螺旋斷層調(diào)強技術治療肺癌時不同鉛門模式的應用研究*

宋明永 解傳濱* 徐壽平 戴相昆 葛瑞剛 從小虎 宋圓源 曲寶林 杜樂輝

螺旋斷層調(diào)強技術治療肺癌時不同鉛門模式的應用研究*

宋明永①解傳濱①*徐壽平①戴相昆①葛瑞剛①從小虎①宋圓源①曲寶林①杜樂輝①

目的：比較螺旋斷層技術中應用動態(tài)和靜態(tài)鉛門兩種模式治療肺癌時的劑量學差異，探討兩種鉛門模式在治療肺癌中的臨床應用價值。方法：回顧性選取10例非小細胞肺癌(NSCLC)患者，采用動態(tài)和靜態(tài)鉛門兩種模式的螺旋斷層技術對其進行計劃設計，靜態(tài)鉛門計劃：鉛門寬度為1.05 cm和2.512 cm(P1.05F，P2.512F)；動態(tài)鉛門計劃：鉛門寬度為2.512 cm和5.05 cm(P2.512D，P5.05D)。兩種模式的處方劑量均為計劃腫瘤體積(PGTV)60 Gy/25次，計劃靶區(qū)(PTV)50 Gy/25次。根據(jù)劑量體積直方圖(DVH)評估靶區(qū)的Dmax、Dmin和Dmean，適形指數(shù)(CI)，均勻性指數(shù)(HI)和危及器官(OAR)受量，比較動態(tài)鉛門和靜態(tài)鉛門計劃之間靶區(qū)以及OAR劑量，評估計劃的出束時間和機器跳數(shù)。結(jié)果：4組計劃得到近乎相當?shù)膭┝糠植?，PGTV，PTV的Dmax、Dmin、Dmean、HI和CI無顯著差別；健側(cè)肺的V5、V10和Dmean，患側(cè)肺和全肺的V5和V10隨P1.05F、P2.512D、P5.05D以及P2.512F的順序依次遞增；而患側(cè)肺和全肺的V20、V30和Dmean隨P1.05F、P2.512D、P2.512F以及P5.05D的順序依次遞增。同為2.512 cm鉛門寬度時，動態(tài)鉛門與靜態(tài)鉛門相比，健側(cè)肺，患側(cè)肺和全肺的V5、V10、V20、V30以及Dmean等均有明顯減小。而在計劃實施效率方面，同等鉛門寬度(2.512 cm)下，動態(tài)鉛門技術比靜態(tài)鉛門技術的治療時間增加7.4%(21 s)，機器跳數(shù)增加了7.7%(300 MU)。P5.05D的出束時間相較于P2.512F縮短了37.8%，P2.512D較P1.05F縮短了56.5%。結(jié)論：在肺癌螺旋斷層調(diào)強放射治療中，在獲得相同的靶區(qū)劑量分布基礎上，動態(tài)鉛門技術比靜態(tài)鉛門技術能更好的降低肺部劑量，建議在動態(tài)鉛門模式下可選擇較大射野寬度，以最大限度的提高計劃的實施效率。

