CyberKnife等中心及非等中心立體定向治療計(jì)劃質(zhì)量及效率評價(jià)

樸俊杰　徐壽平　王金媛　曲寶林　段學(xué)章　鞏漢順　徐慧軍

100853 解放軍總醫(yī)院(樸俊杰，徐壽平，王金媛，曲寶林，鞏漢順)；100039 解放軍第302醫(yī)院(樸俊杰，段學(xué)章，徐慧軍)

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·臨床研究·

CyberKnife等中心及非等中心立體定向治療計(jì)劃質(zhì)量及效率評價(jià)

樸俊杰徐壽平王金媛曲寶林段學(xué)章鞏漢順徐慧軍

100853 解放軍總醫(yī)院(樸俊杰，徐壽平，王金媛，曲寶林，鞏漢順)；100039 解放軍第302醫(yī)院(樸俊杰，段學(xué)章，徐慧軍)

【摘要】目的探討并評價(jià)CyberKnife(CK)系統(tǒng)利用等中心和非等中心兩種計(jì)劃模式立體定向治療計(jì)劃(SRT)的劑量學(xué)特性及差異。方法將18例腫瘤患者分為A、B兩組：A為小體積組即腫瘤大小在3 cm以下；B為大體積組即腫瘤大小在3 cm以上。每組9例患者計(jì)劃分別給予同一處方劑量條件40 Gy/5F。在相同的條件下，分別以等中心和非等中心兩種布野方式立體定向治療技術(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的計(jì)劃，通過其靶區(qū)適形指數(shù)(CI)、非均勻指數(shù)(HI)、梯度指數(shù)(GI)和危及器官等劑量學(xué)參數(shù)，分析評估SRT計(jì)劃優(yōu)化質(zhì)量及實(shí)施效率，從而實(shí)現(xiàn)評價(jià)兩種治療模式的劑量學(xué)差異。結(jié)果等中心組計(jì)劃執(zhí)行的平均治療時(shí)間 (P=0.002)及機(jī)器MUs(P<0.001)明顯優(yōu)于非等中心組； CI均值(A：P=0.027；B：P=0.007)和GI均值(A：P<0.001；B：P<0.001)分別小于非等中心組； HI均值則略高于非等中心組(A：P=0.029；B： P<0.001)；A組平均劑量歸一值(P=0.011)等中心組優(yōu)于非等中心組，而B組(P=0.012)等中心組低于非等中心組。結(jié)論等中心治療模式在治療時(shí)間、MU數(shù)及GI上均優(yōu)于非等中心，在CI和 HI上略低于非等中心模式。小體積腫瘤可考慮等中心治療模式，而大體積腫瘤則宜用非等中心治療模式；但仍需更多的臨床病例給予研究。

【關(guān)鍵詞】CyberKnife；等中心；非等中心；計(jì)劃質(zhì)量；劑量學(xué)

(ThePracticalJournalofCancer,2016,31:747～751)

立體定向放射治療(stereotactic radiation therapy,SRT)作為1種外照射治療技術(shù)方法，目前主要采用單次或少數(shù)分次精確地對腫瘤靶區(qū)進(jìn)行高劑量照射。SRT主要特點(diǎn)就是對腫瘤靶區(qū)實(shí)施準(zhǔn)確的高劑量照射同時(shí)實(shí)現(xiàn)靶區(qū)外劑量快速地遞減。結(jié)合生物學(xué)特性，采用SRT技術(shù)腫瘤可能會得到更高的等效生物劑量，從而獲得更佳的臨床療效[1-2]。近年來研究人員采用SRT技術(shù)包括CyberKnife(Accuray,CA,USA)技術(shù)[3]，已經(jīng)在腫瘤治療中取得了可喜的臨床結(jié)果[4-6]。CK系統(tǒng)利用較好的圖像引導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確地照射靶區(qū)劑量；通過等中心/非等中心多野聚焦方式從而形成腫瘤靶區(qū)周圍陡峭的劑量分布。本研究目的是評價(jià)CK系統(tǒng)等中心計(jì)劃的劑量分布及其可行性，進(jìn)而評估等中心與非等中心兩種模式治療計(jì)劃之間劑量學(xué)特性及差異。

