射波刀計劃系統兩種預設模型的選擇對腫瘤劑量分布的影響＊

顧 瑩，周 含，李 兵，景生華，朱錫旭

肺癌目前在全世界癌癥死因中占據第一位，而對于早期或局部晚期無法進行手術切除患者，放射治療成為了首選治療方案。傳統的放射治療，由于危及器官受量的限制，無法耐受較高的劑量，生物效應較低，而立體定向放射治療（stereotactic body radiotherapy，SBRT）已成為肺癌的主要治療方式。射波刀（Cyberknife）系統作為典型SBRT設備，成為了早期肺癌，局部晚期肺癌以及單發多發腦轉移患者主要的治療手段，具有很好的治療效果［1］。首先射波刀具有獨特的呼吸跟蹤技術，在患者正常呼吸過程中能夠精準跟蹤靶區的運動并持續修正，減少照射的偏差，提高照射的精準性；其次射波刀屬于低分割單次大劑量的照射方式，具有較高的生物學效應［2，3］。

CT電子密度模型的選擇直接關系到計劃設計的劑量學的準確性，正確使用電子密度模型可以減少劑量學差異［4］，徐慧軍等［5］分析了射波刀計劃系統算法的建立與評價方法，密度模型的建立是算法的重要步驟，認真評價是劑量計算準確性的關鍵步驟。Constantinous等［6］研究發現，使用錯誤的電子密度模型將會帶來高達20%的劑量學差異。高立權等［7］報道，掃描不同的電子密度，建立不同的電子密度曲線，計劃系統產生明顯的劑量學差異。因此電子密度模型的正確選擇，對于劑量計算的準確性至關重要。

Cyberknife MultiPlan2.4.1計劃系統提供了多個預先設置的密度標準用于建立相對電子密度模型，該文主要研究射波刀治療計劃系統提供的不可更改的兩種預設標準模型對于治療計劃的各個劑量參數以及危及器官受量的影響。

1 資料與方法

1.1 資料選取選取2018年5月—2019年2月在筆者所在醫院放療科行射波刀治療的頭部患者以及肺部患者分別10例，其中肺部患者：年齡46～79歲，肺轉移患者2例，原發肺腫瘤8例，腫瘤大小15 mm×17 mm～50 mm×60 mm，劑量 45～60Gy，治療次數 3～5 f；頭部患者：年齡 23～63 歲，腫瘤大小15 mm×15 mm～50 mm×41 mm，劑量 26～40 Gy，治療次數2～5 f。所有患者KPS評分＞80分，見表1。

1.2 設備與方法所有患者使用飛利浦公司Brilliance Big Bore大孔徑CT模擬機對患者行CT掃描，條件為：120 kV，250 mAs，頭部患者取仰臥位，小頭模固定，掃描范圍頭頂上5 mm至第一胸椎T1，層厚1 mm；肺部患者采用仰臥位真空墊的定位方式，掃描范圍靶區上下15 cm，層厚1 mm。由同一位醫師勾畫靶區，包括一般大體腫瘤區域（gross tumor volume，GTV） 與危及器官 （Organ at Risk，OAR），在GTV基礎上各個方向均勻外放3 mm形成計劃靶體積（planning target volume，PTV）。 所有患者采用射波刀立體定向放射治療系統G3（美國Accuray公司）進行放射治療，其中頭部患者采用顱骨跟蹤的方式，肺部患者采用同步呼吸跟蹤系統進行引導擺位治療。

表1 20例患者的一般資料

2 計劃設計

10例頭部患者采用顱骨跟蹤方式治療擺位，10例肺部患者都采用金標植入術及同步呼吸跟蹤方式的治療方式，同一患者所有患者靶區勾畫完成后，在G3射波刀治療計劃系統Multiplan2.4.1上進行治療計劃設計。計劃設計時，根據腫瘤大小選擇合適的限光筒，筒的大小根據腫瘤的長短徑選擇，一般選擇長短徑的70%左右［8］，每位患者選擇合適的處方等劑量線包繞腫瘤體積，設置劑量參數限值，所有計劃均遵從臨床計劃應用限值，由同一物理師設計，高年資物理師審核完成。

2.1 預設模型MultiPlan2.4.1計劃系統提供了3個預先設置的密度標準，分為水/空氣（Water/Air）、肺 部 標 準 （Lung standard） 和 體 部 標 準 （Body standard）模型。實際計劃設計時，主要使用肺部與體部標準，根據患者掃描的CT參數進行快速的電子密度模型的建立，密度模型對患者的劑量計算具有重要的影響。

水/空氣（Water/Air）：CT 值≥200 HU 的相對電子密度為1，≤199 HU的相對電子密度為0。

肺部標準模型：可以選擇CT值視為肺組織的區域建模。通常這些區域的密度介于空氣和水之間，默認范圍是200～800。由于肺部組織在射線作用時存在二次建成，電子失衡的影響，如軟組織與骨骼相鄰處的反向散射或側向散射等［9］。表2所示為筆者所在醫院射波刀中心計劃系統的肺部與體部標準值。

