螺旋断层调强技术治疗肺癌时不同铅门模式的应用研究*

宋明永 解传滨* 徐寿平 戴相昆 葛瑞刚 从小虎 宋圆源 曲宝林 杜乐辉

螺旋断层调强技术治疗肺癌时不同铅门模式的应用研究*

宋明永①解传滨①*徐寿平①戴相昆①葛瑞刚①从小虎①宋圆源①曲宝林①杜乐辉①

目的：比较螺旋断层技术中应用动态和静态铅门两种模式治疗肺癌时的剂量学差异，探讨两种铅门模式在治疗肺癌中的临床应用价值。方法：回顾性选取10例非小细胞肺癌(NSCLC)患者，采用动态和静态铅门两种模式的螺旋断层技术对其进行计划设计，静态铅门计划：铅门宽度为1.05 cm和2.512 cm(P1.05F，P2.512F)；动态铅门计划：铅门宽度为2.512 cm和5.05 cm(P2.512D，P5.05D)。两种模式的处方剂量均为计划肿瘤体积(PGTV)60 Gy/25次，计划靶区(PTV)50 Gy/25次。根据剂量体积直方图(DVH)评估靶区的Dmax、Dmin和Dmean，适形指数(CI)，均匀性指数(HI)和危及器官(OAR)受量，比较动态铅门和静态铅门计划之间靶区以及OAR剂量，评估计划的出束时间和机器跳数。结果：4组计划得到近乎相当的剂量分布，PGTV，PTV的Dmax、Dmin、Dmean、HI和CI无显著差别；健侧肺的V5、V10和Dmean，患侧肺和全肺的V5和V10随P1.05F、P2.512D、P5.05D以及P2.512F的顺序依次递增；而患侧肺和全肺的V20、V30和Dmean随P1.05F、P2.512D、P2.512F以及P5.05D的顺序依次递增。同为2.512 cm铅门宽度时，动态铅门与静态铅门相比，健侧肺，患侧肺和全肺的V5、V10、V20、V30以及Dmean等均有明显减小。而在计划实施效率方面，同等铅门宽度(2.512 cm)下，动态铅门技术比静态铅门技术的治疗时间增加7.4%(21 s)，机器跳数增加了7.7%(300 MU)。P5.05D的出束时间相较于P2.512F缩短了37.8%，P2.512D较P1.05F缩短了56.5%。结论：在肺癌螺旋断层调强放射治疗中，在获得相同的靶区剂量分布基础上，动态铅门技术比静态铅门技术能更好的降低肺部剂量，建议在动态铅门模式下可选择较大射野宽度，以最大限度的提高计划的实施效率。

螺旋断层调强技术；动态铅门；静态铅门；肺癌

近50年来，许多国家都报道肺癌的发病率和病死率均明显增高，男性肺癌发病率和病死率均占所有恶性肿瘤的第一位，女性发病率和病死率均占第二位，肺癌已成为威胁人类生命的恶性肿瘤之一，同时肺癌人群对放射治疗的需求也在不断增加。目前，调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)已成为治疗肺癌常用的技术之一。IMRT可以降低正常组织并发症发生率，提高肿瘤区照射剂量，提升肿瘤控制率[1]。螺旋断层调强放射治疗(helical tomotherapy，HT)技术作为先进技术之一，应用360°旋转调强的方式，在取得更好的靶区剂量分布的同时，可以最大限度的保护周围正常器官，特别是对于较复杂靶区所具备的独特剂量学优势受到各放射治疗中心的青睐。目前，很多医院已将HT技术应用于肺癌的放射治疗。而随着技术的发展，在原来静态铅门技术(fixed jaw)基础上，HT又新增了动态铅门技术(dynamic jaw)，为进一步降低正常器官受量带来了可能。本研究通过对肺癌螺旋断层放射治疗应用不同铅门模式下的计划结果进行比较，分析各自剂量学特点，为临床应用标准的选择提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性选取2016年9-12月解放军总医院放射治疗科收治的10例肺癌患者，靶区均在肺门位置，其中5例左肺，5例右肺；年龄43～67岁，中位年龄52岁。所有患者均采用仰卧位，热塑体模固定，使用SIEMENS大孔径CT进行模拟定位，扫描范围为颈1椎体至膈肌下缘，扫描层厚为3 mm。

