图像引导下宫颈癌容积旋转调强放疗中膀胱和直肠实际受照剂量评估

2019-03-19倪晓雷陈榕钦柏朋刚陈文娟翁星林秀容李奇欣戴艺涛陈开强陈济鸿张玮婷

中国医学物理学杂志 2019年2期

倪晓雷，陈榕钦，柏朋刚，陈文娟，翁星，林秀容，李奇欣，戴艺涛，陈开强，陈济鸿，张玮婷

1.福建医科大学附属龙岩市第一医院，福建龙岩364000；2.福建医科大学附属福建省肿瘤医院，福建福州350014；3.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001

前言

随着放射治疗技术的发展，调强放射治疗技术（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）在国内外已广泛应用，而在此基础上发展起来的容积旋转调强放射治疗技术（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）使调强技术有了进一步的发展［1-2］。VMAT技术的一个明显优势是治疗患者用时比静态IMRT用时显著减少［3-5］。IMRT的特点是可以给予靶区足够的剂量覆盖的同时，在周围产生高梯度的剂量陡降，这样对保护正常器官有极大的益处［6］。但对于治疗中发生形变的危及器官应给予格外关注，因为微小形变可能会使危及器官部分落入高剂量区域。在宫颈癌的VMAT治疗中，对于宫颈癌分次间照射的形变是无法很好控制的。因为在宫颈癌放疗中，膀胱和直肠由于生理原因根本无法保证其空间位置与计划设计时模拟CT的空间位置完全一致［7-9］。图像引导放射治疗技术（Image-Guided Radiation Therapy,IGRT）的应用，能在治疗中获取患者的准确体位，控制摆位误差，进而提高放疗准确性［10-11］。最有代表性的是锥形束CT（Cone Beam Computed Tomography,CBCT）应用于患者的治疗摆位，虽然可以比较好地控制较为刚性的移动，但是对于内部器官的移动效果不佳［12-13］。本研究使用计划CT图像与治疗时的CBCT图像进行配准后进行膀胱及直肠的勾画，然后再加入平移摆位误差因素，对比评估这两个危及器官在计划设计与实际治疗中受照射剂量的差异。

1 材料与方法

1.1 病例基本资料

入组2017年2～4月本院初诊并行根治性放疗的宫颈癌患者25例，年龄42～72岁，中位年龄52岁；分期为I期2例，II期11例，III期8例，IV期4例。CT扫描条件：扫描半小时前，患者饮水200 mL，感觉有尿意时扫描，CT模拟机使用Philips大孔径CT，CT扫描层厚为5 mm。患者体位：仰卧位，双手抱头，真空垫固定体位，加上热塑型腹部网罩固定。CT图像通过网络传输至Pinnacle3 9.2计划系统中。临床医师参考患者的磁共振图像进行危及器官（膀胱、直肠等）勾画和靶区勾画。治疗计划使用双弧VMAT方式，旋转弧度分别为182°～178°和178°～182°。经逆向优化设计达到临床处方要求，传输至MOSIAQ系统中进行治疗。

1.2 CBCT图像获取

CBCT扫描前，保持患者体位与模拟CT扫描一致，以尽量避免膀胱和直肠的体积或空间变化。并在Elekta Synergy VMAT加速器下，患者初次治疗前使用治疗机自带的XVI（X-ray Volume Image）系统中的CBCT工具进行图像采集。CBCT参数选择：滤线器F1，准直器M20，曝光条件设置为120 kV和657 mA，扫描角度为360°。扫描完成后使用中等分辨率重建方式重建。配准方式使用灰度配准。配准框设定的范围以肿瘤为中心，适当包括周围的骨性组织即可。获取患者的摆位误差后，将CBCT切分为3 mm层厚的DICOM图像传输至Pinnacle计划系统。

1.3 形变膀胱和直肠勾画

在Pinnacle治疗计划系统中，使用归一化互信息法将CBCT图像严格配准到CT图像上。依据CBCT图像在CT图像中勾画出膀胱和直肠。如果CBCT图像中膀胱或直肠仅显示部分，那么删除治疗计划CT图像中相应多出的层面，以便合理评估剂量。

1.4 摆位误差的引入

使用治疗计划系统的器官扩边和缩小组合，依照摆位误差数据生成平移以后的膀胱和直肠。生成带误差的CT图像上的膀胱、直肠和带误差CBCT图像上的膀胱、直肠。计算膀胱和直肠体积，并且分别统计带有或不带有摆位误差的CT与CBCT图像这4组膀胱、直肠受到不低于50 Gy剂量的体积比（V50）及最大剂量（1%体积的剂量）。

