不同铅门宽度和螺距对宫颈癌放射治疗计划设计的影响研究

2015-03-04庞廷田董婷婷

中国医学装备 2015年12期

高强邱杰全红庞廷田杨波刘峡刘楠董婷婷

高强①邱杰②*全红①庞廷田②杨波②刘峡②刘楠②董婷婷②

目的：在宫颈癌患者螺旋断层放射治疗计划设计中设置不同的铅门宽度和螺距，研究其与计划质量和治疗时间的关系，从而得到铅门宽度和螺距的最佳组合。方法：随机抽取7例宫颈癌患者，按照3种铅门宽度(1 cm、2.5 cm和5 cm)与3种螺距(0.287、0.43和0.86)的相互组合方式进行螺旋断层放射治疗计划设计，并进行计划评估。结果：对结果进行方差分析，铅门宽度，PCTV的靶区剂量均匀性指数和治疗时间相比，差异有统计学意义；螺距与治疗时间相比，差异无统计学意义(P=0.322)，危及器官受量均在剂量限制范围内。结论：铅门宽度和螺距越小，靶区剂量均匀性和适形度越好，危机器官受量越低；铅门宽度越小，治疗时间越长。螺距对治疗时间影响不大，5 cm铅门宽度和0.43螺距组合的治疗计划治疗时间较短，治疗效率较高。

螺旋断层放射治疗；铅门宽度；螺距；宫颈癌；计划质量；治疗时间

[First-author's address]Academy of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China.

宫颈癌是女性生殖系统中最为常见的恶性肿瘤之一，目前已经成为我国女性肿瘤发病率最高的癌症。放射治疗为宫颈癌的主要治疗方法，适用于各临床分期患者[1]。由于宫颈癌临床靶区(clinical target volume，CTV)包括宫颈、子宫、宫旁及部分阴道，盆腔淋巴结区域以及腹主动脉淋巴结区，危及器官较多且与靶区位置关系复杂。在所有宫颈癌外照射治疗技术中，调强是对肿瘤剂量适形度最高、对危及器官保护最好的治疗技术[2-3]。因此，调强放射治疗是宫颈癌重要的外照射治疗技术。

螺旋断层放射治疗设备将6 MV的直线加速器安装在类似螺旋CT的滑环机架上，在治疗床运动的同时滑环机架环绕患者做360o的螺旋照射治疗，滑环机架每旋转一圈，从51个射野方向产生51个调制射野。螺旋断层放射治疗以逆向CT成像原理进行调强自适应治疗，有32对二元多叶光栅调制射野大小[4-7]。与步进方式的断层治疗相比，螺旋照射解决了层与层衔接处剂量不均匀问题。通常螺旋断层放射治疗计划有数百个子野，数万个射野，更多的子野意味着在设计治疗计划时有更高的调制能力，因此即使对于形状非常复杂的靶区，靶区剂量均匀性和适形度同样非常好，危及器官受量也相对较低。螺旋断层放射治疗有自适应放射治疗(adaptive radiation therapy，ART)计划系统[8-9]。螺旋断层放射治疗采用逆向调强计划方式，首先根据铅门宽度和螺距对所有的子野进行计算，其次对每个子野设置权重从而得到合适的剂量分布[10]。本研究通过设置不同的铅门宽度和螺距，探索出其与计划质量和治疗时间相关性，从而为制定宫颈癌的螺旋断层放射治疗计划提供参考和依据。

1 设备与方法

1.1 扫描设备

采用飞利浦64排Brilliance CT(荷兰，飞利浦公司)扫描设备。

1.2 CT扫描方法

患者排空直肠，膀胱为半充盈状态，在阴道内标记，并静脉注入增强剂后仰卧，双手抱头，用低温热塑胸腹部体模对患者进行固定。CT扫描层厚为5 mm，扫描范围为第10胸椎上缘至坐骨结节下缘5 cm处，将CT图像导入tomotherapy治疗计划系统中。

1.3 靶区和危及器官

(1)靶区勾画范围。勾画肿瘤体积(gross tumor volume，GTV)包括宫颈肿瘤及其侵犯区、盆腔增大淋巴结和腹主动脉增大淋巴结。CTV包括宫颈、子宫、宫旁及部分阴道，盆腔淋巴结区域以及腹主动脉淋巴结区。

