螺旋斷層放療系統自適應軟件在評價腮腺劑量變化中的初步應用

任剛，徐壽平，杜鐳，謝傳濱，馬林解放軍總醫院放療科，北京，100853

螺旋斷層放療系統自適應軟件在評價腮腺劑量變化中的初步應用

【作者】任剛，徐壽平，杜鐳，謝傳濱，馬林解放軍總醫院放療科，北京，100853

【摘要】介紹了研究螺旋斷層放療（Helical tomotherapy，HT）系統自適應軟件系統在評價頭頸部癌腮腺劑量學變化中的應用價值。該自適應軟件以HT系統為平臺，通過MVCT掃描得到的影像，計算感興趣區域實際體積及照射劑量，并以此為基礎決定是否進行重新改野以及改野的時機，為實現自適應放療提供幫助。本研究以一例鼻咽癌為樣本，評價雙側腮腺在整個放療過程中的體積及劑量學變化。在每周及最后一次行MVCT掃描，共8次圖像系列。隨著治療療程的進行，腮腺體積逐漸縮小，接受劑量逐漸增加，腮腺體積變化和V1與D50呈負性相關（p均＜0.05）。

【關鍵詞】螺旋斷層放療；腮腺；頭頸部腫瘤；自適應放療

螺旋斷層放療機（Helical Tomotherapy，HT）是一種直線加速器與螺旋斷層掃描CT的完美結合[1]的特殊調強放療系統。因其擁有從360o投照的上萬個子野的特點，具有陡直的劑量曲線，在保證腫瘤靶區高劑量的同時保護了周圍正常組織，因而在解剖結構復雜的頭頸部腫瘤的放療方面更顯其優勢。但在放療過程中，由于腫瘤及其周圍器官形狀改變、患者體重下降以及擺位誤差等因素影響，腫瘤位置及其周圍解剖結構在不斷變化之中，若按照已定治療計劃繼續治療，不但可能加重正常組織的損傷，而且可能造成腫瘤靶區劑量不足影響療效。利用HT系統自帶的自適應計劃軟件系統（planned adaptive version 3.X），根據兆伏級CT（megavoltage computed tomography, MVCT）掃描圖像，監測感興趣區域（regional of interest，ROI）解剖結構及劑量學變化，為實現劑量引導下的自適應放療（Dose Guided Adaptive Radiation Therapy，DGART）提供了可能性。本文以1例鼻咽癌計劃為例，在放療全過程中對雙側腮腺進行劑量學研究，以確定HT自適應軟件在評價頭頸部腫瘤腮腺體積及劑量學變化中的應用價值。

1　材料及方法

選取一例31歲局部晚期鼻咽癌男性患者，經病理確診為鼻咽低分化鱗癌，2008分期為T2N1bM0，II期。CT掃描時，先自頭頂向下按層厚3 mm普通掃描至氣管隆突；然后保持體位不變，按照原設定的參數重復進行增強掃描；最后將兩次掃描圖像傳輸至Pinnacle3 8.0計劃系統，由筆者勾畫腫瘤靶區及正常器官。靶區勾畫參照ICRU 50號及62號報告的標準，鼻咽部腫瘤及頸部轉移性淋巴結給予70 Gy/33F，高危淋巴引流區60 Gy/33F，低危淋巴引流區56 Gy/33F。每周及最后一次放療前行MVCT掃描，范圍包含腮腺及多高危淋巴引流區。根據掃描圖像在設定腫瘤靶區處方劑量及正常器官限制劑量后，經網絡將圖像傳輸至Hi Art TomoTherapy 工作站。患者接受同步放化療，化療采用多西他賽（60mg/m2，d1）加順鉑（60 mg/m2，d1）3周重復方案。

在自適應軟件應用中，首先調取治療時的MVCT掃描圖像，共計8張MVCT圖像。為了進行非均勻組織密度校正的劑量計算，需要通過掃描埋入不同電子密度材料的模體，把定位KVCT和MVCT圖像的CT值轉換為電子密度值。以CT模擬機和HT系統掃描模體，每種材料的平均CT值對應為已知的電子密度值，形成的對應關系曲線結合到自適應軟件中用于劑量計算。

圖1　在MVCT圖像上電子密度和Hu值的對應關系Fig.1 Mappings of Hounsfield values to electron density in megavoltage computed tomography (MVCT) images.

