手臂位置對射波刀放射治療脊柱腫瘤患者的劑量學(xué)影響

李 君，劉旭紅，王 工，程 程，莊洪卿，楊瑞杰△

(1.北京大學(xué)第三醫(yī)院腫瘤放射治療科，北京 100191； 2.云南省腫瘤醫(yī)院放射治療科，昆明 650018；3.昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院放射治療科，昆明 650018)

立體定向放射治療(stereotactic radiation therapy，SRT)技術(shù)具有增加腫瘤照射劑量并減少正常組織照射的能力，從而獲得更高的腫瘤控制率和更低的正常組織并發(fā)癥[1]。射波刀作為SRT的專用設(shè)備，在現(xiàn)代放射治療(放療)中越來越多地應(yīng)用于脊柱腫瘤的治療[2-3]。然而，基于射波刀的非等中心、非共面射束的立體定向放療比常規(guī)直線加速器放療射束的照射更為復(fù)雜[4-5]，因此，劑量照射的準(zhǔn)確性對治療效果至關(guān)重要。

常規(guī)放療中，對于頸部以下的脊柱腫瘤治療，為避免上肢接受不必要的劑量，通常采用雙手抱肘置于額前的擺位姿勢，但是，射波刀的治療時間較常規(guī)放療更長，一般為25～55 min。上臂長時間的高舉會導(dǎo)致擺位重復(fù)性和穩(wěn)定性降低。尤其是術(shù)后伴有合并癥的患者，隨著治療時間的延長，始終保持雙臂高舉不動將非常困難，反而在某些情況下需要重復(fù)擺位。這在資源有限的情況下，可能延誤后面患者的治療，因此，射波刀體位固定基本采用手臂自然向下置于體側(cè)的方式，以保證患者在相對舒適的姿勢下實施照射。

射波刀由于采用五維自由度的治療床，所以缺少水平旋轉(zhuǎn)的角度修正功能[4]。若患者采用熱塑網(wǎng)進行體位固定，因體網(wǎng)固定于床體，患者在水平方向的旋轉(zhuǎn)誤差將無法自動修正。當(dāng)旋轉(zhuǎn)誤差不滿足追蹤限值時，不僅需要患者多次重新擺位，還可能導(dǎo)致治療計劃無法執(zhí)行,因此，北京大學(xué)第三醫(yī)院對于頸部以下的脊柱腫瘤患者多采用真空墊進行體位固定。射波刀患者均采用加長型真空墊，相比于常規(guī)外照射的真空墊，加長型真空墊能夠更好地限制患者身體旋轉(zhuǎn)，但是相比于熱塑網(wǎng)，真空墊與體表的貼合度相對較低，擺位重復(fù)性和穩(wěn)定性相對較差[6-7]。尤其在長時間治療過程中，手臂發(fā)生移動的概率會有所增加。雖然射波刀具有實時影像追蹤的功能，但僅限于椎體追蹤框范圍內(nèi)的修正，對于雙臂位置重復(fù)性的驗證無法實現(xiàn)，因此，手臂對于射波刀治療的劑量學(xué)精度勢必產(chǎn)生一定的影響。有研究曾報道在常規(guī)直線加速器治療中，手臂不同位置對照射劑量的影響[8-11]， 但是目前文獻中還沒有明確地闡述在射波刀治療中改變手臂位置對脊柱腫瘤照射劑量的影響，因此，本研究的目的是對于脊柱腫瘤的患者，將雙臂向下放置體側(cè)的治療計劃與移除手臂的模擬計劃進行比較，分析治療期間改變手臂位置對實際劑量分布的影響。

1 資料與方法

1.1 病例資料與定位

回顧性分析北京大學(xué)第三醫(yī)院腫瘤放療科2019年6月至2020年6月治療的24例脊柱腫瘤患者，其中胸椎12例，腰椎12例。所有患者采用仰臥位，手臂自然平放在身體兩側(cè)，使用真空墊進行固定。患者身體和真空墊兩側(cè)要貼合緊密。利用 Philips Brilliance CT(Philips公司, Cleveland, 美國)模擬定位機進行螺旋CT 掃描，掃描范圍是靶區(qū)上下界10～15 cm，掃描厚度1.5 mm，重建后的CT圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)組ultiplan4.6計劃系統(tǒng)。

