系統擺位誤差對保護海馬腦預防照射的劑量學影響

王攀，陳俊杰，趙婷，楊萬福，孔偉，葉紅強，尚鈞

寧夏醫科大學總醫院腫瘤醫院放療科，寧夏銀川750004

前言

腦預防性照射作為小細胞肺癌患者的標準治療手段，可有效降低腦轉移的發生率，提高患者生存率，但患者后期容易出現神經認知功能障礙［1］，造成遠期的認知功能損傷，臨床研究表明，位于海馬回的神經干細胞在神經認知功能中有著至關重要的作用，且神經干細胞對放射線的敏感性很強，這也是大多數肺癌腦預防照射患者治療后期出現不同程度神經認知功能障礙的主要原因［2-5］。為保護患者治療后期的認知功能，提高生存質量，提出了保護海馬的肺癌腦預防照射［6-7］。目前能實現保護海馬的放療技術主要有螺旋斷層放療系統（Tomotherapy,TOMO）、容積旋轉調強放療（Volumetric Modulated Arc Radiotherapy, VMAT）和調強適形放療（Intensity-Modulated Radiotherapy, IMRT），本機構采用的是Pinnacle 放療計劃系統中的IMRT 技術設計放療計劃，由于海馬在全腦組織中解剖位置的復雜性和特殊性，為滿足海馬劑量限量，海馬體周圍的劑量梯度變化很大，高劑量梯度對治療過程中患者擺位精度提出了更高的要求，因此很有必要研究擺位誤差引起的劑量偏差。有研究表明與隨機誤差相比，系統擺位誤差對劑量影響更顯著，且頭頸部腫瘤擺位誤差大多分布在3 mm 以下，很少出現大于3 mm 的情況［8-10］。基于此，本研究分析了1、3、5 mm 共3種系統擺位誤差對保護海馬腦預防照射劑量分布的影響。

1 材料與方法

1.1 病例選取

隨機選取寧夏醫科大學總醫院腫瘤醫院2018年～2019年小細胞肺癌患者20例，所有患者均未發生腦轉移。

1.2 定位及靶區勾畫

20 例患者均采取仰臥位，熱塑面罩固定，應用Philips大孔徑CT掃描定位，掃描層厚3 mm。在相同體位下，20例患者均行頭部核磁掃描，掃描層厚3 mm。將CT 定位圖像與MRI圖像進行圖像融合，由放療科醫生在定位CT 圖像中勾畫臨床靶區（Clinical Target Volume,CTV）和危及器官（海馬、眼球、眼晶體、視神經、視交叉），全腦CTV 外放3 mm 為計劃靶區（Planning Target Volume,PTV），海馬外放5 mm 為海馬劑量跌落區域。

1.3 計劃設計

在Pinnacle計劃系統上，分別為20例患者設計IMRT計劃，選用6 MV X 射線，采用9 個均分共面野（200°、240°、280°、320°、0°、40°、80°、120°、160°）和1個帶有90°床腳的非共面野照射，根據每個計劃的不同情況給予準直器一定的角度。處方劑量為2.5 Gy×10次，危及器官劑量限值：海馬≤10 Gy、眼球≤9 Gy、晶體≤8 Gy、視神經≤30 Gy、視交叉≤30 Gy。

1.4 系統擺位誤差的模擬

在Pinnacle 計劃系統中，通過移動放療計劃的等中心，分別模擬患者在三維6 個方向（左/右、頭/腳、腹/背）上的系統擺位誤差。移動等中心后的計劃，在不做通量計算的情況下，重新計算劑量分布。每例患者在原計劃的基礎上共生成18 例計劃，所有患者共生成360例計劃。

1.5 計劃評估

移動等中心前后，比較不同系統擺位誤差下，CTV和危及器官劑量分布的變化情況，分析X、Y和Z方向的系統擺位誤差對靶區和危及器官劑量影響的靈敏度差異。患者計劃評估指標有：CTV D90（90%靶區所接受的劑量），海馬、眼球、晶體、視神經和視交叉最大劑量（Dmax）。劑量變化=（D系統擺位誤差-D原計劃）/D原計劃×100%。

1.6 統計學方法

使用SPSS 軟件對數據進行統計學處理，在三維6 個方向上分別對模擬系統擺位誤差前后的靶區和危及器官劑量進行配對樣本t檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量分布變化

表1列出了1、3 和5 mm 系統擺位誤差下CTV D90劑量變化百分值以及靶區劑量變化的配對t檢驗結果。當系統擺位誤差為1、3和5 mm時，CTV D90在三維6 個方向上的劑量變化均值均＜2%，且在腳方向劑量變化最大，其次是頭方向；誤差為1 mm 時，除了腳方向，有統計學意義（P＜0.05），其余5 個方向的，沒有統計學意義（P＞0.05）；誤差為3 mm 時，頭腳方向，有統計學意義（P＜0.05）；誤差為5 mm 時，頭腳方向和背部方向，有統計學意義（P＜0.05）。

表1 CTV D90劑量變化均值（%）Tab.1 The mean percent dose deviation of CTV D90(%)

20 例放療計劃在三維6 個方向上的靶區劑量變化結果見圖1～圖3，由圖可更明顯地看出三維6 個方向上的系統擺位誤差對靶區CTV D90劑量影響的敏感度，腳方向的擺位誤差對靶區劑量影響最敏感，頭方向次之。

圖1 1 mm系統誤差CTV D90劑量變化分布圖Fig.1 Dose deviation distribution of CTV D90 for 1 mm systematic setup errors

