靶區形變在體部立體定向放射治療三維適形計劃設計中的應用研究

吳魁 水永杰 張懷文

1浙江大學醫學院附屬第二醫院放療科（杭州310009）；2江西省腫瘤醫院放療中心（南昌330029）

體部立體定向放射治療（SBRT）是指在短療程內通過圖像引導來實施大劑量的放射治療，以達到腫瘤消融的目的。SBRT正逐漸成為某些腫瘤的常規治療手段［1］。SBRT一般采用一到五次大劑量照射（每次6～30 Gy），與每周五次、全程6 ～7周的常規分割放療方式顯著不同［2］。放療在殺滅腫瘤細胞的同時也會引起腫瘤靶區周圍正常組織不同程度的放射性損傷，嚴重時會導致不可避免的放療并發癥［3］。而單次分割劑量大的SBRT由于生物等效劑量（BED）［4］大大增加可能造成靶區周圍危及器官（OAR）損傷更加嚴重，放療醫生們一直致力于在正常組織可接受的劑量范圍內給予腫瘤最大的治療劑量。所以在設計SBRT計劃時應該盡量提高靶區劑量適形度，讓處方劑量充分照射在腫瘤區域，并且要增加劑量梯度，靶區外的劑量快速下降有利于保護正常組織。不同于常規分割模式，SBRT計劃對于靶區內非均勻性劑量是可以接受的，并且認為靶區內的熱點對提高腫瘤內乏氧區域的療效有潛在優勢［5］。

三維適形放療（3D-CRT）、調強放療（IMRT）以及容積調強放療（VMAT）都可以被使用到SBRT中來，各種技術最終療效的優劣目前并無定論。但3D-CRT技術由于計劃設計相對更簡單、機器跳數（MU）少、治療時間短等優勢，被各大中心廣泛采用。

研究發現，3D-CRT技術簡單，劑量調節能力較差，容易造成靶區劑量適形度差，靶區外劑量跌落不夠快等問題［6］，目前大多數關于SBRT劑量學的研究主要集中在IMRT、VMAT和Tomo等計劃上。本研究針對以上情況，運用靶區形變技術重新設計3D-CRT計劃，并評估該方法的劑量學優勢。

1 資料與方法

1.1 病例資料選擇2015年10月至2020年4月在我院放療科接受SBRT的30例肺癌患者作為研究對象，年齡35 ～76歲，中位年齡48.5歲。所有患者無既往心臟疾病史以及呼吸系統疾病史，患者心肺功能基本正常，無其他放療禁忌癥。所有研究對家均知情同意。

1.2 體位固定、CT 掃描和靶區勾畫所有患者均取仰臥位，均使用Klarity一體床板和真空墊抽負壓進行體位固定，美國GE公司放療專用大孔徑CT模擬機行4DCT掃描，掃描范圍從下頜到膈下10 cm處，掃描層厚為2.5 mm，將患者CT圖像三維重建后傳送至Eclipse10.0（美國Varian公司）計劃系統。專業放療醫生根據4DCT圖像勾畫出ITV，各個方向均勻外擴5 mm后生成PTV，放療物理師根據確定后的靶區進行計劃設計。

1.3 常規三維適形計劃設計（CCP）使用直線加速器為美國Varian Trilogy，其內置40對多葉光柵（MLC），中間20對葉片厚度為5 mm，兩邊各10對為10 mm厚度。由于25例患者PTV靶區在頭腳方向的長度均未超過10 cm，故本研究中所有計劃設計均使用Trilogy加速器中間較薄的20對葉片來進行。肺癌患者的每個計劃要求設置7 ～9個共面野，并且各個照射野在射野方向觀（BEV）上使MLC端面的中間緊貼PTV，間隙為0 mm［7］。這樣既可以提高腫瘤靶區中心劑量，有利于殺滅腫瘤中心的乏氧細胞［8］；又可以迅速降低靶區周圍組織吸收劑量，從而更好的保護周圍正常組織。計劃設計采用6 MV的X射線，AAA算法，計算網格大小為2 mm［9］。每個計劃都需經過高年資放療醫生評估審核，以確保完全達到臨床放療劑量學要求。處方劑量50 Gy覆蓋95%的PTV體積，99%的PTV體積受到劑量即D99% ＞47.5 Gy，最大劑量Dmax在處方劑量的111% ～167%之間［10］。最大劑量可以通過MLC端面到PTV的間隙來調節，本研究都采用0 mm的間隙，以保證最大劑量為處方劑量的130%～150%左右［11］。該計劃命名為CCP。

