体位固定装置对鼻咽癌调强计划的剂量学影响

辜石勇 ，陈利，马燕，余义贞

1.中山大学附属第六医院放疗科，广东广州510655；2.中山大学肿瘤防治中心放疗科/华南肿瘤学国家重点实验室/肿瘤医学协同创新中心，广东广州510060

前言

体位固定装置被广泛应用于放射治疗中［1］，用来保证患者治疗体位的固定效果和分次治疗时患者体位的重复性。多野调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy,IMRT）和容积旋转调强治疗（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）是目前鼻咽癌放射治疗的主要技术［2-3］。IMRT和VMAT放疗实施过程中，当臂架运动到一定范围时，射线入射路径会经过体位固定设备和治疗床，这些设备的组成材料与空气并不等效，其存在会造成射线的衰减和散射。目前很多文献报道了治疗床对放疗剂量的影响［4-6］，但在实际的临床计划设计时往往忽视了体位固定设备对放疗计划的影响。本文通过计算和分析头颈体位固定装置对鼻咽癌IMRT和VMAT计划的剂量学影响，为临床实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 病例资料与定位

回顾性选取中山大学附属第六医院经病理诊断为鼻咽癌且无放疗禁忌症的9例患者作为研究对象，年龄32～74岁，中位年龄50.2岁，临床分期T3期5例，T4期4例。所有患者均采用仰卧位，使用科莱瑞迪公司生产的碳纤维底板加发泡胶和头颈肩热塑膜进行体位固定（图 1），采用Philips Brilliance CT（Philips medical system,Cleveland,USA）模拟定位机行螺旋CT扫描，扫描范围从头顶至胸骨切迹下2 cm，扫描和重建层厚均取3 mm，扫描得到的CT图像经放射治疗网络系统传输到Monaco5.1计划系统。

1.2 靶区与外轮廓勾画

根据ICRU50、62号报告在所有患者CT与MR融合图像上勾画鼻咽部肿瘤靶区（Gross Target Volume,GTV）GTVnx、颈部淋巴结肿瘤靶区（GTVnd）、临床靶区（Clinical Target Volume,CTV）与高危淋巴引流区CTV1以及预防照射淋巴引流区（CTV2）。在CTV的基础上根据摆位误差将各靶区外扩3 mm得到对应的计划靶区（Planning Target Volume,PTV），分别记为 PTVnx、PTVnd、PTV1 以及 PTV2。危及器官（Organs-At-Risk,OAR）包括脑干、脊髓、晶体、视神经、视交叉、垂体、腮腺、内耳、中耳、颞叶、颞颌关节、下颌骨、舌以及喉等。设计计划时，对每一例患者勾画两套外轮廓，即一套外轮廓不包含头颈固定装置仅勾画人体外轮廓，另一套将头颈固定装置也勾画进外轮廓。

1.3 计划设计及剂量计算

在Monaco5.1计划系统中设计同步加量计划［7-8］，采用6 MV能量X线。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的处方剂量分别为70、66、60以及54 Gy，共计32次。TPS内计划的设计参数为：VMAT计划，单弧360°，机架从-180°到 180°，设置最大控制点数目为150个；IMRT计划，9野共面空间均分，每个射野内控制点数量设定为20个，计算网格大小为3 mm×3 mm×3 mm，使用蒙特卡罗（Monte Carlo,MC）算法计算剂量，MC算法的每个控制点不确定度设置为3%。将正常皮肤外轮廓计算优化的调强计划记为Planwithout，随后将该计划移植到该患者包含头颈固定装置外轮廓的图像上，在保证相同的辐射条件下，进行剂量计算，得到包含头颈固定装置的计划，记为Planwith。

1.4 剂量学差异分析

使用剂量体积直方图（Dose Volume Histogram,DVH）对同一患者的IMRT/VMAT计划的PTV、OAR的受照射剂量进行统计学分析。计划靶区评价指标为靶区平均剂量（Dmean），100%处方剂量覆盖体积VPrescription（V70Gy对应PTVnx、V66Gy对应PTVnd、V60Gy对应PTV1、V54Gy对应PTV2），靶区剂量均匀性指数（Homogeneity Index,HI）以及靶区剂量适形指数（Conformity Index,CI）［9］。HI，CI通过下述公式分别计算：

