Avoidance Sectors在中段食管癌*VMAT放射治療計劃設(shè)計中的應(yīng)用

王嚴(yán)興 解傳濱 徐壽平 叢小虎 戴相昆 陳高翔 王金媛

Avoidance Sectors在中段食管癌*VMAT放射治療計劃設(shè)計中的應(yīng)用

王嚴(yán)興①解傳濱②*徐壽平②叢小虎②戴相昆②陳高翔②王金媛②

目的：探究Avoidance Sectors程序在中段食管癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(VMAT)計劃設(shè)計中的應(yīng)用效果。方法：選取8例中段食管癌放射治療患者，應(yīng)用Eclipse計劃系統(tǒng)分別設(shè)計4組雙弧容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療計劃。按照規(guī)避雙弧水平軸左右兩側(cè)各30°、60°及90°射野進行分組，分別命名為P30組、P60組、P90組及P0組(不進行射野角度規(guī)避)。對4組計劃靶區(qū)V95、V110、均勻性指數(shù)(HI)、適形指數(shù)(CI)及各危及器官(OAR)劑量體積參數(shù)進行分析比較，并通過機器跳數(shù)(MU)評估各計劃組實施效率。結(jié)果：4組計劃均實現(xiàn)了處方劑量對靶區(qū)的較好覆蓋，但HI與CI在角度規(guī)避后有不同程度降低，且規(guī)避角度越大，CI減小越明顯；雙肺低劑量體積尤其V5隨著規(guī)避射野角度的增大而明顯降低，而高劑量體積(V30、V40)有明顯增加的趨勢，且除P0組與P30組外，P0組與P60組、P0組與P90組、P30組與P60組、P30組與P90組、P60組與P90組高劑量體積差異均有統(tǒng)計學(xué)意義；但雙肺Dmean組間差別不大，僅P30與P90比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=2.945，P＜0.05)；脊髓Dmax的4組計劃無明顯差異；心臟V40、Dmean僅P30組小于P0組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義，其余計劃組隨規(guī)避角度的增大而增加；在實施效率方面，P60機器跳數(shù)最少(532.17±118.23)MU，且僅相較于跳數(shù)最多的P0(667.00±62.54)MU差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=4.265，P＜0.05)。結(jié)論:在中段食管癌雙弧VMAT放射治療計劃設(shè)計中，應(yīng)用Avoidance Sectors程序規(guī)避適當(dāng)射野角度可顯著降低雙肺低劑量體積，但在高劑量體積評估中不占優(yōu)勢，臨床應(yīng)用中可酌情選擇。

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療; Eclipse計劃系統(tǒng); 食管癌; 劑量學(xué)；放射治療；治療計劃系統(tǒng)

食管癌(esophageal carcinoma，EC)是臨床常見惡性腫瘤，放射治療是當(dāng)今EC的常規(guī)治療手段之一[1]。但是由于EC具有靶區(qū)形狀較不規(guī)則、與危及器官(organ at risk，OAR)臨近等特點，對放射治療計劃設(shè)計有較高的要求。隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(volumetricmodulated arc therapy，VMAT)已普遍應(yīng)用到常規(guī)臨床放射治療之中，相比較傳統(tǒng)的三維適形放射治療(3D-CRT)及靜態(tài)調(diào)強放射治療(sIMRT)，VMAT有較為明顯的優(yōu)勢，包括治療時間短、靶區(qū)劑量分布更為均勻和靶區(qū)適形度更高等[2-3]。VMAT廣泛應(yīng)用到病灶位于敏感組織內(nèi)部或臨近OAR的惡性腫瘤治療，包括腦部腫瘤、中央型肺癌和鼻咽癌及食管癌等[4]。

隨著動態(tài)調(diào)強放射治療在臨床中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外相關(guān)人士對此種調(diào)強放射治療方法的研究不斷深入，其弊端也逐漸凸顯。接受治療的患者放射性肺炎并發(fā)癥的發(fā)病率相比較其他放射治療方法有明顯升高，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和生存時間[5]。而在放射治療計劃的設(shè)計過程中，如何降低雙肺劑量，特別是低劑量輻射的體積成為近年來EC放射治療的研究熱點。

