基于螺旋断层放疗的立体定向放射治疗多参量数据分析

程晓龙，刘吉平，杨双燕，时建芳

浙江省肿瘤医院放射物理室，浙江杭州310022

前言

体部立体定向放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）是一种非侵入性治疗，在精确的影像技术引导下给予局部肿瘤以高剂量、低分割的放射治疗，具有分割剂量大、精度高等特点，可获得＞95%的肿瘤局部控制，已成为拒绝或不可手术的肺癌标准治疗方法［1-3］。螺旋断层放疗（Tomotherapy,TOMO）技术是结合调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）和影像引导放射治疗（Image-Guided Radiotherapy,IGRT），应用逆向CT成像原理，采用调强的扇形射束，以螺旋旋转的方式进行放射治疗［4］。TOMO独有兆伏级CT成像技术，成像源和照射源相同，机械精度相同，成像精度和照射精度都是±0.1 mm，远远高于传统加速器的±1 mm，且可在每次治疗时进行摆位验证，确保射线对肿瘤靶区的精确照射。TOMO每个螺旋周期中有51弧形照射野，每个弧形照射野都有64个可调节的子野，每个子野都有100级强度可调，其单位剂量率达到850 MU/min，可减少单次治疗时间［5］。本研究旨在明确TOMO的SBRT计划设计中参数设置原则和剂量验证通过标准，并基于MVCT的摆位误差确定合适的靶区边界外扩值（ITV-PTV）。

1 材料与方法

1.1 病例信息

选择浙江省肿瘤医院2015年1月至2018年5月行TOMO的45名早期原发性非小细胞肺癌（NSCLC）患者，单次剂量 5.0～12.5 Gy，中位剂量 7 Gy，治疗次数4～12次，中位次数8次。其中25例使用热塑体膜固定，20例使用真空负压垫固定。患者均在平静呼吸状态下，行螺旋CT模拟机4DCT图像扫描，扫描范围从第4颈椎上缘到第2腰椎下缘，层厚3 mm。选取吸气末（EI）与呼气末（EE）的10个序列图像以及最大强度投影图像传输至Raystation计划系统进行靶区与危及器官勾画。在每个时相上分别勾画大体靶区（GTV），所有时相的GTV叠加在EE图像（计划CT图像）中即为ITV，对ITV再均匀外扩3～5 mm形成计划靶区（PTV），最后在计划CT图像上勾画双侧肺、脊髓、心脏等。

1.2 计划设计

物理师首先在Raystation计划系统中添加辅助结构，主要是做围绕PTV外扩1 cm的剂量限制环，有时也根据PTV与双肺的位置关系，通过增加block结构来约束射束对肺的直接照射范围。计划再传输至TOMO工作站，将靶区和危及器官排位后，设置计划相关核心参数：（1）射野宽度（Field Width,FW），如靶区最大径长＜6 cm，FW选择1 cm或2.5 cm；如＞6 cm，FW选择2.5 cm。（2）螺距（Pitch），根据单次剂量设置范围为0.1～0.5，具体取值后文会详细讨论。（3）调制因子（Modulation Factor,MF），初始设定为2。（4）剂量计算网格（Dose Grid），选择精细（Fine）。选定PTV为Prescription，并填入分次计数，其他参数可暂时默认为0，点击Bitch进行子野计算，一般需要2～5 h。子野计算完成后，再通过更改参数值来进行计划优化。确保处方剂量覆盖95%PTV、100%GTV，双肺 V20＜20%，脊髓 Dmax＜25 Gy，心脏 Dmax＜35 Gy、Dmean＜15 Gy。

1.3 计划剂量验证

计划剂量验证分为点绝对剂量验证和胶片相对剂量验证。将胶片置于圆柱形模体两半球中间，按照红激光灯摆位模体，并按照绿激光灯标记好4点位置以及胶片正方向位置；然后，连接电离室，调用每例患者的DQA计划出束照射。读取当时的温度及压强，在使用EBT3胶片进行剂量验证的同时用电离室测量靶区感兴趣点的点剂量（图1），要求点剂量偏差≤±3%，胶片γ（3 mm/3%）＜1通过率＞90%。

图1 EBT3胶片剂量验证摆位图Fig.1 Replacement of EBT3 film dose verification

1.4 数据处理

靶区感兴趣点剂量采集及计算依据AAPM TG-51号报告［6］，按照电荷剂量转换公式：DcGy=Pctp·C·Ccf·Ecf，其中，是计算出的剂量值（单位cGy），C是静电计读出数据（单位nC），Ccf是电离室转换因子（单位cGy/C），Ecf是静电计修正因子，Cdegree是机房温度（单位℃），Pbar是机房气压（单位kPa），具体计算表格如表1所示。γ分析通过率将测量得到的剂量分布数据定义为“参考分布”，将计算出的剂量分布数据定义为“被评估分布”。对“被评估分布”中所有数据与计算“参考分布”中每个参考点的γ指数进行比较，γ＜1为通过，γ＞1为不通过，通过的参考点个数占参考点总数的百分比即为γ分析通过率［7-8］。设置γ分析通过率标准为3 mm/3%，即在3 mm的距离上计算剂量与测量剂量偏差不超过3%，在TOMO的DQA软件中获得γ分析的通过率。