1.4 靶區形變勾畫技術的計劃（DCP）設計方法對每個設計好的CCP計劃，通過Eclipse 10.0 TPS自身的劑量形成結構（dose shaping structure，DSS）功能［12］，把CCP的處方劑量線包繞范圍轉換成組織結構，命名為D50。然后復制PTV生成新的靶區PPTV，在計劃系統的勾畫界面打開PTV、PPTV和D50，根據PTV和D50外輪廓的位置關系，對PPTV逐層進行形變調整。如果在某一層D50的某處邊界超過PTV，則PPTV在該處進行一定的回縮，使該處的PPTV和D50基本以PTV成鏡像對稱。如果D50邊界在PTV內，則該處PPTV需要外擴一定程度（圖1）。在計劃設計中，研究發現經常有靶區的最上面或者最下面一層缺失D50，則可以對靶區最上或者最下層復制后生成PPTV再做調整。然后對經過調整變形后的PPTV進行計劃設計，射野角度、權重以及等中心都不變，MLC需要重新進行適形，各射野的MLC邊界從BEV上緊貼新生成的PPTV。劑量計算后按照PTV進行劑量歸一得到新的計劃，該計劃命名為DCP。

圖1 PTV 和D50的位置關系以及PPTV 的生成方法Fig.1 The position relation of PTV and D50 and the generation method of PPTV

1.5 治療計劃評估對比觀察兩組計劃的劑量分布和機器MU總跳數，進行統計學分析。分析指標包括靶區適形度指數（CI）、劑量梯度（DG）、靶區近似最小劑量（D99%）、靶區外2 cm處最大劑量（D2 cm）和機器跳數（MU）。按照RTOG 0915號報告建議PTV最大劑量在處方劑量的111%到167%之間。CI計算公式為：CI=（TVPV/VPTV）/（VTV/ TVPV），其中TVPV為處方劑量所覆蓋的靶區體積，VPTV為靶區體積，VTV為處方劑量所覆蓋的總體積，CI的值越接近1，表示適形度越好［13］；DG的計算方法為：50%的處方劑量體積與靶區體積的比值，DG的值越低，表示PTV周圍正常組織劑量下降越快；D99%表示99%的PTV體積受到的照射劑量，以這個值代替靶區內最小劑量；D2 cm是PTV外任何方向上2 cm以外的正常組織內的最大劑量。最后，比較兩組計劃的機器總跳數（MU）。

1.6 統計學方法應用SPSS 19.0軟件建立數據庫，并對計劃所得DVH數據進行錄入和分析。計量資料采用均數±標準差表示。采用配對t檢驗的方法對各參數進行比較。P ＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

圖2 兩種計劃的PTV、PPTV 和D50的位置關系Fig.2 The position relationship between the two plans of PTV，PPTV，and D50

圖3 兩種計劃PTV 的劑量體積直方圖Fig.3 Dose volume histogram for PTV of two planning

2.1 靶區劑量分布和劑量體積直方圖（DVH）從等劑量線分布圖（圖2）和劑量體積直方圖（DVH）（圖3）中可以看到，兩種計劃的PTV劑量分布均滿足臨床處方要求，DCP組靶區DVH更加陡峭，劑量適形度更好。

2.2 劑量學參數和MU 比較見表1。DCP組的CI、DG、D99%、和D2 cm均優于CCP組（t = 4.55、5.95、4.37、3.86，P ＜0.05），MU也有所減少（t = 2.82，P ＜0.05）。