Eclipse計劃系統(tǒng)自帶的Avoiding Sectors模塊，可以在計劃設(shè)計中通過規(guī)避照射弧中一定射野角度，進而降低特定OAR的受量，此方法在胸部腫瘤的治療計劃設(shè)計中被廣泛采用，在盡量保留容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強優(yōu)勢的前提下為有效降低雙肺低劑量照射帶來可能，但對于其臨床應(yīng)用的方法與標(biāo)準(zhǔn)尚無相關(guān)報道。為此，本研究擬對Avoidance Sectors程序在中段食管癌雙弧VMAT計劃設(shè)計中的應(yīng)用進行細化分類，并對各自效果進行分析比較，以期為臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的選擇提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2015年5月至2016年12月解放軍總醫(yī)院放射治療科收治的8例食管癌中段患者，其中男性4例，女性4例，中位年齡為51歲，均經(jīng)病理活檢確診為鱗癌，TNM分期包括T2N0M0期1例、T3N0M0期2例、T3N1M0期4例及T4N1M0期1例，應(yīng)用Eclipse計劃系統(tǒng)設(shè)計雙弧容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療計劃。

1.2 儀器設(shè)備

所有患者定位掃描均采用SIEMENS大孔徑螺旋CT(型號：SOMATOM Definition As，德國SIEMENS)，計劃系統(tǒng)為Eclipse10.0(美國VARIAN)，治療系統(tǒng)為Varian Clinac iX直線加速器(美國VARIAN)。

1.3 靶區(qū)勾畫及計劃設(shè)計

所有患者均采用仰臥位熱塑體膜固定，CT定位機掃描，掃描層厚為3 mm。將定位圖像以DICOM格式經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至Eclipse計劃系統(tǒng)，根據(jù)ICRU50、62號文件由同一名醫(yī)師勾畫靶區(qū)及OAR，包括脊髓、雙側(cè)肺、心臟、胃和肝臟等，計劃靶區(qū)體積(planning target volume，PTV)平均為(499.42±122.47)ml[6]。處方劑量為：PGTV：63 Gy/30次，PTV：54 Gy/30次。

由同一名物理師進行輔助輪廓勾畫及放射治療計劃設(shè)計[7]。常規(guī)輔助輪廓包括PTV-PGTV(PTV靶區(qū)內(nèi)部扣除PGTV外擴間隔0.5 cm的體積)、CP(脊髓外擴0.3 cm的保護區(qū))、R1(PTV外0.5 cm處寬為1 cm的環(huán))及R2(靶區(qū)外1.5 cm處寬1 cm的環(huán))。采用順逆時針雙弧容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強模式進行計劃設(shè)計，拉弧角度設(shè)置為逆時針179.9°～180.1°、順時針180.1°～179.9°；劑量率常規(guī)設(shè)置為600 MU/ min，小機頭角度順時針設(shè)置為350°，逆時針設(shè)置為10°。計劃優(yōu)化前應(yīng)用Avoiding Sectors模塊，按照規(guī)避雙弧水平左右兩側(cè)各30°、60°及90°射野進行分組，分別命名為P30組、P60組、P90組和全弧計劃(P0)組(均不進行射野角度規(guī)避)，其中P30規(guī)避角度為75°～105°、255°～285°，P60為60°～120°、240°～300°、P90為45°～135°、225°～315°。計劃優(yōu)化目標(biāo)為處方劑量至少覆蓋95%的靶區(qū)體積，靶區(qū)最大劑量不超過處方劑量的110%。OAR劑量限制包括脊髓Dmax≤45 Gy，心臟V40≤45 Gy，雙肺V20≤25%，V5≤70%，以上危及器官在滿足劑量限制及處方劑量條件基礎(chǔ)上，需盡量降低雙肺受照劑量。

1.4 評價指標(biāo)

參照ICRU 83號報告，比較靶區(qū)、OAR和射野總跳數(shù)等參數(shù)指標(biāo)[7]。通過使用劑量體積直方圖(dose volume histogram，DVH)分析靶區(qū)：D95、D5、均勻指數(shù)(homogenization index，HI)、適形指數(shù)(Conformation index，CI)；OAR：雙肺V5、V10、V20、V30、V40，心臟V40、Dmean，脊髓Dmax；總機器跳數(shù)。HI=D5-D95÷DPTV，其中D5和D95為5%和95%計劃靶區(qū)體積所受照射劑量，DPTV即處方劑量。CI=VPTV95/ VT·VPTV95/VPTV，VPTV代表計劃靶區(qū)體積，VPTV95代表95%處方劑量線所包繞的計劃靶區(qū)體積，VT為95%處方劑量包繞的總體積。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS19.0統(tǒng)計學(xué)軟件對4組計劃劑量學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計，計量資料結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(x-±s)表示，采用分組配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 等劑量曲線評估

