基于kV-CBCT图像验证非小细胞肺癌立体定向放疗的照射剂量

2022-05-06段宇新邓祯祥刘溪朱宗达

中国医学物理学杂志 2022年4期

段宇新，邓祯祥，刘溪，朱宗达

1.南部战区空军医院肿瘤科，广东广州510600；2.厦门大学附属翔安医院肿瘤放疗科，福建厦门361101；3.广东药科大学医学信息与工程学院，广东广州510006

前言

近年来，立体定向放疗（Stereotactic Body Radiation Therapy,SBRT）已被广泛应用于Ⅰ/Ⅱ级及手术不能切除的非小细胞肺癌（Non-Small Cell Lung Cancer,NSCLC）的放疗，是一种对小靶区肿瘤实行短程超高分次剂量放疗的新型技术［1-3］，因此，精准的照射剂量是治疗成功的关键［4-6］。目前，千伏级锥形束CT（Kilovoltage Cone-Beam Computed Tomography, kV-CBCT）已被广泛应用于直线加速器系统［7-8］。kV-CBCT图像不仅能用于验证治疗位置，还能用来监测肿瘤的退化与进展［9-12］。本研究通过验证单次照射剂量来分析NSCLC 的SBRT剂量分布的合理性，同时反映治疗响应中的剂量分布。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017～2019年于南部战区空军医院行SBRT的20例NSCLC患者，其中男16例，女4例，中位年龄65岁。

1.2 定位与扫描

本研究回顾性选取20 例行SBRT 的NSCLC 病例，每一次治疗前扫描的CBCT 图像可用于剂量计算，共收集100 张CBCT 图像。患者使用Bodyfix（Elekta, Crawley, UK）系统固定，从而提高摆位的重复性。采用飞利浦大孔径CT（Philips Brilliance,Cleveland,OH）1 mm层厚来扫描并获得4D CT图像。每次治疗前使用Elekta Synergy 机载CBCT 扫描获得kV-CBCT 图像。将所有4D CT 图像和kV-CBCT 图像传输到Pinnacle 9.8 治疗计划系统（Treatment Planning System）。

1.3 结构勾画与计划设计

肿瘤大体靶区（Gross Target Volume,GTV）是由一名资深放疗医师在标准肺窗水平下勾画。通过4D CT扫描得到的肿瘤运动幅度，以此作为患者运动外扩边界，生成内靶区（Internal Target Volume,ITV）。ITV到计划靶区（Planning Target Volume,PTV）的外扩边距设为3 mm。在CT图像上逐层勾画危及器官，主要包括左右肺、脊髓、胸壁、食管、心脏。CBCT图像上的感兴趣区域（包含靶区与危及器官）通过两种方式获得，分别为（1）CBCT图像与CT图像经过刚性配准后将原CT图像上的结构直接复制到CBCT图像，获得相应的感兴趣区域；（2）CBCT图像与CT图像经过形变配准后得到原CT图像上的感兴趣区域。

本研究使用Pinnacle 9.8 治疗计划系统（Philips）对20 例患者进行计划设计，共获得20 个照射的CT计划（Pct）、100个通过形变配准后重新优化计算获得的CBCT计划（Pdcbct）以及100个没有经过形变配准直接重新优化计算的CBCT 计划（Pcbct）。对于Pct计划，根据肿瘤位置生成两个全弧或部分弧的计划；对于Pcbct 计划和Pdcbct 计划，根据与原计划结构进行形变配准或者直接将原计划结构复制到CBCT 图像上优化生成两组计划。为进行剂量比较，所有计划处方归一为6 MV的X线能量，总剂量为50 Gy/5 F。所有计划都优化达到临床可接受的PTV 覆盖率和危及器官的控制量。

1.4 计划评估与比较

治疗计划的定量评估通过剂量体积直方图（Dose-volume Histogram, DVH）来完成。对于PTV，靶区覆盖率定义为PTV 体积接受的处方剂量；适形度指数（Conformity Index,CI）定义为100%等剂量线覆盖的体积与PTV体积的比值：CI=V100/PTV；梯度指数（Gradient Index, GI）定义为50%等剂量线覆盖的体积与PTV 体积的比值：GI=V50/PTV。对于正常组织，比较Pct、Pdcbct 和Pcbct 计划之间肺V10Gy、V15Gy、V20Gy，脊髓D2，胸壁V20Gy、V30Gy、V40Gy，其中，VxGy表示xGy剂量所覆盖的体积。