其中D5%和D95%分别是感兴趣区域（Region Of Interest,ROI）5%和95%体积接受的照射剂量。HI的值越小（越接近1）表示靶区剂量的均匀性越好，反之表明靶区剂量越不均匀。

其中VT为ROI的体积，VRI为参考剂量等剂量线包绕的总体积，VRX为参考剂量包绕ROI的体积。CI值的范围为0～1，CI的值越大，表明该结构对应处方剂量的适形度越好。对于OAR，脑干和脊髓评价指标为Dmean与Dmax，其他OAR评价指标为Dmean。

同时，对同一个患者，在Monaco计划系统中将两个计划的计算结果相减得到头颈固定装置对剂量计算的影响，患者体内某一特定位置处（x,y,z）的剂量偏差计算为Planwith与Planwithout在该处的剂量差值：

1.5 统计学方法

采用SPSS19软件对Planwithout和Planwith计划DVH的剂量参数进行配对t检验，P＜0.05为二者差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量

从图2中9野IMRT（9F IMRT）的DVH结果可以看出，考虑体位固定装置后，Planwith计划中各ROI曲线都有一定程度的向左移动，各PTV的处方剂量覆盖体积以及 Dmean均有降低。PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2 4个靶区的处方剂量覆盖分别降低了2.14%、10.34%、0.88%、2.86%；平均剂量分别降低了0.96%、1.94%、1.07%、1.26%，且差异具有统计学意义（表1）。头颈肩固定装置对各个靶区的剂量均匀性指数HI影响较小，9例患者的平均偏差均在1%以内。头颈体位固定装置对各个靶区的剂量适形度指数CI影响比较大，9例患者的平均偏差分别为11.28%、0.48%、6.90%、3.89%。

从图3可以看出，对于VMAT计划，与仅考虑外轮廓的计划Planwithout相比，Planwith计划中各ROI曲线均有一定程度的向左移动，各PTV的处方剂量覆盖体积和Dmean均有所降低。表1中的结果显示，PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2的靶区剂量覆盖分别降低了2.56%、22.42%、0.66%、1.30%，其中对PTVnd的影响最大；靶区的Dmean分别降低了0.86%、2.45%、0.93%、1.59%，且差异具有统计学意义。头颈固定装置对各个靶区的剂量均匀性指数HI影响较小，9例患者的平均偏差均在1%以内。头颈固定装置对各个靶区的剂量适形度指数CI影响比较大，由于固定装置的影响，9例患者的靶区的适形度指数分别变化了10.52%、-32.52%、9.97%和3.03%。

图2 1例典型的鼻咽癌患者9F IMRT计划的DVH图Fig.2 Dose-volume histogram of 9-field intensity-modulated radiotherapy(9F-IMRT)for nasopharyngeal carcinoma(NPC)in a typical patient

2.2 OAR剂量

如表2所示，由于头颈固定装置对射线的衰减，除脑干外，VMAT与9F IMRT各OAR的平均剂量和最大剂量均有所减小（最大偏差1.69%），且差异均具有统计学意义。其中对脊髓、喉和舌的剂量影响相对较大。

2.3 Planwith与 Planwithout剂量差值

在TPS内对同一患者两套计划直接相减，可以得到如图4所示的剂量差异分布图。图中色标从蓝色到红色的渐变代表绝对剂量的变化，范围从-6 Gy至30 Gy。可见，由于头颈固定装置的存在，患者体内剂量与不考虑固定设备时相比有所降低，如图4b、c、e、f中所示，靠近体位固定装置的下颈部剂量降低明显，主要是由于入射射线经过体位固定装置时对射线的衰减造成的。同时，在患者的颈部与底板托架之间，由于有低密度的发泡胶存在，造成了射线的散射和建成效应发生变化，导致患者后颈的皮肤剂量增加了6～15 Gy，如图4a、d所示。

图3 1例典型的鼻咽癌患者VMAT计划的DVH图Fig.3 Dose-volume histogram of volumetric modulated arc therapy(VMAT)for NPC in a typical patient

