李師,羅煥麗,譚霞,蒙萬里,李博,李廣,申正文,鐘明松,王穎,靳富
重慶大學附屬腫瘤醫院腫瘤放射治療中心,重慶400030
固定裝置能夠最小化患者運動,同時提高患者擺位的準確性和分次間的可重復性,使得放射治療能夠準確實施[1]。隨著放療技術的不斷發展,傳統固定方式已經逐漸被現代材料和技術所取代,例如熱塑性材料和3D 打印技術用于輔助患者擺位[2-3]。發泡膠因其采用主動塑性方式改善了患者體位舒適性,且具有較強的硬度、不易變形、不漏氣特點,從而提高了放療期間的擺位可重復性和準確性[4-8]。發泡膠雖屬于低密度材料,但射束穿過該材料時仍會發生衰減和散射,然而這種影響在臨床中常常被忽視。多項研究表明,放療過程中使用體位固定裝置會導致劑量分布改變[9-12],碳纖維治療床板對后斜入射野的劑量影響最高可達10%[13]。Gerig等[14]研究發現等效水深度為6.3 mm 的碳纖維治療床對6 MV 光束最大衰減可以達到7%,且表面劑量從17%(無治療床)增加到88%(加入治療床)。AAPM 176 號報告強調了體位固定裝置對劑量的擾動效應,建議放療物理師應引起關注[15]。
Chen 等[16]曾將發泡膠、碳纖維床和熱塑膜在內的頭頸部固定裝置勾畫在外部輪廓中,利用放療計劃系統(TPS)計算該固定裝置對臨床鼻咽癌計劃的劑量學影響。然而,該研究并未單獨說明發泡膠對劑量擾動貢獻。覃仕瑞等[17]雖然單獨研究了發泡膠對鼻咽癌計劃的劑量學影響,但其涵蓋分期廣,靶區體積相差大,導致結果偏差較大,且沒有分析靶區覆蓋率、均勻性、適形度等劑量參數的變化。兩項研究中均沒有探究不同角度射野穿過發泡膠后的劑量變化。另外,發泡膠厚度具有特異性,在制作時由于人體部位壓力不同而導致發泡膠厚度不同,特別是重量輕的頸部,發泡膠通常較厚,且人與人之間也存在體質量特異性。因此,本文研究發泡膠對放療的劑量學影響,分別比較TPS計算與實際測量中得到的發泡膠衰減系數,并定量評估不同厚度的發泡膠對劑量學影響,以及發泡膠對臨床鼻咽癌計劃的劑量學影響。
制作發泡膠實驗模體:A 液(異氰酸酯)、B 液(復合聚醚類多元醇)各300 mL,將A、B兩種液體快速混合搖勻后倒入透氣防水袋中,在防水袋上放置質量約為80 kg 的物塊,直到完全發熱膨脹并冷卻固化塑形。將冷卻后的發泡膠裁剪成10塊長方體發泡膠模體,厚度約2 cm,邊長約16 cm(兼顧到大于標稱射野尺寸10 cm并節省材料),每塊密度略有差別,10塊模體的平均密度值為0.04 g/cm3,CT值為(-937±7)HU。
本文采用兩種不同方法計算和測量得到3組發泡膠的線性衰減系數。其中,方法一基于線性衰減系數的定義,通過TPS計算不同厚度發泡膠在等中心點劑量衰減,將結果數據線性擬合得到發泡膠的衰減系數。由于每塊相同厚度的發泡膠密度不同,衰減也略有不同;方法二則通過TPS計算并實際測量每塊發泡膠等中心點劑量衰減,計算每塊相同厚度發泡膠的線性衰減系數,然后取其平均值。由于兩種方法彼此獨立,可互相驗證線性衰減系數的正確性。
(1)方法一:將上述模體全部疊加放在固體等效水(邊長20 cm,高15 cm,有機玻璃,除特別說明,本文固體水均指有機玻璃固體等效水)上表面成20 cm厚。采用放療專用大孔徑螺旋CT(Brilliance-16,Philips Medical Systems Inc.)獲取圖像,掃描范圍包含整個固體水和發泡膠。掃描層厚1 mm,掃描電壓120 kV,曝光250 mAs。將所得CT 圖像通過Aria 系統傳輸到Eclipse(Version 13.6,Varian Medical Systems)TPS 中,選擇重建厚度3 mm(觀察到重建層厚對劑量計算的影響較小,可以忽略不計)。然后使用TPS 勾畫工具,勾畫出包含整個固體水和不同厚度(0~20 cm,間隔1 cm)發泡膠的外輪廓。使用醫用直線加速器Varian IX(配備120 片Millennium MLC,葉片在等中心寬度為5~10 mm),能量6 MV 的X 射線,劑量率400 MU/min。放療計劃均采用一個標稱射野[尺寸(10×10)cm2,角度0°],輸出100 MU,源軸距105 cm保持不變(模擬絕對劑量校準條件,即源到固體水表面距離保持100 cm,記錄水下5 cm 處點劑量)。TPS 計算該計劃在包含不同厚度發泡膠外輪廓中的劑量分布,并分別記錄了固體水下5 cm 中心點劑量。
(2)方法二:將每塊模體單獨放在固體水上表面同一位置,并將指形電離室(0.6 cm3,PTW30013)插入固體水中。然后進行CT 掃描,掃描條件與上述相同,掃描范圍包含整個固體水和發泡膠。將所得10套CT 圖像傳輸到TPS 后,對每套CT 圖像勾畫出兩種不同的外輪廓分別含發泡膠與不含發泡膠。放療計劃同樣采用一個標稱射野,輸出100 MU,源軸距105 cm,分別在這兩種外輪廓下計算劑量分布,記錄插入電離室處的中心點劑量。以此計算發泡膠的線性衰減系數,μ表示線性衰減系數,單位cm-1,Dopen和D分別表示在同一位置射線未穿過和穿過發泡膠的劑量,T表示發泡膠的厚度,計算公式如下:

