不同处理方法在CT 扫描不全时对放疗计划剂量的影响—以鼻咽癌为例*

刘敏， 张达，王炳杰，何勇，廖雄飞，姚杏红，袁珂，杨凤，黎杰

610041 成都，成都理工大学 核科学与自动化工程学院（刘敏）；610041 成都，四川省肿瘤临床医学研究中心，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学附属肿瘤医院 放射肿瘤学四川省重点实验室（刘敏、张达、何勇、廖雄飞、姚杏红、袁珂、杨凤、黎杰）； 999078 澳门，澳门大学 科技学院电机及电脑工程系（王炳杰）

鼻咽癌是一种在中国以及东南亚各国发病率较高的头颈部肿瘤，尤其我国华南地区最为高发［1］。目前鼻咽癌公认和有效的根治性治疗手段为放射治疗，或以放疗为主的综合治疗［2-4］。根治性放疗的照射靶区包括鼻咽大体肿瘤体积、转移的颈部阳性淋巴结、亚临床病灶和预防区域［5-6］。鼻咽癌靶区不仅体积大，而且预防照射区域长。

随着影像组学和加速器软硬件的快速发展，放射治疗技术已经由二维治疗、三维治疗发展到如今广泛使用的调强放射治疗（intensity modulated radiotherapy， IMRT）。IMRT 可获得更适形的靶区高剂量，同时能更好地保护周围正常组织，肿瘤患者的生存率和生存质量大幅提高［7-9］。而容积旋转调强（volumetric modulated arc therapy， VMAT）技术的出现，又使得放射治疗在减少治疗时间的同时能获得更好的剂量分布［7］。

在放射治疗前，患者进行增强CT 扫描模拟定位后，由医生勾画靶区，物理师制定放疗计划。CT扫描范围一般从头顶至锁骨下3 cm。根据ICRU50号、62 号报告［10］，鼻咽癌的淋巴引流区一般会延伸到锁骨下或肺上叶，但在临床实际中偶尔会由于CT扫描不规范造成靶区或危及器官扫描不全，这种情况只能重新进行CT 扫描；另一种情况是射线散射体积不够。对于鼻咽癌靶区来说，最常见的是引流区正好勾画到CT 最下一层，或者引流区往下CT图像缺失。另一方面，由于剂量建成效应和射线与人体组织作用产生的自由电子在体内散射，需要约5 cm 的合理空间［11］。临床上遇到射线散射体积不够的情况，理想的解决途径是扩大扫描范围重新进行CT 扫描靶区勾画。但在医疗实际中，患者经过数日等待，大多数不愿意再重新进行CT 扫描；还有一些患者病情紧急，急需急诊放疗。这时物理师通常使用两种办法进行近似处理，一是复制最后一层CT，并向下延伸5 cm；二是在最下层CT 增加5 cm 的等效水组织，然后再进行计划设计。这两种近似处理方法，哪种与患者的实际受照情况更接近，哪种方法产生的剂量偏差更小？这两种近似处理方式是否在临床允许的范围内？本研究对比了完全不处理，以及采用两种近似处理与患者实际受照情况的剂量学差异，为临床工作提供一定指导。

1 材料与方法

1.1 病例选取

回顾性分析2021 年11 月至2022 年5 月四川省肿瘤医院放疗科接收的原发、无远处转移鼻咽癌患者21 例，均为首程放疗、非妊娠或哺乳患者。患者年龄范围20～65 岁，中位数51.5 岁；其中男性17 例、女性4 例。根据AJCC/UICC 鼻咽癌分期标准第八版，其中T3期5 例，T4期7 例；N1期4 例，N2期5 例。

1.2 定位及CT 扫描

所有患者均采用仰卧位，选用“头枕+热塑型头颈肩膜（固定范围从头顶到肩部及胸廓上半部）”进行固定。使用飞利浦Brilliance Big Bore CT 模拟定位机（Philips Healthcare， Best， Netherlands），待患者呼吸平稳后开始静脉造影增强扫描，扫描层厚3 mm，扫描范围为从头顶至锁骨下3 cm。

