调强放疗技术在射野衔接中的应用研究

李彩虹，王沛沛，李金凯，昌志刚，顾宵寰，孙新臣

南京医科大学第一附属医院 放疗科，江苏 南京 210029

引言

在临床实践中，肿瘤放疗靶区长度超过医用加速器最大射野在等中心处的投影极为常见，例如原发颅内的生殖细胞瘤、中枢性神经系统恶性淋巴瘤和儿童的髓母细胞瘤等疾病，需要进行全脑全脊髓照射[1-2]。传统的做法有，利用相邻野在皮肤间隔一定距离，或利用几何学原理共线相交，或利用独立准直器的半野照射技术等。然而，这些方法都存在对放疗摆位精度的要求比较高，靶区及周围正常组织容易出现剂量冷热点，治疗过程中需要不断变换射野衔接位置以确保安全等问题[3-4]。

目前，适型调强放疗技术已广泛应用于肿瘤靶区较长[5-7]，需要进行射野衔接的病例当中，其凭借剂量分布更优，摆位操作更加方便，不需要移动射野衔接位置等优点，更容易让医生和患者接受。但在射野衔接时应用适形调强放疗技术仍存在许多隐患和不足，如计划重叠范围的长度，放疗计划优化的次序，摆位误差对实际剂量分布的影响等，笔者利用Axesse加速器和Monaco治疗计划系统对部分隐患和不足进行了分析，现将有关研究结果报告如下。

1 材料与方法

1.1 一般资料

2016年10月至2017年6月，在南京医科大学第一附属医院放疗科行调强放疗，肿瘤靶区长度大于45 cm的9例患者，其中男性5例，女性4例；年龄6～45岁，中位年龄18岁；髓母细胞瘤4例，生殖细胞瘤2例，淋巴瘤2例，骨转移1例。规定所有治疗计划需要满足95%的靶区体积达到100%的处方剂量，靶区长度大于45 cm，但小于60 cm者，设置2个计划等中心；靶区长度大于60 cm，但小于90 cm者，设置3个等中心。

1.2 设备资料

大孔径CT模拟定位机（西门子），螺旋扫描，重建层厚取5 mm。Axesse直线加速器（医科达），其最大野为40 cm×40 cm，配有80对多叶光栅，等中心处叶片投影宽度均为5 mm；Monaco V5.1治疗计划系统，支持静态调强、动态调强、容积旋转调强，采用蒙特卡洛算法，计算网格取0.3 cm。

1.3 重叠长度和摆位误差对靶区剂量的影响

靶区A和B的总长度超过45 cm，需要进行射野衔接，见图1。设定两个调强放疗计划A和B，其中Plan A对应靶区A，Plan B对应靶区B和部分靶区A，两者等中心间距取25 cm左右，计划重叠长度分别取1、2、4、8 cm。每例患者均选择4种不同长度的计划衔接过渡范围，将Plan A和Plan B放在同一治疗计划内同时进行逆向优化，并通过改变其中一个治疗计划的等中心坐标，模拟头脚方向±3、±5、±10 mm的摆位误差，研究不同重叠长度的调强计划具体执行时肿瘤靶区的实际剂量分布。

图1 靶区A和B射野衔接示意图

1.4 计划优化次序和摆位误差对靶区剂量的影响

将上述第3步中推荐的计划重叠长度，即射野衔接过渡区的靶区分成n部分。本研究如图1所示分成3段，命名为PTV1、PTV2、PTV3。关于射野衔接过渡区的处方剂量计算，公式定义如下：

其中，n表示射野衔接过渡区的总分段数，i表示从计划等中心一侧到射野边界的第几段。以图1为例，n=3，根据公式1，计算处方剂量如下，PTV1：75%的处方剂量；PTV2：50%的处方剂量。PTV3：25%的处方剂量。

不同于第3步的Plan A和Plan B同时优化，此处先根据上述靶区A的剂量衔接处方定义方案进行逆向优化，得到Plan A；第二步，再以Plan A为Base Plan，对Plan B进行逆向优化，使靶区A和B同时满足100%的处方剂量定义。最后，通过改变其中一个治疗计划的等中心坐标，模拟头脚方向±3、±5、±10 mm的摆位误差，研究不同计划优化次序得到的调强计划具体执行时肿瘤靶区的实际剂量分布。

1.5 统计学分析

靶区剂量分布评价指标包括：计划重叠区域95%和1%靶区体积所受到的照射剂量D95%和D1%，其中，摆位误差方向相向时（+），取1%体积的照射剂量D1%，摆位误差方向相反时（-），取95%体积的照射剂量D95%。利用统计软件SPSS 21.0对靶区评价指标进行统计学分析，计量资料以均数±标准差（±s）表示。