1.2 仪器设备

患者定位扫描采用SIEMENS大孔径螺旋CT(型号：SOMATOM Definition As，德国Siemens)，靶区及正常器官勾画采用计划设计，采用Pinnacle 8.0计划系统工作站(荷兰Philips)，计划设计采用Hi.ART 5.0计划系统(美国Accuray)。

1.3 靶区定义及处方剂量

将患者的定位CT图像经网络以医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式传输至Pinnacle 8.0计划系统工作站，由同一医师进行靶区及正常器官勾画。将影像学上可见的肺部病灶和纵隔肿大淋巴结定义为肿瘤体积(gross tumor volume，GTV)，计划肿瘤体积(planning gross tumor volume，PGTV)为GTV外扩0.5 cm，肿瘤临床靶区(clinical target volume，CTV)定义为肺门及受侵纵隔淋巴引流区，计划靶区(planning target volume，PTV)为CTV外扩5 mm。处方剂量为：PGTV60 Gy/25次，PTV50 Gy/25次。

1.4 治疗计划设计

将勾画好的靶区及正常器官的CT图像传输至HT计划系统，在静态铅门模式下根据常用铅门宽度(1.05 cm、2.512 cm)设计2组计划，分别命名为P1.05F和P2.512F；在动态铅门模式下根据不同铅门宽度(2.512 cm、5.05 cm)设计2组计划，分别命名为P2.512D和P5.05D，所有计划均由同一物理师优化完成，且各靶区及危及器官(organ at risk，OAR)优化参数基本一致。4组计划螺距值和调制因子均设置为0.320和2.500，要求处方剂量至少覆盖95%的靶区体积。OAR剂量限制为双肺V5≤60%、V10≤40%及V20≤25%，脊髓最大剂量要求Dmax＜45 Gy、心脏V50＜50%及食管V55＜50%。

1.5 物理参数及剂量学评估

(1)靶区评价指标，剂量均匀指数(homogeneity index，HI)计算为公式1：

式中D2、D98分别为2%和98%的靶区体积所受照剂量，DT为处方剂量，HI越小表明靶区均匀性越好。

(2)靶区适形指数(conformity index，CI)，其计算为公式2：

式中TVpv为处方剂量所覆盖的靶区体积，TV为靶区体积，PV为处方剂量所覆盖的总体积，CI值越接近1表示适形度越好[2-3]。

(3)OAR评价指标，肺脏比较患侧肺，健侧肺和全肺的平均剂量Dmean及V5～V30，其他OAR比较Dmax等。

1.6 统计学方法

应用SPSS 22统计软件对4组数据进行统计，计量资料结果以均值±标准差(x-±s)表示，组间配对样本比较采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布及参数

本研究设计的4组治疗计划均能满足95%的靶区体积接受处方剂量的照射，4组计划的矢状面剂量分布如图1所示。

图1 四组间靶区剂量分布示图

设计的4组计划PGTV和PTV靶区的剂量参数比较结果显示，各组计划靶区剂量在Dmax、Dmin、Dmean、HI以及CI上无显著差异，见表1。

2.2 危及器官参数比较

健侧肺、患侧肺以及全肺的各剂量学参数及比较结果可以看出：在铅门宽度(2.512 cm)相同的情况下，对双肺的保护上动态铅门模式比静态铅门模式具有显著优势，尤其在低剂量体积比较上这种优势更为明显；对P2.512D与P1.05F两组计划比较发现，1.05 cm铅门宽度更具优势，但P5.05D计划却能获得与P2.512F近乎相当的肺部保护效果，并且在V5、V10等低剂量体积比较上还显示出了一定的优势。对脊髓的最大剂量Dmax进行统计分析发现，4组计划之间均无统计学差异，见表2、表3和表4。

表1 四组计划PGTV和PTV剂量参数比较(±s)

表1 四组计划PGTV和PTV剂量参数比较(±s)

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表2 四组计划健侧肺和脊髓剂量参数比较(±s)

表2 四组计划健侧肺和脊髓剂量参数比较(±s)

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表3 四组计划患侧肺剂量参数比较±s)

表3 四组计划患侧肺剂量参数比较±s)