另外,實際測量加速器真實出束情況下發泡膠對射束的衰減,同樣利用式(1)計算線性衰減系數。采用相同的標稱射野,輸出100 MU,源軸距105 cm。在固體水中插入指形電離室以測量點劑量,使用UnidoseE 劑量儀(PTW)測量在電離室產生的電離量,將每塊發泡膠模體單獨放置在固體水頂部中央同一位置,最后一組不放置發泡膠,為了減少實際測量的不確定性,每組測量重復10次,共測量了11組。
(1)本研究實際測量了不同厚度發泡膠對MapCHECK(Sun Nuclear,Sun Nuclear Corp.)等中心冠狀面劑量影響。在已校準和刻度過的MapCHECK設備上放置3 塊聚苯乙烯固體水(邊長20 cm,高1 cm)以測量等效水深度5 cm的二維劑量。采用一個標稱射野,輸出100 MU,依次在表面疊加放置發泡膠成0、2、4、6、8、10 cm厚度進行測量。將放置了聚苯乙烯固體水和不同厚度發泡膠的MapCHECK設備進行CT掃描,掃描層厚3 mm,重建厚度3 mm,掃描電壓120 kV,曝光250 mAs。CT圖像導入TPS后,勾畫含不同厚度發泡膠的Mapcheck外輪廓,并在相同射野條件下計算劑量。使用SNC Patient軟件(Sun Nuclear)進行分析,為了驗證TPS計算發泡膠劑量的正確性,以TPS計算所得含不同厚度發泡膠的劑量為參考分布,以實際測量所得含不同厚度發泡膠劑量為待評估分布。為了分析不同厚度發泡膠對劑量的影響,以實際測量所得不含發泡膠劑量為參考分布,以實際測量所得含不同厚度發泡膠劑量為待評估分布。
(2)TPS計算不同厚度發泡膠對固體水等中心冠狀面劑量影響。將上述方法一TPS 計算結果導入SNC Patient 軟件,以TPS 計算所得不含發泡膠劑量為參考分布,以TPS計算所得含不同厚度發泡膠劑量為待評估分布。
(3)TPS計算不同厚度發泡膠對固體水中心軸深度劑量的影響。將上述方法一中源軸距保持105 cm更改為源皮距保持100 cm(模擬百分深度劑量測量條件,即源到發泡膠的距離100 cm),在TPS 中同樣采用一個標稱射野,輸出100 MU,分別在不同外輪廓中計算劑量分布。
隨機選取并入組了8 例準備接受放射治療的鼻咽癌患者,T4、T3分期分別4 例。所有患者在模具制作、模擬定位和治療期間采用仰臥姿勢。個體化患者頭頸部發泡膠墊的制作方法與上述模體的制作基本一致,但此時是將患者頭頸肩放置在透氣防水袋上,并調整防水袋使發泡膠充分接觸包裹人體。然后進行CT 掃描,掃描層厚3 mm,重建厚度3 mm,掃描電壓120 kV,曝光325 mAs。掃描范圍包括患者頭部至鎖骨下1 cm,以及發泡膠。
CT圖像傳輸到TPS后,由高年資的放療醫生(根據鼻咽癌放射治療臨床參考指南[18])勾畫靶區和危及器官,PTVnd+nx、PTV1、PTV2 的處方劑量分別為7 040、6 080、5 440 cGy,分32 次治療。對于所有計算,采用臨床應用的CT 值轉換電子密度(CT-to-ED)曲線,各向異性分析(AAA)算法,劑量計算網格尺寸為2.5 mm。
采用設置HU 值方法對同一例鼻咽癌患者圖像勾畫出兩種不同的外輪廓分別含發泡膠與不含發泡膠。不含發泡膠的外輪廓設為-350 HU,含發泡膠的外輪廓設為-970 HU。以不含發泡膠的外輪廓制作起始角度200°、終止角度160°的9野均分鼻咽癌放療計劃,然后改變為包含發泡膠的外輪廓重新計算。即同一例放療計劃分別在這兩種外輪廓下計算劑量分布。
用平均劑量(Dmean)、100%處方劑量靶區覆蓋率(CR)、均勻性指數(Homogeneity Index,HI)、適形度指數(Conformity Index,CI)4個參數表示靶區的劑量特性變化,其中TVpiv為被100%處方劑量所覆蓋的靶區體積,Vt為靶區體積,CR計算公式如下:

