體位固定裝置對鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計劃的劑量學(xué)影響

辜石勇 ，陳利，馬燕，余義貞

1.中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院放療科，廣東廣州510655；2.中山大學(xué)腫瘤防治中心放療科/華南腫瘤學(xué)國家重點實驗室/腫瘤醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東廣州510060

前言

體位固定裝置被廣泛應(yīng)用于放射治療中［1］，用來保證患者治療體位的固定效果和分次治療時患者體位的重復(fù)性。多野調(diào)強(qiáng)放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy,IMRT）和容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)治療（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）是目前鼻咽癌放射治療的主要技術(shù)［2-3］。IMRT和VMAT放療實施過程中，當(dāng)臂架運動到一定范圍時，射線入射路徑會經(jīng)過體位固定設(shè)備和治療床，這些設(shè)備的組成材料與空氣并不等效，其存在會造成射線的衰減和散射。目前很多文獻(xiàn)報道了治療床對放療劑量的影響［4-6］，但在實際的臨床計劃設(shè)計時往往忽視了體位固定設(shè)備對放療計劃的影響。本文通過計算和分析頭頸體位固定裝置對鼻咽癌IMRT和VMAT計劃的劑量學(xué)影響，為臨床實踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 病例資料與定位

回顧性選取中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院經(jīng)病理診斷為鼻咽癌且無放療禁忌癥的9例患者作為研究對象，年齡32～74歲，中位年齡50.2歲，臨床分期T3期5例，T4期4例。所有患者均采用仰臥位，使用科萊瑞迪公司生產(chǎn)的碳纖維底板加發(fā)泡膠和頭頸肩熱塑膜進(jìn)行體位固定（圖 1），采用Philips Brilliance CT（Philips medical system,Cleveland,USA）模擬定位機(jī)行螺旋CT掃描，掃描范圍從頭頂至胸骨切跡下2 cm，掃描和重建層厚均取3 mm，掃描得到的CT圖像經(jīng)放射治療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)組onaco5.1計劃系統(tǒng)。

1.2 靶區(qū)與外輪廓勾畫

根據(jù)ICRU50、62號報告在所有患者CT與MR融合圖像上勾畫鼻咽部腫瘤靶區(qū)（Gross Target Volume,GTV）GTVnx、頸部淋巴結(jié)腫瘤靶區(qū)（GTVnd）、臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume,CTV）與高危淋巴引流區(qū)CTV1以及預(yù)防照射淋巴引流區(qū)（CTV2）。在CTV的基礎(chǔ)上根據(jù)擺位誤差將各靶區(qū)外擴(kuò)3 mm得到對應(yīng)的計劃靶區(qū)（Planning Target Volume,PTV），分別記為 PTVnx、PTVnd、PTV1 以及 PTV2。危及器官（Organs-At-Risk,OAR）包括腦干、脊髓、晶體、視神經(jīng)、視交叉、垂體、腮腺、內(nèi)耳、中耳、顳葉、顳頜關(guān)節(jié)、下頜骨、舌以及喉等。設(shè)計計劃時，對每一例患者勾畫兩套外輪廓，即一套外輪廓不包含頭頸固定裝置僅勾畫人體外輪廓，另一套將頭頸固定裝置也勾畫進(jìn)外輪廓。

1.3 計劃設(shè)計及劑量計算

在Monaco5.1計劃系統(tǒng)中設(shè)計同步加量計劃［7-8］，采用6 MV能量X線。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的處方劑量分別為70、66、60以及54 Gy，共計32次。TPS內(nèi)計劃的設(shè)計參數(shù)為：VMAT計劃，單弧360°，機(jī)架從-180°到 180°，設(shè)置最大控制點數(shù)目為150個；IMRT計劃，9野共面空間均分，每個射野內(nèi)控制點數(shù)量設(shè)定為20個，計算網(wǎng)格大小為3 mm×3 mm×3 mm，使用蒙特卡羅（Monte Carlo,MC）算法計算劑量，MC算法的每個控制點不確定度設(shè)置為3%。將正常皮膚外輪廓計算優(yōu)化的調(diào)強(qiáng)計劃記為Planwithout，隨后將該計劃移植到該患者包含頭頸固定裝置外輪廓的圖像上，在保證相同的輻射條件下，進(jìn)行劑量計算，得到包含頭頸固定裝置的計劃，記為Planwith。