(2)勾画危及器官。勾画的危及器官包括小肠、膀胱、直肠、左右肾、肝脏、脊髓、胃、骨髓、左右股骨头以及脾脏。

1.4 靶区和危及器官剂量限定

患者计划临床靶体积(planning clinical target volume，PCTV)和计划肿瘤体积(planning gross tumor volume，PGTV)分别给予36 Gy和43 Gy剂量，治疗次数为20次。要求100%的处方剂量覆盖95%的靶区体积。危及器官剂量约束条件见表1。

表1 危及器官剂量约束条件

1.5 放射治疗计划优化

(1)设置R1为PCTV和小肠重合的部分，则PCTV1为PCTV减去PGTV外放0.6 cm的部分。R1和PCTV1单独进行优化，将勾画后的CT图像导入到ART计划系统当中。对每例患者采用1 cm、2.5 cm及5 cm的3种铅门宽度和螺距为0.287、0.43及0.86的3种组合方式生成9个治疗计划。

(2)螺距选择根据公式1:

式中n=1、2、3，其目的是为了减少治疗计划的螺纹效应[9-10]。

(3)调制因子(modulation factor，MF)决定治疗计划的强度水平，MF越大射线调制水平越好。MF为1则表明射线无调制能力，更大的MF意味着更好的靶区剂量均匀性和适形度，但治疗时间更长[11]。

(4)本实验MF设置为2.5。计划系统中ART系统为2.2.4版本，网格设置为精细，所有的计划给予相同的优先权、重要性及权重进行优化。重要性、权重设置为1优化100次，改变重要性和权重再优化300次。

1.6 治疗计划评估方法与标准

(1)治疗计划优化完成经过最后剂量计算，得到剂量-体积直方图(dose volume histogram，DVH)和物理参数，然后对治疗计划进行评估。

(2)PCTV、PGTV分别采用D95、V100、靶区剂量均匀性指数(dose homogeneity index，DHI)以及适形性指数(conformity index，CI)进行评估。其中D95为95%的靶区体积所接受的剂量，V100为100%的处方剂量所包含的靶区体积。DHI＝(DMAX-DMIN)/D处，其中DMAX为靶区最大剂量，DMIN为靶区最小剂量，D处为处方剂量。DHI值越大表明靶区剂量均匀性越差[12]。

(3)采用Paddick[11]所描述的方法，CI=VREF×VREF/ (VTAR×VVOL)，其中VREF为参考等剂量线所包含的靶区体积，VTAR为靶区体积，VVOL为参考等剂量线所包含的体积。CI越大，表明靶区适形度越好(数值范围从0到1)[13-14]。危及器官按照剂量约束条件进行评估。

1.7 统计学方法

所有实验数据均采用SPSS 20.0分析软件进行数据分析，统计方法采用多变量方差分析，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 实验结果

2.1 冠状面剂量分布的比较

采用螺距为0.43的不同的铅门宽度，对患者治疗计划冠状面的剂量分布进行比较。当铅门宽度为5 cm时，靶区剂量均匀性和适形度比较差，靶区内存在“冷热点”现象。靶区周围有螺纹效应，其中Y方向螺纹效应明显，周围正常组织受量较多。当铅门宽度为1 cm时，靶区剂量均匀性和适形度较好，靶区内基本不存在“冷热点”现象。靶区周围螺纹效应减小，Y方向减小显著，周围正常组织受量减少，如图1所示。

图1 三种不同铅门宽度的治疗计划冠状面剂量分布图

采用铅门宽度为2.5 cm的不同螺距，对患者治疗计划冠状面的剂量分布的比较结果显示，随着螺距的增加，剂量分布变差，周围正常组织受量增加，靶区周围螺纹效应增大，其中Y方向增大明显，如图2所示。