表1 绝对剂量计算表Tab.1 The computation sheet of absolute dose

1.5 统计学分析

分类记录两组患者每次MVCT左右（X）、头脚（Y）、前后（Z）和横断面旋转（Roll）方向的摆位误差值，用均数±标准差表示，均数代表治疗过程中的系统体位误差（Σ），标准差代表随机体位误差（δ），根据公式M=2.5Σ+0.7δ计算 PTV 外放范围［9-10］。利用SPSS 22软件进行分析，使用秩和检验分析组间各项差异，以P＜0.05为差异有统计学意义。

图2 绝对剂量偏差Fig.2 Absolute dose deviation

图3 γ通过率Fig.3 Gamma passing rate

2 结果

TOMO计划均满足95%PTV体积的处方剂量覆盖，靶区体积、剂量分布、计划执行时间与危及器官的受照剂量如下：GTV为（10.84±9.91）cm3，ITV为（17.27±12.56）cm³，PTV 为（33.67±19.81）cm³，PTV最大径长为（4.73±1.07）cm；靶区均匀性指数为1.05±0.06，适形度指数为0.73±0.08；计划平均执行时间为（15.85±4.34）min，肺 V5、V20、V30分别为 17.08%±10.62%、5.43%±2.96% 和 3.27%±2.0%；脊髓 Dmax（12.19±8.43）Gy；心脏Dmean为（3.92±3.08）Gy。

SBRT计划剂量验证的绝对剂量偏差为-0.71%±1.32%，偏差范围为-2.61%～2.63%，在±3%的评价值范围内，其中，有36例（80%）的结果在±2%的范围内（图2）。SBRT计划剂量验证的γ通过率为98.1%±1.1%，范围为95.1%～99.6%，全部大于95%（图3）。

热塑体模组和真空负压垫组的平均摆位误差及ITV-PTV外扩边界值如表2所示。

3 讨论

3.1 计划参数设置

3.1.1 FW的设置FW是治疗区域在机器等中心处的纵向范围，可选数值为1.0、2.5和5.0 cm。对于SBRT当PTV的径向长度＜6 cm，FW选择1 cm或2.5 cm；如＞6 cm，FW选择2.5 cm，这样设置是在保证计划质量的情况下调整合理的治疗时间［10-11］。

3.1.2 MF的设置MF=（最长子野打开时间-最小子野打开时间）/子野平均打开时间，更大的MF意味着射束强度有很多变化，调制水平更高。

表2 不同固定方式的摆位误差及ITV-PTV外放值Tab.2 Setup errors and ITV-PTV margins of different fixation techniques

3.1.3 螺距的设置螺距是机架旋转1周进床距离与FW的比值，决定着每次机架旋转出现的射束重叠。螺距值越大，射束重叠越少、治疗床速度更快、机架旋转周期更长；螺距值越小，射束重叠越多、治疗床速度越慢、机架旋转周期更短［12-13］。TOMO计划的螺距默认值为0.43，但是当分次施用大剂量时，机架旋转周期可能超出其在一个旋转周期的最大持续时间（60 s）。在调整螺距或分次剂量前，无法继续分次（Fractionation）。如果无法成功计算一个分次的处方剂量的机架旋转周期，Planning Station会出现一对话框，显示该机架旋转周期占最大持续时间的百分比（图4）。

图4 错误提示Fig.4 Error message

通过查询资料，与Accuracy工程师沟通并结合实践经验，可采取两种方法来设置螺距值，从而解决上述问题，即机架旋转周期百分比计算法和经验公式法［14-15］：（1）机架旋转周期百分比法，在计算螺距调整值时，考虑使用更大的百分比来确保获得更大剂量分次的有效机架旋转周期，计算得出的机架旋转周期超过允许的最大机架旋转周期37%，将百分比从37%增加到41%，再将螺距或分次剂量乘以0.59（100%－41%），计算出减小的螺距（0.25×0.59=0.14）。如果减小螺距仍不能创建需要的机架旋转周期，则减小MF值，MF值按照2.7、2.4、2.2、2.0、1.7、1.4和1.2取值。（2）经验公式法，依据机架旋转周期（GP）与分次剂量（D）、MF和螺距的关系，得出经验公式：，其中GP范围为 0.2～1.0 min；D为分次剂量（单位Gy）；MF推荐取值为1.2、1.4、1.7、2.0、2.2、2.4和2.7。根据螺纹效应，螺距也有对应的经验公式［16］，螺距=0.86/N，N取值2～8整数值。最佳机架旋转周期为20 s，当机器达到20 s的最佳GP时，治疗计划可实现更短的治疗时长，放射期间TOMO的更高效性能，减小对TOMO治疗系统组件的不必要压力［17-18］。螺距推荐取值按照最佳机架旋转周期来计算，得出表3。

