系统摆位误差对保护海马脑预防照射的剂量学影响

王攀，陈俊杰，赵婷，杨万福，孔伟，叶红强，尚钧

宁夏医科大学总医院肿瘤医院放疗科，宁夏银川750004

前言

脑预防性照射作为小细胞肺癌患者的标准治疗手段，可有效降低脑转移的发生率，提高患者生存率，但患者后期容易出现神经认知功能障碍［1］，造成远期的认知功能损伤，临床研究表明，位于海马回的神经干细胞在神经认知功能中有着至关重要的作用，且神经干细胞对放射线的敏感性很强，这也是大多数肺癌脑预防照射患者治疗后期出现不同程度神经认知功能障碍的主要原因［2-5］。为保护患者治疗后期的认知功能，提高生存质量，提出了保护海马的肺癌脑预防照射［6-7］。目前能实现保护海马的放疗技术主要有螺旋断层放疗系统（Tomotherapy,TOMO）、容积旋转调强放疗（Volumetric Modulated Arc Radiotherapy, VMAT）和调强适形放疗（Intensity-Modulated Radiotherapy, IMRT），本机构采用的是Pinnacle 放疗计划系统中的IMRT 技术设计放疗计划，由于海马在全脑组织中解剖位置的复杂性和特殊性，为满足海马剂量限量，海马体周围的剂量梯度变化很大，高剂量梯度对治疗过程中患者摆位精度提出了更高的要求，因此很有必要研究摆位误差引起的剂量偏差。有研究表明与随机误差相比，系统摆位误差对剂量影响更显著，且头颈部肿瘤摆位误差大多分布在3 mm 以下，很少出现大于3 mm 的情况［8-10］。基于此，本研究分析了1、3、5 mm 共3种系统摆位误差对保护海马脑预防照射剂量分布的影响。

1 材料与方法

1.1 病例选取

随机选取宁夏医科大学总医院肿瘤医院2018年～2019年小细胞肺癌患者20例，所有患者均未发生脑转移。

1.2 定位及靶区勾画

20 例患者均采取仰卧位，热塑面罩固定，应用Philips大孔径CT扫描定位，扫描层厚3 mm。在相同体位下，20例患者均行头部核磁扫描，扫描层厚3 mm。将CT 定位图像与MRI图像进行图像融合，由放疗科医生在定位CT 图像中勾画临床靶区（Clinical Target Volume,CTV）和危及器官（海马、眼球、眼晶体、视神经、视交叉），全脑CTV 外放3 mm 为计划靶区（Planning Target Volume,PTV），海马外放5 mm 为海马剂量跌落区域。

1.3 计划设计

在Pinnacle计划系统上，分别为20例患者设计IMRT计划，选用6 MV X 射线，采用9 个均分共面野（200°、240°、280°、320°、0°、40°、80°、120°、160°）和1个带有90°床脚的非共面野照射，根据每个计划的不同情况给予准直器一定的角度。处方剂量为2.5 Gy×10次，危及器官剂量限值：海马≤10 Gy、眼球≤9 Gy、晶体≤8 Gy、视神经≤30 Gy、视交叉≤30 Gy。

1.4 系统摆位误差的模拟

在Pinnacle 计划系统中，通过移动放疗计划的等中心，分别模拟患者在三维6 个方向（左/右、头/脚、腹/背）上的系统摆位误差。移动等中心后的计划，在不做通量计算的情况下，重新计算剂量分布。每例患者在原计划的基础上共生成18 例计划，所有患者共生成360例计划。

1.5 计划评估

移动等中心前后，比较不同系统摆位误差下，CTV和危及器官剂量分布的变化情况，分析X、Y和Z方向的系统摆位误差对靶区和危及器官剂量影响的灵敏度差异。患者计划评估指标有：CTV D90（90%靶区所接受的剂量），海马、眼球、晶体、视神经和视交叉最大剂量（Dmax）。剂量变化=（D系统摆位误差-D原计划）/D原计划×100%。

1.6 统计学方法

使用SPSS 软件对数据进行统计学处理，在三维6 个方向上分别对模拟系统摆位误差前后的靶区和危及器官剂量进行配对样本t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布变化

表1列出了1、3 和5 mm 系统摆位误差下CTV D90剂量变化百分值以及靶区剂量变化的配对t检验结果。当系统摆位误差为1、3和5 mm时，CTV D90在三维6 个方向上的剂量变化均值均＜2%，且在脚方向剂量变化最大，其次是头方向；误差为1 mm 时，除了脚方向，有统计学意义（P＜0.05），其余5 个方向的，没有统计学意义（P＞0.05）；误差为3 mm 时，头脚方向，有统计学意义（P＜0.05）；误差为5 mm 时，头脚方向和背部方向，有统计学意义（P＜0.05）。

表1 CTV D90剂量变化均值（%）Tab.1 The mean percent dose deviation of CTV D90(%)

20 例放疗计划在三维6 个方向上的靶区剂量变化结果见图1～图3，由图可更明显地看出三维6 个方向上的系统摆位误差对靶区CTV D90剂量影响的敏感度，脚方向的摆位误差对靶区剂量影响最敏感，头方向次之。

图1 1 mm系统误差CTV D90剂量变化分布图Fig.1 Dose deviation distribution of CTV D90 for 1 mm systematic setup errors