1資料與方法

1.1病例選擇

選取自2013年1月至2014年5月期間在解放軍第302醫(yī)院腫瘤放射治療中心行CyberKnife立體定向放療的患者18例，男性14例，女性4例，年齡21～73歲，中位年齡54歲，其中頭頸部腫瘤患者6例，肺部腫瘤患者6例，腹部腫瘤患者6例。根據(jù)腫瘤大小分為A、B兩組(表1)，其中A為小靶區(qū)組(靶區(qū)大小在3 cm以內(nèi))，B為大靶區(qū)組(靶區(qū)大小在3～5 cm)；每組共9例患者，其中頭頸、肺及腹部腫瘤各3例。

表1　2組靶區(qū)體積的比較

1.2體位固定和CT掃描

根據(jù)CK系統(tǒng)的定位要求[7]，患者采用仰臥位，雙手放于身體兩側(cè)，頭頸部腫瘤患者采用熱塑膜與頭枕配合固定，體部腫瘤患者采用真空墊固定，患者于SIEMENS SOMATOM 40排CT下進(jìn)行掃描，掃描條件為電壓120 kV，電流400 mA，層厚1 mm，總長度大于20 cm，總層數(shù)要求小于512層。

1.3靶區(qū)及危及器官的勾畫

CT掃描后將患者影像由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紺K系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器(CyberKnife Data Management System,CDMS)，使用其配套的TPS(MultiPlan,Ver4.0.2)進(jìn)行圖像的融合及配準(zhǔn)，并勾畫出相應(yīng)的腫瘤靶區(qū)及其危及器官結(jié)構(gòu)。

1.4處方劑量的要求

本研究僅從劑量學(xué)特性角度對比兩種方法的差異，為了便于比較，研究將不同腫瘤患者的處方劑量統(tǒng)一為40 Gy/5F。

1.5計(jì)劃設(shè)計(jì)

所有計(jì)劃都在MultiPlan工作站上完成，對每個(gè)患者設(shè)計(jì)兩套不同的治療計(jì)劃，即等中心與非等中心計(jì)劃，分別選取單個(gè)準(zhǔn)直器[8]完成計(jì)劃，根據(jù)TG-101[9]報(bào)告，設(shè)置相同的條件且危及器官受量均在要求范圍內(nèi)。

1.6計(jì)劃比較

根據(jù)分組，對比分析其靶區(qū)適形指數(shù)(conformity index,CI)、非均勻指數(shù)(homogeneity index,HI)、梯度指數(shù)(gradient index,GI)與危及器官等劑量學(xué)參數(shù)，以及機(jī)器跳數(shù)(MUs)、治療時(shí)間(Time)等參數(shù)評估SRT計(jì)劃優(yōu)化質(zhì)量及實(shí)施效率情況[10]。

1.7數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 16.0進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，采用配對t檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

兩組(A為小靶區(qū)組，B為大靶區(qū)組)等中心/非等中心治療計(jì)劃均獲得了較好的劑量分布，滿足99%的靶區(qū)體積均接受95%處方劑量的條件，各劑量學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見表2。

表2　2種計(jì)劃的劑量學(xué)參數(shù)比較±s)

2.1靶區(qū)覆蓋

兩種計(jì)劃方式所得到的劑量分布不同，并且在A、B組中分布也存在差異，分別見圖1、2及表2。

圖1　A組等中心(上)與非等中心(下)治療計(jì)劃橫斷、矢狀及冠狀面劑量分布情況

圖2　B組等中心(上)與非等中心(下)治療計(jì)劃橫斷、矢狀及冠狀面劑量分布情況

靶區(qū)適形指數(shù)(CI)[11]用來表示處方劑量體積(PIV)與靶區(qū)PTV的相對位置關(guān)系，定義為：(被處方劑量線包繞的PTV體積)2/(PTV體積×PIV)。該指數(shù)反映了處方劑量覆蓋靶區(qū)的質(zhì)量以及接受處方劑量的正常組織體積。一個(gè)完美的治療計(jì)劃CI等于1.00，即PTV完全為處方劑量線包繞。A、B兩組P值均小于0.05，且等中心組均值明顯小于非等中心組，說明無論靶區(qū)大小，非等中心組靶區(qū)適形指數(shù)CI明顯優(yōu)于等中心組。

靶區(qū)非均勻指數(shù)(HI)[12]被定義為PTV劑量最大值和最小值之差與平均劑量的比值。這意味著：當(dāng)該指數(shù)為零時(shí)PTV劑量分布將是最均勻的。A、B兩組P值均小于0.05，即兩組都有差異，且等中心組均值明顯大于非等中心組，因此說明無論靶區(qū)大小，非等中心組靶區(qū)HI明顯優(yōu)于等中心組。