1.4 劑量學(xué)差異分析

使用劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram,DVH）對同一患者的IMRT/VMAT計劃的PTV、OAR的受照射劑量進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計劃靶區(qū)評價指標(biāo)為靶區(qū)平均劑量（Dmean），100%處方劑量覆蓋體積VPrescription（V70Gy對應(yīng)PTVnx、V66Gy對應(yīng)PTVnd、V60Gy對應(yīng)PTV1、V54Gy對應(yīng)PTV2），靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)（Homogeneity Index,HI）以及靶區(qū)劑量適形指數(shù)（Conformity Index,CI）［9］。HI，CI通過下述公式分別計算：

其中D5%和D95%分別是感興趣區(qū)域（Region Of Interest,ROI）5%和95%體積接受的照射劑量。HI的值越小（越接近1）表示靶區(qū)劑量的均勻性越好，反之表明靶區(qū)劑量越不均勻。

其中VT為ROI的體積，VRI為參考劑量等劑量線包繞的總體積，VRX為參考劑量包繞ROI的體積。CI值的范圍為0～1，CI的值越大，表明該結(jié)構(gòu)對應(yīng)處方劑量的適形度越好。對于OAR，腦干和脊髓評價指標(biāo)為Dmean與Dmax，其他OAR評價指標(biāo)為Dmean。

同時，對同一個患者，在Monaco計劃系統(tǒng)中將兩個計劃的計算結(jié)果相減得到頭頸固定裝置對劑量計算的影響，患者體內(nèi)某一特定位置處（x,y,z）的劑量偏差計算為Planwith與Planwithout在該處的劑量差值：

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS19軟件對Planwithout和Planwith計劃DVH的劑量參數(shù)進(jìn)行配對t檢驗，P＜0.05為二者差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量

從圖2中9野IMRT（9F IMRT）的DVH結(jié)果可以看出，考慮體位固定裝置后，Planwith計劃中各ROI曲線都有一定程度的向左移動，各PTV的處方劑量覆蓋體積以及 Dmean均有降低。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2 4個靶區(qū)的處方劑量覆蓋分別降低了2.14%、10.34%、0.88%、2.86%；平均劑量分別降低了0.96%、1.94%、1.07%、1.26%，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（表1）。頭頸肩固定裝置對各個靶區(qū)的劑量均勻性指數(shù)HI影響較小，9例患者的平均偏差均在1%以內(nèi)。頭頸體位固定裝置對各個靶區(qū)的劑量適形度指數(shù)CI影響比較大，9例患者的平均偏差分別為11.28%、0.48%、6.90%、3.89%。

從圖3可以看出，對于VMAT計劃，與僅考慮外輪廓的計劃Planwithout相比，Planwith計劃中各ROI曲線均有一定程度的向左移動，各PTV的處方劑量覆蓋體積和Dmean均有所降低。表1中的結(jié)果顯示，PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的靶區(qū)劑量覆蓋分別降低了2.56%、22.42%、0.66%、1.30%，其中對PTVnd的影響最大；靶區(qū)的Dmean分別降低了0.86%、2.45%、0.93%、1.59%，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。頭頸固定裝置對各個靶區(qū)的劑量均勻性指數(shù)HI影響較小，9例患者的平均偏差均在1%以內(nèi)。頭頸固定裝置對各個靶區(qū)的劑量適形度指數(shù)CI影響比較大，由于固定裝置的影響，9例患者的靶區(qū)的適形度指數(shù)分別變化了10.52%、-32.52%、9.97%和3.03%。