1.3 靶区勾画和处方剂量

所有靶区由1 名具有高级职称、10 年以上工作经验的放射肿瘤学医师根据鼻咽癌靶区勾画指南，勾画出肿瘤原发灶（GTV）和左右高危淋巴结、高危亚临床病灶（CTV1）、预防照射区（CTV2 和CTVln）。上述靶区分别外扩3 mm，得到相应的计划靶区体积：PGTV、PCTV1、PCTV2 和PCTVln。计划设计次数32 次，处方剂量分别为7 040、6 600、5 940 和5 760 cGy。所有靶区在MIM 系统（MIM Software Inc.Cleveland， Ohio， USA）上进行勾画和处理。所有靶区和危及器官（organ at risk， OAR），包括体表外轮廓（External）都在CT0上进行勾画。

1.4 CT 与靶区处理

在MIM 系统中，原始CT 命名为CT0，将图像沿淋巴引流区最下一层截断，其截断后保留有靶区的CT 部分，重新命名为CTcut。对CTcut进行2 种处理：（1）将最下层CT 复制并往下延伸5 cm，命名为CTcopy；（2）将最下层CT 向下部分密度设置为水的密度（1 g/cm3），命名为CTwater，如图1 所示。

图1 某一患者CT 图像Figure 1．CT Image of a Patient

将CT0中包括External 在内的结构复制到CTcut，CTcopy。考虑到PCTVln 体积较大，CT 截断对剂量的影响仅限于靶区下部区域，因此，本研究中分别从PCTVln 下部最后一层向上1 cm 段生成虚拟靶区PTV0-1，1 cm～2 cm 段生成虚拟靶区PTV1～2，2 cm～5 cm 段生成虚拟靶区PTV2～5（图2）。将CT0，CTcut，CTcopy和CTwater的所有靶区、OAR 都传输至Monaco计划系统（Elekta Instrument AB， Stockholm， Swede）进行计划设计。

图2 某一患者预防照射区PCTVln 下段虚拟靶区Figure 2．Virtual Target of PCTVln

1.5 计划设计

所有计划均在Monaco 5.11 系统上完成，由有5年以上工作经验的物理师根据医生要求设计放疗计划。加速器为瑞典Elekta Infinity（Elekta Instrument AB， Stockholm， Swede）。在CTcut、CTcopy和CTwater上设计放疗计划Pcut、Pcopy和Pwater，分别对应3 种情况，即不做处理、复制最后一层CT 和复制最后一层CT并将密度设置为1。分别复制Pcut、Pcopy和Pwater的射野信息到CT0，仅做剂量计算，得到计划Pcut0、Pcopy0和Pwater0。分别对比Pcut0和Pcut、Pcopy0和Pcopy以及Pwater0和Pwater的剂量分布，以分析3 种处理方式的剂量分布与患者实际受照剂量的差异。

1.6 计划评估

将靶区剂量归一到≥95%的体积，利用剂量-体积直方图（dose-volume histogram， DVH）评估靶区和感兴趣区域。由于本文主要研究CT 截断对靶区和OAR 剂量分布的影响，因此仅评估受影响的靶区：PCTVln。靶区评价指标包括：5 760 cGy 剂量覆盖靶区体积V5760、95%体积剂量D95、2%体积剂量D2、适形指数（conformity index， CI）［12］、均匀性指数（homogeneity index， HI）［13］。CI 的范围为0～1。CI = 1，表示靶区剂量完全覆盖靶区，适形性最佳。CI = 0，表示没有适形性，适形性最差。HI 理想值为1，随计划剂量分布不均匀而增大。对于感兴趣区域，同样仅评估受影响的器官和参数：食管、气管和脊髓的1 cm3剂量和2 cm3剂量D1cc和D2cc。虚拟靶区PTV0～1、PTV1～2和PTV2～5的V5760、D95、D50和D2。

1.7 统计学方法

所有参数在SPSS 20.0（IBM Corporation， Armonk， NY）上进行统计，数据采用均值±标准差形式表示。所有数据首先进行方差齐性检验，满足方差齐性的采用配对t检验，不满足的采用秩和检验，P＜ 0.05 为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 靶区PCTVln 剂量比较

PCTVln 体积为（274.25±57.99） cm3，在不处理以及其他两种处理方式下，其DVH 对比如图3 所示，21 例鼻咽癌患者具体剂量学参数对比如表1 所示：

表1 21 例鼻咽癌患者PCTVln 剂量学参数比较Table 1．Comparison of PCTVln Dosimetric Parameters in 21 Patients with Nasopharyngeal Carcinoma

