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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)保證患者治療體位的固定效果和分次治療時(shí)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(shí)施過(guò)程中，當(dāng)臂架運(yùn)動(dòng)到一定范圍時(shí)，射線(xiàn)入射路徑會(huì)經(jīng)過(guò)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(huì)造成射線(xiàn)的衰減和散射。目前很多文獻(xiàn)報(bào)道了治療床對(duì)放療劑量的影響［4-6］，但在實(shí)際的臨床計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)往往忽視了體位固定設(shè)備對(duì)放療計(jì)劃的影響。本文通過(guò)計(jì)算和分析頭頸體位固定裝置對(duì)鼻咽癌IMRT和VMAT計(jì)劃的劑量學(xué)影響，為臨床實(shí)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(wú)放療禁忌癥的9例患者作為研究對(duì)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(jì)劃系統(tǒng)。

1.2 靶區(qū)與外輪廓勾畫(huà)

根據(jù)ICRU50、62號(hào)報(bào)告在所有患者CT與MR融合圖像上勾畫(huà)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(duì)應(yīng)的計(jì)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(jì)計(jì)劃時(shí)，對(duì)每一例患者勾畫(huà)兩套外輪廓，即一套外輪廓不包含頭頸固定裝置僅勾畫(huà)人體外輪廓，另一套將頭頸固定裝置也勾畫(huà)進(jìn)外輪廓。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)及劑量計(jì)算

在Monaco5.1計(jì)劃系統(tǒng)中設(shè)計(jì)同步加量計(jì)劃［7-8］，采用6 MV能量X線(xiàn)。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的處方劑量分別為70、66、60以及54 Gy，共計(jì)32次。TPS內(nèi)計(jì)劃的設(shè)計(jì)參數(shù)為：VMAT計(jì)劃，單弧360°，機(jī)架從-180°到 180°，設(shè)置最大控制點(diǎn)數(shù)目為150個(gè)；IMRT計(jì)劃，9野共面空間均分，每個(gè)射野內(nèi)控制點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為20個(gè)，計(jì)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(jì)算劑量，MC算法的每個(gè)控制點(diǎn)不確定度設(shè)置為3%。將正常皮膚外輪廓計(jì)算優(yōu)化的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃記為Planwithout，隨后將該計(jì)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(jì)算，得到包含頭頸固定裝置的計(jì)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(duì)同一患者的IMRT/VMAT計(jì)劃的PTV、OAR的受照射劑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)劃靶區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)為靶區(qū)平均劑量（Dmean），100%處方劑量覆蓋體積VPrescription（V70Gy對(duì)應(yīng)PTVnx、V66Gy對(duì)應(yīng)PTVnd、V60Gy對(duì)應(yīng)PTV1、V54Gy對(duì)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(guò)下述公式分別計(jì)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?。ㄔ浇咏?）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(xiàn)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(duì)應(yīng)處方劑量的適形度越好。對(duì)于OAR，腦干和脊髓評(píng)價(jià)指標(biāo)為Dmean與Dmax，其他OAR評(píng)價(jià)指標(biāo)為Dmean。

同時(shí)，對(duì)同一個(gè)患者，在Monaco計(jì)劃系統(tǒng)中將兩個(gè)計(jì)劃的計(jì)算結(jié)果相減得到頭頸固定裝置對(duì)劑量計(jì)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(jì)算為Planwith與Planwithout在該處的劑量差值：

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS19軟件對(duì)Planwithout和Planwith計(jì)劃DVH的劑量參數(shù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，P＜0.05為二者差異有統(tǒng)計(jì)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(jì)劃中各ROI曲線(xiàn)都有一定程度的向左移動(dòng)，各PTV的處方劑量覆蓋體積以及 Dmean均有降低。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2 4個(gè)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(jì)學(xué)意義（表1）。頭頸肩固定裝置對(duì)各個(gè)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?xún)?nèi)。頭頸體位固定裝置對(duì)各個(gè)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(duì)于VMAT計(jì)劃，與僅考慮外輪廓的計(jì)劃Planwithout相比，Planwith計(jì)劃中各ROI曲線(xiàn)均有一定程度的向左移動(dòng)，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(duì)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(jì)學(xué)意義。頭頸固定裝置對(duì)各個(gè)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?xún)?nèi)。頭頸固定裝置對(duì)各個(gè)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(jì)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(duì)射線(xiàn)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(jì)學(xué)意義。其中對(duì)脊髓、喉和舌的劑量影響相對(duì)較大。

