鼻咽癌螺旋断层治疗中物理参数优化因素的分析

解传滨 徐寿平 戴相昆 巩汉顺 葛瑞刚 马 林 杜 镭

鼻咽癌作为我国常见的恶性肿瘤之一，放射治疗已成为其最主要且行之有效的治疗手段。由于鼻咽部解剖结构复杂，临近许多危及器官包括脑干、眼球、晶体、视神经、视交叉、垂体、颞颌关节、内耳、脊髓、腮腺、口腔和喉-气管-食管等，且靶区与危及器官耐受剂量差别较大，因而鼻咽癌调强放疗(IMRT)计划设计始终在临床研究中扮演着较为重要的地位[1～5]。螺旋断层治疗(helical tomotherapy,HT)作为1种新兴的调强放射治疗技术，其51个射野方向(约每隔7°)相对于标准常规加速器IMRT(7～9个固定射野)在逆向治疗计划优化过程中拥有额外角度的自由度优势，从而以良好的剂量均匀性和更好的正常组织保护在复杂的头颈部放射治疗中显示出较明显的优势[6,10～13]。螺旋断层治疗采用传统加速器中不曾有的铅门宽度、螺距和调制因子3种重要物理参数，而这些参数与计划优化质量、治疗照射时间间的相互影响如何，目前未曾见太多报道。我们在深入理解螺旋断层治疗中物理参数的基础上，探讨实现鼻咽癌计划设计的参数最佳组合及其剂量学影响，从而为临床计划设计提供较为现实的临床依据。

1 资料与方法

1.1 图像采集

选取5例在我院接受螺旋断层治疗的鼻咽癌患者。患者采用头枕仰卧位，S型头颈肩热塑体模固定。应用Philips BrillianceTM大孔径CT进行平扫+增强扫描，扫描范围从头顶到气管隆突,扫描层厚为3 mm。

1.2 靶区勾画

将定位图像传至Pinnacle38.0 m TPS上进行图像融合后，在平扫图像序列上勾画靶区及危及器官轮廓，包括脑干、颞叶、眼球、晶体、视神经、视交叉、垂体、颞颌关节、内耳、脊髓、腮腺、口腔和喉-气管-食管，靶区定义参考ICRU50、62号文件，将CT或MRI可见的肿瘤范围定义为GTVnx，外扩5 mm命名为pGTVnx(根据情况调整靶区与脑干、脊髓、视交叉、视神经的距离)；颈部转移性肿大淋巴结定义为GTVnd，外扩3 mm命名为pGTVnd。将高危淋巴引流区命名为CTV1，范围包括pGTV、全鼻咽黏膜、颅底、斜坡、咽旁间隙、咽后间隙、蝶窦下部、翼腭窝、鼻腔及上颌窦后1/3、口咽及淋巴引流区中的Ⅱ、Ⅴ区。CTV1外扩3 mm命名为PTV1，并根据情况在临近脑干、脊髓等危及器官部分调整外扩距离，与皮肤至少保持3 mm的距离。CTV2为低危区，给予预防照射剂量,CTV2外扩3 mm命名为PTV2。

1.3 处方剂量及计划要求

采用鼻咽癌常规处方剂量及分割方式。pGTVnx和pGTVnd给予70 Gy/33F，2.12 Gy/F；PTV1给予60 Gy/33F，1.82 Gy/F；PTV2给予54 Gy/33F，1.64 Gy/F。计划优化结果要求处方剂量覆盖95%的靶体积。正常器官限量要求：腮腺V30<50%，口腔V40<30%，喉-气管-食管(E-T)V40<30%，脑干<54 Gy，脊髓<45 Gy，内耳、颞颌关节<60 Gy,晶体<7 Gy等。

1.4 治疗计划优化

将勾画好的患者图像传到TomoTherapy (Hi-ART 3.1.2.9)计划系统后，在选用1.05 cm、2.5 cm、5.0 cm铅门宽度情况下，分别与不同螺距(0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)进行组合，生成不同治疗计划，并选用相同的目标函数进行优化，优化过程中调整强度调制因子，在达到较理想剂量分布的基础上保证计划的机架旋转周期在16～20 s间(尽量接近理想值17 s)。 计划设计中网格大小的计算采用正常模式,优化算法采用卷积/迭代算法，优化目标统一定为PTV1体积的95%接受60 Gy的处方剂量。

1.5 计划评估

2 结果

2.1 物理参数比较

表1 3种铅门宽度计划组物理参数比较

2.2 剂量学比较

选用JW=1.05 cm情况下，各螺距组合通过优化调整后，其剂量分布(DVH)易达到理想结果，危及器官可得到较好的避让，同时靶区剂量达到较高的均匀性与适形度，基本不存在"冷热点"剂量(图1a)。选用JW=2.5 cm情况下，不同螺距计划所得到的剂量分布较均匀，但纵向剂量分布随螺距增大而变差(图1b)。而当JW=5.0 cm时剂量分布明显变差，且随螺距增大变化更明显，而且纵轴方向出现明显的螺纹效应(图1c)。而在相同JW情况下，随螺距增加剂量分布逐渐变差，并且在较大螺距情况下纵轴亦体现了螺纹效应的存在(图2)。

