靶区形变在体部立体定向放射治疗三维适形计划设计中的应用研究

吴魁 水永杰 张怀文

1浙江大学医学院附属第二医院放疗科（杭州310009）；2江西省肿瘤医院放疗中心（南昌330029）

体部立体定向放射治疗（SBRT）是指在短疗程内通过图像引导来实施大剂量的放射治疗，以达到肿瘤消融的目的。SBRT正逐渐成为某些肿瘤的常规治疗手段［1］。SBRT一般采用一到五次大剂量照射（每次6～30 Gy），与每周五次、全程6 ～7周的常规分割放疗方式显著不同［2］。放疗在杀灭肿瘤细胞的同时也会引起肿瘤靶区周围正常组织不同程度的放射性损伤，严重时会导致不可避免的放疗并发症［3］。而单次分割剂量大的SBRT由于生物等效剂量（BED）［4］大大增加可能造成靶区周围危及器官（OAR）损伤更加严重，放疗医生们一直致力于在正常组织可接受的剂量范围内给予肿瘤最大的治疗剂量。所以在设计SBRT计划时应该尽量提高靶区剂量适形度，让处方剂量充分照射在肿瘤区域，并且要增加剂量梯度，靶区外的剂量快速下降有利于保护正常组织。不同于常规分割模式，SBRT计划对于靶区内非均匀性剂量是可以接受的，并且认为靶区内的热点对提高肿瘤内乏氧区域的疗效有潜在优势［5］。

三维适形放疗（3D-CRT）、调强放疗（IMRT）以及容积调强放疗（VMAT）都可以被使用到SBRT中来，各种技术最终疗效的优劣目前并无定论。但3D-CRT技术由于计划设计相对更简单、机器跳数（MU）少、治疗时间短等优势，被各大中心广泛采用。

研究发现，3D-CRT技术简单，剂量调节能力较差，容易造成靶区剂量适形度差，靶区外剂量跌落不够快等问题［6］，目前大多数关于SBRT剂量学的研究主要集中在IMRT、VMAT和Tomo等计划上。本研究针对以上情况，运用靶区形变技术重新设计3D-CRT计划，并评估该方法的剂量学优势。

1 资料与方法

1.1 病例资料选择2015年10月至2020年4月在我院放疗科接受SBRT的30例肺癌患者作为研究对象，年龄35 ～76岁，中位年龄48.5岁。所有患者无既往心脏疾病史以及呼吸系统疾病史，患者心肺功能基本正常，无其他放疗禁忌症。所有研究对家均知情同意。

1.2 体位固定、CT 扫描和靶区勾画所有患者均取仰卧位，均使用Klarity一体床板和真空垫抽负压进行体位固定，美国GE公司放疗专用大孔径CT模拟机行4DCT扫描，扫描范围从下颌到膈下10 cm处，扫描层厚为2.5 mm，将患者CT图像三维重建后传送至Eclipse10.0（美国Varian公司）计划系统。专业放疗医生根据4DCT图像勾画出ITV，各个方向均匀外扩5 mm后生成PTV，放疗物理师根据确定后的靶区进行计划设计。

1.3 常规三维适形计划设计（CCP）使用直线加速器为美国Varian Trilogy，其内置40对多叶光栅（MLC），中间20对叶片厚度为5 mm，两边各10对为10 mm厚度。由于25例患者PTV靶区在头脚方向的长度均未超过10 cm，故本研究中所有计划设计均使用Trilogy加速器中间较薄的20对叶片来进行。肺癌患者的每个计划要求设置7 ～9个共面野，并且各个照射野在射野方向观（BEV）上使MLC端面的中间紧贴PTV，间隙为0 mm［7］。这样既可以提高肿瘤靶区中心剂量，有利于杀灭肿瘤中心的乏氧细胞［8］；又可以迅速降低靶区周围组织吸收剂量，从而更好的保护周围正常组织。计划设计采用6 MV的X射线，AAA算法，计算网格大小为2 mm［9］。每个计划都需经过高年资放疗医生评估审核，以确保完全达到临床放疗剂量学要求。处方剂量50 Gy覆盖95%的PTV体积，99%的PTV体积受到剂量即D99% ＞47.5 Gy，最大剂量Dmax在处方剂量的111% ～167%之间［10］。最大剂量可以通过MLC端面到PTV的间隙来调节，本研究都采用0 mm的间隙，以保证最大剂量为处方剂量的130%～150%左右［11］。该计划命名为CCP。

1.4 靶区形变勾画技术的计划（DCP）设计方法对每个设计好的CCP计划，通过Eclipse 10.0 TPS自身的剂量形成结构（dose shaping structure，DSS）功能［12］，把CCP的处方剂量线包绕范围转换成组织结构，命名为D50。然后复制PTV生成新的靶区PPTV，在计划系统的勾画界面打开PTV、PPTV和D50，根据PTV和D50外轮廓的位置关系，对PPTV逐层进行形变调整。如果在某一层D50的某处边界超过PTV，则PPTV在该处进行一定的回缩，使该处的PPTV和D50基本以PTV成镜像对称。如果D50边界在PTV内，则该处PPTV需要外扩一定程度（图1）。在计划设计中，研究发现经常有靶区的最上面或者最下面一层缺失D50，则可以对靶区最上或者最下层复制后生成PPTV再做调整。然后对经过调整变形后的PPTV进行计划设计，射野角度、权重以及等中心都不变，MLC需要重新进行适形，各射野的MLC边界从BEV上紧贴新生成的PPTV。剂量计算后按照PTV进行剂量归一得到新的计划，该计划命名为DCP。

图1 PTV 和D50的位置关系以及PPTV 的生成方法Fig.1 The position relation of PTV and D50 and the generation method of PPTV