圖2 1例典型的鼻咽癌患者9F IMRT計劃的DVH圖Fig.2 Dose-volume histogram of 9-field intensity-modulated radiotherapy(9F-IMRT)for nasopharyngeal carcinoma(NPC)in a typical patient

2.2 OAR劑量

如表2所示，由于頭頸固定裝置對射線的衰減，除腦干外，VMAT與9F IMRT各OAR的平均劑量和最大劑量均有所減小（最大偏差1.69%），且差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。其中對脊髓、喉和舌的劑量影響相對較大。

2.3 Planwith與 Planwithout劑量差值

在TPS內(nèi)對同一患者兩套計劃直接相減，可以得到如圖4所示的劑量差異分布圖。圖中色標(biāo)從藍(lán)色到紅色的漸變代表絕對劑量的變化，范圍從-6 Gy至30 Gy?？梢?，由于頭頸固定裝置的存在，患者體內(nèi)劑量與不考慮固定設(shè)備時相比有所降低，如圖4b、c、e、f中所示，靠近體位固定裝置的下頸部劑量降低明顯，主要是由于入射射線經(jīng)過體位固定裝置時對射線的衰減造成的。同時，在患者的頸部與底板托架之間，由于有低密度的發(fā)泡膠存在，造成了射線的散射和建成效應(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致患者后頸的皮膚劑量增加了6～15 Gy，如圖4a、d所示。

圖3 1例典型的鼻咽癌患者VMAT計劃的DVH圖Fig.3 Dose-volume histogram of volumetric modulated arc therapy(VMAT)for NPC in a typical patient

3 討論

體位固定裝置被廣泛應(yīng)用于放射治療中，主要作用是保證單次放療內(nèi)患者體位的固定以及分次間治療體位的重復(fù)性。但需要注意的是，體位固定裝置等輔助治療設(shè)備材料與空氣并不等效，在放療計劃實施時對放療劑量會產(chǎn)生影響。測量表明，在射線經(jīng)入射路徑經(jīng)過治療床、有機(jī)玻璃等物體時，射線的衰減效應(yīng)、皮膚建成效應(yīng)改變明顯［6,10-13］。Munjal等［14］通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)6 MV光子射線（10×10）cm2照射野從120°～160°入射治療床時，劑量衰減約為3.0%；從0°～90°入射有機(jī)玻璃板時劑量衰減為5.8%～10.6%。Cheung等［15］的研究表明對于2.5 cm厚的真空袋，由于射線的建成效應(yīng)，用6 MV（10×10）cm2X線照射野時皮膚的表面劑量相對于無真空袋時增大了一倍，當(dāng)真空袋厚度繼續(xù)增加時皮膚表面劑量相應(yīng)增大，因此Cheung提醒需要考慮真空袋對皮膚劑量的影響。Puysseleyr等［16］測量了俯臥乳腺托架對劑量的影響，當(dāng)射線入射碳纖維床板與乳腺托架碳纖維底板時，6 MV X射線衰減約7.6%，當(dāng)射線經(jīng)過乳腺托架固定部分時衰減可達(dá)12.3%。

表1 9例鼻咽癌患者兩種計劃間計劃靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果（±s）Tab.1 Dosimetric parameters of target areas in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

表1 9例鼻咽癌患者兩種計劃間計劃靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果（±s）Tab.1 Dosimetric parameters of target areas in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