靶區(qū)梯度指數(shù)(GI)[13]用來反映在靶區(qū)以外的劑量跌落。PIV外低劑量線可能覆蓋更多的正常組織，并且可以解釋放療所產(chǎn)生的并發(fā)癥，特別是當(dāng)靶區(qū)接近危及器官時(shí)。這個(gè)指數(shù)被定義為 1/2 處方劑量所圍繞的全部體積與PIV的比值。GI值低表示劑量跌落快。A、B兩組P值均小于0.05，即兩組都有差異，且等中心組均值明顯大于非等中心組，因此說明無論靶區(qū)大小，等中心組GI明顯優(yōu)于非等中心組。

劑量歸一值指處方劑量所賦予的相對等劑量線。如表2所示A組P值小于0.05，且等中心組平均劑量歸一值明顯大于非等中心組，說明小靶區(qū)中等中心組計(jì)劃質(zhì)量優(yōu)于非等中心組；B組P值小于0.05，且非等中心組平均劑量歸一值明顯大于等中心組，說明大靶區(qū)中非等中心組計(jì)劃質(zhì)量要優(yōu)于等中心組。

2.2治療效率參數(shù)比較

治療效率也作為評估兩種計(jì)劃的指標(biāo)，表2評估了治療時(shí)間(Time)及總機(jī)器跳數(shù)(MUs)。

治療時(shí)間(Time，單位min)作為治療效率最直觀的參數(shù)，A、B兩組P值均小于0.05，且等中心組均值明顯小于非等中心組，因此說明無論靶區(qū)大小，等中心組計(jì)劃治療時(shí)間明顯優(yōu)于非等中心組。

總機(jī)器跳數(shù)(MUs)能夠客觀地體現(xiàn)機(jī)器的負(fù)荷情況，A、B兩組P值均小于0.05，且等中心組均值明顯小于非等中心組，因此說明無論靶區(qū)大小，等中心組治療計(jì)劃MUs明顯優(yōu)于非等中心組。

2.3正常組織受量

研究中還分析了計(jì)劃中正常組織受量，正常肝和肺的體積-劑量參數(shù)情況，見表2。

正常肝臟平均受量，被定義為剔除腫瘤靶區(qū)的正常肝臟體積所受到的平均劑量。A組P值小于0.05，且等中心組均值明顯小于非等中心組，因此說明小靶區(qū)中等中心組正常肝臟平均受量明顯好于非等中心組。B組P值大于0.05，因此說明在大靶區(qū)兩組的正常肝臟平均受量無明顯差異。

正常肺平均受量，被定義為剔除腫瘤靶區(qū)的正常肺體積所受到的平均劑量。A組P值小于0.05，且等中心組均值明顯小于非等中心組，因此說明小靶區(qū)中等中心組正常肺平均受量明顯優(yōu)于非等中心組。B組P值大于0.05，因此說明在大靶區(qū)中兩組的正常肺平均受量不存在明顯差異。

3討論

在SRT治療條件下，CK系統(tǒng)等中心及非等中心治療計(jì)劃基本均能滿足臨床的劑量分布和劑量學(xué)參數(shù)要求。盡管兩種治療模式劑量分析存在一些差異，但臨床上不易辨別其優(yōu)劣，最大的可能是因不同治療照射技術(shù)的特點(diǎn)所致[14]。

CK系統(tǒng)是基于圓形準(zhǔn)直器的立體定向放射治療系統(tǒng)，其利用非適形圓形輻射野實(shí)現(xiàn)了非共面的疊加式劑量照射，容易導(dǎo)致靶區(qū)組織中冷、熱點(diǎn)的出現(xiàn)[4]。而這些冷熱點(diǎn)可能會引起該技術(shù)具有比常規(guī)調(diào)強(qiáng)或旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療(Tomotherapy或VMAT)等技術(shù)更不均勻的劑量分布。假如腫瘤靶區(qū)和危及器官受量均滿足SRT臨床劑量要求的話，那么可精確地預(yù)見的是兩種治療模式在腫瘤控制概率及并發(fā)癥上應(yīng)該無明顯差別。許多立體定向放射治療的研究顯示，通過利用均勻或非均勻劑量分布都可以獲得良好的腫瘤控制率[6,15]。而SRT中劑量均勻或非均勻的重要性是有爭議的[16]。