1.5 治疗计划评估对比观察两组计划的剂量分布和机器MU总跳数，进行统计学分析。分析指标包括靶区适形度指数（CI）、剂量梯度（DG）、靶区近似最小剂量（D99%）、靶区外2 cm处最大剂量（D2 cm）和机器跳数（MU）。按照RTOG 0915号报告建议PTV最大剂量在处方剂量的111%到167%之间。CI计算公式为：CI=（TVPV/VPTV）/（VTV/ TVPV），其中TVPV为处方剂量所覆盖的靶区体积，VPTV为靶区体积，VTV为处方剂量所覆盖的总体积，CI的值越接近1，表示适形度越好［13］；DG的计算方法为：50%的处方剂量体积与靶区体积的比值，DG的值越低，表示PTV周围正常组织剂量下降越快；D99%表示99%的PTV体积受到的照射剂量，以这个值代替靶区内最小剂量；D2 cm是PTV外任何方向上2 cm以外的正常组织内的最大剂量。最后，比较两组计划的机器总跳数（MU）。

1.6 统计学方法应用SPSS 19.0软件建立数据库，并对计划所得DVH数据进行录入和分析。计量资料采用均数±标准差表示。采用配对t检验的方法对各参数进行比较。P ＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

图2 两种计划的PTV、PPTV 和D50的位置关系Fig.2 The position relationship between the two plans of PTV，PPTV，and D50

图3 两种计划PTV 的剂量体积直方图Fig.3 Dose volume histogram for PTV of two planning

2.1 靶区剂量分布和剂量体积直方图（DVH）从等剂量线分布图（图2）和剂量体积直方图（DVH）（图3）中可以看到，两种计划的PTV剂量分布均满足临床处方要求，DCP组靶区DVH更加陡峭，剂量适形度更好。

2.2 剂量学参数和MU 比较见表1。DCP组的CI、DG、D99%、和D2 cm均优于CCP组（t = 4.55、5.95、4.37、3.86，P ＜0.05），MU也有所减少（t = 2.82，P ＜0.05）。

3 讨论

肺癌的SBRT治疗是一个复杂的流程，包括图像采集、计划设计、剂量验证［14］和位置验证［15］以及治疗实施等，在选取合适的治疗技术时必须把流程的每一步都考虑进去。好的治疗技术不仅要有好的计划，还需要保证在治疗执行过程中有更小的偏差。由于肺癌患者自身呼吸运动的存在，笔者相信3D-CRT与IMRT和VMAT相比，计划剂量和传输剂量的一致性可能会更好，所以在计划设计时常常优先选择3D-CRT技术。但是，由于3D-CRT技术不能像IMRT和VMAT那样对靶区内的任一点剂量进行调节，其靶区剂量分布适形度稍差。

本研究对30例行SBRT治疗的肺癌患者分别设计了CCP和DCP两组计划，CCP组计划的MLC对PTV适形，DCP组对PPTV适形，得到的靶区剂量分布有显著不同。两组计划采用相同的剂量归一方式，虽然都满足95%的PTV体积接受临床处方剂量的要求，但也都存在5%左右的PTV靶区体积没有达到处方剂量。详细观察分析两计划，发现靶区中心剂量是可以满足的，PTV周边则有可能欠量，CCP组计划欠量区域比较集中，DCP组则比较分散；CCP组计划PTV外侧有些区域有明显多余的处方剂量，而DCP组计划则几乎没有多余剂量。三维适形计划的剂量分布主要靠MLC的形状来调节，任一点剂量是由穿过该点的射线和该点附近的散射线提供的。CCP组计划MLC紧贴PTV，靶区边缘散射剂量主要来自PTV内侧，而PTV外侧被MLC遮挡几乎没有射线经过，也就不能提供相应的散射剂量。但是PTV边缘剂量不足时，为了满足处方剂量覆盖95%的靶区体积，则需要更多的射线穿过PTV并提供更多的散射剂量，这也就造成了CCP组计划的MU比DCP组高。CCP组计划因为更多的MU，其射线经过路径上的正常组织剂量更高，导致D2 cm更大。

表1 两种计划方法的剂量学比较Tab.1 The dosimetry comparison of two planning methods ±s

表1 两种计划方法的剂量学比较Tab.1 The dosimetry comparison of two planning methods ±s

计划名称CCP DCP例数30 30 CI 0.74±0.05 0.82±0.06 DG 4.21±0.58 3.94±0.53 D99%（cGy）4 608.79±56.55 4 745.24±46.25 D2 cm（cGy）3 125.15±500.12 2 755.95±323.86 MU 1 741.89±169.89 1 710.58±199.22

在设计DCP组计划时，已经事先知道PTV周边何处欠量，则针对该处PTV边界外扩；反之，若某处剂量过多，则该处PTV边界内缩，进而生成新的靶区PPTV。此时对MLC按照PPTV适形，实际上是对MLC位置进行了反向调整。剂量过多则MLC内缩，挡住此处过多的射线，降低该处剂量；欠量则MLC外扩，提供更多的散射剂量，提高此处剂量。这样得到的处方剂量与PTV适形指数（CI）明显更高。

两组计划都有5%的PTV体积没有达到处方剂量，靶区近似最低剂量D99%在此区域内，在DCP组计划里此区域附近的MLC都进行了外扩，散射剂量增加，所以D99%剂量也会增加。

综上所述，经过形变靶区方法设计的SBRT三维适形计划靶区剂量分布更好，靶区外剂量下降更快有利于保护正常组织，而且机器跳数更少，计划执行效率更高。另外，对肝脏、胰腺等SBRT的三维适形计划做同样研究，证明这种计划设计方法也是适用的。总之，靶区形变方法在SBRT三维计划设计中值得进行推广。