混合能量的調強放射治療計劃對上段食管癌的劑量探討

沈麗娟 王佳浩?

混合能量的調強放射治療計劃對上段食管癌的劑量探討

沈麗娟 王佳浩?

目的比較食管癌患者單一X線能量與混合能量的調強放射治療計劃間靶區與危及器官劑量差異。方法選取10例典型上段食管癌患者CT圖像，在Pinnacle治療計劃系統上進行腫瘤靶區、危及器官的勾畫。每位患者分別制定6MV、10MV與混合6MV與10MV能量的三種放射治療計劃，用相同的物理參數和優化條件進行優化與計算，比較三種計劃的劑量學差異。結果混合能量計劃在靶區的均勻度上較6MV計劃與10MV計劃好，差異有統計學意義（F=-8.7，P=0.003）；在靶區的適形度上，較兩種計劃好，差異有統計學意義（F=10.8，P=0.015）。混合能量計劃在對危及器官的保護上（脊髓的最大劑量、肺容積劑量、心臟的容積劑量）較其它兩種計劃更具優勢。結論混合能量的調強計劃對于上段食道癌病例可以改善放射治療計劃的靶區劑量均勻度與適形度，以及可以減少危及器官的受照劑量，具有一定的臨床應用價值。

混合能量 食管癌 劑量體積比較

放射治療是食管癌的重要治療手段，特別對于中晚期不能手術的患者，放射治療具有重要意義，隨著調強放射治療技術的開展，更多患者可以從中受益［1］。食管上段腫瘤所在位置解剖結構的特殊性決定了在調強放射治療中不同能量射線對腫瘤劑量貢獻的穿透深度不同。本文對混合能量調強放射治療對食管上段癌靶區和危及器官的劑量進行探討。

1 臨床資料

1.1 一般資料 2015年8月至2016年1月本院收治的上段食管癌患者10例，年齡45～72歲，中位年齡58歲。每位患者分別使用6MV、10MV、混合6MV和10MV的三種方案進行計劃設計及優化計算。

1.2 CT掃描與器官勾畫 選取的10例食管癌患者均取仰臥位，在呼吸平穩的情況下進行體模固定并進行計算機斷層掃描，CT圖像層厚為5mm，要求將整個食管與肺部掃全。

1.3 計劃的設定 在Pinnacle治療計劃系統上進行調強放射治療計劃的制定，所有計劃用卷積算法進行劑量計算，并且使用直接機器參數優化進行劑量優化。布野采用5野，上三下二，子野個數采用優化參數后的40個子野［2］，機架角度在210°、305°、0°、55°和150°。混合能量的調強計劃中，10MV光子束是應用在225°和135°這兩個機架角度，因是兩個瘤皮距最長的射線束穿透角度，6MV光子束則應用在其他三個角度上，見圖1。另外兩個計劃中，在這5個角度上均使用單一6MV或10MV能量的光子束。在優化結束后，經過計算多葉準直器（MLC）葉片的順序和監測單元（MU）得到患者的整體劑量通量圖。逆向優化函數設置如下：計劃靶區（PTV）的處方劑量為60Gy/30f，至少應保證95%的處方劑量覆蓋＞95% PTV體積，而＞108%的PTV體積所覆蓋的處方劑量應為0。肺的體積劑量限制為V5＜50%、V20＜30%、V30＜20%、Dmean＜13Gy，心臟的V25＜15%、Dmean＜12Gy，脊髓的Dmax＜45Gy。

圖1 混合能量射野圖

1.4 劑量學參數計算分析 對每一個患者的三種放療計劃均使用劑量體積直方圖（DVH）進行分析，在D VH上主要計算PTV、肺的體積劑量、心臟的體積劑量以及脊髓的最大劑量，其中PTV，三種計劃分別計算其均勻度（HI）與適形度（CI），均勻度的計算方法為：HI=（D2%-D98%）/D處方，適形度的計算方法為：即參考等劑量線覆蓋的靶體積的平方/靶區體積*等劑量線包繞體積，本設計選用96%的等劑量線。

1.5 統計學方法 采用SPSS 19.0統計軟件。計量資料以（x±s）表示，6MV、10MV及混合能量的三個計劃間進行單因素方差分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 三種計劃的劑量體積對比結果見表1。