1.2 治療計劃

CT圖像與定位MR圖像融合后勾畫靶區(qū)與危及器官(organ at risk, OAR)。治療計劃中處方劑量為30 Gy，次數(shù)3次。計劃均采用射束追蹤(ray tra-cing，RT)算法，治療過程中手臂位置最極端的情況是完全不在射野范圍內(nèi)。為了模擬該狀態(tài)，需要手動勾畫出手臂的完整結(jié)構(gòu)，并將其物理密度與CT值分別修改為0 g/cm3與0 HU，使手臂等效為空氣。針對模擬計劃不進行重新優(yōu)化，直接采用原始計劃的射束參數(shù)進行高分辨率劑量計算，如圖1所示。

A, the manual outline of the arms; B, the beams of simulation plan same as the original plan.圖1 脊柱腫瘤患者放射治療模擬計劃Figure 1 Radiotherapy simulation plan for spinal tumor patient

1.3 劑量學(xué)差異分析

記錄原治療計劃與模擬計劃的劑量-體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)參數(shù)并進行比較。靶區(qū)評價指標(biāo)為：處方劑量覆蓋計劃靶區(qū)(planning target volume, PTV)的體積(V100)、靶區(qū)95%體積接受的劑量(D95)、靶區(qū)90%體積接受的劑量(D90)、劑量均勻性指數(shù)(homogeneity index, HI)以及適形指數(shù)(conformity index, CI)。HI，CI 通過下述公式分別計算：

HI=Dmax/Dpre,

其中Dmax和Dpre分別為最大劑量與處方劑量。HI 的值越接近1，表示靶區(qū)劑量越均勻，反之表明靶區(qū)劑量越不均勻。當(dāng)脊柱腫瘤PTV與脊髓有交疊時，靶區(qū)內(nèi)劑量均勻性的要求更為嚴(yán)格，因此，對HI的評估至關(guān)重要。

CI=(VRX/VT)×(VRX/VRI),

其中VT為靶區(qū)PTV的體積，VRI為參考劑量等劑量線包繞的總體積，VRX為參考劑量包繞靶區(qū)PTV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。

對于危及器官，如脊髓、食管、胃和腸道的評價指標(biāo)為Dmax、D1cc、D2cc。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量參數(shù)

從圖2與圖3橫截面劑量分布比較圖中發(fā)現(xiàn)，與原始計劃相比，模擬計劃沿手臂橫向區(qū)域的劑量有少量的改變，其他區(qū)域沒有明顯變化。DVH結(jié)果可以看出，模擬計劃中靶區(qū)的劑量曲線整體偏高，說明PTV 的處方劑量覆蓋體積以及D95和D90均有升高。統(tǒng)計結(jié)果表明PTVV100、D95、D90與CI值平均值分別增加了 0.86%、2.02%、1.97%、0.80%。最大偏差2.80%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，如表1所示。手臂位置對靶區(qū)的劑量均勻性指數(shù)HI 影響非常小，平均偏差0.76%，最大偏差 0.98%, 差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

A, axial dose distribution of the original plan; B, axial dose distribution of the simulation plan; C, DVH comparison between the original plan and the simulation plan. PTV, planning target volume; DVH, dose-volume histogram.圖2 胸椎腫瘤原始計劃與模擬計劃劑量分布及DVH比較Figure 2 Comparison of dose distribution and DVH between original plan and simulation plan for thoracic vertebral tumor

A, axial dose distribution of the original plan; B, axial dose distribution of the simulation plan; C, DVH comparison between the original plan and the simulation plan. PTV, planning target volume; DVH, dose-volume histogram.圖3 腰椎原始計劃與模擬計劃劑量分布及DVH比較Figure 3 Comparison of dose distribution and DVH between original plan and simulation plan for lumbar vertebral tumor

表1 患者手臂不同位置的兩種計劃靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較Table 1 Comparison of dosimetric parameters of two plans for target at different arm positions

2.2 危及器官劑量參數(shù)