DX%表示靶區X%體積所接收到的劑量,HI 值越接近0表示靶區劑量均勻性越好,HI計算公式如下:

PIV 表示100%處方劑量所覆蓋的體積,CI 值越接近1表示靶區劑量適形度越好,CI計算公式如下:

另外,為了比較發泡膠對各射野的劑量影響,以TPS 計算所得各射野下不含發泡膠外輪廓的三維劑量為參考分布,以TPS計算所得各射野下含發泡膠外輪廓的三維劑量為待評估分布,使用3DVH 軟件(Sun Nuclear)進行γ分析。
劑量閾值(TH)設置為10%,分別采用了百分劑量差分析法(Percent Dose Difference,%DD)和γ 分析法(劑量差/距離一致性),對應標準分別為1%、2%、3%和1%/1 mm、2%/1 mm、3%/1 mm。
采用STATA 15.1 軟件進行統計分析,符合正態分布的計量資料用均數±標準差表示,采用配對t檢驗,P<0.05為差異有統計學意義。
將TPS 計算所得不同厚度發泡膠中心點劑量衰減結果作圖,如圖1所示,通過線性擬合得到發泡膠線性衰減系數為0.16×10-2cm-1。TPS 計算和實際測量了每塊發泡膠的衰減系數,然后取其平均值,結果如圖2所示,TPS 的平均線性衰減系數為(0.15±0.09)×10-2cm-1,實際測量中平均線性衰減系數為(0.12±0.04)×10-2cm-1。

圖1 TPS計算不同厚度發泡膠的中心點劑量衰減Fig.1 Central point dose attenuation of different thicknesses of styrofoam in TPS calculation

圖2 TPS計算和實際測量中發泡膠的平均線性衰減系數Fig.2 Average linear attenuation coefficient of styrofoam in TPS calculation and actual measurement
比較不同厚度發泡膠在TPS 計算與實際測量間的劑量通過率,如表1所示,不同厚度的發泡膠γ通過率(1%/1 mm)均>90%。以不含發泡膠的等中心冠狀面劑量為基準,比較不同厚度發泡膠通過率,實際測量結果見表2,TPS 計算結果見表3。如表2 和表3所示,隨著發泡膠厚度的增加,通過率越來越低。表2中,當發泡膠厚度>4 cm 時,%DD(1%)通過率顯著降低。為了更清楚地劃分發泡膠厚度對劑量影響的界限,在TPS 中另外勾畫包含4.5、5.0、5.5 cm 發泡膠外輪廓并計算劑量,如表3所示,發泡膠厚度>4 cm時,γ通過率(1%/1 mm)<90%。