表1 混合能量、6MV、10MV劑量體積對照表（x±s）

2.2 靶區的適形性 三種計劃的靶區適形度 見圖2。

圖2 靶區的適形性

2.3 監測單元 從表1中可看出，對于平均的加速器跳數（MU），6MV的計劃比混合能量和10MV的計劃高，但差異無統計學意義。

3 討論

本組10例食管癌患者，其原發腫瘤生長的部位在頸段或上胸段，手術治療的難度大，并發癥發生率高［3］，而放射治療的損傷較小，因此研究上段食管癌的放療計劃具有一定的臨床意義。放射治療技術對于食管癌患者的治療在國內外均已較為普遍，對于照射的方式、總劑量、脊髓的耐受量、肺的保護價值等也均有較多的文獻報道［4-8］。

光子能量的選擇在調強放療中有重要的影響，較低能量的光子束（≤6MV）由于其在組織內的百分深度劑量分布，常被用來治療頭頸部腫瘤或者淺表腫瘤；較高能量的光子束（＞6MV）在組織內的穿透能力較強，較多的被用于治療深部的腫瘤。然而高能量的光子束卻有其消極的一面，比如在加速器機頭MLC上的漏射投射線較多、產生過多的次級電子（光子和物質發生光電效應、康普頓效應和電子對效應而產生［9］）和次級中子（光子與加速器機頭發生光核反應［10］）等，這些會增加實際射線束的邊界范圍，無形中增加靶區的投影截面，增加患者不必要的輻射。而低能X線的調強計劃在腫瘤靶區的外圍，離皮膚表面較近的正常組織上卻沉積了較高的劑量［11］，若使腫瘤靶區得到臨床處方劑量，就必然要求制定一個包含更多照射野、更多機器跳數的復雜計劃，同時會增加治療的時間、危及器官與正常組織的受照劑量［12］等。用低能X線治療較深部的腫瘤時，皮膚的不良反應應予考慮。

本資料顯示，低能光子束由于其劑量擾動效應比高能光子束小［13］，因此在靶區周圍可以形成適形度高、更均勻的劑量分布，6MV的調強計劃在PTV的均勻度與適形度上優于10MV計劃。從胸腔的解剖結構分析，肺部位于食管兩側，脊髓位于食道的后方，若使用單一6MV能量的調強計劃，由于低能光子束穿透能力的限制，則對于離皮膚表面較近的肺部組織會沉積較大的劑量，且在優化過程中為得到靶區的目標劑量，必然會增加機器監測單元的跳數（MU），這可以解釋6MV調強計劃的平均機器跳數比混合X線能量高10.9%，比10MV高11.7%；若使用單一10MV的調強計劃，由于高能光子束上述消極的一面，會增加產生次級電子和次級中子的概率，且從蒙特卡洛劑量計算的方法中［14-15］，光子與物質的反應是一個隨機性過程，也就是一個概率問題，入射越多的高能光子束產生的次級電子與次級中子的概率也越高，因此在食管癌患者的放射治療計劃制定時，使用的混合能量的調強計劃，選擇在210°和150°這兩個穿透深度較長且離脊髓較近的角度上使用10MV的能量，旨在得到較好的靶區均勻度與適形度，同時避免兩肺、脊髓等沉積過高的劑量。

本資料顯示，混合能量的調強計劃在脊髓的最大耐受量為最優，Dmax比6MV減少0.3%，比10MV減少1%，雖然其它2個計劃脊髓的最大劑量也在臨床所接受的范圍內。在肺的保護方面，混合能量計劃無論在平均劑量，抑或覆蓋的百分體積，也優于其它2個計劃。從數據的分析結果可以觀察到混合能量的調強計劃既保留低能光子束劑量擾動效應小、靶區均勻度和適形度較好以及高能光子束穿透能力強、淺表組織劑量沉積小的優點，同時減少了高能光子束在治療計劃系統中優化與計算的誤差及在加速器MLC上的漏射透射線和產生次級電子與次級中子的概率，同理在心臟的保護上，混合能量計劃也是最優的。總之，混合能量是一個包含射野數較少、射線跳數較小、靶區均勻度與適形度較好、危及器官與正常組織劑量沉積較低的比較理想的放射治療計劃。

綜上所述，在Pinnacle治療計劃系統中的混合能量調強放療計劃確實能夠帶來低能與高能光子束的共同優勢，同時也克服了優化與計算時低能與高能光子束各自的弊病，因此混合能量的調強計劃對于較深部的上段食管腫瘤可以改善調強放射治療計劃的質量，具有一定的臨床應用價值。

［1］田小剛,王小虎.食管癌放療的研究進展.甘肅醫藥,2012, 31(11)：850-851.