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2.3 治疗时间和机器跳数比较

设计的4组计划的治疗时间和机器跳数数分别从计划系统上读取，同等铅门宽度(2.512 cm)情况下，动态铅门技术比静态铅门技术的治疗时间增加7.4%(21 s)，差异有统计学意义(t=5.653，P＜0.05)，机器跳数增加了7.7%(300 MU)，差异有统计学意义(t=5.495，P＜0.05)。但在不同铅门模式下，P5.05D的出束时间相较P2.512F缩短了37.8%，P2.5D较P1.05F缩短了56.5%，见表5。

表4 四组计划全肺剂量参数比较(±s)

表4 四组计划全肺剂量参数比较(±s)

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表5 四组计划治疗时间和机器跳数剂量参数比较(±s)

表5 四组计划治疗时间和机器跳数剂量参数比较(±s)

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3 讨论

HT技术在放射治疗中应用越来越广，其机架在360°旋转照射的同时治疗床同步前进的治疗方式，带来更好的靶区适形度和剂量均匀性的同时更有效的保护了周围OAR。同时也不可避免的带来了低剂量照射区域增大的弊端，尤其是在治疗肺癌时，经常需要对肺进行“Block”或“Directional”部分射束的遮挡和屏蔽，以有效降低肺部低剂量照射体积，由于射线利用率的降低造成了治疗计划实施时间的成倍增加，因此在计划设计中只能选择相对较大的射野宽度以尽可能提高计划的实施效率。但较大的射野宽度不可避免的带来了靶区纵向边缘的剂量延伸问题，进而增加了正常肺组织的受照剂量[4-5]。

Schllenkamp等[6]研究认为，全肺V5是预测放射性肺炎发生的最重要因素，临床应用中全肺V5应尽量控制在60%范围之内。而通常肺癌计划设计的难点是如何降低低剂量区域剂量。有研究发现，放射性肺损伤是影响肺癌患者放射治疗后生存质量的主要因素，重度放射性肺损伤的发生与低剂量区体积密切相关，尤其是V5，小剂量大体积的肺照射比大剂量小体积的肺照射对肺的损伤更大[7]。这就为各类调强技术提出了更高的要求，即降低肺部低剂量区的覆盖面积，降低肺炎的发生率。而在肺癌的螺旋断层放射治疗中，由于使用较大宽度的铅门，虽然在肺的V10及更高剂量区域HT技术要比VMAT和IMRT技术有优势，但V5等低剂量区HT技术却无优势[8-9]。

动态铅门是在静态铅门基础上的一大进步。使用静态铅门技术制定计划时，在靶区刚刚接近铅门边界和将要离开铅门边界时，整个铅门都将按照预设宽度全部打开，由此也就带来靶区纵向边缘剂量延伸的问题，造成了靶区边界区域受照剂量的增加。尤其在铅门宽度选择5.05 cm时，其明显的剂量延伸问题带来了肺部剂量的明显增加，在临床的实际应用中一般不予采用。因此，本研究在静态铅门模式下只对常用的1.05 cm和2.512 cm两种宽度计划做了对照研究。而动态铅门技术应用后，在靶区接近铅门边界时，铅门只开1.05 cm，随着靶区向前移动，铅门才慢慢全部打开；在靶区离开铅门时，铅门随靶区的移动而移动，直至缩窄至1.05 cm，这样在靶区纵轴方向上有效的改善了靶区边缘的剂量梯度。

本研究中在靶区均匀性和适形度及脊髓受量几乎无差别的情况下，肺的受量在V5和V10时，按P2.512F、P5.05D、P2.512D及P1.05F递减，在V20、V30及Dmean时按P5.05D、P2.512F、P2.512D以及P1.05F递减。虽然采用1.05 cm宽度铅门可以获得更低的肺部受量，但由于出束时间较长，不可避免的带来了治疗过程中患者体位固定的不确定性，而且由于肿瘤随呼吸动度与计划实施过程中较窄铅门运动时相之间的匹配误差，必然引起肿瘤实际照射剂量的差异，因此在临床实际应用中应该予以关注。而对于P5.05D与P2.512F的比较中本研究发现在V5和V10等低剂量区，P5.05D组结果明显低于P2.512F，在V20和V30等高剂量区尽管P5.05D组统计结果高于P2.512F，但差距不大，且这种差距随着剂量升高而缩小，但其计划的实施效率却较P2.512F提高了37.8%。由于本研究所选病例靶区长度较小，因此所节省的绝对时间不足2 min，但是对于靶区较长的病例，这种实施效率的优势就会越发明显。