2.2 危及器官剂量分布变化

表2列出了三维6 个方向的系统摆位误差引起的海马体剂量变化百分值以及海马剂量变化的配对t检验结果。系统摆位误差为1 mm 时，左右方向和头脚方向海马体剂量变化均值均大于3%，且头脚方向剂量变化均值大于左右方向，腹背方向海马剂量变化均值小于3%；系统摆位误差为3 mm 和5 mm时，海马在三维6 个方向的剂量变化百分值均超过10%；除1 mm 误差下背部方向，无统计学意义外（P＞0.05），其余摆位误差下所有方向，有统计学意义（均P＜0.05）。

表2 原计划和模拟计划间的海马剂量变化百分值（%）Tab.2 Mean percent dose deviation of the hippocampus between simulation plan and normal plan(%)

表3为剂量变化频率分布结果。系统误差为1 mm时，海马、眼球和晶体的剂量变化超过3%的频率均超过了30%，剂量变化超过5%的频率均超过了10%，视神经和视交叉均未出现剂量变化超过5%的情况，说明1 mm 系统摆位误差对海马、眼球和晶体的剂量变化影响非常显著。当系统摆位误差为3 mm时，所有危及器官（海马、眼球、晶体、视神经、视交叉）剂量变化超过3%的频率均大于20%，海马体剂量变化超过10%的频率达到了97.62%，左右眼球和左右晶体剂量变化超过10%的频率分别是69.05%、66.67%、30.95%和25.00%，只有视交叉剂量变化未超过10%。当系统摆位误差为5 mm 时，所有危及器官（海马、眼球、晶体、视神经、视交叉）剂量变化超过3%的频率均大于40%，海马体、眼球剂量变化超过10%的频率超过了89%，左右晶体、左右视神经剂量变化超过10%的频率分别是52.38%、44.05%、26.19%和23.81%，视交叉剂量变化超过10%的频率达到了2.38%。随着摆位误差的增加，造成危及器官剂量变化也越来越大。

表3 危及器官剂量变化频率分布（%）Tab.3 Probability of organs-at-risk dose deviation(%)

3 讨论

由于海马解剖结构的复杂性和特殊性，为达到保护海马的目的，防止放疗后发生认知功能损伤，在放疗计划设计的过程中，海马区会形成很高的剂量梯度，高剂量梯度对放疗的精确摆位提出了更高的要求，临床研究表明3%～5%的剂量改变会降低肿瘤的控制率以及增加正常组织的并发症［11-16］，因此研究摆位误差对剂量的影响具有非常重要的意义。

相关研究表明随机误差所引起的剂量偏差具有随机性，在分次治疗的过程中随机误差在各个方向是随机出现的，对剂量分布影响较小，而系统误差会引起剂量线的整体偏移，对患者治疗效果产生较大的影响［17-20］。临床研究发现头颈部患者的摆位误差基本在3 mm 左右，很少出现超过3 mm 的情况［21-22］，基于此笔者只研究了1、3和5 mm 系统摆位误差对剂量的影响。

通过模拟系统摆位误差发现1、3和5 mm 系统摆位误差引起的CTV 在三维6 个方向的剂量变化均值均小于2%。误差为1 mm时，只有脚方向，有统计学意义（P＜0.05）；误差为3 mm时，头脚方向，有统计学意义（P＜0.05）；误差为5 mm 时，头脚方向和背部方向，有统计学意义（P＜0.05），说明系统摆位误差对靶区剂量影响较小，CTV 外扩3 mm 形成的PTV 足以保证靶区接受足够的处方剂量的照射。而针对危及器官的研究发现当系统摆位误差为1mm 时，海马区剂量变化超过3%的频率为57.14%，超过5%剂量变化的频率为26.19%；眼球及眼晶体的剂量变化均超过了5%且频率均大于10.00%；当系统摆位误差为3 mm时，海马、眼球、眼晶体和视神经的剂量变化均超过了10%，仅视交叉的剂量变化未超过10%；当系统摆位误差为5 mm 时，所有危及器官的剂量变化均超过了10%。对比靶区和危及器官受系统摆位误差的影响结果发现：系统摆位误差达到5 mm 时，靶区CTV 剂量变化结果均值仍小于2%；系统摆位误差仅为1 mm时，引起海马、眼球和晶体剂量变化超过3%的频率超过了30%。说明系统摆位误差对危及器官（尤其是海马、眼球和眼睛体）造成的剂量变化影响大于CTV，造成以上这种结果的主要原因是：（1）CTV 和海马之间的高剂量梯度变化。由于海马体位于CTV之内，为满足靶区处方剂量覆盖率的同时达到保护海马的临床要求，会在海马体周围形成高剂量梯度；（2）眼球和眼晶体位于靶区和海马体的附近，且眼球临床剂量限值要低于900 cGy，因此眼球周围的剂量梯度变化也很大，对系统摆位误差同样很敏感。

对比靶区和海马在三维6 个方向的对系统摆位误差的敏感度发现CTV 和海马均在头脚方向误差敏感度最大，这与海马在全脑组织中的解剖结构有关。因此，在实际治疗的过程中尤其需要注意头脚方向的摆位误差，对保护海马的全脑预防性照射患者可以考虑采用图像引导放疗技术或者自适应技术来减少摆位误差，提高治疗的精确度。

本研究所选取的患者数量有限，且患者均来于宁夏医科大学总院肿瘤医院，在患者病历选取上可能存在局限性；仅仅讨论了患者治疗过程中引起剂量偏差的一个因素，对可能引起剂量偏差的其他因素（随机误差、叶片间的漏射等）缺乏系统性的研究，在今后的研究中应系统地考虑以上因素对剂量偏差的影响。