1.5 统计学分析

结果采用均值±标准差描述，计划之间采用单因素方差分析（One-way ANOVA）进行比较，两两比较采用SNK 法。所有统计学分析使用R 语言完成。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

与Pct 相比，20 例患者Pcbct 计划及Pdcbct 计划中靶区体积的覆盖率（V100%）平均误差分别为0.35 和0.63。ANOVA分析发现，只有一名患者的Pct、Pcbct、Pdcbct 计划的V100%具有明显差异（P<0.05），该患者3组计划的靶区剂量学参数比较见表1。

表1 1名患者的PTV剂量参数比较Table 1 Comparison of dosimetric parameters of PTV in a patient

在无结构改变的情况下，CI 和GI 在计划剂量和已执行的患者剂量分布之间显示出良好的一致性，单因素方差分析结果显示差异无统计意义，20 例患者的CI和GI的P值分别为0.73±0.09和0.58±0.22。

比较20 例患者3 种计划方式对危及器官的保护。结果发现所有指标仅在一名患者中差异有统计意义（表2）；而在其他患者中，只有少数指标差异有统计学意义。

表2 1名患者的危及器官剂量参数比较Table 2 Comparison of dosimetric parameters of organs-at-risk in a patient

3 讨论

使用基于在治疗室中获取的CBCT 图像进行治疗验证是可行的，并且可以为行SBRT 的NSCLC 患者提供独立的验证。本研究回顾性研究了20 例行SBRT 的NSCLC 患者的非形变配准和形变配准计划的剂量学影响，分析了20 例患者的220 个治疗计划，包括20 个Pct、100 个Pdcbct、100 个Pcbct 计划。结果发现3种治疗方式下的PTV体积基本相同，这是可以预料的，因为与计划的CT 图像相比，这些患者仅有很小的解剖结果的变化。对于PTV 指标，发现V100%仅在一名患者中有明显差异，而CI 和GI 没有发现任何明显差异，这表明大多数患者的治疗计划都能得到准确的执行。

使用治疗前获取的信息进行剂量验证具有很多优势。首先，在治疗的第一天，用治疗室内的图像引导放疗技术扫描获得患者的解剖结构，在本研究中，采用了kV-CBCT。在首次治疗前几天或几周获得治疗计划CT（4D）图像；在此期间，患者的解剖结构可能会发生一些变化，如果确实发生了这些可能的变化，则在患者摆位时进行IGRT 得到的CBCT 图像中将可见。4D CBCT 技术不仅可用于发现解剖结构的改变，而且还可以得到呼吸运动引起的位置改变［13］。

其次，本研究采用了Pinnacle TPS 的动态模块，在每一次的CBCT上使用相同的射野参数、优化参数来生成计划。它有两种实现方式，一种是用非形变配准的方式将原始CT图像的结构放置到CBCT图像中；另一种是用形变配准的方式将原始CT 图像的结构放置到CBCT 图像中，也称为自适应放疗。Pct、Pdcbct、Pcbct 计划都仅在原始CT 中勾画外轮廓，射野和优化参数相同，因此可以最大程度地减少差异。

已有研究表明CBCT 计算剂量的可行性。Yoo等［14］研究了Catphan 模体的CT 和CBCT 图像之间的HU 值差异（纽约模体实验室）。Yang 等［15］评估了CT计划和CBCT计划之间的剂量差异，发现两者之间的剂量差异在2%以内，但是，由于呼吸运动，肺的剂量差异可能更高，可达3%。两项研究均表明，CBCT 可直接用于剂量计算。

本研究中，仅在一名患者中发现靶区覆盖率（V100%）差异具有统计学意义（P=0.03），而在其他患者中未观察到任何差异。Qin 等［16］对靶区大小变化的研究表明，靶区大小对肺癌SBRT 自适应性计划的剂量学有重要的影响。靶区变化小的患者很少能从自适应计划中获得预期的小剂量变化。本研究中，所有患者均没有发现CI和GI有显着性差异。

3D剂量验证的目的是要通过累加分次剂量来验证总照射剂量的准确性，为此，需要通过刚性配准或形变配准来验证每次照射剂量的准确性。从结果来看，无论是刚性配准或者形变配准，照射剂量都可以准确地投照。对于危及器官，大体积PTV 的执行剂量差异具有统计学意义，而较小PTV 则没有明显差异。因此，肺SBRT 的自适应放疗对于较大的靶体积减少照射剂量不失为更好的选择。