图3 PCTVln DVH 对比图Figure 3．DVH of PCTVln

从图3 中DVH 曲线可以看出，对于CT 扫描不全的鼻咽癌患者，如果不做近似处理，PCTVln 的DVH 曲线有一段与完整CT 情况下会存在一定的偏差。患者的95%～100%的相对体积区间会有一定的偏差，偏差的剂量区间主要是4 000 cGy 到处方剂量间。而无论是复制最后一层CT 处理或者复制等效水，PCTVln 曲线重合性都优于不处理的状态，曲线重合性好，偏差较小（小于0.5%）。21 例鼻咽癌患者PCTVln 剂量学参数中，不做近似处理时，Pcut0的剂量与Pcut相比，D95，D98，V5760以及CI、HI 差异有统计学意义（P＜ 0.05），而D2，D5，D50，D80，D90差异无统计学意义（P＞ 0.05）；采用近似处理方法1，即复制最后一层CT 并延长5 cm 的方式，对比Pcopy0与Pcopy中PCTVln 剂量学参数D2，D5，D50，D80，D90，D95，D98，V5760，CI 和HI 差异无统计学意义（P＞ 0.05）。对于近似处理方法2，即复制最后一层CT 并将密度设置为等效水的处理方式，对比Pwater0和Pwater中PCTVln 剂量学参数，其中D2，D5，D50，CI 差异无统计学意义（P＞ 0.05），D80，D90，D95，D98，V5760及HI 差异有统计学意义（P＜ 0.05）。

2.2 虚拟靶区剂量比较

虚拟靶区PTV0～1、PTV1～2和PTV2～5剂量对比如表2～4 所示。其中PTV0～1体积为（20.23±4.54）cm3，PTV1～2体积为（26.53±4.90） cm3，PTV2～5体积为（76.25±17.98） cm3。

表2 PTV0-1 剂量学参数比较Table 2．Comparison of Dosimetric Parameters in Virtual Target PTV0-1

从图4 中DVH 曲线可以看出，对于CT 扫描不全的鼻咽癌患者，如果不进行近似处理，虚拟靶区PTV0-1的DVH 曲线与完整CT 中DVH 存在较大的偏差。而无论是复制最后一层CT 处理或者复制等效水处理，PTV0～1曲线重合性都优于不处理的状态，曲线重合性变好。从表2 中统计数据可知，21例鼻咽癌患者PTV0～1剂量学参数中，不做处理时即Pcut0的剂量与Pcut相比，D2，D5，D50，D80，D90，D95，D98，CI 和HI 差异有统计学意义（P＜ 0.05），V5760差异无统计学意义（P＞ 0.05）。复制最后一层CT 的处理方式，对比Pcopy0与Pcopy中PTV0-1剂量学参数，D2，D5，D50，D80，D90，D95，D98，V5760和HI 差异均无统计学意义（P＞ 0.05）。复制等效水的处理方式，对比Pwater0和Pwater中PTV0-1剂量学参数，D2，D5，D50，D80，HI 差异无统计学意义（P＞ 0.05），D90，D95，D98，V5760差异有统计学意义（P＜ 0.05）。

图4 PTV0-1 DVH 以及剂量对比图Figure 4．Comparison of DVH and Dose Distribution in Virtual Target PTV0-1

从图5 中DVH 曲线可以看出，对于CT 扫描不全的鼻咽癌患者，如果不做近似处理，虚拟靶区PTV1～2的DVH 曲线与完整CT 中DVH 存在一定的偏差，但是偏差较小（小于0.5%）。而无论是复制最后一层CT 处理或者复制等效水处理，PTV1～2曲线重合性都较好，DVH 图中已经很难看出其差异。从表3 中统计数据可知，21 例鼻咽癌患者PTV1～2剂量学参数中，不做处理时，Pcut0的剂量与Pcut对比，D2，D5，D50，D80，D90，D95，D98，V5760差异有统计学意义（P＜ 0.05）。复制最后一层CT 处理的方式，对比Pcopy0与Pcopy中PTV1～2剂量学参数D2，D5，D50，D80，D90，D95，D98，V5760和HI 差异无统计学意义（P＞ 0.05）。复制等效水的处理方式，对比Pwater0和Pwater中PTV1～2剂量学参数，D2，D5，D50，HI 差异无统计学意义（P＞ 0.05），D80，D90，D95，D98，V5760差异有统计学意义（P＜ 0.05）。

表3 PTV1-2 剂量学参数比较Table 3．Comparison of Dosimetric Parameters in Virtual Target PTV1-2

图5 PTV1-2 DVH 以及剂量对比图Figure 5．Comparison of DVH and Dose Distribution in Virtual Target PTV1-2

