基于正交双层光栅的调强放射治疗临床应用

中国人民解放军总医院第一医学中心 放射治疗科，北京 100853

引言

射束适形在提高放射治疗的准确性、效率和质量方面起着核心作用。多叶准直器（Multi-leaf Collimator，MLC）在放射治疗已有三十多年的应用，是实现调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）的重要设备。IMRT是目前放射治疗的主流技术手段，主要应用方式之一为动态调强，其主要特征是叶片运动过程中，射线一直处于出束状态，通过叶片的连续运动实现射野内的剂量调制[1]，动态调强多采用滑窗技术，推动了动态调强在临床上的应用[2-4]。

对于IMRT技术，传递给肿瘤靶区的剂量对于MLC叶片位置的精确性和穿透性非常敏感。设计良好的MLC应具备特点是：叶片透射低，凹凸槽效应小，半影小，叶片定位准确，速度更快[5-8]。因此，MLC的设计与控制在不断地改进，其叶片运动速度越来越快，叶片越来越薄，近年来还出现了多层的MLC设计，其目的均在于进一步提高放射治疗的效率与精度。例如瓦里安公司于2017年发布了HalcyonTM系统配置了平行双层多叶光栅，这种设计能提供快速的光束调制，并可大幅减少MLC叶片之间的漏射[9]。

VenusX加速器作为一款国产多模态智能医用直线加速器，不同于传统加速器的机械结构，其严格的安装与调试过程能够保证各项参数指标达到验收标准。最终验收结果表明其设备安全性、精确性和有效性均符合国家相关标准并满足临床要求。该加速器采用了独特的正交双层光栅设计，由正交安装的上下两层光栅组成，可在互相垂直的两个方向运动，这种设计方式可以显著提升放射治疗的效率，并且可能会带来潜在的剂量学的优势。同时拥有MV级EPID系统及kV级CBCT系统，能够利用图像引导，为放疗的精确实施提供了基本保障。本研究以9个不同病种的临床病例为基础，探讨正交双层光栅在动态调强计划设计中的应用，分析其在剂量学方面的优势，为正交双层光栅在国产加速器上的进一步推广和应用进行初步探索和研究。

1 材料与方法

1.1 正交双层光栅系统

正交双层光栅是LinaTech首次提出并研发设计，每一层的叶片运动方向为沿垂直于射线方向，且两层叶片运动方向为正交，两个方向均能够达到小于1 mm的走位精度；上层光栅具有6 mm等中心厚度，共51对准直器，下层光栅有4 mm等中心厚度，共51对准直器；与传统加速器相比，最大的不同在于其较高剂量率、较小等中心叶片厚度[10]，此外正交双层的自身结构特点有望提高靶区CI及更为快速地走位。

1.2 病例资料

选取2018年12月至2019年10月期间在解放军总医院第一医学中心放射治疗科接受治疗的42例病例，病例类型、病例数及处方剂量和分次信息、危及器官，见表1。

表1 病例类型、病例数、处方剂量及分次

1.3 计划设计

将所有病例的CT影像及相关结构勾画经由DICOM传输到TiGRT计划系（LinaTech公司，中国苏州），由同一物理师进行计划设计[11]。在计划设计时，参照原临床计划，仅更换光栅配置，即将原来的Elekta SynergyTM40对单层光栅更换为VenusX正交双层光栅，其他计划设计方案和优化条件不变，42例病例计划均采用动态调强计划设计。

1.4 计划比较与评估

1.4.1 靶区剂量学参数

靶区剂量学参数包括D95、适形度指数（Conformal Index，CI）、均匀性指数（Homogeneity Index，HI）。其中CI定义如公式(1)，CI越接近1，适形度就越好[12]。