通過對等劑量曲線分布圖的評估發(fā)現(xiàn)，4種計劃方案均能實現(xiàn)處方劑量對靶區(qū)的較好覆蓋，在P0計劃中，5 Gy的等劑量曲線覆蓋了評估層面的全部肺組織，而隨著規(guī)避角度的增大，等角度劑量曲線分布前后走勢愈發(fā)明顯，進而低劑量(尤其5 Gy)所避讓的雙肺區(qū)域也明顯增加，但卻明顯的降低了靶區(qū)的適形性及均勻性，如圖1所示。

圖1 一例患者4種計劃等劑量曲線分布圖

2.2 DVH評估

通過對8例患者的平均DVH的比較分析發(fā)現(xiàn)，4組計劃方案均能實現(xiàn)處方劑量對靶區(qū)＞95%的覆蓋，脊髓最大劑量、心臟V40平均劑量均處在可接受范圍內(nèi)，且隨組別規(guī)避角度的增加，心臟及脊髓的平均劑量有所升高。雙肺V20、V5為主要限量標(biāo)準(zhǔn)，在對其增加權(quán)重并權(quán)衡其他OAR及靶區(qū)的情況下，規(guī)避角度的增加可顯著降低雙肺低劑量區(qū)體積分?jǐn)?shù)，但對高劑量區(qū)也有一定提高影響，如圖2所示。

圖2 各計劃組8例患者平均DVH

2.3 劑量學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

2.3.1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)

本研究4組計劃均實現(xiàn)了對靶區(qū)較好的劑量覆蓋，但隨著規(guī)避角度的不斷增大，CI與HI均有不同程度的降低。4組計劃的CI均值隨著規(guī)避角度的增加逐漸降低，其差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P0vsP60：t=2.844、P0vsP90：t=10.542，P＜0.05)，而且規(guī)避角度越大，CI值減小越明顯，且僅P0與P30的CI比較無統(tǒng)計學(xué)差異(t=0.193，P＞0.05)，見表1。

2.3.2 OAR劑量學(xué)參數(shù)

對4組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，雙肺低劑量區(qū)域體積(V5、V10)隨著規(guī)避角度的增大而明顯降低。其中P30、P60相比P0的雙肺V10無統(tǒng)計學(xué)意義。高劑量區(qū)域體積(V30、V40)隨著低劑量體積的降低有增加趨勢，除P0vsP30外均有統(tǒng)計學(xué)意義。雙肺Dmean均值隨著規(guī)避角度的增大，有先增大后減小的趨勢，但因組間數(shù)據(jù)差異較小且在可以接受范圍之內(nèi)，僅P30vsP90有統(tǒng)計學(xué)意義(t=2.945，P＜0.05)，故該差異可忽略不計，見表2。

表1 4組計劃靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較(±s)

表1 4組計劃靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較(±s)

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表2 雙肺劑量參數(shù)比較(±s)

表2 雙肺劑量參數(shù)比較(±s)

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對脊髓與心臟劑量學(xué)參數(shù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在滿足限值條件下，脊髓Dmax均值并無差異；心臟V40、Dmean除P30組小于P0組，其他計劃組隨著規(guī)避角度的增大而增加，見表3。

表3 心臟及脊髓劑量參數(shù)比較(±s)

表3 心臟及脊髓劑量參數(shù)比較(±s)

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2.4 計劃實施效率

對4組計劃的實施效率以機器跳數(shù)進行評價，隨著規(guī)避角度的增加，機器跳數(shù)均值先減小后增大，其中P60機器跳數(shù)最少為(532.17±118.23)MU。經(jīng)統(tǒng)計學(xué)處理比較P值，其他三組計劃實施效率明顯高于P0，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=3.371，t=4.265，t=2.571，P＜0.05)，其他組別計劃實施效率比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，見表4。

表4 4組計劃機器跳數(shù)統(tǒng)計(±s)

表4 4組計劃機器跳數(shù)統(tǒng)計(±s)

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3 討論

EC為靶區(qū)呈“長條狀”的常見惡性腫瘤疾病之一，臨床中針對EC患者常規(guī)采用化療聯(lián)合放射治療方法進行初步治療。而考慮到EC病灶解剖結(jié)構(gòu)的特殊位置，為降低肺臟的受照劑量，多數(shù)患者會采用靜態(tài)調(diào)強方法進行放射治療[8]。但其弊端亦非常明顯，靶區(qū)的適形度與劑量分布均較差，雖然能有效的預(yù)防放射性肺炎的發(fā)生，但其治療效果相對大打折扣，有時很難達到最為理想的治療效果[9]。