表1 實際測量與TPS計算中不同厚度發泡膠等中心冠狀面劑量分布γ通過率(%)Tab.1 Gamma passing rates of isocenter coronal dose distribution of different thicknesses of styrofoam between actual measurement and TPS calculation(%)

表2 實際測量中包含不同厚度發泡膠時等中心冠狀面劑量分布%DD通過率(%)Tab.2 %DD passing rate of isocenter coronal dose distribution of different thicknesses of styrofoam in actual measurement(%)

表3 TPS計算中包含不同厚度發泡膠時等中心冠狀面劑量分布γ通過率(%)Tab.3 Gamma passing rate of isocenter coronal dose distribution of different thicknesses of styrofoam in TPS calculation(%)
將包含不同厚度發泡膠的外輪廓中固體水中心軸深度劑量曲線作圖(圖3)發現,與劑量跌落區相比,發泡膠對劑量建成區的影響最大。不同厚度發泡膠對表面劑量影響如表4所示,初始加入的2 cm發泡膠,使相對表面劑量增加幅度最大,由16.2%增加到63.7%,繼續增加厚度增幅逐漸變小。且加入發泡膠使得劑量深度曲線的最大劑量深度略有前移,只加入4 cm發泡膠時前移了0.25 cm。

圖3 TPS計算中包含不同厚度的發泡膠時固體等效水中心軸劑量隨深度的變化Fig.3 Solid equivalent water central axis depth dose of different thicknesses of styrofoam in TPS calculation

表4 TPS計算中包含不同厚度發泡膠時對固體等效水表面劑量和最大劑量深度影響Tab.4 Effects of different thicknesses of styrofoam in TPS calculation on solid equivalent water surface dose and maximum dose depth
由表5 可知在外輪廓中加入發泡膠后,靶區PTVnd+nx、PTV1、PTV2的Dmean分別從(72.61±0.98)Gy減少到(72.12±1.00)Gy、(69.11±0.79)Gy減少到(68.72±0.77)Gy、(62.61±1.04)Gy減少到(62.22±1.03)Gy,CR分別從0.97%±0.01%降低到0.95%±0.03%、0.98%±0.01%降低到0.97%±0.01%、0.94%±0.04%降低到0.92%±0.05%,PTV2的CI從0.88±0.02降低到0.85±0.03,以上結果具有統計學意義。
以各射野下不含發泡膠外輪廓三維劑量分布為基準,通過對8例放療計劃γ分析,得到發泡膠對各射野的劑量分布影響,如表6所示,有發泡膠時所有射野下總劑量的γ通過率(1%/1 mm)為94.06%±0.86%,且發現穿過發泡膠的200°、240°、120°、160°射野較未穿過發泡膠的320°、0°、40°射野γ 通過率低,其中240°和120°通過率最低。
表5 TPS計算鼻咽癌計劃有無包含發泡膠墊時的靶區劑量學參數(%,±s)Tab.5 Target dosimetric parameters with or without nasopharyngeal carcinoma styrofoam in TPS calculation(%,Mean±SD)

表5 TPS計算鼻咽癌計劃有無包含發泡膠墊時的靶區劑量學參數(%,±s)Tab.5 Target dosimetric parameters with or without nasopharyngeal carcinoma styrofoam in TPS calculation(%,Mean±SD)
靶區PTVnd+nx PTV1 PTV2劑量參數Dmean/Gy CR/%CI HI Dmean/Gy CR/%CI Dmean/Gy CR/%CI無發泡膠放療計劃72.61±0.98 0.97±0.01 0.82±0.07 0.05±0.01 69.11±0.79 0.98±0.01 0.49±0.08 62.61±1.04 0.94±0.04 0.88±0.02含發泡膠放療計劃72.12±1.00 0.95±0.03 0.83±0.06 0.05±0.01 68.72±0.77 0.97±0.01 0.49±0.08 62.22±1.03 0.92±0.05 0.85±0.03 P值<0.001<0.001 0.812-<0.001<0.001-<0.001<0.001<0.001
表6 TPS計算中含發泡膠的各射野劑量分布間γ通過率(%,±s)Tab.6 Gamma passing rate of each field dose distributions with styrofoam in body structure contour in TPS calculation(%,Mean±SD)