从图6 中DVH 曲线可以看出，无论处理或者不做处理，虚拟靶区PTV2～5中DVH 曲线重合性都很好。从表4 中统计数据可知，21 例鼻咽癌患者PTV2～5剂量学参数中，不做处理与两种处理方式结果一样，对比Pcut0和Pcut、Pcopy0和Pcopy以及Pwater和Pwater0的剂量学参数，D2，D5，D50，D80，D90，D95，D98，V5760和HI 差异均无统计学意义（P＞ 0.05）。

表4 PTV2-5 剂量学参数比较Table 4．Comparison of Dosimetric Parameters in Virtual Target PTV2-5

图6 PTV2-5 DVH 以及剂量对比图Figure 6．Comparison of DVH and Dose Distribution in Virtual Target PTV2-5

2.3 OAR 剂量比较

食管、气管和脊髓的D1cc和D2cc剂量对比如表5 所示。

表5 食管、气管和脊髓D1cc 和D2cc 剂量对比Table 5．Dosimetric Parameters of D1cc and D2cc of Esophagus （Eso）， Trachea （Tra） and Spinal Cord （SC）

由表5 可知，在不做处理时，对比Pcut0和Pcut剂量学参数，食管、气管和脊髓的D1cc和D2cc差异有统计学意义（P＜ 0.05）；复制最后一层CT，即Pcopy0和Pcopy对比，食管和气管的D1cc和D2cc差异无统计学意义（P＞ 0.05），而脊髓的D1cc、D2cc的差异有统计学意义（P＜ 0.05）；复制等效水时，即Pwater和Pwater0对比，食管和气管的D1cc和D2cc差异有统计学意义（P＜ 0.05），而脊髓的D1cc、D2cc差异无统计学意义（P＞ 0.05）。

3 讨 论

在放疗临床实际中，偶尔会遇到由于CT 定位不规范造成的扫描范围不足［14］。这类问题又可细分为两种情况，一是靶区或OAR 扫描不全，二是射线散射体积不够。对于第一种情况，临床工作中只能重新进行CT 扫描；对于第二种情况，由于剂量建成或者剂量自然跌落的区域不足，会导致在一定范围内计算剂量与实际剂量存在偏差［15-16］。此时最好的解决方案是扩大扫描范围，重新扫描CT。然而在临床实际工作中，当医生和物理师发现问题时，往往已经完成靶区勾画，医生或患者出于某些具体的原因，不愿意重新扫描CT。尤其是当靶区体积较大时，一般会认为受影响范围仅有几厘米，对整个靶区影响不大。但是这几厘米的剂量差异，有可能造成整个治疗的失败。因此，物理师在面对射线散射体积不够的情况时会采用两种方法进行近似处理：一是将最后一层CT 复制并延长5 cm，另一种是将最后一层外增加5 cm 的等效水。在检索了国内外相关文献后，没有找到这两种处理方法剂量学的差异，以及不做近似处理对靶区剂量影响的相关报道，因此本文对这类情况进行了仔细分析，并以鼻咽癌为例开展研究。

放疗作为鼻咽癌首选治疗手段［17］，5 年生存率已提高到80%左右［18］，而IMRT 和VMAT 是鼻咽癌放疗的主要技术。鼻咽癌靶区体积较大，预防照射区较长，医生在勾画靶区时，不时会遇到CT 范围扫描不足的情况。通过对21 例初治鼻咽癌患者VMAT 计划研究，我们发现，在不做近似处理时，预防照射区PCTVln 的DVH 曲线会出现一定的偏差，特别是95%～100%的相对体积区间，对应的剂量区间在4 000 cGy 到5 760 cGy 处方剂量间，偏差较大。在计划Pcut0与Pcut对比中，靶区PCTVln 剂量学参数，D95，D98，V5760以及CI、HI 差异均有统计学意义。无论使用复制最后一层CT 方式还是复制等效水的近似处理，曲线的重合性都会变好，偏差变小（小于0.5%）。采用复制最后一层CT 处理时，在Pcopy0与Pcopy对比中，靶区PCTVln 剂量学参数差异不再有统计学意义（P＞ 0.05），而采用复制等效水的处理方式，在Pwater0与Pwater对比中，靶区PCTVln 覆盖参数，如D90、D95、V5760等差异依然有统计学意义（P＜ 0.05），但评估靶区最大值（D2）、平均值（D50）等参数则差异无统计学意义（P＞ 0.05）。类似的结果在虚拟靶区PTV0-1、PTV1-2上也能看到。对于虚拟靶区PTV2-5，是否进行近似处理，采用哪种处理方式，其剂量学参数差异都没有统计学意义（P＞ 0.05）。造成这一结果的原因可能是，如果不做处理，计划系统会认为靶区外是空气，这与实际情况中靶区外人体的电子密度差异较大。在剂量计算时，由于射线散射空间不足，计算剂量与实际剂量差异较大，尤其是位于靶区最后2 cm 范围内剂量。复制最后一层CT 并延伸5 cm 的方式，由于两者同为人体胸段，电子密度差别不大，因此产生的剂量差异较小；而复制最后一层CT 并增加5 cm 等效水的处理方式中，水的电子密度与人体电子密度存在一定差异，患者CT 未扫全部分既存在大于水电子密度的结构，如骨组织、肌肉等，也存在小于水电子密度的组织如脂肪，空腔等，电子密度的差异，最终可能导致剂量的差异。另一方面，虚拟靶区PTV2-5的所有参数差异均无统计学意义，应该是剂量建成效应和剂量自然跌落效应对靶区的影响趋于结束。

