基于SBRT計劃的四維劑量學評估

王成 李玉成 賈勇士 詹文明 李強 趙桂芝 楊帆 陳維軍*

隨著物理技術和計算機技術的發展，四維CT（4DCT）技術逐漸被應用于放射治療，尤其對于體部立體定向治療（stereotatic body radiotherapy，SBRT）的靶區定位和勾畫極為重要［1-2］。國內外大多學者是基于平均密度投影（average intensity projection，AIP）圖像來計算靶區和危及器官受到的劑量，稱之三維劑量計算，而對于四維的劑量計算國內外較少有研究。本研究主要對4D-CT的10個呼吸時相上的劑量進行加權計算，得到靶區和危及器官的四維劑量分布，以求更為精確地評估患者所受的劑量。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選取2018年1月至2018年6月在浙江省人民醫院接受放射治療的非小細胞肺癌患者20例。其中，男12例，女8例；左肺癌16例，右肺癌4例；年齡47～87歲，中位年齡為65歲；GTV體積0.52～44.64 cm3，中位數為8.45 cm3。本研究經醫院醫學倫理委員會批準，所有患者簽署知情同意書。

1.2 研究方法 患者采取雙手上舉仰臥位，使用熱塑體模或真空墊進行體位固定。使用飛利浦32排大孔徑CT模擬定位，行4D-CT掃描，要求患者自由呼吸，掃描層厚為3 mm，同時使用RPM呼吸門控系統獲取患者呼吸波形，重建呼吸周期的10個呼吸時相，并根據10個呼吸時相重建最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）、最小密度投影（minimum intensity projection，MinIP）和AIP圖像序列，用于生成內靶區（inter target volume，ITV）和放療計劃的設計［3-4］，由放療醫生根據ICRU報告［5-6］進行靶區和危及器官的勾畫，在0%～90%的10個時相上逐個勾畫腫瘤區（gross tumor volume，GTV），然后將10個GTV疊加至AIP圖像形成ITV，再將ITV外擴0.5 cm形成計劃靶區（planning target volume，PTV）。采用RayStation v4.7治療計劃系統為患者設計SBRT計劃，所有計劃均在AIP圖像上進行設計評估［7］，劑量算法使用系統自帶的筒串卷積算法（collapsed cone convolution，CCC），使用IMRT技術，每個病例均給予13個射野，每個射野只給1個子野進行計算。相鄰射野間的間距為20°或25°，劑量計算網格為0.3 cm，給予PTV95% 達到5000 cGy 的處方劑量，5×1000 cGy 的分次劑量，劑量評估標準參考AAPM 101報告［8］。在AIP圖像上得到的劑量定義為三維劑量計算，然后將其通過Raystation自帶的混合形變配準技術，分別映射到0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%這10個呼吸時相中，并分別對10個呼吸時相上的劑量分布給予10%的劑量權重進行疊加，即四維劑量。

1.3 3D/4D劑量評估指標 分別對3D和4D劑量計算適形指數（conformity inde，CI），即處方量劑量線包含的體積與PTV體積的比值，CI=（VT，ref/VT）（VT，ref/Vref），其中VT，ref為參考等劑量線面所包圍的靶區體積，VT為總的靶區體積，Vref為參考等劑量線面包圍的所有區域體積，CI越接近1則表示適形度越好［9］。D2cm，PTV外任意方向2 cm處的最大劑量；R50%，50%處方劑量線包含的體積與PTV體積的比值；Dx，x%的體積包含的劑量；Dxcc，xcc的體積受到的劑量；PTV劑量；Spinal Cord劑量；Chest Wall劑量；Lung劑量；同時計算3D劑量與4D劑量之間的偏差，diff=（4D-3D）/3D，并使用GraphPad Prism 5作圖。

1.4 統計學方法 采用SPSS 20. 1 統計軟件。計量資料以（±s）表示，符合正態分布采用配對樣本t檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區和危及器官的4D/3D劑量值比較 通過4D和3D劑量評估的靶區和危及器官的劑量學比較獲得PTV的劑量體積Dx以及CI、D2cm。脊髓的D0.1cc，胸壁的D0.1cc、D3cc、D30cc和肺的V1250cc、V1350cc劑量學差異均有統計學意義（P＜0.05）。肺的V1000、V20、Dmean及心臟的Dmean、R50%劑量學差異均無統計學意義（P＞0.05）。見表2。

表2 靶區和危及器官的4D/3D劑量值比較（±s）

表2 靶區和危及器官的4D/3D劑量值比較（±s）

項目 4D 3D t值 P值Dmax（cGy） 6913.45±163.25 6936.45±158.87 -6.46 ＜0.001 D99（cGy） 4718.35±62.16 4728.15±52.64 -2.16 0.040 D98（cGy） 4829.20±49.10 4844.70±37.13 -3.07 0.010 D95（cGy） 4985.85±23.25 5000±0 -2.72 0.010 PTV Dmean（cGy） 5807.90±82.76 5836.85±90.80 -2.59 0.020 D50（cGy） 5806.45±93.36 5824.95±98.06 -3.18 0.010 D2（cGy） 6779.75±164.59 6804.00±160.28 -7.13 ＜0.001 D1（cGy） 6834.70±164.15 6862.85±158.99 -7.56 ＜0.001心臟 Dmean（cGy） 119.05±134.11 119.15±134.34 -0.10 0.330脊髓 D0.1cc（cGy） 1254.95±530.95 1254.10±531.12 2.90 0.010胸壁 D30cc（cGy） 1908.35±702.36 1910.50±702.96 -3.23 ＜0.001 D3cc（cGy） 3422.60±1406.02 3429.60±1409.58 -4.92 ＜0.001 D0.1cc（cGy） 4428.70±1786.56 4440.90±1796.92 -2.97 0.010肺V1000（%） 6.15±3.08 6.16±3.08 -1.80 0.090 V1250（cc） 235.71±124.96 235.98±124.85 -2.53 0.020 V1350（cc） 216.91±119.23 217.15±119.09 -2.27 0.040 V2000（%） 4.38±2.44 4.39±2.44 -1.68 0.110 Dmean（cGy） 351.90±136.29 352.15±136.39 -1.42 0.170 R50%4.97±0.73 4.95±0.74 1.08 0.290 D2cm（cGy） 1235.80±281.63 1238.85±281.74 -2.16 0.040 CI 0.89±0.03 0.88±0.03 2.16 0.040