Diff(%)=(Planwith-Planwithout)/Planwith*100

VMAT 9F-IMRT靶區(qū) 參數(shù)PTVnx V70 Gy/%Dmean/Gy HI CI Dmean/Gy CIPTV1V60 Gy/%Dmean/Gy HI CIDmean/Gy CIPlanwith 96.29±2.67 72.27±0.45 1.08±0.02 0.71±0.12 66.21±1.96 0.07±0.04 98.99±1.06 68.90±1.66 1.19±0.03 0.43±0.09 60.79±1.30 0.77±0.02Planwithout 98.71±0.73 72.89±0.35 1.07±0.02 0.64±0.16 67.82±1.78 0.08±0.05 99.64±0.51 69.54±1.68 1.19±0.03 0.38±0.07 61.75±1.36 0.74±0.02Diff/%-2.56±2.26-0.86±0.39 0.31±0.47 10.52±10.22-2.45±1.05-32.52±53.48-0.66±0.72-0.93±0.33 0.18±0.36 9.97±6.8-1.59±0.34 3.03±1.58P值＜0.01 0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01Planwith 96.45±1.59 72.19±0.43 1.06±0.01 0.75±0.08 65.59±1.31 0.09±0.07 97.63±0.88 68.50±0.68 1.20±0.02 0.45±0.1 60.13±1.18 0.79±0.02Planwithout 98.56±0.67 72.88±0.38 1.05±0.01 0.68±0.15 66.90±1.37 0.09±0.06 98.50±1.85 69.24±0.66 1.20±0.02 0.42±0.09 60.91±1.42 0.76±0.02Diff/%-2.14±1.30-0.96±0.34-0.19±0.40 11.28±13.53-1.94±0.49-0.48±18.66-0.88±1.82-1.07±0.34 0.42±0.44 6.90±2.80-1.26±0.78 3.89±0.32 P值＜0.01＜0.01 0.17＜0.01＜0.01＜0.01 0.08 0.86 0.15＜0.01 0.02＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01

常規(guī)放療和三維放療時射野固定且射野數(shù)目少，可以通過人為調(diào)整射野入射方向，回避某些入射角度，或利用已測量的射線衰減因子，修正特定角度的射野機(jī)器跳數(shù)（Monitor Unit,MU），避免體位固定裝置對劑量的影響，但是射野的調(diào)整不可避免的導(dǎo)致靶區(qū)適形度變差，靶區(qū)外高劑量范圍增多。在精確放療時代，多野調(diào)強(qiáng)和VMAT，單個計劃內(nèi)通常含有幾十個甚至上百個位置和形狀各異的子野，采用上述的方法不再適合。Pulliam等［17］在TPS中將治療床的不同部件勾畫并考慮進(jìn)外輪廓，按原始計劃重新計算劑量，當(dāng)治療床下方的支撐導(dǎo)軌移出時，對多野調(diào)強(qiáng)計劃，劑量衰減4.2%，相應(yīng)的VMAT計劃劑量衰減3.2%，靶區(qū)覆蓋分別下降35%、18%，已經(jīng)超出±3%的劑量誤差允許范圍［18］，此時計劃已經(jīng)不適用于臨床治療。Connor等［19］回顧性分析發(fā)現(xiàn)由于腹壓板的存在，患者的皮膚劑量從原計劃的27 Gy增大到31～36 Gy，同時靶區(qū)的覆蓋由原計劃的95.8%降低到76.5%，此時的計劃同樣不能滿足臨床要求。因此，在計劃設(shè)計時需要將體位固定裝置勾畫進(jìn)外輪廓。

表2 9例鼻咽癌患者兩種計劃間危及器官劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果（±s）Tab.2 Dosimetric parameters of organs-at-risk in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

表2 9例鼻咽癌患者兩種計劃間危及器官劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果（±s）Tab.2 Dosimetric parameters of organs-at-risk in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