本研究的结果也发现，如果不做近似处理，CT截断对鼻咽癌靶区剂量的影响仅限于最后2 cm 范围内，与临床普遍认知存在一定差异。这可能是两方面原因造成的，一是，存在剂量学差异，但本文所统计的参数有限，不能完全反映出差异；二是鼻咽癌预防照射区体积较大，2～5 cm 的虚拟靶区体积也较大，导致剂量学差异在2 cm 之后已经不明显，差异无统计学意义。对于靶区体积较小，单次大剂量照射的患者，CT 扫面不足对靶区剂量的影响范围需要下一步深入研究。预防照射区最后2 cm 靶区体积仅占PCTVln 的不到10%，但这部分靶区受照剂量不足，是否会导致整个治疗失败，需要后续回访、观察和研究。因此，对于物理师来说，对靶区和CT 进行近似处理是必要的。另一方面，采用复制最后一层CT 的方法比复制等效水的方法对靶区影响更小，但这一结果可能仅针对鼻咽癌靶区，对于不同部位的情况需要开展更多的研究。

鼻咽癌靶区较大，周围OAR 较多，但仅有下部器官可能会受到CT 扫描不足的影响。下部正常器官主要有脊髓、食管、气管和肺尖部分。肺作为并行器官，一般只考虑体积剂量；另一方面，肺尖所占全肺体积有限，受影响有限。文中主要评估了不同近似处理方式对脊髓、食管、气管剂量的影响。在不做处理时，食管、气管和脊髓无论D1cc还是D2cc差异均有统计学意义（P＜ 0.05），在不做处理时OAR 的D1cc减小，这并不意味着能更好地保护OAR，而反映出CT 截断对剂量的影响是整个横截面，而不仅仅是靶区。由于食管、气管和脊髓都位于左右靶区中间，容易受靶区剂量影响。无论采用哪种方法，都只是一种近似处理办法，剂量存在一定的不确定性，因此物理师必须严格限制OAR 剂量，尤其是串行器官脊髓剂量。

综上所述，CT 扫描不全主要影响鼻咽癌虚拟靶区PTV0-1，如果不进行近似处理，将会出现较大的剂量偏差，而虚拟靶区PTV1-2会有部分影响，对于虚拟靶区PTV2-5则基本不受影响；部分OAR 同样会受到影响，因此需严格限制OAR 剂量。无论采用复制最后一层CT 还是复制等效水的近似处理方法，都可以纠正虚拟靶区和OAR 的剂量偏差，达到临床允许的范围，其中复制最后一层CT 的方法，偏差最小。本文的研究表明，CT 截断的影响仅限于CT 最后一层2 cm 范围内，而物理师常用的两种近似处理方法都能满足靶区剂量要求，因此我们可以根据实际情况任选其一使用。

4 结 论

本研究针对鼻咽癌放疗实际中遇到的靶区位于CT 最后一层的情况，采用两种近似处理，分别对比不处理和两种处理方式对靶区剂量以及OAR 的影响。结果表明不做处理，仅有不到10%的靶区剂量受到影响，而两种近似处理方式能减少对靶区的影响，满足临床治疗的要求。因此物理师在实际工作中可以根据实际情况选择任一种处理方式进行近似处理。

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