3 討論

肺癌的SBRT治療是一個復雜的流程，包括圖像采集、計劃設計、劑量驗證［14］和位置驗證［15］以及治療實施等，在選取合適的治療技術時必須把流程的每一步都考慮進去。好的治療技術不僅要有好的計劃，還需要保證在治療執行過程中有更小的偏差。由于肺癌患者自身呼吸運動的存在，筆者相信3D-CRT與IMRT和VMAT相比，計劃劑量和傳輸劑量的一致性可能會更好，所以在計劃設計時常常優先選擇3D-CRT技術。但是，由于3D-CRT技術不能像IMRT和VMAT那樣對靶區內的任一點劑量進行調節，其靶區劑量分布適形度稍差。

本研究對30例行SBRT治療的肺癌患者分別設計了CCP和DCP兩組計劃，CCP組計劃的MLC對PTV適形，DCP組對PPTV適形，得到的靶區劑量分布有顯著不同。兩組計劃采用相同的劑量歸一方式，雖然都滿足95%的PTV體積接受臨床處方劑量的要求，但也都存在5%左右的PTV靶區體積沒有達到處方劑量。詳細觀察分析兩計劃，發現靶區中心劑量是可以滿足的，PTV周邊則有可能欠量，CCP組計劃欠量區域比較集中，DCP組則比較分散；CCP組計劃PTV外側有些區域有明顯多余的處方劑量，而DCP組計劃則幾乎沒有多余劑量。三維適形計劃的劑量分布主要靠MLC的形狀來調節，任一點劑量是由穿過該點的射線和該點附近的散射線提供的。CCP組計劃MLC緊貼PTV，靶區邊緣散射劑量主要來自PTV內側，而PTV外側被MLC遮擋幾乎沒有射線經過，也就不能提供相應的散射劑量。但是PTV邊緣劑量不足時，為了滿足處方劑量覆蓋95%的靶區體積，則需要更多的射線穿過PTV并提供更多的散射劑量，這也就造成了CCP組計劃的MU比DCP組高。CCP組計劃因為更多的MU，其射線經過路徑上的正常組織劑量更高，導致D2 cm更大。

表1 兩種計劃方法的劑量學比較Tab.1 The dosimetry comparison of two planning methods ±s

表1 兩種計劃方法的劑量學比較Tab.1 The dosimetry comparison of two planning methods ±s

計劃名稱CCP DCP例數30 30 CI 0.74±0.05 0.82±0.06 DG 4.21±0.58 3.94±0.53 D99%（cGy）4 608.79±56.55 4 745.24±46.25 D2 cm（cGy）3 125.15±500.12 2 755.95±323.86 MU 1 741.89±169.89 1 710.58±199.22

在設計DCP組計劃時，已經事先知道PTV周邊何處欠量，則針對該處PTV邊界外擴；反之，若某處劑量過多，則該處PTV邊界內縮，進而生成新的靶區PPTV。此時對MLC按照PPTV適形，實際上是對MLC位置進行了反向調整。劑量過多則MLC內縮，擋住此處過多的射線，降低該處劑量；欠量則MLC外擴，提供更多的散射劑量，提高此處劑量。這樣得到的處方劑量與PTV適形指數（CI）明顯更高。

兩組計劃都有5%的PTV體積沒有達到處方劑量，靶區近似最低劑量D99%在此區域內，在DCP組計劃里此區域附近的MLC都進行了外擴，散射劑量增加，所以D99%劑量也會增加。

綜上所述，經過形變靶區方法設計的SBRT三維適形計劃靶區劑量分布更好，靶區外劑量下降更快有利于保護正常組織，而且機器跳數更少，計劃執行效率更高。另外，對肝臟、胰腺等SBRT的三維適形計劃做同樣研究，證明這種計劃設計方法也是適用的。總之，靶區形變方法在SBRT三維計劃設計中值得進行推廣。