螺旋斷層調(diào)強技術；動態(tài)鉛門；靜態(tài)鉛門；肺癌

近50年來，許多國家都報道肺癌的發(fā)病率和病死率均明顯增高，男性肺癌發(fā)病率和病死率均占所有惡性腫瘤的第一位，女性發(fā)病率和病死率均占第二位，肺癌已成為威脅人類生命的惡性腫瘤之一，同時肺癌人群對放射治療的需求也在不斷增加。目前，調(diào)強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)已成為治療肺癌常用的技術之一。IMRT可以降低正常組織并發(fā)癥發(fā)生率，提高腫瘤區(qū)照射劑量，提升腫瘤控制率[1]。螺旋斷層調(diào)強放射治療(helical tomotherapy，HT)技術作為先進技術之一，應用360°旋轉(zhuǎn)調(diào)強的方式，在取得更好的靶區(qū)劑量分布的同時，可以最大限度的保護周圍正常器官，特別是對于較復雜靶區(qū)所具備的獨特劑量學優(yōu)勢受到各放射治療中心的青睞。目前，很多醫(yī)院已將HT技術應用于肺癌的放射治療。而隨著技術的發(fā)展，在原來靜態(tài)鉛門技術(fixed jaw)基礎上，HT又新增了動態(tài)鉛門技術(dynamic jaw)，為進一步降低正常器官受量帶來了可能。本研究通過對肺癌螺旋斷層放射治療應用不同鉛門模式下的計劃結(jié)果進行比較，分析各自劑量學特點，為臨床應用標準的選擇提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性選取2016年9-12月解放軍總醫(yī)院放射治療科收治的10例肺癌患者，靶區(qū)均在肺門位置，其中5例左肺，5例右肺；年齡43～67歲，中位年齡52歲。所有患者均采用仰臥位，熱塑體模固定，使用SIEMENS大孔徑CT進行模擬定位，掃描范圍為頸1椎體至膈肌下緣，掃描層厚為3 mm。

1.2 儀器設備

患者定位掃描采用SIEMENS大孔徑螺旋CT(型號：SOMATOM Definition As，德國Siemens)，靶區(qū)及正常器官勾畫采用計劃設計，采用Pinnacle 8.0計劃系統(tǒng)工作站(荷蘭Philips)，計劃設計采用Hi.ART 5.0計劃系統(tǒng)(美國Accuray)。

1.3 靶區(qū)定義及處方劑量

將患者的定位CT圖像經(jīng)網(wǎng)絡以醫(yī)學數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式傳輸至Pinnacle 8.0計劃系統(tǒng)工作站，由同一醫(yī)師進行靶區(qū)及正常器官勾畫。將影像學上可見的肺部病灶和縱隔腫大淋巴結(jié)定義為腫瘤體積(gross tumor volume，GTV)，計劃腫瘤體積(planning gross tumor volume，PGTV)為GTV外擴0.5 cm，腫瘤臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)定義為肺門及受侵縱隔淋巴引流區(qū)，計劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)為CTV外擴5 mm。處方劑量為：PGTV60 Gy/25次，PTV50 Gy/25次。

1.4 治療計劃設計

將勾畫好的靶區(qū)及正常器官的CT圖像傳輸至HT計劃系統(tǒng)，在靜態(tài)鉛門模式下根據(jù)常用鉛門寬度(1.05 cm、2.512 cm)設計2組計劃，分別命名為P1.05F和P2.512F；在動態(tài)鉛門模式下根據(jù)不同鉛門寬度(2.512 cm、5.05 cm)設計2組計劃，分別命名為P2.512D和P5.05D，所有計劃均由同一物理師優(yōu)化完成，且各靶區(qū)及危及器官(organ at risk，OAR)優(yōu)化參數(shù)基本一致。4組計劃螺距值和調(diào)制因子均設置為0.320和2.500，要求處方劑量至少覆蓋95%的靶區(qū)體積。OAR劑量限制為雙肺V5≤60%、V10≤40%及V20≤25%，脊髓最大劑量要求Dmax＜45 Gy、心臟V50＜50%及食管V55＜50%。

1.5 物理參數(shù)及劑量學評估

(1)靶區(qū)評價指標，劑量均勻指數(shù)(homogeneity index，HI)計算為公式1：

式中D2、D98分別為2%和98%的靶區(qū)體積所受照劑量，DT為處方劑量，HI越小表明靶區(qū)均勻性越好。

(2)靶區(qū)適形指數(shù)(conformity index，CI)，其計算為公式2：

式中TVpv為處方劑量所覆蓋的靶區(qū)體積，TV為靶區(qū)體積，PV為處方劑量所覆蓋的總體積，CI值越接近1表示適形度越好[2-3]。

(3)OAR評價指標，肺臟比較患側(cè)肺，健側(cè)肺和全肺的平均劑量Dmean及V5～V30，其他OAR比較Dmax等。

1.6 統(tǒng)計學方法

應用SPSS 22統(tǒng)計軟件對4組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計量資料結(jié)果以均值±標準差(x-±s)表示，組間配對樣本比較采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量分布及參數(shù)