HI定义如公式(2)，D2表示为最大剂量，D98表示最小剂量，D50为平均剂量，HI值越大，靶区内剂量分布均匀性越差。

1.4.2 危及器官剂量学参数

参照表1中各病种危及器官对两种计划进行比较分析，最大剂量评估包括脑干、脊髓、晶体等，平均剂量及剂量百分体积的评估包括腮腺、肺、心脏、肝脏、膀胱、直肠等。

1.5 统计分析

由于各病例的处方不同，且不同病例危及器官种类也不一样，在数据处理时将不同数据归一化后再进行统计学分析。例如，对于D95的处理，是将原单层光栅计划和双层光栅计划的D95都归一到靶区处方剂量，得到相对于各靶区处方剂量的相对值；对于危及器官的处理，是将各病种危及器官按照临床要求包括最大剂量、平均剂量、剂量体积的限值都归一到原计划，即单层光栅计划的危及器官的值都为1，再计算基于正交双层光栅计划的OAR的限值相比于原计划OAR限值的比值。通过这样的处理以便进行数据分析。用SPSS 20.0分析软件对两种光栅设计的计划各项参数作Independent Sample t检验，以P＜0.05为差异具有显著性统计学意义。

2 结果

2.1 剂量分布及DVH

2.1.1 常规病例

从肝癌、肺癌及食管癌等剂量曲线分布图可以看出，基于双层光栅设计的计划的靶区包绕更好，且周围低剂量线分布范围更小，同时给出了肝癌、肺癌、食管癌病例对应的DVH剂量分布图，从DVH可以看出，基于双层光栅设计的计划对危及器官的保护要优于基于单层光栅设计的计划如图1～3所示。

图1 肝癌同步推量计划等剂量曲线分布图

图2 肺癌同步推量计划

图3 食管癌同步推量计划等剂量曲线分布图

2.1.2 颅内多发肿瘤病例计划

颅内多发肿瘤的计划设计优先考虑可以照射到多个靶区的角度，从图4的BEV图中可以看出，正交双层光栅在两个肿瘤之间的区域交叠可以大大减少光栅的透射，从而降低正常脑组织的受量[13]；此外，正交双层光栅计划可以从两个方向对靶区进行适形调强，优于单层光栅计划只能从一个方向对靶区适形调强。

图4 颅内多发肿瘤正交双层光栅计划BEV示意图

2.1.3 鼻咽癌病例

图5鼻咽癌计划单层及双层光栅的BEV示意图；从图中可见双层光栅在x、y两个方向对靶区进行适形，特别是对鼻咽癌中间凹形区域可以很好的遮挡；在射野范围内，靶区外的部分由于正交双层光栅的同时遮挡，降低了光栅的透漏射，有效地保护了正常组织；从等剂量曲线评估上也很好的验证了这一点，即正交双层光栅计划的低剂量线比单层光栅计划跌落地更为迅速；体现在计划的正常组织上，表现为靶区外的鼻咽腔黏膜，口腔黏膜，以及后颈部区域的剂量更低，对这些正常组织起到了更好的保护作用[14]。

图5 鼻咽癌两种光栅计划BEV示意图

2.2 靶区剂量学比较及统计分析

42例计划包括同步推量的靶区共68个靶区（n=68），其中D95是经归一化处理后的结果[15]。对其进行SPSS统计学分析，结果见表2。两种不同光栅设计的计划都能达到处方要求，即95%的处方线包绕靶区，且两者之间的差异不具有统计学意义；基于双层光栅设计的计划的靶区CI比原单层光栅计划高3.28%，剂量均匀性优于单层光栅计划8.41%；且统计学上有显著性差异（P＜0.05）。

表2 靶区及危及器官的剂量分布的统计学分析

2.3 危及器官剂量学比较及统计分析

9个不同病种肿瘤的危及器官按照临床剂量限值要求，包括最大剂量、平均剂量、剂量体积等要求，共有471个统计样本（n=471），基于双层光栅设计的计划对危及器官的保护优于单层双栅计划12.2%，且差异具有统计学意义（P＜0.05），见表2。