2.2 靶區和危及器官的4D/3D劑量偏差比較 PTV的Dmean差異值變化幅度最大，浮動范圍在-3.62%～0.95%，平均值偏差為-0.5%。PTV的D2差異值變化最小，浮動范圍在-0.82%～-0.04%，平均值偏差為-0.36%。除CI的偏差比較大之外，靶區和危及器官的平均劑量偏差均在±0.5%以內。見表3和圖1-4。

表3 靶區和危及器官的4D/3D劑量偏差比較（%）

圖1 胸壁4D/3D 劑量偏差

圖2 脊髓及肺的4D/3D 劑量偏差

圖3 肺的4D/3D劑量偏差

圖4 PTV的4D/3D 劑量偏差

3 討論

呼吸運動導致的腫瘤和危及器官運動是放射治療中劑量不確定因素之一，會影響放療中腫瘤劑量學的改變，主要是調強放療中因器官運動引起的相互運動效應和射野邊緣的劑量鈍化的劑量梯度效應［10］。RAO等［11］研究發現，使用VMAT或IMRT技術得到肺癌的SBRT計劃，由相互作用導致的劑量偏差約為1%，故認為可以忽略不計。為了減少劑量梯度效應，放射治療中引入ITV概念，即通過4D-CT重建的不同時相得到腫瘤的運動范圍，以保證腫瘤在自由呼吸時相下可得到足夠的劑量照射，但只適合靶區劑量比較均勻的放療計劃，否則會使得靶區得不到足夠的劑量或者導致危及器官劑量偏高。本研究對20例SBRT計劃的三維劑量計算值引入時間效應，通過計算腫瘤和危及器官的4D劑量來評估放療計劃，進而為精確放療提供理論依據。

本研究通過比較3D與4D劑量評估發現，除了肺的V1000、V2000、Dmean和心臟的Dmean劑量學差異無統計學意義（P＞0.05），其余靶區和危及器官的劑量學差異均有統計學意義（P＜0.05），還發現呼吸運動會導致靶區出現略微位移，造成靶區實際劑量稍微低于計劃劑量。另外，個別病例PTV的Dmean劑量差異較大，而D99、D1的劑量差異較小，分析認為是該患者呼吸運動幅度較大，導致PTV高劑量區域偏移，受照靶區體積大幅度減少，從而導致Dmean劑量體積減小。從表2中可見，胸壁的D3cc、D0.1cc標準差比較大，是因為有些患者的腫瘤靠近靶區而有些患者的腫瘤沒有靠近靶區，使得胸壁的D3cc、 D0.1cc劑量變化比較大。從表3中可知，平均劑量偏差最小的是心臟的Dmean為-0.01%，CI的平均偏差最大為1.14%，PTV的所有劑量學參數Dx和胸壁的D30cc、D3cc、D0.1cc以及肺的V1250、V1350中4D計算的劑量值都小于3D計算的劑量值，所以可在劑量評估時對上述臨床目標限值進行一定的放寬，而其它的臨床目標需要在制定計劃時單獨進行4D劑量計算的評估。從圖1-4中可以看出，CI的波動范圍最大為-4.49%～3.57%，所以在進行計算時要重點考慮CI的變化；脊髓的波動范圍較小為-0.88%～0%，但是對于一些靶區靠近脊髓的病例，仍需謹慎評估其劑量。所有靶區的劑量偏差范圍為-3.62%～1.24%，危及器官偏差范圍為-2.14%～0.99%，與EHRBAR等［12］的研究的結果有差異，考慮原因有以下幾個方面：（1）病種選擇與計劃方式不同，EHRBAR等選擇3例肝癌、3例腎上腺癌和3例肺癌，使用的是VMAT容積旋轉調強技術，而筆者選取的是20例非小細胞肺癌，采用SBRT單子野調強技術；（2）EHRBAR等只評估了靶區和危及器官的劑量，本研究還增加了CI、D2cm評估，而且主要差異來源于CI；（3）不同國家患者體質的差異會導致呼吸幅度不一樣。本研究證明，僅依據平均密度投影評估患者體內劑量分布是不足的，當患者呼吸信號與定位一致時，部分器官劑量分布存在差異，致使部分危及器官劑量接近臨界的患者缺乏有效的評價工具。MAO等［13］亦指出，使用靜態劑量計算可能嚴重低估移動靶區的實際劑量，導致靶區劑量評估不準確。本研究前提假設所有時相受照射的時間是均勻的，與實際情況并不一致，后續若利用治療中患者的呼吸狀態參數來分配劑量權重，可進一步提高4D劑量計算的可靠性。