3 讨论

体位固定装置被广泛应用于放射治疗中，主要作用是保证单次放疗内患者体位的固定以及分次间治疗体位的重复性。但需要注意的是，体位固定装置等辅助治疗设备材料与空气并不等效，在放疗计划实施时对放疗剂量会产生影响。测量表明，在射线经入射路径经过治疗床、有机玻璃等物体时，射线的衰减效应、皮肤建成效应改变明显［6,10-13］。Munjal等［14］通过测量发现，当6 MV光子射线（10×10）cm2照射野从120°～160°入射治疗床时，剂量衰减约为3.0%；从0°～90°入射有机玻璃板时剂量衰减为5.8%～10.6%。Cheung等［15］的研究表明对于2.5 cm厚的真空袋，由于射线的建成效应，用6 MV（10×10）cm2X线照射野时皮肤的表面剂量相对于无真空袋时增大了一倍，当真空袋厚度继续增加时皮肤表面剂量相应增大，因此Cheung提醒需要考虑真空袋对皮肤剂量的影响。Puysseleyr等［16］测量了俯卧乳腺托架对剂量的影响，当射线入射碳纤维床板与乳腺托架碳纤维底板时，6 MV X射线衰减约7.6%，当射线经过乳腺托架固定部分时衰减可达12.3%。

表1 9例鼻咽癌患者两种计划间计划靶区剂量学参数结果（±s）Tab.1 Dosimetric parameters of target areas in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

表1 9例鼻咽癌患者两种计划间计划靶区剂量学参数结果（±s）Tab.1 Dosimetric parameters of target areas in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

Diff(%)=(Planwith-Planwithout)/Planwith*100

VMAT 9F-IMRT靶区 参数PTVnx V70 Gy/%Dmean/Gy HI CI Dmean/Gy CIPTV1V60 Gy/%Dmean/Gy HI CIDmean/Gy CIPlanwith 96.29±2.67 72.27±0.45 1.08±0.02 0.71±0.12 66.21±1.96 0.07±0.04 98.99±1.06 68.90±1.66 1.19±0.03 0.43±0.09 60.79±1.30 0.77±0.02Planwithout 98.71±0.73 72.89±0.35 1.07±0.02 0.64±0.16 67.82±1.78 0.08±0.05 99.64±0.51 69.54±1.68 1.19±0.03 0.38±0.07 61.75±1.36 0.74±0.02Diff/%-2.56±2.26-0.86±0.39 0.31±0.47 10.52±10.22-2.45±1.05-32.52±53.48-0.66±0.72-0.93±0.33 0.18±0.36 9.97±6.8-1.59±0.34 3.03±1.58P值＜0.01 0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01Planwith 96.45±1.59 72.19±0.43 1.06±0.01 0.75±0.08 65.59±1.31 0.09±0.07 97.63±0.88 68.50±0.68 1.20±0.02 0.45±0.1 60.13±1.18 0.79±0.02Planwithout 98.56±0.67 72.88±0.38 1.05±0.01 0.68±0.15 66.90±1.37 0.09±0.06 98.50±1.85 69.24±0.66 1.20±0.02 0.42±0.09 60.91±1.42 0.76±0.02Diff/%-2.14±1.30-0.96±0.34-0.19±0.40 11.28±13.53-1.94±0.49-0.48±18.66-0.88±1.82-1.07±0.34 0.42±0.44 6.90±2.80-1.26±0.78 3.89±0.32 P值＜0.01＜0.01 0.17＜0.01＜0.01＜0.01 0.08 0.86 0.15＜0.01 0.02＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01

常规放疗和三维放疗时射野固定且射野数目少，可以通过人为调整射野入射方向，回避某些入射角度，或利用已测量的射线衰减因子，修正特定角度的射野机器跳数（Monitor Unit,MU），避免体位固定装置对剂量的影响，但是射野的调整不可避免的导致靶区适形度变差，靶区外高剂量范围增多。在精确放疗时代，多野调强和VMAT，单个计划内通常含有几十个甚至上百个位置和形状各异的子野，采用上述的方法不再适合。Pulliam等［17］在TPS中将治疗床的不同部件勾画并考虑进外轮廓，按原始计划重新计算剂量，当治疗床下方的支撑导轨移出时，对多野调强计划，剂量衰减4.2%，相应的VMAT计划剂量衰减3.2%，靶区覆盖分别下降35%、18%，已经超出±3%的剂量误差允许范围［18］，此时计划已经不适用于临床治疗。Connor等［19］回顾性分析发现由于腹压板的存在，患者的皮肤剂量从原计划的27 Gy增大到31～36 Gy，同时靶区的覆盖由原计划的95.8%降低到76.5%，此时的计划同样不能满足临床要求。因此，在计划设计时需要将体位固定装置勾画进外轮廓。