1.5 统计学处理

统计分析采用SPSS 16.0软件包，选用配对t检验对膀胱和直肠体积以及4组感兴趣区域剂量进行对比分析，P＜0.05为有统计学差异。

2 结果

2.1 基本数据

初次摆位时患者使用CBCT扫描的图像与CT图像摆位配准获得的摆位误差的3个方向的平移误差，即左右平移、头脚平移和前后平移的平均值分别为（0.16±0.11）、（0.27±0.24）和（0.23±0.16）cm。基于CT图像和基于CBCT图像勾画出的直肠体积分别为（33.0±16.0）和（21.8±16.5）cm3。基于CT图像和基于CBCT图像勾画出的膀胱体积分别为（387.1±222.3）和（227.8±107.3）cm3。直肠和膀胱的V50与最大剂量在不同条件下的平均值和标准差见表1。

表1 在CT与CBCT上考虑与不考虑平移摆位误差的膀胱和直肠的V50体积百分比和最大剂量Tab.1 Comparison of V50and maximum dose of bladder and rectum based on the CT vs CBCT images(with vs without translational setup errors)

2.2 评估对比分析

基于CT与CBCT图像的直肠、膀胱体积配对t检验结果分别为t=2.8（P＜0.01）；t=3.72（P＜0.01）。以计划CT图像中危及器官为基准，与CBCT图像中的危及器官加入摆位误差的数据进行配对t检验，直肠V50的t=-3.6（P＜0.01），膀胱V50的t=-2.98（P＜0.01），差异均有统计学意义。而直肠、膀胱最大剂量t检验分别为t=-1.18（P=0.25），t=0.66（P=0.51），均无统计学意义。

3 讨论

宫颈癌是中国高发的肿瘤之一，放射治疗在宫颈癌的治疗中具有重要地位［14］。随着放射治疗技术的快速发展，许多宫颈癌患者可以完全依靠放射治疗进行根治性治疗。同时，已有文献报道，使用IMRT可以进一步提高宫颈癌的放射治疗疗效，并有效地保护危及器官［15-16］。

对于VMAT技术在宫颈癌治疗实际应用中还有一些值得探讨的地方，如VMAT技术的特点是可以给予靶区足够的剂量覆盖的同时，在靶区周围产生高梯度的剂量陡降，这样可以有效保护正常器官，但对移动度比较大的肿瘤及周边危及器官可能会存在肿瘤剂量欠量或危及器官保护不足问题。宫颈癌的放疗过程中，膀胱和直肠又是需要特别保护的主要危及器官。在整个治疗过程中，分次治疗中分次间和分次内都可能存在膀胱和直肠位置形变和移动的变化。本研究虽然主要是研究模拟CT扫描与首分次治疗之间病人的膀胱和直肠的体积和剂量变化，而在放射治疗中主要存在两个方面的误差：一是摆位误差；二是患者器官运动的误差，包括器官形变、位移和人体呼吸运动［17］。本研究中可以明确看到摆位误差引起的剂量学差异还是比较小的。当然，这是在临床实践中有对摆位误差进行控制的条件下。比如，在基于计划CT的危及器官剂量和单纯加入摆位误差后直肠和膀胱的剂量均变化不大的情况下。在进行配对t检验分析时，膀胱的剂量差异无统计学意义，但是在基于CBCT勾画的危及器官的剂量和加入摆位误差的剂量都与计划CT勾画的危及器官的剂量有明显差异。CBCT勾画的直肠和膀胱的最大剂量（危及器官1%体积的剂量）与计划CT图像中比较无明显差异。根据临床实践，利用调强放射治疗后，会尽力保证靶区内的剂量比较均匀，本身靶区就较少存在热点。那么，直肠和膀胱即使有一定移动，也并不能影响其最大剂量有明显变化。从另外一个方面来说，在控制靶区内部的剂量均匀性后，更要注重膀胱和直肠V50的体积百分比。

本研究中考虑的CBCT加入摆位误差所评估的危及器官剂量，这是最接近真实患者受照剂量。但是由于技术上的原因，本研究不足之处在于：虽然利用图像引导技术勾画出膀胱和直肠，也增加了平移误差，但是还有旋转误差并未计算进入误差中［18-19］。在小体积肿瘤中可能旋转误差影响比较小，但是宫颈癌照射体积相对比较大，并且靶区在患者头脚方向的长度比较长（有时会接近40 cm），旋转误差对剂量的影响也比较大。旋转误差对膀胱和直肠的影响，还需要进一步研究。

宫颈癌放疗过程中肿瘤会发生不规则皱缩，导致退缩后周围组织器官移位，并且胃肠道的蠕动及膀胱、直肠等的不同充盈状态均会不同程度地导致靶区移位，从而引起解剖空间位置变化。膀胱、直肠等体积变化及其对靶区的影响也是宫颈癌放射治疗临床关心的问题。本研究主要集中于治疗计划与首次治疗的危及器官的空间及体积变化所受的照射剂量，这里没有对放疗过程中肿瘤等靶区退缩情况进行进一步分析。在今后的研究中，增加放疗过程中CBCT的扫描次数，对分次间的危及器官体积变化和加入摆位误差因素对危及器官所受剂量的情况进一步研究。