本研究設計的4組治療計劃均能滿足95%的靶區(qū)體積接受處方劑量的照射，4組計劃的矢狀面劑量分布如圖1所示。

圖1 四組間靶區(qū)劑量分布示圖

設計的4組計劃PGTV和PTV靶區(qū)的劑量參數(shù)比較結(jié)果顯示，各組計劃靶區(qū)劑量在Dmax、Dmin、Dmean、HI以及CI上無顯著差異，見表1。

2.2 危及器官參數(shù)比較

健側(cè)肺、患側(cè)肺以及全肺的各劑量學參數(shù)及比較結(jié)果可以看出：在鉛門寬度(2.512 cm)相同的情況下，對雙肺的保護上動態(tài)鉛門模式比靜態(tài)鉛門模式具有顯著優(yōu)勢，尤其在低劑量體積比較上這種優(yōu)勢更為明顯；對P2.512D與P1.05F兩組計劃比較發(fā)現(xiàn)，1.05 cm鉛門寬度更具優(yōu)勢，但P5.05D計劃卻能獲得與P2.512F近乎相當?shù)姆尾勘Ｗo效果，并且在V5、V10等低劑量體積比較上還顯示出了一定的優(yōu)勢。對脊髓的最大劑量Dmax進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，4組計劃之間均無統(tǒng)計學差異，見表2、表3和表4。

表1 四組計劃PGTV和PTV劑量參數(shù)比較(±s)

表1 四組計劃PGTV和PTV劑量參數(shù)比較(±s)

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表2 四組計劃健側(cè)肺和脊髓劑量參數(shù)比較(±s)

表2 四組計劃健側(cè)肺和脊髓劑量參數(shù)比較(±s)

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表3 四組計劃患側(cè)肺劑量參數(shù)比較±s)

表3 四組計劃患側(cè)肺劑量參數(shù)比較±s)

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2.3 治療時間和機器跳數(shù)比較

設計的4組計劃的治療時間和機器跳數(shù)數(shù)分別從計劃系統(tǒng)上讀取，同等鉛門寬度(2.512 cm)情況下，動態(tài)鉛門技術比靜態(tài)鉛門技術的治療時間增加7.4%(21 s)，差異有統(tǒng)計學意義(t=5.653，P＜0.05)，機器跳數(shù)增加了7.7%(300 MU)，差異有統(tǒng)計學意義(t=5.495，P＜0.05)。但在不同鉛門模式下，P5.05D的出束時間相較P2.512F縮短了37.8%，P2.5D較P1.05F縮短了56.5%，見表5。

表4 四組計劃全肺劑量參數(shù)比較(±s)

表4 四組計劃全肺劑量參數(shù)比較(±s)

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表5 四組計劃治療時間和機器跳數(shù)劑量參數(shù)比較(±s)

表5 四組計劃治療時間和機器跳數(shù)劑量參數(shù)比較(±s)

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3 討論

HT技術在放射治療中應用越來越廣，其機架在360°旋轉(zhuǎn)照射的同時治療床同步前進的治療方式，帶來更好的靶區(qū)適形度和劑量均勻性的同時更有效的保護了周圍OAR。同時也不可避免的帶來了低劑量照射區(qū)域增大的弊端，尤其是在治療肺癌時，經(jīng)常需要對肺進行“Block”或“Directional”部分射束的遮擋和屏蔽，以有效降低肺部低劑量照射體積，由于射線利用率的降低造成了治療計劃實施時間的成倍增加，因此在計劃設計中只能選擇相對較大的射野寬度以盡可能提高計劃的實施效率。但較大的射野寬度不可避免的帶來了靶區(qū)縱向邊緣的劑量延伸問題，進而增加了正常肺組織的受照劑量[4-5]。

