碳纤维体位固定板对宫颈癌放疗剂量的影响

郑倩倩,高文超,陈文彰△

(1.首都医科大学石景山教学医院/北京市石景山医院放疗科,北京 100043;2.解放军总医院第五医学中心放疗科,北京 100071)

宫颈癌是最为常见的女性恶性肿瘤,其发病率逐年升高,且发病人群逐渐趋于年轻化。调强放射治疗已广泛应用于宫颈癌术后患者,靶区受照剂量的准确性是保证宫颈癌放疗质量的关键因素[1-3]。宫颈癌放疗患者的体位固定方式为碳纤维体位固定板和热塑膜,由于靶区位置居中,常采用容积旋转调强放疗或固定野均分调强放疗,其射线有将近一半需穿过治疗床和体位固定板才能到达患者体内,在此过程中剂量会衰减。为了减少剂量衰减,临床上使用的治疗床和体位固定板大多采用碳纤维材料,但是研究发现碳纤维材料对于剂量的衰减影响仍然不容忽视,国内外已有众多文献报道碳纤维治疗床对放疗剂量的影响较大,建议放射治疗计划系统(TPS)中添加治疗床模型,以保证放疗剂量的准确性[4-10],而有关碳纤维体位固定板的存在对放疗剂量的影响研究较少。因此,本文通过XHA1400加速器和RayStation计划系统,探讨碳纤维体位固定板对宫颈癌患者放疗剂量的影响,为后期临床工作中体位固定板模型的添加与否提供依据。

1 资料与方法

1.1 材料与设备

新华碳纤维体位固定板:外壳为碳素纤维材料,内部由泡沫填充;Philips 大孔径CT;RayStation 9.0计划系统; XHA1400医用电子直线加速器;测量设备:PTW UNIDOS E剂量仪、PTW30013 0.6cc指型电离室;RW3型固体水; ArcCHECK计划验证设备。

1.2 体位固定板模型建立及模型验证

1.2.1体位固定板模型建立

碳纤维体位固定板在Philips 大孔径CT下进行扫描,CT扫描图像传输至RayStation计划系统,通过勾画工具分别勾画碳纤维体位固定板外壳及内部泡沫轮廓,并分别测量CT值,以此CT值为基础分别赋予外壳、内部泡沫0.85 g/cm3、0.09 g/cm3的密度值,见图1。

图1 碳纤维体位固定板模型

1.2.2模型验证

Philips 大孔径CT下扫描RW3型固体水模体,模体构成如下:0.6cc电离室插入固体水中,并且上、下各放5 cm固体水。扫描完成后CT图像传输到RayStation计划系统,分别设计有板模型计划、无板模型计划,计划条件:等中心照射,射野10 cm×10 cm,出束100 MU,射野角度分别为80°、60°、40°、20°、0°、340°、320°、300°、280°。将2种计划下各自对应的照射角度剂量进行比较,得到模型板衰减系数fTPS,见图2;XHA1400加速器下按照计划系统计划条件进行实际测量,得到实际板衰减系数f实测。比较fTPS、f实测二者偏差d,d=(f实测-fTPS)/ f实测。

图2 有板模型模体计划和无板模型模体计划

1.3 宫颈癌无板模型计划、有板模型计划比较

1.3.1计划设计

选取10例宫颈癌患者,使用RayStation计划系统在不添加体位固定板模型的CT图像上设计7野调强计划,射野角度分别为180°、130°、80°、30°、330°、280°、230°,经过计划优化、剂量计算,得到无板模型计划。再将无板模型计划移植到添加体位固定板模型的CT图像上,直接进行剂量计算,以保证子野数目、射野跳数等参数不变,得到有板模型计划剂量。计划处方剂量5 040 cGy/28 f,180 cGy/f。

1.3.2剂量参数评估

对于计划靶区(planning target volume,PTV),比较有板模型计划、无板模型计划下的最大受照剂量(Dmax)、最小受照剂量(Dmin)、平均受照剂量(Dmean)、D2(2%的PTV体积受照射剂量)、D50(50%的PTV体积受照射剂量)、D98(98%的PTV体积受到的照射剂量)、适形性指数(conformity index,CI)、均匀性指数(homogeneity index,HI)等参数。对于危及器官(organ at risk,OAR),采用V30(接受300 cGy剂量照射的体积点比)、V40(接受400 cGy剂量照射的体积点比)、Dmean评估小肠及左、右股骨头受照剂量,采用V40、V45(接受450 cGy剂量照射的体积点比)、V50(接受500 cGy剂量照射的体积点比)、Dmean评估膀胱和直肠受照剂量,采用Dmax评估脊髓受照剂量。HI=(D2-D98)/D50;CI=(Vt,ref×VT,ref)/(VT×Vref),其中Vt,ref为参考等剂量线所覆盖的靶体积,VT为靶区体积,Vref为参考等剂量线所覆盖的总体积。