表3 分次剂量D与Pitch对照表Tab.3 Comparison table of fractional dose and pitch

3.1.4 剂量计算网格的设置指定横断面（X、Z）的体素维度，分辨率用于优化和剂量计算。（1）粗糙（Coarse），使用系数4进行降低采样率处理的Ctrue影像计算得出的剂量；（2）正常（Normal），使用系数2进行降低采样率处理的Ctrue影像计算得出的剂量，适应于大多数计划；（3）精细（Fine），没有经过降低采样率处理的Ctrue影像计算得出的剂量。

3.2 计划剂量验证通过率

全部病例的绝对剂量偏差基本满足±3%的评价标准，实际测量中会偶尔出现偏差，分析原因如下：（1）测量兴趣点的选择，一般选择胶片下5 mm的点为感兴趣点，也可以在体模影像查看器内选择靶区与圆柱形模体中轴重合的点（图5），电离室应按照兴趣点的位置放置，如位置与感兴趣点不一致会直接影响计划值和测量值的偏差；（2）物理师在做绿激光灯指示虚拟等中心准确性的检测时会将圆柱形模体180°旋转，而测量旋转剂量时没有及时复位会造成电离室的位置并非在半球面下0.5 cm而是在1.5 cm处；（3）放疗计划本身有问题，需要重新进行优化。

图5 感兴趣点选择Fig.5 Selection of interest points

胶片相对剂量验证采用γ（3 mm/3%）分析法，当胶片剂量γ≤1像素点通过率＞90%时，才认为该计划满足临床要求。实际该方法也受多种因素影响：（1）γ分析的结果对剂量梯度和空间分辨率具依赖性，且该方法是不对称分析法，分析结果与参考剂量分布的选择有关；（2）胶片配准过程出现偏差，本组分析采用DQA软件中的“Coronal plus 4 lasers”模式，利用标记的4个点来实现校准，标记点的位置和大小（标记点直径≤0.5 mm）都会对结果产生影响；（3）读取的校准文件与胶片不匹配，因胶片批次、存放时间和存放条件都会对其剂量相应造成影响［19-20］，所以需要定期重新刻度胶片剂量响应曲线，不同阶段胶片的刻度曲线是有一定偏差的，如图6所示，其中，1～7表示不同时期的胶片刻度曲线。

结果表明SBRT的计划通过率较高，可将通过率标准设定为：绝对剂量偏差＜±3%，γ(3 mm/3%)＜1通过率＞95%。

3.3 摆位误差及靶区外放边界值

经SPSS 22分析平移误差，热塑体模组与真空负压垫组的X、Y、Z方向的摆位误差相差不大，偏差P＞0.05，没有统计学意义，因此在选择体位固定方式的时候可根据患者的身体素质、呼吸情况、患者对不同体位固定技术在对应的治疗时间内的耐受力等实际情况等来确定。对于SBRT的X、Y、Z方向的ITVPTV边界值可分别设定为6、5、4 mm。

图6 胶片刻度曲线Fig.6 Film calibration curve

3.4 TOMO肺癌治疗的呼吸运动管理

对于肺癌治疗的呼吸运动管理，射波刀是通过针对建立的呼吸曲线来实时修正机器人的手臂运动来实现实时修正［21］。目前TOMO还没有实现靶区运动与机器输出的实时结合，但是TOMO自身的机械特性即机架旋转周期（12～60 s）远远大于患者的呼吸周期（正常呼吸频率12～20次/min）［21］，且TOMO叶片具有快速的调制能力（一次开合时间为20 ms左右），可实现子野迅速切换，再加上考虑了呼吸运动的PTV勾画，TOMO可实现肺癌治疗的准确性。目前TOMO也正在进行靶区运动与叶片相结合的研究，以实现呼吸追踪。

4 结论

本研究通过对行TOMO的SBRT病例进行分析，着重探讨基于TOMO的SBRT计划设计和剂量验证的方法。研究表明，SBRT计划设计的关键在于参数设置及计划执行时间。SBRT的剂量验证通过率较高，可适当提升评价标准，即绝对剂量＜±3%，γ（3 mm/3%）＜1通过率＞95%。摆位误差与放疗设备、固定技术、配准方法、患者个人和放疗师的操作密切相关，有必要根据实际情况确定可靠的靶区边界外扩值。本研究提供了基于TOMO的SBRT治疗规范，为其应用的进一步推广提供了技术支持，且在临床上有较为积极的应用价值。