如表2所示，由于手臂移除射束外對射線的衰減減少，危及器官的接受的劑量有少許的增加。脊髓Dmax、D1cc、D2cc的平均偏差分別是2.35%、2.60%、1.49%，最大偏差分別是4.90%、5.30%、5.20%，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。食管Dmax、D1cc、D2cc的平均偏差分別是0.72%、0.49%、0.48%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。胃Dmax與D1cc的平均偏差分別是1.65%與0.84%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。胃D2cc平均偏差是1.70%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。腸道Dmax、D1cc、D2cc的平均偏差分別是0.40%、0.34%、0.26%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

表2 患者手臂不同位置的兩種計劃危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較Table 2 Comparison of dosimetric parameters of two plans for organ at risk at different arm positions

3 討論

DVH參數(shù)結(jié)果顯示，與原治療計劃相比，模擬計劃的靶區(qū)覆蓋率與危及器官的受量均有所增加，這是由于隨著手臂的移開，射線衰減減少，累積在靶區(qū)與危及器官的劑量也隨之增加。雖然統(tǒng)計學(xué)結(jié)果顯示，PTV的處方劑量覆蓋率與脊髓劑量參數(shù)差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，但是絕對值的變化非常小。PTV處方劑量覆蓋率最大差異小于3%，脊髓絕對劑量偏差均小于1 Gy，并且本研究的模擬計劃采用的方案是最極端的情況。有研究表明，實際治療過程中通過驗證不同分次間錐形束CT(cone beam CT，CBCT)的體位，手臂的最大位移約為1.5 cm[8]，因此，基于射波刀治療的脊柱腫瘤患者，治療中手臂位置的改變對劑量精度的影響并不顯著。

手臂位置對劑量影響不顯著主要存在兩個因素：第一，脊柱腫瘤與手臂的位置相對較遠(yuǎn)，雖然射波刀射束的空間自由度較大，可以實現(xiàn)多角度多方位出束，但大部分射束不會直接穿越手臂。第二，第五代射波刀(型號VSI)機臂存在一定的空間限制：首先，為了防止機頭觸碰地面，射波刀機頭沿治療床平面向下26°的范圍內(nèi)無射束路徑，因此從側(cè)后方無法實施照射[12]；其次，加速器坐落于治療床右前方，機臂需跨越患者才能實現(xiàn)從患者左側(cè)照射，在優(yōu)化射束節(jié)點設(shè)置時，為了防止碰撞患者，從該方向照射的射束相對較少。綜合上述因素，射波刀的射束主要由前方照射，兩側(cè)射束很少，后方射束基本沒有，如圖1所示。穿過手臂的射束對劑量的貢獻并不占主導(dǎo)，因此與原始計劃相比，模擬計劃將手臂移除后在劑量學(xué)上差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但是有研究表明在兒童患者中，如果長骨骺端位于或臨近輻射場，也可能發(fā)生長骨生長障礙的副作用[13-14]。在射波刀脊柱腫瘤治療中，患者手臂向下將不可避免射束的照射。雖然手臂接受的劑量有限(一般低于30%處方劑量)，但是對于兒童患者，應(yīng)盡可能地通過計劃優(yōu)化降低手臂照射。

我們的結(jié)果表明，統(tǒng)計學(xué)上靶區(qū)處方劑量覆蓋率與脊髓劑量隨手臂位置改變的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，實際這些劑量學(xué)參數(shù)的絕對差異相對較小，對腫瘤控制率或相關(guān)的放射毒副作用的影響并不顯著。

這項模擬計劃研究表明，使用真空墊固定射波刀脊柱腫瘤患者，治療過程中手臂發(fā)生合理的位置改變(手臂未完全移出真空墊、不發(fā)生機頭觸碰)的情況下，手臂對實際照射劑量的精確性沒有顯著性影響，因此在某些特殊情況下，患者確實無法始終保持手臂位置不變時，可以進行合理的調(diào)整，但在精確治療的當(dāng)今，精準(zhǔn)放療是立體定向放療的根本與關(guān)鍵，為保證放療期間劑量的精確投照，應(yīng)盡可能實現(xiàn)患者擺位的穩(wěn)定性與一致性。