图1 不同铅门宽度情况下各计划冠状位等剂量曲线的比较

图2 不同螺距情况下冠状位等剂量曲线

靶区评估选用JW=1.05/2.5/5.0 cm及Pitch=0.20/0.25/0.30/0.35/0.40/0.45/0.50计划组,由表2、3可见，在靶区剂量包绕(D95,V100)方面无明显差异，但靶区适形度及均匀性方面JW小及螺距小具有明显优势，特别是pGTV(含 pGTVnx、pGTVnd)上更为突出。各计划组中危及器官剂量亦存在一定的差异，由表4可见，较小的JW对降低危及器官的剂量具有一定优势，其中与靶区呈纵向分布的眼球、晶体以及分布于靶区侧向边缘的内耳、颞颌关节的最大剂量，受JW大小的影响尤为明显，JW越大其剂量最大值越大。然而在纵轴方向上与靶区并行分布的脑干、脊髓却无明显差异。由表5可见，相同JW情况下螺距越小更有利于降低危及器官受量，特别是腮腺、口腔，表现较为突出，而对靶区纵向边缘范围外眼球、晶体则无明显差异。

表2 不同铅门宽度计划分组靶区剂量评估比较

表3 不同螺距计划分组靶区剂量比较

3 讨论

类似于传统大多数IMRT计划设计过程，螺旋断层治疗计划可通过逆向优化每个投影子野的束流强度以更好地满足临床目标函数，其优化过程通常分为两步，首先根据靶区位置、铅门宽度和螺距计算出所使用的子野；然后基于每个子野的权重优化得到所需的剂量分布[8]。这些物理参数包括：铅门宽度(JW)相当于CT的层厚即射野打开的宽度，治疗过程中通常为固定值。螺距(Pitch)定义为机架旋转1个周期间床运动的距离与旋转轴上所投影的铅门宽度(即层厚)之间的比值，其值决定了机架旋转的圈数；较小的螺距则意味着每个点接受到更多的旋转周束流照射，典型值为0.2～0.5。而调制因子(MF) 决定了束流的强度调制水平,其定义为叶片最大强度与所有非零开启叶片的平均强度水平之比；MF=1则意味其子野不存在强度调制，更高MF则意味着可能提供更高的剂量梯度。

表4 不同铅门宽度计划危及器官剂量评估比较

表5 不同螺距计划分组危及器官剂量评估比较

计划中设定JW越大，相同靶区照射所需机架旋转圈数也就越少，治疗实施效率也就越高，治疗照射时间与JW成近似反比关系。螺距越大机架旋转周期(GP)则越长，同时剂量会在靶区侧向边缘形成螺旋梯形状的分布；而若选较小的螺距，这种螺纹重叠效应将会不明显。因此为减少剂量分布中螺纹效应的产生，我们推荐根据公式 (n为整数)选择设定螺距如0.43/0.287/0.215等[14]，而本研究未给予探讨。

当然，计划过程中为满足GP 16～20 s的要求(常规约2.0 Gy/F而言)，较大螺距时需将MF设定较小值。Pitch>0.4时，MF则需小于2.0，而使得计划难以得到理想结果；可适当增加MF解决，但这势必会增加治疗时间。而当Pitch<0.3时，为满足GP要求MF一般需大于3.0；这种情况下计划虽会理想，但Final Dose运算后则会出现靶区欠量可能。这是由于计划最后分次计算模式需考虑到照射执行系统的物理限制如将删除时间太短的子野。

螺旋断层治疗中理论上若不考虑临床治疗时间因素，更小JW、更紧Pitch和更高MF将产生更好的计划质量。Woch等[15]通过在不同部位肿瘤设定更大Pitch可有效地减少治疗时间。Daveau等[16]认为JW、MF比Pitch在计划质量有更大的影响。而其他研究表明[7,17～19]利用更大JW实施头颈部肿瘤、全身放疗(TBI)、全淋巴照射(TMI)及同时避让、补量照射全脑放疗的计划设计，可减少约50%治疗时间；但这种治疗时间的减少会以计划质量为代价的。我们研究分析了潜在的物理参数优化组合，需得到较理想的靶区适形度和周围危及器官保护的前提下，探讨了降低螺旋断层治疗鼻咽癌的治疗时间可能。实验研究表明靶区复杂(如径向变化梯度大)计划更趋向于选择小JW，原因在于小JW允许纵向上实现剂量的快速递降，从而最大限度地减小相邻像素间"涂抹"剂量的可能。本着提高临床实施效率以及减少机器损耗的原则，在较为理想机架旋转周期17s以及剂量分布条件下，建议对鼻咽癌治疗计划选择FW=2.5 cm、Pitch=0.287～0.43、MF= 2.0～3.0的物理参数实施优化。

总之，JW比Pitch在治疗时间和计划质量上有更大的影响，而MF增加提升剂量分布同时会轻微地影响治疗时间的改变。

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