2.3 Planwith與 Planwithout劑量差值

在TPS內(nèi)對(duì)同一患者兩套計(jì)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(duì)劑量的變化，范圍從-6 Gy至30 Gy?？梢?jiàn)，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(shí)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(xiàn)經(jīng)過(guò)體位固定裝置時(shí)對(duì)射線(xiàn)的衰減造成的。同時(shí)，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(xiàn)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(jì)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(jì)劃實(shí)施時(shí)對(duì)放療劑量會(huì)產(chǎn)生影響。測(cè)量表明，在射線(xiàn)經(jīng)入射路徑經(jīng)過(guò)治療床、有機(jī)玻璃等物體時(shí)，射線(xiàn)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(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)6 MV光子射線(xiàn)（10×10）cm2照射野從120°～160°入射治療床時(shí)，劑量衰減約為3.0%；從0°～90°入射有機(jī)玻璃板時(shí)劑量衰減為5.8%～10.6%。Cheung等［15］的研究表明對(duì)于2.5 cm厚的真空袋，由于射線(xiàn)的建成效應(yīng)，用6 MV（10×10）cm2X線(xiàn)照射野時(shí)皮膚的表面劑量相對(duì)于無(wú)真空袋時(shí)增大了一倍，當(dāng)真空袋厚度繼續(xù)增加時(shí)皮膚表面劑量相應(yīng)增大，因此Cheung提醒需要考慮真空袋對(duì)皮膚劑量的影響。Puysseleyr等［16］測(cè)量了俯臥乳腺托架對(duì)劑量的影響，當(dāng)射線(xiàn)入射碳纖維床板與乳腺托架碳纖維底板時(shí)，6 MV X射線(xiàn)衰減約7.6%，當(dāng)射線(xiàn)經(jīng)過(guò)乳腺托架固定部分時(shí)衰減可達(dá)12.3%。

表1 9例鼻咽癌患者兩種計(jì)劃間計(jì)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(jì)劃間計(jì)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(shí)射野固定且射野數(shù)目少，可以通過(guò)人為調(diào)整射野入射方向，回避某些入射角度，或利用已測(cè)量的射線(xiàn)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(duì)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(shí)代，多野調(diào)強(qiáng)和VMAT，單個(gè)計(jì)劃內(nèi)通常含有幾十個(gè)甚至上百個(gè)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(huà)并考慮進(jìn)外輪廓，按原始計(jì)劃重新計(jì)算劑量，當(dāng)治療床下方的支撐導(dǎo)軌移出時(shí)，對(duì)多野調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，劑量衰減4.2%，相應(yīng)的VMAT計(jì)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(shí)計(jì)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(jì)劃的27 Gy增大到31～36 Gy，同時(shí)靶區(qū)的覆蓋由原計(jì)劃的95.8%降低到76.5%，此時(shí)的計(jì)劃同樣不能滿(mǎn)足臨床要求。因此，在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)需要將體位固定裝置勾畫(huà)進(jìn)外輪廓。

表2 9例鼻咽癌患者兩種計(jì)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(jì)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(duì)VMAT（a、b、c）和IMRT（d、e、f）計(jì)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(guò)在患者CT圖像上完整的勾畫(huà)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(jì)劃重新計(jì)算的方法，計(jì)算結(jié)果表明頭頸固定裝置會(huì)明顯影響鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃劑量分布，勾畫(huà)固定裝置輪廓TPS計(jì)算劑量相比不考慮固定裝置計(jì)劃計(jì)算得到的靶區(qū)覆蓋和Dmean均有所減小（VMAT 4個(gè)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(gè)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(duì)PTVnd劑量覆蓋影響較大，主要是因?yàn)镻TVnd空間上與體位固定裝置相對(duì)更接近，且距離體表較近。表1的計(jì)算結(jié)果顯示，VMAT和IMRT的Planwith計(jì)劃的PTVnd處方劑量覆蓋率僅為83.50%和88.16%（均小于95%），可見(jiàn)，此時(shí)的計(jì)劃已經(jīng)滿(mǎn)足不了臨床計(jì)劃的目標(biāo)需求。由于頭頸固定設(shè)備對(duì)射線(xiàn)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(jì)學(xué)意義，圖2、3也顯示類(lèi)似的結(jié)果，OAR的曲線(xiàn)都有一定程度的分離且均向左移動(dòng)。

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(xiàn)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(shí)應(yīng)該引起注意的是，如果采用增加MU來(lái)修正特定射野的體位固定裝置的衰減效應(yīng)時(shí)，可能會(huì)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(guò)25 Gy時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生臨床反應(yīng)，超過(guò)45Gy時(shí)會(huì)引起皮膚干燥脫皮等反應(yīng)。Hoppe等［21］報(bào)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(jì)鼻咽癌計(jì)劃時(shí)將頭頸固定裝置勾畫(huà)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(jì)劃劑量計(jì)算與實(shí)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(jì)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(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要將體位固定裝置勾畫(huà)進(jìn)外輪廓內(nèi)，以保證TPS劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性。