隨著放射治療技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，如今的放射治療手段已經(jīng)從單一的適形放射治療、靜態(tài)調(diào)強放射治療方式逐漸轉(zhuǎn)向動態(tài)調(diào)強、多模式圖像引導(dǎo)精準(zhǔn)放射治療，不同放射治療方法有其各自的優(yōu)勢所在。VMAT以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在實現(xiàn)對靶區(qū)更高適形度、更好均勻性的同時可明顯降低OAR的受照劑量。界內(nèi)一致認(rèn)同動態(tài)調(diào)強放射治療相比其他放射治療方式有更為明顯的優(yōu)勢與長遠的發(fā)展前景[10]。如今，VMAT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床多種惡性腫瘤的治療之中，并在臨床應(yīng)用實踐中凸顯出其他放射治療方式所不可替代的優(yōu)越性[11]。但由于其采用360°拉弧照射的方式，不可避免的帶來了低劑量輻射體積增加的風(fēng)險。而經(jīng)大量實證發(fā)現(xiàn)，放射性肺炎與放射治療肺部低劑量區(qū)受照面積有非常明顯的關(guān)系，雙肺V5、V20體積越大，放射性肺損傷的發(fā)生風(fēng)險越高；而傳統(tǒng)靜態(tài)調(diào)強放射治療雖然可以明顯降低雙肺V5、V20劑量體積，但又不能提供較好的靶區(qū)適形性與劑量均勻性，即會對臨近組織器官產(chǎn)生非常明顯的損傷[12-13]。Lin等[14]對不同解剖部位EC患者進行VMAT和調(diào)強放射治療技術(shù)(intensity modulation radiation therapy，IMRT)治療不良反應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，兩種治療方式對于肺部V5、V20比較均有顯著差異性，接受IMRT治療的患者肺部V5顯著低于VMAT，但V20卻高于VMAT。因此VMAT照射方式患者的放射性肺炎發(fā)病率顯著高于IMRT，進而可知VMAT在胸部(食管、肺)癌癥的放射治療應(yīng)用有很大的局限性，這也在很大程度上限制了EC患者對于放射治療技術(shù)的選擇[15]。

Avoiding Sectors是基于Eclipse系統(tǒng)弧形旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強放射治療方式的劑量優(yōu)化選項，即經(jīng)過特定旋轉(zhuǎn)角度時不實施照射，從而達到降低OAR受照劑量的目的。而關(guān)于此種程序的應(yīng)用在臨床中仍處于初期探索階段，應(yīng)用于中段食管癌放射治療的相關(guān)實證參考文獻較少。VMAT與IMRT應(yīng)用在EC放射治療中均有各自的優(yōu)勢，VMAT相比IMRT，EC放射治療的雙肺V5更高，嚴(yán)重限制了VMAT此種放射治療方式在EC放射治療中的應(yīng)用。因此，Avoiding Sectors劑量優(yōu)化選項擁有很高的臨床應(yīng)用價值，故本次研究具有一定的臨床計劃設(shè)計參考意義。

本研究雙肺劑量學(xué)統(tǒng)計結(jié)果顯示，應(yīng)用Avoiding Sectors規(guī)避一定角度的EC VMAT計劃方案相較于P0在顯著降低V5、V10劑量體積的同時也不同程度的增加了V20劑量體積，但均滿足了雙肺常規(guī)臨床治療對于V20限制條件(＜25%)。而在減少低劑量照射上雖然規(guī)避角度計劃可能沒有靜態(tài)調(diào)強放射治療方法更具優(yōu)勢，但其旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強的調(diào)制能力更高，可以得到更高靶區(qū)適形度與劑量均勻性，進而一定程度上既降低雙肺低劑量體積受量同時又能夠更好的保護靶區(qū)附近其他臨近正常組織。研究結(jié)果表明，P30組雙肺劑量參數(shù)的普遍增高，本研究認(rèn)為是由于規(guī)避射野角度過小且規(guī)避區(qū)域位于肺部中間區(qū)域，計劃優(yōu)化過程中在相同的目標(biāo)限制條件下，為了達到更好的靶區(qū)劑量均勻性而加大規(guī)避角度臨近射野區(qū)域的劑量權(quán)重，以至于間接增大了雙肺劑量。當(dāng)然，這在計劃的優(yōu)化過程中通過加大雙肺的限制權(quán)重可能得到有效改善，但相較于其他兩組規(guī)避方案的劑量學(xué)參數(shù)比較還是充分表明了30°規(guī)避方案的局限性，即規(guī)避射野角度過小(P30)，不僅不會有效減小雙肺低劑量受量體積，還可能存在增大雙肺平均劑量的風(fēng)險。而對于靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果可以看出，P0、P30、P60及P90計劃組之間除P0與P90外，靶區(qū)的D95%與D5%均無統(tǒng)計學(xué)差異，即4組計劃均能滿足處方劑量要求，但P0與P90計劃的均勻性指數(shù)相比較差異顯著，即隨著規(guī)避射野角度增大到一定程度，會影響到靶區(qū)的劑量均勻性；而適形指數(shù)同樣會隨著規(guī)避射野角度的增大而降低。