表2 兩種標準模型CT值對應各個模塊的電子密度值

體部標準模型：按照人體結構不同類型的物質對衰減進行建模，分為空氣、軟組織和骨骼3個線性分段。將CT值＜200 HU的體素視為空氣，即它們對射線沒有衰減。將CT值在200～1200 HU范圍內的體素進行建模，此時相對電子密度在從0.2～1.2的范圍內呈線性增長，代表各種密度的軟組織。CT值在1200～2500 HU范圍，體素相對電子密度在1.2～1.77的范圍內呈線性增長，代表骨骼。密度＞2500 HU 的體素則指定相對電子密度為 1.77［10，11］。

Multiplan 2.4.1計劃系統采用的是射線追蹤劑量算法，其中有效不均勻校正算法用于射線追蹤劑量算法，當應用組織密度校正算法時，計劃系統會提供一些選擇供計劃設計［10］。

2.2 計劃評估每個患者治療計劃粗算完成后，系統進入高精度評估階段，分別計算每位患者兩種標準模型的劑量分布，改變預設的標準模型，記錄改變之后的各個劑量學參數的變化情況，根據40組不同計劃分別分析密度模型的選擇對各參數的影響，研究密度模型選擇對劑量參數的影響［12］。計劃參數主要有適形度（Conformity index，CI，即處方等劑量線包繞的組織體積與處方等劑量曲線包繞的腫瘤體積之比）。新適形度nCI（new Conformity index，CI＊腫瘤體積/處方等劑量曲線包繞的腫瘤體積），靶區的包繞體積覆蓋率Coverage（超過處方劑量的靶體積占腫瘤體積百分比）；危及器官受量評估參數包括晶體，眼球，腦干，視覺通路，心臟，脊髓，雙肺。對于頭部與肺部組織行SBRT治療時，射波刀劑量跌落大，且所選擇的靶區均遠離危及器官區域，因此危及器官晶體，眼球，腦干，心臟，脊髓所受劑量較少，該文主要評估CI，nCI，HI（均勻性指數），Coverage，以及雙肺的受量。

2.3 統計方法應用Origin 8.0軟件對PTV參數等采用參數檢驗法行正態分布檢驗，正態分布行配對t檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

3 結果

3.1 治療計劃參數比較10例頭部患者的靶區的nCI，CI，HI，腫瘤包繞體積 Coverage，治療機器 MU統計值見表3。由表3可知，nCI肺部與體部兩種模型的劑量學參數并無統計學差異；而對于CI，Coverage，機器跳數 MU（P＜0.05）具有統計學差異，且使用body stardand模型MU平均高于lung stardand的模型。

10例周圍型肺癌靶區的nCI，CI，腫瘤包繞體積Coverage，治療機器MU見表5。由表5可知，CI，nCI，Coverage肺部與體部兩種模型的劑量學參數并無統計學差異；而對于機器跳數MU（P＜0.05）具有統計學差異，且使用body stardand模型MU平均高于lung stardand的模型。

3.2 危及器官的受量比較表6列舉了肺部患者全肺受量 V5，V10，V20，V30的統計值。 對于單次 2 Gy的劑量限制，按照Emami［13］危及器官的劑量限制，但對于大分割的劑量計算，危及器官的受量同樣可以參考Emami的劑量限制，通常主要觀察V5，V10，V20，V30的受量體積。Robert D.Timmerman文獻中也指出了大分割的劑量要求，主要考慮1000、1500ml體積的OAR，頭部患者所有靶區均遠離危及器官，所以危及器官的受量均很少。從表7可得，射波刀肺部病灶兩種密度標準模型在低劑量V5，V10具有統計學差異（P=0.023，P=0.01），而 V20，V30無統計學差異（P=0.052，P=0.15）。

圖1 射波刀治療計劃系統的三種密度模型

表3 10例頭部患者的兩種預設標準模型的劑量學分布統計值

表4 頭部腫瘤的兩種密度模型的劑量學參數差異比較（n=10，x±s）

圖2 10例頭部患者的包繞體積與機器跳數的統計圖

表5 肺部腫瘤的兩種密度模型的劑量學參數差異比較（n=10，x±s）

4 討論

射波刀是新型全身立體定向放射外科治療設備，將直線加速器，計算機技術和實時跟蹤技術完美結合在一起，主要采用低分割大劑量的高能X射線精準照射靶區，產生較高的生物學效應，達到消融腫瘤或病灶的目的，目前對于早期非小細胞肺癌的SBRT治療效果不亞于手術切除。提高計劃質量，減輕患者治療過程中的不良反應是臨床醫師與物理師關注的問題。2014年筆者單位統計射波刀立體定向放射外科治療1期周圍型非小細胞肺癌的療效，中位隨訪25個月，2年疾病控制率為96%，2年總生存率為74%，所有患者表現良好，最主要的不良反應為乏力，無嚴重的不良反應發生［1］。射波刀計劃設計中，對全身性腫瘤，主要使用預設的body stardand建立密度模型進行計劃設計，而對于肺部的患者，MultiPlan計劃系統具有專門的lung stardand模型，根據測量得到的CT值和已知物質的相對電子密度值，快速建立CT值-相對電子密度模型進行計劃設計［14］。body stardand 與 lung stardand 模型不能更改，主要功能是在計劃設計時，選擇合適的密度標準模型。肺組織屬于低密度物質，CT值介于800～1200，由表2的兩種密度標準，可以看出在低密度區域建立的相對電子密度模型具有較大的差異，對于lung stardand，模型趨于固定值，而對于body stardand模型相對電子密度模型的建立呈線性遞增。因此標準模型的選擇對靶區劑量分布，CI，nCI，Coverage等劑量參數的影響具有重要的意義。