如圖1所示，MVCT值與電子密度的對應關系曲線與定位千伏級CT（KVCT）相似，可精確地用于劑量的計算[2]。調取的MVCT圖像按照治療時技師記錄的擺位誤差與KVCT圖像進行匹配，形成融合圖像(merged image)，由筆者對照KVCT圖像（圖2）在MVCT上連續勾畫出16個腮腺輪廓，然后提交給系統進行計算。采用SPSS 13.0軟件包進行統計分析，所有數據均以p值＜0.05為有統計學意義。

圖2　KVCT圖像及原計劃雙側腮腺勾畫區域Fig.2 Kilovoltage computed tomography (KVCT) image and original contour of parotids volume

2　結果

表1　腮腺體積變化及實際受照劑量Tab.1 Volume and actual dose of parotids

采用自適應計劃軟件系統計算雙側腮腺體積及實際劑量，列出雙側腮腺原計劃所受照射劑量和實際所接受劑量的劑量－體積直方圖（dose-volume histogram, DVH）。表1為腮腺每周體積變化及當次實際所受劑量。

圖3　第16次治療前MVCT圖像及雙側腮腺輪廓Fig.3　Megavoltage computed tomography (MVCT) images and news contour of parotids volume

圖4　16次治療時左右腮腺實際劑量與計劃劑量DVH對比Fig.4 Comparison between the 16th actual parotids dose and plan parotids dose in the DVH

圖3為第16次治療時MVCT圖像及雙側腮腺輪廓，圖4為患者在第16次治療時實際所受劑量及原計劃劑量DVH對比圖，實線為原計劃劑量，虛線為實際劑量。第一次治療時，左、右側腮腺的體積分別為17.53 cm3和22.15 cm3。

最后一次治療時，左、右側腮腺的體積分別縮小至5.92 cm3和11.51 cm3，分別縮小了66.2%和48.0%，圖5顯示兩側腮腺體積的相對值在治療過程中的變化。與第一次治療時相比，最后一次治療時左、右側腮腺接收1Gy劑量的相對體積（V1）分別增加了21.5%和15.6%（圖6），左、右側腮腺50%體積受照劑量（中值劑量，D50）分別升高了36.0%和17.1%（圖7）。雙側腮腺體積平均下降率為0.67cm3/次治療/天，V1平均增加率為0.28%/次治療/天，中值劑量平均增加率為1.64cGy/次治療/天。腮腺體積與V1（r=-0.8，P＝0.017）和D50（r=-0.839，P＝0.009）呈明顯的負相關關系。

圖5　兩側腮腺體積的相對值在治療過程中的變化Fig.5 Relative parotid gland volume variation during treatment course

圖6　兩側腮腺V1的相對值在治療過程中的變化Fig.6 Relative V1 of parotids variation during treatment course

3　討論

HT使用MVCT于治療前行掃描，實現圖像配準及患者的重新擺位，消除了擺位引起的誤差[3]。但僅消除擺位誤差是不夠的，其局限性在于調節位置變化的前提是假設患者身體為剛性結構，但就頭頸部腫瘤而言，隨著療程的進行患者體重減輕、頭面部逐漸消瘦，因而在每次放療之間靶區及周圍器官均會產生位移和形變，腫瘤靶區及體表標記的相對位置進行性改變，可能使得初始治療計劃設計時不在照射野的正常器官進入射野內。解剖結構變化越大，就越難以確保原始治療計劃的實施。HT系統利用基于直線加速器的MVCT掃描圖像以及自適應計劃軟件進行位置及劑量驗證，并與初始計劃對比，及時監測并評價腫瘤靶區及其周圍正常器官的位置和實際劑量，適時重新進行治療計劃的優化，最終使患者的實際劑量分布基本符合初始治療計劃的要求，從而可以盡量減少因解剖結構變化導致的生物劑量效應的改變。以上過程即為自適應放療（Adaptive RadiationTherapy，ART）。

圖7　病人腮腺相對劑量中值在治療過程中的變化Fig.7 Relative median parotid gland dose variation during treatment course

在頭頸部腫瘤自適應放療的研究中，最受關注的是腮腺解剖變化對放療預后的影響。實際上，在頭頸部腫瘤的放療過程中，除腮腺以外腫瘤靶區及其他危及器官的劑量學變化較小，因而有學者為了避免腮腺受到過高劑量的照射而改野，但相關的文獻報道并不多見[4]。Banson等[5]以10例頭頸部癌患者為研究對象，在第19次放療前后重新行螺旋CT掃描，然后勾畫腮腺，再把初始計劃復制到新的CT圖像上形成混合計劃，結果發現混合計劃中右側腮腺的Dmean、D50、V26均高于基于第二次CT定位圖像的改野計劃。Wang等[6]運用相似方法針對28例鼻咽癌，在第25次放療前重新行CT定位，發現混合計劃中左右側腮腺的Dmean均高于改野計劃，分別增加了4.23±10.03Gy（p=0.034）和11.47%±18.89%（p=0.003）。但是，單純重新CT定位制定改野計劃并未考慮到實際治療時的擺位誤差，因而也無法避免結果的偏倚。