CK治療系統(tǒng)最明顯的優(yōu)勢是利用立體X線成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)精確地追蹤運(yùn)動靶區(qū)進(jìn)行照射[17]，從而可更有效地減少周圍正常組織損傷[18]。然而，由于SRT中較高的處方劑量、射野束多及其束流強(qiáng)度調(diào)制的復(fù)雜性，治療期間分次內(nèi)需對運(yùn)動靶區(qū)的予以實(shí)時(shí)修正，從而導(dǎo)致了治療時(shí)間的增加。本研究結(jié)果表明，相比于非等中心治療，等中心治療計(jì)劃可達(dá)到較為理想的劑量分布，同時(shí)顯著地減少了治療時(shí)間和機(jī)器MUs，CK系統(tǒng)治療頭內(nèi)無束流均整器而形成較為陡峭的離軸束流曲線分布。因而不難理解，表2中腫瘤大小A、B組之間采用等中心治療模式HI值存在明顯的差異問題。另外，等中心及非等中心兩種治療模式中HI值A(chǔ)組(P=0.029)、B組(P<0.001)均存在差異，進(jìn)一步說明CK系統(tǒng)中無均整束流會對等中心治療靶區(qū)的均勻性存在較大的影響，從而導(dǎo)致臨床中無論大、小靶區(qū)一般利用準(zhǔn)直器實(shí)施非等中心照射技術(shù)的現(xiàn)狀。本研究根據(jù)實(shí)際的臨床需要，針對不同患者的腫瘤可選擇不同的治療模式，以期充分利用并發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

總之，等中心治療模式在治療時(shí)間、機(jī)器MU數(shù)及GI上均優(yōu)于非等中心，但是在靶區(qū)適形指數(shù)(CI)和非均勻指數(shù)(HI)上略低于非等中心模式，考慮到腫瘤大小對2種模式下處方劑量歸一的影響，CK系統(tǒng)針對不同大小的腫瘤可采用不同模式設(shè)計(jì)治療計(jì)劃設(shè)計(jì)可能。臨床上體積小腫瘤(特別臨近較為重要危及器官)是可以考慮等中心治療技術(shù)，而大體積腫瘤則適用非等中心治療技術(shù)模式；但仍需更多的臨床病例及療效予以研究。

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(編輯：吳小紅)

Evaluation on Quality and Efficiency of Isocentric and Non-isocentric Stereotactic Treatment Plans From CyberKnife

PIAOJunjie,XUShouping,WANGJinyuan,etal.

GeneralHospitalofPLA,Beijing,100853

【Abstract】ObjectiveTo study the dosimetric charateristics and differences of Isocentric and non-isocentric stereotactic radiotherapy plans are used in CyberKnife system.Methods18 patients were divided into group A and group B.The size of tumors in group A was smaller than 3 cm,and the size of tumors in group B was more than 3 cm.Each group included 9 patients,and both groups were prescribed dose of 40 Gy/5F.The isocentric and non-isocentric techniques were independently used for designing the corresponding treatment plans.The dosimetric parameters,such as conformation index(CI),heterogeneity index (HI),gradient index (GI) and organs at risks (OARs),were used to evaluate the quality of optimization and efficiency of implementation of stereotactic radiotherapy plans for 2 techniques.ResultsThe average treatment time (A:P=0.002；B:P=0.002) and MUs of the machine (A:P<0.001;B:P<0.001) in the isocentric plans were obviously superior to the non-isocentric plans.The mean values of CI (A:P=0.027,B:P=0.007) and GI (A:P<0.001；B:P<0.001) for the isocentric group were slightly smaller than those of the non-isocentric group.And the mean values of HI (A:P=0.029,B：P<0.001)in the isocentric plans was larger than that in the non-isocentric plans.In group A,the normalized average dose (P=0.011) of the isocentric plans was superior to that of the non-isocentric plans.But in group B,the normalized average dose (P=0.012) of the isocentric plans was inferior to that of the non-isocentric plans.ConclusionThe isocentric plans are better than the non-isocentric plans in the treatment time,MUs and GIs.And it is inferior in CIs and HIs.The isocentric plans may be used for designing in small tumors and the non-isocentric plans may be better for large tumors.Of course,more clinical cases should be done for further research.

【Key words】CyberKnife;Isocentric;Non-isocentric;Quality of plans;Dosimetry

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(編號：61171005)

通訊作者：徐壽平

DOI：10.3969/j.issn.1001-5930.2016.05.015

中圖分類號：R730.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5930(2016)05-0747-05

(收稿日期2016-02-03修回日期 2016-03-15)