表6 兩種標準模型的危及器官的數值統計

表7 兩種模型的危及器官劑量學差異（n=10，x±s）

該課題主要對頭部與肺部20例患者分別進行了研究。由表4可知，對于頭部病灶患者，靶區的劑量學參數兩種標準模型存在統計學差異，CI（P=0.01）具有顯著的統計學差異，最大差異高達4.6%，而nCI無統計學差異；但對于肺部患者，CI，nCI無統計學差異。同時由表3、表4可以得出，使用兩種預設的標準模型，對于頭部病灶的射波刀治療，腫瘤靶區的包繞體積（P=0.005）具有統計學差異，而對于肺部病灶選擇兩種預設的標準模型。靶區包繞體積（P=0.99）并沒有統計學差異。對于射波刀SBRT治療時，機器跳數反應單次治療時間，表4、表5可知，無論是頭部還是體部患者，兩種計劃系統預設密度標準模型的選擇對于機器跳數都具有統計學差異，且圖2可知，頭部患者，使用Body stardand模型的機器跳數多于lung stardand模型。對于OAR的評估，在實際評估肺部受量時，所有的受量主要集中在患側肺上面。根據TG101報告，評估肺受量，采用的方法為豁免體積的方法，因此在實際評估過程中依然使用的是全肺的評估方法，在計算全肺體積受量的時候，需要在全肺的基礎上面扣去腫瘤體積的受量。由表6、7可知，全肺的受量中，V5、V10的統計學P值分別為0.023和0.01，具有統計學差異；V20、V30無統計學差異。

通過改變計劃預設的標準模型計算頭部以及肺部腫瘤的研究結果顯示，采用兩種標準模型對于劑量分布參數有一定的影響。表3、表5關于靶區的劑量參數的變化，肺部靶區的包繞體積Coverage基本無差異，而頭部的包繞體積Coverage具有差異。該資料與李克等［15］的分析具有一定差別，李克等分析計劃系統密度模型頭胸腹三組患者的劑量學比較，頭腹部基本無統計學差異，而胸部存在統計學差異，兩種結果的不同主要有不同的計劃系統中不同算法導致。同時李禎等［16］研究CT掃描方式對胸部治療計劃的影響，李禎等得出結果為無論是靶區還是正常組織都有差異，其中靶區劑量的影響較少。該文通過不同密度標準快速建立不同電子密度模型進行劑量計算，由表5、表6、表7可知對肺部腫瘤的劑量參數影響并無統計學差異，影響較少，與李禎等的研究具有相同的分析結果。由于對于肺部腫瘤，當射線束穿過低密度組織時，高能X射線與組織作用在肺部等低密度組織中具有較長的射程，側向散射增大導致側向電子失衡，使半影增寬。而兩種劑量模型全肺受量主要差別在V5，V10低劑量區域，而高劑量區域并沒有差別，這種差異主要有兩種預設的標準是否考慮電子失衡有關，如軟組織與骨骼相鄰處的反向散射或側向散射等，兩種模型對于電子失衡以及反向散射，側向散射的計算結果具有一定誤差，導致在肺部組織的低劑量區域具有一定差異［17，18］。

該文使用G3的Multiplan2.4.1使用的射線追蹤算法，利用射線追蹤函數，計算每個射束的靶區體素的累積劑量。對于肺部腫瘤來說，對入射路徑上的不均勻肺組織進行校正，因此在實際治療中，對于肺癌患者，計劃設計時，首要選擇lung stardand密度模型更加貼近實際的靶區及危及器官的劑量學參數；而對于頭部腫瘤的射波刀治療，由于腦組織的CT值一般大約在1000 HU左右，通過兩種標準模型的計算方法，body stardand更符合實際計算的要求，因此在選擇頭部腫瘤的射波刀治療時，選擇body stardand模型更加貼近實際的劑量分布，更好地保護正常組織，更加適用于臨床。

20例患者都達到了很好的局控率與總生存率，實際筆者計劃設計時頭部患者采用了body stardand密度模型，肺部患者采用lung stardand密度模型，因此無法獲得lung stardand與body stardand兩種模型臨床應用上的差異，只能得出計劃設計時劑量學差異，在實際工作中盡量減少密度模型選擇帶來的差異。后面筆者將進一步研究電子密度模型在射波刀計劃中應用，減少由于設備的影響產生的誤差。