Schllenkamp等[6]研究認為，全肺V5是預測放射性肺炎發(fā)生的最重要因素，臨床應用中全肺V5應盡量控制在60%范圍之內(nèi)。而通常肺癌計劃設計的難點是如何降低低劑量區(qū)域劑量。有研究發(fā)現(xiàn)，放射性肺損傷是影響肺癌患者放射治療后生存質(zhì)量的主要因素，重度放射性肺損傷的發(fā)生與低劑量區(qū)體積密切相關，尤其是V5，小劑量大體積的肺照射比大劑量小體積的肺照射對肺的損傷更大[7]。這就為各類調(diào)強技術提出了更高的要求，即降低肺部低劑量區(qū)的覆蓋面積，降低肺炎的發(fā)生率。而在肺癌的螺旋斷層放射治療中，由于使用較大寬度的鉛門，雖然在肺的V10及更高劑量區(qū)域HT技術要比VMAT和IMRT技術有優(yōu)勢，但V5等低劑量區(qū)HT技術卻無優(yōu)勢[8-9]。

動態(tài)鉛門是在靜態(tài)鉛門基礎上的一大進步。使用靜態(tài)鉛門技術制定計劃時，在靶區(qū)剛剛接近鉛門邊界和將要離開鉛門邊界時，整個鉛門都將按照預設寬度全部打開，由此也就帶來靶區(qū)縱向邊緣劑量延伸的問題，造成了靶區(qū)邊界區(qū)域受照劑量的增加。尤其在鉛門寬度選擇5.05 cm時，其明顯的劑量延伸問題帶來了肺部劑量的明顯增加，在臨床的實際應用中一般不予采用。因此，本研究在靜態(tài)鉛門模式下只對常用的1.05 cm和2.512 cm兩種寬度計劃做了對照研究。而動態(tài)鉛門技術應用后，在靶區(qū)接近鉛門邊界時，鉛門只開1.05 cm，隨著靶區(qū)向前移動，鉛門才慢慢全部打開；在靶區(qū)離開鉛門時，鉛門隨靶區(qū)的移動而移動，直至縮窄至1.05 cm，這樣在靶區(qū)縱軸方向上有效的改善了靶區(qū)邊緣的劑量梯度。

本研究中在靶區(qū)均勻性和適形度及脊髓受量幾乎無差別的情況下，肺的受量在V5和V10時，按P2.512F、P5.05D、P2.512D及P1.05F遞減，在V20、V30及Dmean時按P5.05D、P2.512F、P2.512D以及P1.05F遞減。雖然采用1.05 cm寬度鉛門可以獲得更低的肺部受量，但由于出束時間較長，不可避免的帶來了治療過程中患者體位固定的不確定性，而且由于腫瘤隨呼吸動度與計劃實施過程中較窄鉛門運動時相之間的匹配誤差，必然引起腫瘤實際照射劑量的差異，因此在臨床實際應用中應該予以關注。而對于P5.05D與P2.512F的比較中本研究發(fā)現(xiàn)在V5和V10等低劑量區(qū)，P5.05D組結(jié)果明顯低于P2.512F，在V20和V30等高劑量區(qū)盡管P5.05D組統(tǒng)計結(jié)果高于P2.512F，但差距不大，且這種差距隨著劑量升高而縮小，但其計劃的實施效率卻較P2.512F提高了37.8%。由于本研究所選病例靶區(qū)長度較小，因此所節(jié)省的絕對時間不足2 min，但是對于靶區(qū)較長的病例，這種實施效率的優(yōu)勢就會越發(fā)明顯。