［2］徐莉霞,李夏東,王佳浩,等.優化參數對肺癌調強放療計劃設計的影響.實用腫瘤雜志,2015,30(1)：72-75.

［3］孫詮,陳曉冬,曹森,等.食管癌術后肺部嚴重并發癥的治療體會.臨床醫學實踐,2011,20(1)：11-12.

［4］果惠,董士麗.頸段胸上段食管癌精確放療的臨床療效分析.中華全科醫學,2011,9(1)：21-23.

［5］陳強,梁寧震,晏黨.三維適形放療同步化療治療食管癌療效觀察.中國誤診學雜志,2011,11(3)：584.

［6］惠蓓娜,綜述,張曉智,等.頸段、胸上段食管癌放射治療現狀.陜西醫學雜志,2011,40(2)：217-219.

［7］Woudatra E, Heijimen BJ. storchipr. Automated selection of beam orientations and segmented intensity modulated radiotherapy (IMRT) for treatment esophagus tumors Radiother Oncol, 2005, 77(3), 254-261.

［8］葛琴,蔡晶,謝國棟,等.3D-CRT中采用二程計劃對局部晚期食管癌患者V20及放射性肺炎的影響.實用腫瘤雜志,2013, 28(6)：642-646.

［9］李先明,胡逸民,哈思衡.氣腔對高能X射線劑量分布的影響.中華放射腫瘤學雜志,1992,1(3)：195-199.

［10］胡逸鳴. 腫瘤放射物理學.北京：原子能出版社,2006.

［11］Laughlin JS, Mohan R, Kutcher GJ. Choice of optimum megavoltage for accelerators for photon beam treatment. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 1986, 12(9)：1551-57.

［12］Subramanian TS. Linear accelerators used for IMRT should be designed as small field, high intensity, intermediate energy units. Med Phys,2002,29(11)：2526-2528.

［13］李乾坤,小射野條件下高能和低能X射線在非均勻介質中的劑量特性的比較研究.四川大學學報(自然科學版), 2007,44(2)：375-379.

［14］戴相昆,王運來,徐壽平, 等. Monte Carlo方法及其在放療中的應用.醫療衛生裝備,2010,31(4)：88-89.

［15］張俊廣,張春光,梁少華,等.基于蒙特卡羅的IMRT模擬研究.中國醫療裝備,2008,5(1)：01-03.

ObjectiveThe difference between single X-ray energy and mixed X-ray energy in intensity-modulated radiation treatment（IMRT）plans were compared for esophageal cancer cases.The mixed X-ray energy IMRT plans on the distribution of dose were then investigated.MethodsThe CT images about 10 typical cases of esophageal cancer are selected and the target areas，OARs，and the normal tissue were contoured in the Pinnacle treatment planning system. Each patient developed three kinds of radiation treatment plans of 6 MV，10 MV and mixed X-ray energy，which were optimized and calculated，the data of dose-volume histogram used SPSS software to analysis and three plans matching t test.ResultsThe plans of mixed X-ray energy showed more superior in target dose homogeneity than plans of 6MV and 10MV plans（F=-8.7，P=0.003）. The plans of mixed X-ray energy showed better target dose conformity than the other plans（F=10.8，P=0.015）. Comparing with the three plans in max does of spinal cord，the DVH of lung and heart，the plans of mixed X-ray energy showed the best and had statistical difference.ConclusionMixed X-ray energy in IMRT plan can ameliorate the overall plan quality and actually has certain clinical signifi cance for cases of esophageal cancer.

Mixed X-ray energy Esophageal cancer Dose-volumetric comparison

310000 杭州市腫瘤醫院放射物理室

*通信作者