本研究雖得到關(guān)于Avoiding Sectors程序應(yīng)用在中段食管癌旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強的初步結(jié)果，但其中仍存在諸多不確定性因素，包括靶區(qū)形態(tài)、大小、位置和雙肺體積等，本研究所選取EC病例的靶區(qū)形狀、大小及位置等較為相似且樣本數(shù)較小，在實際臨床應(yīng)用中，由于個體間差異較大，因此在靶區(qū)與雙肺不同解剖關(guān)系的變化下，應(yīng)適當(dāng)改變規(guī)避射野角度大小與位置、以期達到更好的雙肺保護效果和靶區(qū)劑量分布。

Avoidance Sectors程序規(guī)避適當(dāng)射野角度(60°～90°)應(yīng)用于中段食管癌雙弧RapidArc模式放射治療計劃設(shè)計中，可顯著降低雙肺低劑量區(qū)體積受量，實際臨床應(yīng)用中可根據(jù)實際情況做適當(dāng)調(diào)整。

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Application of the avoidance sectors in the design of VMAT plan for midpiece esophageal carcinoma/WANG Yan-xing, XIE Chuan-bin, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):13-18.

Objective: To explore the application of Avoidance Sectors in the design of volumetric modulated arc therapy (VMAT) plan for midpiece esophageal carcinoma. Methods: 8 patients with midpiece esophageal carcinoma were selected. VMAT plans of 4 groups were designed by using the Eclipse planning system. According to four avoidance angle on the left and right sides of horizontal axis of double arc, the plans were divided into 4 groups (P0group, P30group, P60group and P90group) and the P0group didn't receive avoidance. A series of indicators, such as V95, V110, conformal index (CI), homogeneity index (HI) and dosage volume parameter of every organ at risk (OAR) of 4 planning target region groups, were compared, and then their implement efficiencies were evaluated through monitor unit (MU). Results: All of the 4 groups achieved appreciating cover for target region as prescription dosage, while HI and CI appeared decrease in different degree after angle was avoided, and the decrease of CI was obviously with the increase of avoided angle. The low dosage volume of double lung, especial the V5, were obviously decrease with the increase of avoided angle, while the high dosage volume (V30, V40) have obviously increased trend. All of the differences of pairwise comparisons (P0and P60, P0and P90, P30and P60, P30and P90, P60and P90) were statistically significant except for the comparison between P0and P30. While the difference of the Dmean of double lunge among different groups was small and only the difference between P30and P90was statistically significant (t=2.945, P＜0.05). Dmaxof spinal cord among the 4 groups were no significant. Only V40and Dmean of heart of P30group were smaller than that of P0group, while the difference was no significant. And V40and Dmean of heart of other planning groups were increase with the increase of avoidance angle. On the implement efficiency, the MU of P60was minimum (532.17±118.23), the difference of MU between P60group and P0group was statistically significant (t=4.265, P＜0.05). Conclusion: The application of Avoidance Sectors procedure to avoid proper angle in VMAT planning design of using two arc for midpiece esophageal carcinoma can significantly reduce the low dose volume for two lungs, while this application is not optimal in high dosage volume. Therefore, this method should be chosen according to the specific circumstances.

VMAT; Eclipse; Esophageal carcinoma; Dosimetry; Radiotherapy; Therapy planning sysytem

College of Medical Imaging, Mudanjiang Medical University, Mudanjiang 157011,China.

王嚴(yán)興,男,(1993- ),本科在讀，牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院醫(yī)學(xué)影像專業(yè)，于2016年6月至今在解放軍總醫(yī)院放射治療科實習(xí)。研究方向：腫瘤放射物理及腫瘤放射治療技術(shù)。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.004

2017-04-20

1672-8270(2017)07-0013-06

R815.6

A

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0904600)“以生物組學(xué)特征與多模態(tài)功能影像為基礎(chǔ)的多線束精準(zhǔn)放療方案研究”；解放軍總醫(yī)院臨床科研扶持基金(2017FC-WJFWZX-04)“基于旋轉(zhuǎn)調(diào)強全中樞照射的臨床研究”

①牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院醫(yī)學(xué)影像專業(yè) 黑龍江 牡丹江 157011

②解放軍總醫(yī)院放射治療科 北京 100853

*通訊作者：xiechuanbin2003@163.com