2.2 危及器官劑量分布變化

表2列出了三維6 個方向的系統擺位誤差引起的海馬體劑量變化百分值以及海馬劑量變化的配對t檢驗結果。系統擺位誤差為1 mm 時，左右方向和頭腳方向海馬體劑量變化均值均大于3%，且頭腳方向劑量變化均值大于左右方向，腹背方向海馬劑量變化均值小于3%；系統擺位誤差為3 mm 和5 mm時，海馬在三維6 個方向的劑量變化百分值均超過10%；除1 mm 誤差下背部方向，無統計學意義外（P＞0.05），其余擺位誤差下所有方向，有統計學意義（均P＜0.05）。

表2 原計劃和模擬計劃間的海馬劑量變化百分值（%）Tab.2 Mean percent dose deviation of the hippocampus between simulation plan and normal plan(%)

表3為劑量變化頻率分布結果。系統誤差為1 mm時，海馬、眼球和晶體的劑量變化超過3%的頻率均超過了30%，劑量變化超過5%的頻率均超過了10%，視神經和視交叉均未出現劑量變化超過5%的情況，說明1 mm 系統擺位誤差對海馬、眼球和晶體的劑量變化影響非常顯著。當系統擺位誤差為3 mm時，所有危及器官（海馬、眼球、晶體、視神經、視交叉）劑量變化超過3%的頻率均大于20%，海馬體劑量變化超過10%的頻率達到了97.62%，左右眼球和左右晶體劑量變化超過10%的頻率分別是69.05%、66.67%、30.95%和25.00%，只有視交叉劑量變化未超過10%。當系統擺位誤差為5 mm 時，所有危及器官（海馬、眼球、晶體、視神經、視交叉）劑量變化超過3%的頻率均大于40%，海馬體、眼球劑量變化超過10%的頻率超過了89%，左右晶體、左右視神經劑量變化超過10%的頻率分別是52.38%、44.05%、26.19%和23.81%，視交叉劑量變化超過10%的頻率達到了2.38%。隨著擺位誤差的增加，造成危及器官劑量變化也越來越大。

表3 危及器官劑量變化頻率分布（%）Tab.3 Probability of organs-at-risk dose deviation(%)

3 討論

由于海馬解剖結構的復雜性和特殊性，為達到保護海馬的目的，防止放療后發生認知功能損傷，在放療計劃設計的過程中，海馬區會形成很高的劑量梯度，高劑量梯度對放療的精確擺位提出了更高的要求，臨床研究表明3%～5%的劑量改變會降低腫瘤的控制率以及增加正常組織的并發癥［11-16］，因此研究擺位誤差對劑量的影響具有非常重要的意義。

相關研究表明隨機誤差所引起的劑量偏差具有隨機性，在分次治療的過程中隨機誤差在各個方向是隨機出現的，對劑量分布影響較小，而系統誤差會引起劑量線的整體偏移，對患者治療效果產生較大的影響［17-20］。臨床研究發現頭頸部患者的擺位誤差基本在3 mm 左右，很少出現超過3 mm 的情況［21-22］，基于此筆者只研究了1、3和5 mm 系統擺位誤差對劑量的影響。

通過模擬系統擺位誤差發現1、3和5 mm 系統擺位誤差引起的CTV 在三維6 個方向的劑量變化均值均小于2%。誤差為1 mm時，只有腳方向，有統計學意義（P＜0.05）；誤差為3 mm時，頭腳方向，有統計學意義（P＜0.05）；誤差為5 mm 時，頭腳方向和背部方向，有統計學意義（P＜0.05），說明系統擺位誤差對靶區劑量影響較小，CTV 外擴3 mm 形成的PTV 足以保證靶區接受足夠的處方劑量的照射。而針對危及器官的研究發現當系統擺位誤差為1mm 時，海馬區劑量變化超過3%的頻率為57.14%，超過5%劑量變化的頻率為26.19%；眼球及眼晶體的劑量變化均超過了5%且頻率均大于10.00%；當系統擺位誤差為3 mm時，海馬、眼球、眼晶體和視神經的劑量變化均超過了10%，僅視交叉的劑量變化未超過10%；當系統擺位誤差為5 mm 時，所有危及器官的劑量變化均超過了10%。對比靶區和危及器官受系統擺位誤差的影響結果發現：系統擺位誤差達到5 mm 時，靶區CTV 劑量變化結果均值仍小于2%；系統擺位誤差僅為1 mm時，引起海馬、眼球和晶體劑量變化超過3%的頻率超過了30%。說明系統擺位誤差對危及器官（尤其是海馬、眼球和眼睛體）造成的劑量變化影響大于CTV，造成以上這種結果的主要原因是：（1）CTV 和海馬之間的高劑量梯度變化。由于海馬體位于CTV之內，為滿足靶區處方劑量覆蓋率的同時達到保護海馬的臨床要求，會在海馬體周圍形成高劑量梯度；（2）眼球和眼晶體位于靶區和海馬體的附近，且眼球臨床劑量限值要低于900 cGy，因此眼球周圍的劑量梯度變化也很大，對系統擺位誤差同樣很敏感。

對比靶區和海馬在三維6 個方向的對系統擺位誤差的敏感度發現CTV 和海馬均在頭腳方向誤差敏感度最大，這與海馬在全腦組織中的解剖結構有關。因此，在實際治療的過程中尤其需要注意頭腳方向的擺位誤差，對保護海馬的全腦預防性照射患者可以考慮采用圖像引導放療技術或者自適應技術來減少擺位誤差，提高治療的精確度。

本研究所選取的患者數量有限，且患者均來于寧夏醫科大學總院腫瘤醫院，在患者病歷選取上可能存在局限性；僅僅討論了患者治療過程中引起劑量偏差的一個因素，對可能引起劑量偏差的其他因素（隨機誤差、葉片間的漏射等）缺乏系統性的研究，在今后的研究中應系統地考慮以上因素對劑量偏差的影響。