本研究只針對了肺癌螺旋斷層調(diào)強技術在不同鉛門模式下的劑量學特點作了分析比較，而斷層徑照(tomo direct，TD)調(diào)強技術目前在臨床上也有了普遍的應用[10-12]。當治療床向前移動時治療機機頭固定在某一角度出束，同時通過葉片開合對射線進行調(diào)制[13-14]。戴相昆等[15]研究表明，TD技術在治療肺癌時要好于IMRT技術，可作為肺癌放射治療的優(yōu)選技術。而對于TD技術治療肺癌時不同鉛門模式選擇帶來的劑量學差異將在下一步的研究報道中加以探討。

在肺癌螺旋斷層調(diào)強放射治療中，在獲得相同的靶區(qū)劑量分布基礎上，動態(tài)鉛門技術比靜態(tài)鉛門技術能更好的降低肺部劑量，建議在動態(tài)鉛門模式下可選擇較大射野寬度以最大限度的提高計劃的實施效率。

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Study on the application of different jaw mode in the treatment of lung cancer with helical tomotherapy/ SONG Ming-yong, XIE Chuan-bin, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):23-27.

Objective: To compare the dosimetric difference between the dynamic and fixed jaw mode in the treatment of lung cancer with helical tomotherapy, and to explore the clinical value of dynamic and fixed jaw mode in the treatment of lung cancer. Methods: 10 patients with non-small cell lung carcinoma(NSCLC) were enrolled in the retrospective study, and the two kinds of planning mode of helical tomotherapy (jaw of dynamic state and jaw of fixed state) were designed. In the jaw plan of fixed state, the widths of jaw were 1.05 cm and 2.512 cm, respectively, and the plans were divided into P1.05Fand P2.512F. In the jaw plan of dynamic state, the widths of jaw were 2.512 cm and 5.05 cm, respectively, and the plans were divided into P1.05Dand P2.512D. The dosage of prescription in both of the two mode was 60 Gy/25 F for planning gross tumor volume (PGTV), and was 50 Gy/25 F for planning target volume (PTV). The Dmax, Dmin, Dmean, conformal index (CI), homogeneity index (HI) and

organ at risk (OAR) in target region were evaluated according to dose volume histogram (DVH), and the beam-on time and monitor unit (MU) also were evaluated as DVH. Results: Dose distributions of the four group plans were similar, there were no significant difference in Dmax, Dmin, Dmean, CI and HI of PGTVand PTV (P＞0.05). V5, V10and Dmeanof uninjured lateral lung and V5and V10of injured and whole lung were increase with the increase of the sequence of P1.05F, P2.512D, P5.05Dand P2.512F. While the V20, V30and Dmeanof injured and whole lung were increase with the sequence of P1.05F, P2.512D, P2.512Fand P5.05D. For the same width (2.512 cm), V5, V10, V20, V30and Dmean of uninjured, injured and whole lungs of dynamic jaw compared with that of fixed jaw were obvious diminution. On the implement efficiency of the plan, for the same width (2.512 cm), the treatment time of dynamic jaw increased 7.4% (21 s) than that of fixed jaw and the MU counts increased 7.7%(300 MU) than that of fixed jaw. The beam-on time of P5.05Dshortened 37.8% compared with that of P2.512F, and the beam-on time of P2.512Dshortened 56.5% compared with that of P1.05F. Conclusion: In the helical tomotherapy for lung cancer, the dynamic jaw can reduce the more dose on lung than fixed jaw when the dose distribution was same in target region. Therefore, the larger width of radiation field should be chosen under dynamic jaw so as to enhance the implement efficiency of the plan in maximum.

Helical tomotherapy; Dynamic jaw; Fixed jaw; Lung cancer

Department of Radiotherapy, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China.

宋明永,男,(1991- ),本科學歷，物理師。解放軍總醫(yī)院放射治療科，從事醫(yī)學物理與精準放療相關研究。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.006

2017-04-20

1672-8270(2017)07-0023-05

R814.42

A

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0904600)“以生物組學特征與多模態(tài)功能影像為基礎的多線束精準放療方案研究”；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解放軍總醫(yī)院放射治療科 北京 100853

*通訊作者：xiechuanbin2003@163.com