表2 9例鼻咽癌患者两种计划间危及器官剂量学参数结果（±s）Tab.2 Dosimetric parameters of organs-at-risk in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

表2 9例鼻咽癌患者两种计划间危及器官剂量学参数结果（±s）Tab.2 Dosimetric parameters of organs-at-risk in 9F-IMRT and VMAT for NPC in 9 patients(Mean±SD)

Diff(%)=(Planwith-Planwithout)/Planwith*100

VMAT 9F-IMRT危及器官 参数脑干脊髓舌腮腺喉Dmean/Gy Dmax/Gy Dmean/Gy Dmax/Gy Dmean/Gy Dmean/Gy Dmean/Gy Planwith 31.42±3.27 57.26±4.85 35.16±1.14 41.69±1.31 42.87±5.99 38.85±2.58 47.33±2.08 Planwithout 31.41±3.37 57.59±4.97 35.61±1.23 42.31±1.39 43.53±5.96 39.05±2.50 47.99±2.03 Diff/%0.05±0.94-0.58±1.25-1.27±0.62-1.50±1.38-1.60±0.57-0.52±0.71-1.40±1.15 P值＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01＜0.01 Planwith 32.32±3.53 56.41±3.96 33.62±1.36 41.31±1.21 40.42±4.84 46.95±3.38 37.71±1.74 Planwithout 32.28±3.56 56.56±3.98 33.93±1.37 41.67±1.19 41.11±4.93 47.36±3.53 37.96±1.75 Diff/%0.13±0.83-0.25±1.15-0.90±0.44-0.86±0.87-1.69±0.49-0.84±0.83-0.64±0.48 P值0.68 0.50＜0.01 0.01＜0.01 0.01 0.01

图4 1例典型患者头颈固定设备对VMAT（a、b、c）和IMRT（d、e、f）计划剂量影响示意图Fig.4 Effects of head and neck immobilization device on the dose distribution of VMAT(a,b,c)and 9F IMRT(d,e,f)in a typical case

本文通过在患者CT图像上完整的勾画出体位固定设备，并将其考虑进患者的外轮廓内，采用计划重新计算的方法，计算结果表明头颈固定装置会明显影响鼻咽癌调强计划剂量分布，勾画固定装置轮廓TPS计算剂量相比不考虑固定装置计划计算得到的靶区覆盖和Dmean均有所减小（VMAT 4个靶区的处方剂量覆盖降低了0.86%～22.42%，Dmean降低了0.86%～2.45%；IMRT 4个靶区的处方剂量覆盖降低了0.88%～10.34%，Dmean降低了0.96%～1.94%），对PTVnd剂量覆盖影响较大，主要是因为PTVnd空间上与体位固定装置相对更接近，且距离体表较近。表1的计算结果显示，VMAT和IMRT的Planwith计划的PTVnd处方剂量覆盖率仅为83.50%和88.16%（均小于95%），可见，此时的计划已经满足不了临床计划的目标需求。由于头颈固定设备对射线的衰减作用，除脑干外各OAR的Dmean均有所减小（最大偏差1.69%），且差异具有统计学意义，图2、3也显示类似的结果，OAR的曲线都有一定程度的分离且均向左移动。

图4的结果显示，在患者的颈部与底板托架之间，由于有低密度的发泡胶存在，造成了射线的散射和建成效应变化，使得后颈的皮肤剂量显著增加了6～15 Gy。同时应该引起注意的是，如果采用增加MU来修正特定射野的体位固定装置的衰减效应时，可能会更进一步增加皮肤的照射剂量。Archambeau等［20］的研究发现，在常规分割（2 Gy每次）放疗中，皮肤的受照剂量超过25 Gy时可能会产生临床反应，超过45Gy时会引起皮肤干燥脱皮等反应。Hoppe等［21］报道了在早期非小细胞肺癌的SBRT放疗中，由于忽视了治疗床等附件的存在增加了患者的皮肤剂量，38%的患者出现了急性皮肤放射毒性。因此建议在设计鼻咽癌计划时将头颈固定装置勾画在人体轮廓内，充分考虑体位固定装置引起的皮肤剂量增加，使得TPS计划剂量计算与实际相符。

综上所述，头颈固定装置的存在，使得鼻咽癌调强计划的靶区剂量和正常器官的Dmean均有降低，后颈部的皮肤剂量增高。在计划设计时，需要将体位固定装置勾画进外轮廓内，以保证TPS剂量计算的准确性。