表6 TPS計算中含發泡膠的各射野劑量分布間γ通過率(%,±s)Tab.6 Gamma passing rate of each field dose distributions with styrofoam in body structure contour in TPS calculation(%,Mean±SD)
射野角度200°240°280°320°0°40°80°120°160°total γ分析標準1%/1 mm 92.43±1.35 91.44±1.89 96.70±0.85 97.17±0.63 97.03±0.55 97.22±0.54 96.85±0.72 91.49±2.30 92.48±1.21 94.06±0.86 2%/1 mm 95.65±0.40 96.11±0.98 97.94±0.31 97.78±0.46 97.69±0.41 97.81±0.37 98.00±0.37 95.93±0.91 95.67±0.48 96.02±0.52 3%/1 mm 96.64±0.27 97.22±0.47 98.33±0.25 98.20±0.36 98.15±0.31 98.22±0.26 98.42±0.30 97.15±0.49 96.64±0.41 96.84±0.42
劑量傳輸的準確性是放射治療的主要問題之一,特別是對于當前臨床已廣泛采用的IMRT 和立體定向放射治療(Stereotactic Body Radiotherapy,SBRT),通常需要將劑量傳輸精確度控制在2%內[19-20]。目前的TPS 已大大改善了劑量計算的準確性,另一方面我們還應注意射束傳輸過程中穿過的敷貼以及固定裝置對劑量產生的影響。Liu 等[21]研究了在IMRT和VMAT鼻腔NK/T淋巴瘤放療計劃中敷貼的劑量學影響,發現敷貼對靶區和危及器官的劑量影響較小。Puysseleyr 等[11]測量了俯臥位乳房固定裝置對劑量學的影響,發現穿過整個固定裝置的6 MV 光子束衰減了12.3%,其裝置中的支撐泡沫墊,每厘米厚度對光束衰減為0.11%。Chiu-Tsao等[10]研究表明2.8 cm 厚度的Orfit 碳纖維板、0.9 cm輕木板、7.6 cm 泡沫塑料或4.5 cm alpha 墊,分別使表面劑量由20%增加到71%、69%、55%、57%。為了研究發泡膠固定裝置對劑量學的影響,確保劑量傳輸的準確性和安全性,本研究分別評估了發泡膠的線性衰減系數(點劑量),不同厚度發泡膠的劑量學影響(二維劑量),以及發泡膠對臨床鼻咽癌計劃的劑量學影響(三維劑量)。全文忽略了其他固定裝置(例如治療床等)對劑量的影響。
圖1將厚度均為2 cm的10塊發泡膠疊放成20 cm厚,在TPS 中切分成為1 cm 厚發泡膠,此過程未改變發泡膠的性質,并增加了數據量,從而增大結果的準確性。通過TPS 計算不同厚度發泡膠以及每塊發泡膠點劑量,兩種方法得到的線性衰減系數分別為0.16×10-2cm-1和(0.15±0.09)×10-2cm-1,兩者誤差較小,驗證了結果的正確性。然而,實際測量中平均線性衰減系數為(0.12±0.04)×10-2cm-1,由于每塊發泡膠模體存在較小的密度差異,較小的擺位誤差就會引起點劑量測量結果的變化,而實際擺位不可能與TPS中的位置完全一致,所以TPS 計算與實際測量存在差異。
TG218號報告建議臨床IMRT質量保證時以γ分析標準3%/2 mm 通過率90%為操作限值[22],因為總體來說發泡膠的衰減效果較小,因此本文以更嚴格的標準1%/1 mm 通過率90%為限值。由表1 可知,在引入了加速器傳輸誤差的情況下,TPS計算與實際測量不同厚度發泡膠二維劑量間的γ 通過率(1%/1 mm)均>90%,可以認為TPS 能準確計算發泡膠劑量。在表3 中發泡膠厚度>4 cm 時,γ 通過率(1%/1 mm)<90%,此時認為發泡膠對劑量影響顯著,臨床應用時建議不要超過4 cm。