2 结果

2.1 重叠长度和摆位误差对靶区剂量的影响

9例患者，利用相同的目标函数和逆向优化算法得到了36个调强治疗计划。统计显示，随着重叠长度的增加，计划重叠区域的D95%均值增加，D1%均值变小，具体见表1，对D95%和D1%进行单因素方差分析，差异有统计学意义（F=144.890，7.878，P＜0.05）。模拟摆位误差时发现，摆位误差对计划重叠区域的D95%和D1%有影响 （F=1121.185，1286.928，P＜0.01），重叠长度对计划重叠区域的D95%和D1%也 有 影响（F=297.908，203.171，P＜0.01）， 并且两者存在交互作用（F=34.887，37.403，P＜0.05），即在不同摆位误差和重叠长度水平的组合上还存在附加影响。

为更好的说明摆位误差对射野衔接处剂量分布的影响，模拟头脚方向摆位误差为10 mm时，某例患者不同重叠长度的靶区剂量分布（冠状面），见图2～3。由图可见，当射野衔接重叠长度≤2 cm时，形成的高剂量区或低剂量区是重叠在一起的，尤其在1 cm的时候，高剂量区和低剂量区形成了二次叠加，使得高剂量区剂量更高，低剂量区剂量更低；当重叠长度≥4 cm时，射野衔接处的高剂量区或低剂量区被中间满足剂量处方要求的靶区分成了两段。

表1 摆位误差对靶区剂量的影响（%）

图2 摆位误差+10 mm时射野衔接处的剂量分布图

图3 摆位误差-10 mm时射野衔接处的剂量分布图

2.2 计划优化次序和摆位误差对靶区剂量的影响

计划重叠长度取4 cm，分成3段，每段1.33 cm。以某患者为例，Plan A和Plan B同时优化及分段优化的射野衔接剂量分布，见图4。由图可见，同时优化时，两个计划对射野衔接处的剂量贡献基本是平分的；而基于Base Plan的分段优化，由于剂量处方的分段定义，可见两个计划对射野衔接处的剂量贡献是呈线性变化的。

图4 优化次序不同时射野衔接处的Profile曲线

基于Base Plan的3段衔接计划，不同摆位误差时，射野衔接处剂量评价指标的具体数值，见表1，与重叠4 cm同时优化的计划行配对样本t检验，D95%和D1%差异有统计学意义（t=9.974，5.357，P＜0.05）。当头脚方向摆位误差为10 mm时，某例患者的3段衔接计划靶区剂量分布（冠状面），见图5。由图可见，射野衔接处的高剂量区和低剂量区被分成了3～4段，这使得高剂量区的最大值和低剂量区的最小值变化趋缓。

图5 摆位误差10 mm时射野衔接处的剂量分布图

3 讨论

随着放疗设备的不断发展和放疗技术的不断革新，应用到射野衔接中的技术选项越来越多[8-9]。目前，很多研究证实螺旋断层放疗系统[10-11]较医用加速器能够更好的完成超长靶区体积的衔接照射，但该放疗设备价格昂贵，仅在我国极少数的放疗中心安装使用，而大部分放疗科仍采用医用加速器来实现射野衔接照射。从而，国内外学者对利用医用加速器进行射野衔接的技术和方法做了很多改进。有研究报道，在原常规照射的基础上，通过手工设置多个“野中野”正向调强羽化衔接线法，可有效降低靶区衔接区域的分次高量，然而计划设计较麻烦，羽化的效果也有限[12]。亦有学者[13]主张采用多角度照射，如固定野多角度调强放疗、容积旋转调强放疗等，认为调强放疗可显著降低靶区及周围正常组织的高剂量体积，进一步提高靶区适形度和均匀性，但此种技术对患者的摆位要求也更加严格。

摆位误差是不可避免的，很多研究[14-15]结果显示体部肿瘤的摆位误差介于3～10 mm之间，通过图像引导放疗可以减小摆位误差。Strojnik等[16]使用简单的几何推理证明，采取两个预防措施，扩大计划重叠区域和减少重叠区域的剂量梯度，可减少摆位误差在射野衔接处所产生的热点和冷点。本研究对调强放疗技术在射野衔接中的应用细节问题进行了探讨，具体包括射野衔接重叠长度对治疗靶区剂量分布有无影响，计划优化次序是采用同时优化还是选择分段优化，那种组合可以最大程度的减少摆位误差对靶区实际受照剂量的影响等。研究结果显示，利用调强放疗技术对长靶区进行射野衔接时，计划重叠长度大于等于4 cm，人为设置线性剂量过渡处方，并采用分段优化的设计方式，可减少摆位误差对靶区实际受照剂量的影响，这与Strojnik等[16]的研究结果一致。

放射治疗计划实施的准确程度对治疗效果有明显影响。本研究通过模拟头脚方向摆位误差发现，射野衔接处的剂量偏差随着摆位误差的增大变化剧烈，这提示在靶区需要进行射野衔接照射时，应结合图像引导放疗技术，通过在线摆位校正摆位误差。与此同时，再结合上述的治疗计划优化技术，进一步提高衔接处靶区剂量分布的均匀性，从而为提高放疗疗效奠定基础。