本研究只针对了肺癌螺旋断层调强技术在不同铅门模式下的剂量学特点作了分析比较，而断层径照(tomo direct，TD)调强技术目前在临床上也有了普遍的应用[10-12]。当治疗床向前移动时治疗机机头固定在某一角度出束，同时通过叶片开合对射线进行调制[13-14]。戴相昆等[15]研究表明，TD技术在治疗肺癌时要好于IMRT技术，可作为肺癌放射治疗的优选技术。而对于TD技术治疗肺癌时不同铅门模式选择带来的剂量学差异将在下一步的研究报道中加以探讨。

在肺癌螺旋断层调强放射治疗中，在获得相同的靶区剂量分布基础上，动态铅门技术比静态铅门技术能更好的降低肺部剂量，建议在动态铅门模式下可选择较大射野宽度以最大限度的提高计划的实施效率。

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Study on the application of different jaw mode in the treatment of lung cancer with helical tomotherapy/ SONG Ming-yong, XIE Chuan-bin, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):23-27.

Objective: To compare the dosimetric difference between the dynamic and fixed jaw mode in the treatment of lung cancer with helical tomotherapy, and to explore the clinical value of dynamic and fixed jaw mode in the treatment of lung cancer. Methods: 10 patients with non-small cell lung carcinoma(NSCLC) were enrolled in the retrospective study, and the two kinds of planning mode of helical tomotherapy (jaw of dynamic state and jaw of fixed state) were designed. In the jaw plan of fixed state, the widths of jaw were 1.05 cm and 2.512 cm, respectively, and the plans were divided into P1.05Fand P2.512F. In the jaw plan of dynamic state, the widths of jaw were 2.512 cm and 5.05 cm, respectively, and the plans were divided into P1.05Dand P2.512D. The dosage of prescription in both of the two mode was 60 Gy/25 F for planning gross tumor volume (PGTV), and was 50 Gy/25 F for planning target volume (PTV). The Dmax, Dmin, Dmean, conformal index (CI), homogeneity index (HI) and

organ at risk (OAR) in target region were evaluated according to dose volume histogram (DVH), and the beam-on time and monitor unit (MU) also were evaluated as DVH. Results: Dose distributions of the four group plans were similar, there were no significant difference in Dmax, Dmin, Dmean, CI and HI of PGTVand PTV (P＞0.05). V5, V10and Dmeanof uninjured lateral lung and V5and V10of injured and whole lung were increase with the increase of the sequence of P1.05F, P2.512D, P5.05Dand P2.512F. While the V20, V30and Dmeanof injured and whole lung were increase with the sequence of P1.05F, P2.512D, P2.512Fand P5.05D. For the same width (2.512 cm), V5, V10, V20, V30and Dmean of uninjured, injured and whole lungs of dynamic jaw compared with that of fixed jaw were obvious diminution. On the implement efficiency of the plan, for the same width (2.512 cm), the treatment time of dynamic jaw increased 7.4% (21 s) than that of fixed jaw and the MU counts increased 7.7%(300 MU) than that of fixed jaw. The beam-on time of P5.05Dshortened 37.8% compared with that of P2.512F, and the beam-on time of P2.512Dshortened 56.5% compared with that of P1.05F. Conclusion: In the helical tomotherapy for lung cancer, the dynamic jaw can reduce the more dose on lung than fixed jaw when the dose distribution was same in target region. Therefore, the larger width of radiation field should be chosen under dynamic jaw so as to enhance the implement efficiency of the plan in maximum.

Helical tomotherapy; Dynamic jaw; Fixed jaw; Lung cancer

Department of Radiotherapy, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China.

宋明永,男,(1991- ),本科学历，物理师。解放军总医院放射治疗科，从事医学物理与精准放疗相关研究。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.006

2017-04-20

1672-8270(2017)07-0023-05

R814.42

A

国家重点研发计划(2016YFC0904600)“以生物组学特征与多模态功能影像为基础的多线束精准放疗方案研究”；解放军总医院临床科研扶持基金(2017FC-WJFWZX-04)“基于旋转调强全中枢照射的临床研究”

①解放军总医院放射治疗科 北京 100853

*通讯作者：xiechuanbin2003@163.com