Diff(%)=(Planwith-Planwithout)/Planwith*100

VMAT 9F-IMRT危及器官 參數(shù)腦干脊髓舌腮腺喉Dmean/Gy Dmax/Gy Dmean/Gy Dmax/Gy Dmean/Gy Dmean/Gy Dmean/Gy Planwith 31.42±3.27 57.26±4.85 35.16±1.14 41.69±1.31 42.87±5.99 38.85±2.58 47.33±2.08 Planwithout 31.41±3.37 57.59±4.97 35.61±1.23 42.31±1.39 43.53±5.96 39.05±2.50 47.99±2.03 Diff/%0.05±0.94-0.58±1.25-1.27±0.62-1.50±1.38-1.60±0.57-0.52±0.71-1.40±1.15 P值＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01 Planwith 32.32±3.53 56.41±3.96 33.62±1.36 41.31±1.21 40.42±4.84 46.95±3.38 37.71±1.74 Planwithout 32.28±3.56 56.56±3.98 33.93±1.37 41.67±1.19 41.11±4.93 47.36±3.53 37.96±1.75 Diff/%0.13±0.83-0.25±1.15-0.90±0.44-0.86±0.87-1.69±0.49-0.84±0.83-0.64±0.48 P值0.68 0.50＜0.01 0.01＜0.01 0.01 0.01

圖4 1例典型患者頭頸固定設(shè)備對VMAT（a、b、c）和IMRT（d、e、f）計劃劑量影響示意圖Fig.4 Effects of head and neck immobilization device on the dose distribution of VMAT(a,b,c)and 9F IMRT(d,e,f)in a typical case

本文通過在患者CT圖像上完整的勾畫出體位固定設(shè)備，并將其考慮進(jìn)患者的外輪廓內(nèi)，采用計劃重新計算的方法，計算結(jié)果表明頭頸固定裝置會明顯影響鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計劃劑量分布，勾畫固定裝置輪廓TPS計算劑量相比不考慮固定裝置計劃計算得到的靶區(qū)覆蓋和Dmean均有所減?。╒MAT 4個靶區(qū)的處方劑量覆蓋降低了0.86%～22.42%，Dmean降低了0.86%～2.45%；IMRT 4個靶區(qū)的處方劑量覆蓋降低了0.88%～10.34%，Dmean降低了0.96%～1.94%），對PTVnd劑量覆蓋影響較大，主要是因為PTVnd空間上與體位固定裝置相對更接近，且距離體表較近。表1的計算結(jié)果顯示，VMAT和IMRT的Planwith計劃的PTVnd處方劑量覆蓋率僅為83.50%和88.16%（均小于95%），可見，此時的計劃已經(jīng)滿足不了臨床計劃的目標(biāo)需求。由于頭頸固定設(shè)備對射線的衰減作用，除腦干外各OAR的Dmean均有所減?。ㄗ畲笃?.69%），且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，圖2、3也顯示類似的結(jié)果，OAR的曲線都有一定程度的分離且均向左移動。

圖4的結(jié)果顯示，在患者的頸部與底板托架之間，由于有低密度的發(fā)泡膠存在，造成了射線的散射和建成效應(yīng)變化，使得后頸的皮膚劑量顯著增加了6～15 Gy。同時應(yīng)該引起注意的是，如果采用增加MU來修正特定射野的體位固定裝置的衰減效應(yīng)時，可能會更進(jìn)一步增加皮膚的照射劑量。Archambeau等［20］的研究發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)分割（2 Gy每次）放療中，皮膚的受照劑量超過25 Gy時可能會產(chǎn)生臨床反應(yīng)，超過45Gy時會引起皮膚干燥脫皮等反應(yīng)。Hoppe等［21］報道了在早期非小細(xì)胞肺癌的SBRT放療中，由于忽視了治療床等附件的存在增加了患者的皮膚劑量，38%的患者出現(xiàn)了急性皮膚放射毒性。因此建議在設(shè)計鼻咽癌計劃時將頭頸固定裝置勾畫在人體輪廓內(nèi)，充分考慮體位固定裝置引起的皮膚劑量增加，使得TPS計劃劑量計算與實際相符。

綜上所述，頭頸固定裝置的存在，使得鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計劃的靶區(qū)劑量和正常器官的Dmean均有降低，后頸部的皮膚劑量增高。在計劃設(shè)計時，需要將體位固定裝置勾畫進(jìn)外輪廓內(nèi)，以保證TPS劑量計算的準(zhǔn)確性。