能達到處方要求，即95%的處方線包繞靶區，且兩者之間的差異不具有統計學意義；基于雙層光柵設計的計劃的靶區CI比原單層光柵計劃高3.28%，劑量均勻性優于單層光柵計劃8.41%；且統計學上有顯著性差異（P＜0.05）。

表2 靶區及危及器官的劑量分布的統計學分析

2.3 危及器官劑量學比較及統計分析

9個不同病種腫瘤的危及器官按照臨床劑量限值要求，包括最大劑量、平均劑量、劑量體積等要求，共有471個統計樣本（n=471），基于雙層光柵設計的計劃對危及器官的保護優于單層雙柵計劃12.2%，且差異具有統計學意義（P＜0.05），見表2。

3 討論

隨著計算機技術和影像醫學的飛速發展，現代放療進入了精確放療的新時代[16]。放射治療的目的是最大限度的殺滅腫瘤細胞，而周圍正常組織少受或者免受不必要的照射[17]。隨著放射治療設備和技術的發展，國產醫用加速器在技術質量以及產品的一致性和穩定性方面都得到了不同程度的提升，但大多數國產設備與進口設備相比還存在一定差距。

本研究所涉及的正交雙層光柵由正交安裝的上下兩層光柵組成，可在互相垂直的兩個方向運動，這種不再單一的葉片運動方式可以顯著提升放射治療的效率[18]。正交雙層光柵包含兩層相互垂直的MLC。相比單層光柵，它具備以下幾點優勢：① 可以在靶區邊緣位置由上下兩層對應的葉片互相配合來實現MLC形狀與靶區邊界的一致性，提高射野與靶區的適形性；② 兩層葉片在走位時可以互相遮擋，減少射線的漏射量[19]；③ 增加了射線穿過葉片的厚度，減少了透射量，同時有效地減小了半影區；④ 具備相互垂直的運動方向，為葉片動態分割問題提供了更多自由度，可有效減少葉片運動距離，縮短走位時間，提升治療效率；⑤ 能夠有效地支持運動靶區的二維動態跟蹤。

盡管正交雙層光柵具備上述優勢，但一直未能在臨床上得到廣泛應用，原因之一是缺少一種有效的動態調強實現算法。不同于單層光柵的Sliding Window技術，正交雙層光柵在分割強度矩陣時遇到了“耦合”問題，即強度矩陣中的每一點的強度受上下左右四個葉片影響，而葉片又是在不斷運動的，如果為了調整某一點的強度，而改變對應葉片的速度，那么受限于葉片的物理條件（葉片速度、加速度限制），此葉片后續時刻位置也要改變，從而影響強度矩陣中其他點的強度值，最終導致強度矩陣中各個點受到所有葉片的制約。以51對光柵為例，雙層光柵動態調強問題的優化維數約102倍于單層光柵，大大增加了求解難度。因此，LinaTech提出了一種RotateSweep動態分割方法。該方法采用分象限的方法，將四組葉片分配到不同的象限中，每個象限包含一組水平和一組垂直的葉片，其中一組為主動葉片，一組為從動葉片，主動葉片向射野中心運動，從動葉片向射野邊緣運動。四個象限的葉片同步運動，互不干擾。同時將強度矩陣分配到四個象限中，此時原強度分割問題由“四組葉片動態分割強度圖”轉化成四個子問題“一組水平和一組垂直葉片動態分割強度圖”。進一步地，使用優化方法求得每個象限中的葉片運動軌跡，使得分割得到的強度矩陣盡可能接近理想強度矩陣，這樣就完成了正交雙層光柵的動態分割。

基于正交雙層光柵的設計，為了留下更多的治療空間，該型加速器取消了鎢門和光野燈；機頭的正交雙層光柵為我們臨床設計提供了更強的調制能力；但與此同時，光柵的質控更為重要，上下層光柵需要分開質控，由于沒有光野燈，其質控只能通過EPID來進行。通過集成軟件設計實現了每次光柵質控，都能夠量化分析，且有詳盡的數據可以保存，便于我們后期對光柵的狀態做一個長期的分析、預測，當然對于其在下一步臨床應用中日常質控工作也提出了更高的要求。

正交雙層光柵的結構比常規單層光柵更為復雜，對其運動控制精度和兩層MLC葉片序列優化算法提出了更高的要求[20]。目前VenusX加速器臨床試驗正在開展過程中，前期我們已對正交雙層光柵的各項性能，如走位精度、半影及透射率等進行了詳細測試，結果均符合標準。但雙層光柵在實際臨床應用中的表現及優勢仍需進一步研究與驗證。本研究在基于9個不同病種腫瘤的回顧性研究結果表明，在同樣都能滿足臨床要求的情況下，基于正交雙層光柵的動態調強計劃在靶區適形度、均一性及對危及器官的保護都優于單層光柵，在臨床上的應用具有積極意義。當然，其在臨床上的實際獲益需要進一步的臨床應用及后期大量的病例來進一步證實。

致謝

感謝雷泰醫療關睿雪等工程技術人員提供的技術支持。