图2 三种不同螺距的治疗计划冠状面剂量分布图

2.2 PGTV和PCTV剂量学参数的比较

当铅门宽度和螺距越大时，PCTV和PGTV的剂量均匀性指数DHI也越大，适形度指数CI越小，表明靶区剂量均匀性和适形度越差，见表2。

表2结果显示，通过多变量方差分析得出对于不同的铅门宽度，PGTV的D95、Dmax与PCTV的Dmax、CI的P值分别为0.011，差异有统计学意义，因此铅门宽度对PGTV的D95、Dmax和PCTV的Dmax、CI有显著的影响。对于不同的螺距，PGTV的Dmax和PCTV的Dmax的P值分别为0.042和0.02，具有明显差异，表明螺距对其有显著影响。

2.3 危及器官剂量学参数的比较

通过多变量方差分析得出对于不同的铅门宽度，小肠的D50、膀胱的D50、右肾的D33、肝脏的D33、右股骨头的D5以及脾脏的D50，其P值分别为0.01、0.006、0.028、0.046、0.001和0.001，具有明显差异。因此，铅门宽度对小肠的D50、膀胱的D50、右肾的D33、肝脏的D33、右股骨头的D5和脾脏D50有显著的影响。随着螺距的增加，危及器官受量逐渐增加，但增加不明显。对于不同的螺距，脊髓的D0.1cc、左股骨头的D5和脾脏D5的P值分别为0.021、0.001和0.001，具有明显差异。因此，螺距对骨髓的D0.1cc、左股骨头的D5和脾脏D50有显著的影响。随着铅门宽度的增加，危及器官的受量逐渐增加，见表3。

表3结果与Moldovan等[12]的研究结果一致，即铅门宽度越小，螺距越小，危及器官越能得到有效的保护。

2.4 物理参数比较

对物理数据做多变量方差分析，得出对于铅门宽度、实际调制因子、治疗时间、机架旋转圈数以及机器跳数的P值均＜0.001，具有显著差异。对于螺距、机架旋转周期的P值＜0.001，具有显著差异，见表4。

表4显示，随着铅门宽度的增加，实际调制因子越来越小。而随着螺距的增加，实际调制因子越来越大。治疗时间和铅门宽度成反比，螺距对治疗时间的影响极小，差异无统计学意义。

表2 PGTV和PCTV剂量学参数的比较(x-±s)

表3 危及器官不同铅门宽度及螺距的剂量学参数比较(x-±s)

表4 物理参数的比较(x-±s)

2.5 铅门宽度和螺距与治疗时间的关系

铅门宽度、螺距与治疗时间(t)的关系。最短治疗时间约为6 min，最长治疗时间约为29 min。机架旋转圈数随铅门宽度增加而减少，随螺距增加而增加，螺距对其影响较小，差异无统计学意义。机架旋转周期与螺距成正比，与铅门宽度成反比，铅门宽度对机架旋转周期影响较小，差异无统计学意义。机器跳数随铅门宽度增加而减少，随螺距增加而增加，对于螺距，机器跳数的差异无统计学意义，如图3所示。

图3 铅门宽度和螺距与治疗时间关系示图

3 讨论

本研究的目的是在宫颈癌靶区剂量均匀性和适形度较好以及危及器官受量达到临床要求的前提下，寻找出铅门宽度和螺距的最佳组合，从而提高治疗效率。通过研究发现，铅门宽度对计划质量和治疗时间的影响要远远大于螺距影响。临床上铅门宽度为1 cm时治疗计划适用于小靶区照射，如立体定向放射外科(stereotaxic radiosurgery，SRS)等。1 cm的铅门宽度可以提高计划质量，但会花费更多的时间。在宫颈癌治疗计划设计中，1 cm铅门宽度的治疗计划比2.5 cm铅门宽度的治疗时间增加约18 min，而5 cm铅门宽度的治疗时间增加约24 min。对于不同的铅门宽度，PGTV的D95、Dmax与PCTV的Dmax、CI相比较P值均＜0.001，差异有统计学意义，但均在临床可以接受的范围内。PGTV的V100、Dmin、DHI、CI的P值分别为0.422、0.653、0.850和0.311，PCTV的D95、V100、Dmin、DHI的P值分别为0.927、0.316、0.702和0.152，差异无统计学意义，危及器官受量均在剂量限制范围内。但对于治疗计划5 cm铅门宽度的计划治疗时间仅为6 min左右，可大幅度减少治疗时间，减少机器损耗，提高治疗效率。为了满足机架旋转周期为16～20 s的要求，螺距应设为0.43[10]。