3 讨论

随着计算机技术和影像医学的飞速发展，现代放疗进入了精确放疗的新时代[16]。放射治疗的目的是最大限度的杀灭肿瘤细胞，而周围正常组织少受或者免受不必要的照射[17]。随着放射治疗设备和技术的发展，国产医用加速器在技术质量以及产品的一致性和稳定性方面都得到了不同程度的提升，但大多数国产设备与进口设备相比还存在一定差距。

本研究所涉及的正交双层光栅由正交安装的上下两层光栅组成，可在互相垂直的两个方向运动，这种不再单一的叶片运动方式可以显著提升放射治疗的效率[18]。正交双层光栅包含两层相互垂直的MLC。相比单层光栅，它具备以下几点优势：① 可以在靶区边缘位置由上下两层对应的叶片互相配合来实现MLC形状与靶区边界的一致性，提高射野与靶区的适形性；② 两层叶片在走位时可以互相遮挡，减少射线的漏射量[19]；③ 增加了射线穿过叶片的厚度，减少了透射量，同时有效地减小了半影区；④ 具备相互垂直的运动方向，为叶片动态分割问题提供了更多自由度，可有效减少叶片运动距离，缩短走位时间，提升治疗效率；⑤ 能够有效地支持运动靶区的二维动态跟踪。

尽管正交双层光栅具备上述优势，但一直未能在临床上得到广泛应用，原因之一是缺少一种有效的动态调强实现算法。不同于单层光栅的Sliding Window技术，正交双层光栅在分割强度矩阵时遇到了“耦合”问题，即强度矩阵中的每一点的强度受上下左右四个叶片影响，而叶片又是在不断运动的，如果为了调整某一点的强度，而改变对应叶片的速度，那么受限于叶片的物理条件（叶片速度、加速度限制），此叶片后续时刻位置也要改变，从而影响强度矩阵中其他点的强度值，最终导致强度矩阵中各个点受到所有叶片的制约。以51对光栅为例，双层光栅动态调强问题的优化维数约102倍于单层光栅，大大增加了求解难度。因此，LinaTech提出了一种RotateSweep动态分割方法。该方法采用分象限的方法，将四组叶片分配到不同的象限中，每个象限包含一组水平和一组垂直的叶片，其中一组为主动叶片，一组为从动叶片，主动叶片向射野中心运动，从动叶片向射野边缘运动。四个象限的叶片同步运动，互不干扰。同时将强度矩阵分配到四个象限中，此时原强度分割问题由“四组叶片动态分割强度图”转化成四个子问题“一组水平和一组垂直叶片动态分割强度图”。进一步地，使用优化方法求得每个象限中的叶片运动轨迹，使得分割得到的强度矩阵尽可能接近理想强度矩阵，这样就完成了正交双层光栅的动态分割。

基于正交双层光栅的设计，为了留下更多的治疗空间，该型加速器取消了钨门和光野灯；机头的正交双层光栅为我们临床设计提供了更强的调制能力；但与此同时，光栅的质控更为重要，上下层光栅需要分开质控，由于没有光野灯，其质控只能通过EPID来进行。通过集成软件设计实现了每次光栅质控，都能够量化分析，且有详尽的数据可以保存，便于我们后期对光栅的状态做一个长期的分析、预测，当然对于其在下一步临床应用中日常质控工作也提出了更高的要求。

正交双层光栅的结构比常规单层光栅更为复杂，对其运动控制精度和两层MLC叶片序列优化算法提出了更高的要求[20]。目前VenusX加速器临床试验正在开展过程中，前期我们已对正交双层光栅的各项性能，如走位精度、半影及透射率等进行了详细测试，结果均符合标准。但双层光栅在实际临床应用中的表现及优势仍需进一步研究与验证。本研究在基于9个不同病种肿瘤的回顾性研究结果表明，在同样都能满足临床要求的情况下，基于正交双层光栅的动态调强计划在靶区适形度、均一性及对危及器官的保护都优于单层光栅，在临床上的应用具有积极意义。当然，其在临床上的实际获益需要进一步的临床应用及后期大量的病例来进一步证实。

致谢

感谢雷泰医疗关睿雪等工程技术人员提供的技术支持。