隨著新型數學算法逐漸應用于醫學影像研究中，變形配準算法為自適應放療提供了一項有力的工具。利用變形配準算法可以準確模擬出實際的劑量分布，自動勾畫感興趣區域，迅速計算該區域接受到的劑量，因而顯著地減少了靶區及危及器官勾畫的時間，為實現在線自適應放療技術提供了便利[7]。由于可以準確得出每次放療器官的實際接受劑量，一些學者便使用變形配準算法分析腮腺體積及其劑量學變化的情況[8,9]。Lee等[8]利用MVCT掃描和變形配準算法分析10例頭頸部癌放療過程中腮腺實際受量情況，結果顯示30%患者腮腺平均單次Dmean超過初始計劃的33%，最高達95%。HT自適應軟件擁有變形配比算法的功能，因而可以準確計算腮腺接受到的實際劑量。Han等[9]對經螺旋斷層放療的5例鼻咽癌行回顧性研究，發現最后一次放療時腮腺的體積和劑量中值與第一次放療時相比均發生了明顯變化（pvolume＝0.001；pmediandose＝0.0005），腮腺平均體積下降率為0.21 cm3/分次/天，平均中值劑量增加率為1.7 cGy/分次/天。該結果與本文報告的結果一致。

4　結束語

綜上所述，螺旋斷層放療系統自帶的自適應軟件作為評價放療過程中危及器官劑量學變化的有力工具，可更好地配合精確放療技術。在頭頸部腫瘤放療過程中，對腮腺劑量變化較大的患者實施相應的自適應計劃優化，最終圓滿完成原定治療計劃的目標。當然，該款自適應計劃軟件中涉及的一些技術（如自動勾畫的準確度、變形算法在累計劑量中的應用，等）還需進一步研發，期盼新一代自適應軟件能提升這些方面的功能，為推動自適應放療技術的進步做出貢獻。

參考文獻

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國際醫療設備設計與技術展覽會MEDTEC China在滬舉行

由匯科傳訊集團和中國國際貿易促進委員會上海市分會聯合主辦的國際醫療設備設計與技術展覽會（MEDTEC China），于 2010年8月25日-26日在上海國際展覽中心順利舉行。有來自15個國家及地區，230多家原始設備制造商參加展出，推出了最新的上游產品和解決方案。主要包括塑膠加工技術、樹脂及原料、設計制造及軟件。為國內外醫療設備與器械制造與設計者提供了最新源頭產品。

展會期間，還舉辦二個論壇，即法規論壇和醫療技術創新論壇。

法規論壇有中外FDA代表官員及法律法規顧問闡釋的最新的FDA法規及國內醫療器械法規。其中有中國醫藥國際交流中心常永亨副主任、上海市藥品監督管理局岳偉處長、美國FDA中國部副主任MikeKravchuk等11位作了精彩報告。

醫療設備創新技術論壇有的四大主題是“電子醫療產品的設計與創新”、“醫療器械包裝設計與新技術”、“先進材料的選擇，應用及表面處理工藝”及“設計及優化的制造工藝技術”。有清華大學唐勁天教授、復旦大學宋志堅教授、德州儀器公司李文榮經理、微創醫療器械（上海）微創公司劉道志博士等24位作專題報告。 通過對具體案例的研究，使與會者從世界知名的行業專家學習到最新的創新技術和應用。

自2005 年來，每年一度的國際醫療設備設計與技術展覽會MEDTEC China，今年是第6次也是規模最大，參展商最多，參觀最為涌躍的一次盛會。 越來越受到國內外相關人士的歡迎。

第七屆MEDTEC China 將于2011年9月7-8日再次在上海國際展覽中心舉辦。

（本刊訊）

【中圖分類號】R454.1

【文獻標識碼】A

doi:10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.006

收稿日期：2010-04-06

作者簡介：任剛，E-mail: rgsn@163.com

通訊作者：馬林，E-mail: malinpharm@sohu.com

文章編號：1671-7104(2010)05-0335-04

Assessment of Parotid Gland Dose Variations by Helical Tomotherapy Adaptive System in Head and Neck Cancer

【Writers】Ren Gang, Xu Shouping, Du Lei, Xie Chuan-bin, Ma Lin
Department of Radiation Oncology, PLA General Hospital, Beijing, 100853

【Abstract】The paper introduces a helical tomotherapy (HT) adaptive system in assessment of parotid gland dose variation in head and neck cancer. The system, which helical therapy unit is equipped with, is based on megavoltage computed tomography (MVCT) images to calculate the actual volume and dose of region of interest (ROI). Whether to change plan is judged on the fact for the realization of adaptive radiotherapy. One case of nasopharyngeal carcinoma was as a sample to evaluate parotid gland dose variation during the treatment. On every week and last time, patient was scanned by MVCT before treatment, a total of eight MVCT images. As the treatment progressed, the parotid gland volume was shrinking and the dose was increasing. The parotids volume variation was negatively related with D50 and V1 (both P ＜0.05).

【Key words】Helical tomotherapy, parotid gland, head and neck cancer, adaptive radiotherapy