Hui等[15]发现，1 cm铅门宽度的治疗计划的治疗时间是5 cm的铅门宽度治疗计划的4倍以上，是2.5 cm的铅门宽度计划的2倍左右。本研究1 cm和5 cm这两个数字分别为铅门宽度治疗计划的4.9倍和2.5倍。Daveau等[16]研究发现，螺距对治疗计划质量的影响比铅门宽度小得多，本研究也得出了相同的结论。对于不同的铅门宽度，PGTV的D95、Dmax和PCTV的Dmax、CI、小肠的D50、膀胱的D50、右肾的D33、肝脏的D33、右股骨头的D5和脾脏的D50差异有统计学意义。对于不同的螺距，PGTV的Dmax和PCTV的Dmax、脊髓的D0.1cc、左股骨头的D5和脾脏的D50差异有统计学意义。Woch研究表明，大的螺距可以有效的减少治疗时间[17]。然而本研究结果表明，螺距对治疗时间影响非常小，P值为0.322，差异无统计学意义。螺距对治疗时间有影响的原因可能是由于宫颈癌靶区结构较为复杂，使螺旋断层放射治疗计划系统调整机器参数去维持治疗计划目标函数，从而影响了治疗时间[12]。

减少治疗时间可以有效提高治疗效率，是本研究的主要目的。靶区剂量均匀性和适形度能够达到临床要求，危及器官受量在可以接受的前提下，减少治疗时间可以有效提高治疗效率。此外，减少治疗时间可减少机器损耗和患者的位置移动概率，提高患者的舒适感和配合度，更有利于放射治疗的开展[12]。对于宫颈癌1 cm的铅门宽度的计划治疗时间较长，临床应用受限。5 cm的铅门宽度的治疗计划比2.5 cm的靶区剂量均匀性和适形度较差，危及器官受量也比较高，但都在临床可以接受的范围内，且治疗时间较短，适合于宫颈癌的治疗计划设计。

本研究表明，影响螺旋断层放射治疗计划设计的物理参数包括铅门宽度、螺距、MF、实际MF、机架旋转圈数、周期和机器跳数等，铅门宽度和螺距的改变，可对其产生影响。

然而，目前尚无法解释在靶区适形度和均匀性较好，危及器官受量较低的前提下，是否可以通过减小实际调制因子、机架旋转圈数和周期以及机器跳数等减少机器治疗时间。此外，本研究的MF设置为2.5，并不能够比较不同的MF对计划质量和治疗时间的影响。因此，在满足临床要求的前提下，对于不同的铅门宽度、螺距以及MF的组合对计划质量和治疗时间的影响有待进一步研究。

4 结语

5 cm的铅门宽度和0.43的螺距是宫颈癌患者螺旋断层放射治疗计划设计中物理参数的最佳组合，可以有效减少放射治疗时间，提高治疗效率。

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Research on the investigation of impact to different jaw width and pitch in treatment plans for cervical cancer/

GAO Qiang, QIU Jie, QUAN Hong, et al//
China Medical Equipment,2015,12(12):47-52.

Objective:To investigate the best fitting Helical tomotherapy treatment planning parameters, Helical Tomotherapy plans using a combination of jaw widths and pitches for cervical cancer obtained the relations with plan quality and treatment time.Methods:Helical Tomotherapy plans were produced using a combination of jaw widths 1 cm, 2.5 cm and 5 cm and pitches 0.287, 0.43 and 0.86 for 7 patients previously treated for cervical cancer and then were assessed.Results:Analysis of variance was used to the results. To jaw width, and the result was statistical difference. To pitch, and the result was not statistical difference(P=0.322). OARs were within the normal range.Conclusion:The treatment plans with smaller jaw widths and pitches showed better plan target volume dose heterogeneity and conformity and sparing of normal tissues. Treatment time increased inversely proportional to the jaw widths and had much less impact on the pitch. The treatment plan using a combination of 5 cm jaw width and pitch of 0.43 demonstrated the shortest treatment time and the highest treatment efficiency.

Helical tomotherapy; Jaw width; Pitch; Cervical cancer; Plan quality; Treatment time

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.015

1672-8270(2015)12-0047-06

R737.33