ICRU 建議在0.07 mm 的深度處測量皮膚劑量,該深度與輻射敏感性最強的基底細胞層位置大致對應[23]。因此想要準確測量表面劑量十分困難,Chiu-Tsao 等[10]在模體內0.015 3 cm 深度處插入膠片測得6 MV 光束在(10×10)cm2射野下的表面劑量為20%,AAPM 176號報告中提供了由Attix平板電離室測得的表面劑量為16%[6 MV光子,(10×10)cm2][15]。本文雖未測量表面劑量,但是參考了加速器配置時的PDD 數據,以最大劑量深度為依據,找到圖3 中PDD 曲線中最大劑量點位置,反推出表面位置,得到表面劑量為16.22%,與Chiu-Tsao 等[10]和AAPM 176號報告研究結果接近,因此可以認為該表面劑量合理且具有臨床意義。
在表4 中,隨著發泡膠由0 增厚到10 cm,表面劑量由16.22%增加到85.97%,呈現非線性增加,初始加入的2 cm 發泡膠使相對表面劑量增加幅度最大,且加入發泡膠使得劑量深度曲線的最大劑量深度略有前移。因此,相較于衰減作用,發泡膠對表面劑量的增加更為顯著。盡管Gerig 等[14]和Chiu-Tsao 等[10]研究中使用的固定裝置與發泡膠的成分和密度不同,但他們的研究結果也佐證了這一規律:對患者來說,使用固定裝置將會大幅度增加皮膚劑量。通過增加MU 來補償發泡膠的衰減作用將進一步增加皮膚劑量。值得注意的是,在相同總劑量下使用SBRT會加劇皮膚反應,Hoppe等[24]研究指出針對早期非小細胞肺癌SBRT 中52%的患者經歷了不同程度的皮膚毒性反應,其主要原因是忽視了固定裝置引起的皮膚劑量增加。
對于表5,劑量師在制作計劃時為了控制PTV1的劑量散點,降低了PTV2的CR 值,另外PTVnd+nx、PTV1不屬于完全包含關系,導致兩個靶區的CI值不具有參考意義。Chen 等[16]研究表明固定裝置(包含發泡膠、熱塑膜和碳纖維板)使PTV1、PTV2 的Dmean減少1.1%、1.5%,CR 降低1.5%、3.6%。而本文(只包含發泡膠)中PTV1、PTV2的Dmean減少0.57%、0.63%,CR 降低1.02%、2.82%,符合實驗預期,另外,本文還發現發泡膠使PTV2的適形度降低了。
表6中γ分析結果顯示穿過發泡膠的射野較未穿過的射野γ通過率低,特別是角度為240°和120°射野通過率最低,因為斜入射的射野穿過發泡膠路徑更長,對劑量分布擾動更明顯。然而,我們發現未穿過發泡膠的射野通過率并非100%,通過手動勾畫含發泡膠外輪廓,驗證通過率變化后發現,劑量偏差出現的主要原因是通過改變HU 值方法勾畫含發泡膠外輪廓時,患者上表面輪廓略有外擴。有研究顯示當Varian Eclipse TPS外輪廓從患者皮膚開始時,系統將低估處方劑量14%的皮膚劑量,外輪廓從患者皮膚外擴,將提高計算精度[25-26]。
綜上所述,發泡膠對放療的劑量學影響是一個復雜的組合。發泡膠厚度越厚,對劑量擾動就越大,并會導致建成區和表面劑量的顯著增加。發泡膠的衰減系數為0.16×10-2cm-1,其衰減作用降低了鼻咽癌靶區的平均劑量和處方劑量覆蓋率,以及部分靶區的適形度,放療計劃中角度240°和120°的射野對劑量擾動最大。因此,本文建議在臨床應用中,發泡膠墊厚度應盡可能薄,最好不要超過4 cm,在制作放療計劃時,特別是對于先進的精準放療技術,盡量不要使用穿過發泡膠的后射野,否則應將發泡膠勾畫在TPS外部輪廓內以評估皮膚劑量增加,確保皮膚劑量在安全范圍內。本文研究也存在一定的缺陷。由于實驗條件限制,本研究未實際測量患者皮膚劑量,在未來進一步研究中計劃將膠片放置在患者皮膚和發泡膠之間以監測皮膚劑量。