1.3.3宫颈癌有板验证计划、无板验证计划比较

RayStation 计划系统中分别建立无板模型、有板模型2种ArcCHECK验证模体,将10例宫颈癌患者的无板模型计划分别移植到2种验证模体中,保证子野数目、射野跳数等参数不变,并进行剂量计算得到2种验证计划:无板模型验证计划、有板模型验证计划,见图3。在XHA1400加速器下,将ArcCHECK验证模体置于新华体位固定板上执行无板模型计划,进行计划验证,见图4。分析RayStation计划系统中体位固定板模型的有、无对宫颈癌患者伽马通过率的影响。

A:无板模型验证计划;B:有板模型验证计划。

图4 ArcCHECK计划验证

1.4 统计学处理

2 结 果

2.1 体位固定板模型验证

体位固定板在不同机架角度下的实际衰减系数在0.961～0.997,RayStation计划系统中,不同机架角度下计算得到的fTPS与f实测接近,均d<0.3%,见表1。

表1 体位固定板在不同机架角度下的衰减系数

2.2 PTV剂量参数比较

对于PTV,计划系统中体位固定板的加入,导致Dmean、Dmin、Dmax、D50、D2、D98的平均受照剂量分别下降55.10 cGy(1.06%)、41.80 cGy(0.97%)、67.50 cGy(1.21%)、54.50 cGy(1.04%)、65.70 cGy(1.21%)、51.10 cGy(1.05%),即计划系统计划设计时若不考虑体位固定板的存在,会使PTV受照剂量被高估1%左右;同时,体位固定板的加入对CI、HI影响不大,差异无统计学意义(P>0.05),见表2。

表2 有板模型计划和无板模型计划PTV剂量参数比较

2.3 OAR剂量参数比较

对于OAR,有板模型计划的剂量体积(V30、V40、V45、V50)、Dmean、Dmax比无板模型计划均有不同程度的降低,其中小肠、膀胱、直肠、左股骨头、右股骨头的剂量体积百分点降低范围<3%,Dmean降低范围<2%;脊髓Dmax偏低了2.3%,上述各个OAR剂量参数有板模型计划与无板模型计划比较差异均有统计学意义(P<0.05),见表3。

表3 有板模型计划和无板模型计划OAR剂量参数比较

2.4 计划验证伽马通过率比较

无板模型验证计划、有板模型验证计划的伽马通过率均3 mm/3%>95%、均2 mm/2%>90%;有板模型验证计划的伽马通过率均高于无板模型验证计划,3 mm/3%通过率平均提高0.69%,2 mm/2%通过率平均提高1.50%,且差异均有统计学意义(P<0.05),见表4。

表4 有板模型和无板模型验证计划伽马通过率比较

3 讨 论

随着放射治疗技术的发展,对精准放疗的要求越来越高,影响放疗精确度的因素较多,如制模阶段的体位固定方式[11-12]、CT定位后的靶区勾画范围[13-14]、计划设计阶段的剂量计算算法[15-16]、治疗阶段的加速器机械、剂量精度等。张坤等[17]指出,TPS计算的放疗剂量准确度最好限制在3%左右,因此患者在实际治疗过程中为保证计划系统计算准确度,应尽可能地将各个误差来源均考虑在内。加速器治疗床和体位固定板作为肿瘤放疗过程中不可少的辅助固定装置,因后斜射野对射线的衰减影响,大多数计划系统加入了治疗床模型以确保剂量准确性,而体位固定板因厚度相对治疗床较小,对射线的衰减要少得多,而常被忽略,这无疑对剂量计算的精确度引入了偏差,该偏差影响有多大,是否会影响患者治疗效果,有待进一步研究。因此,本文对新华碳纤维体位固定板进行研究,探讨RayStation计划系统中新华碳纤维体位固定板的加入与否对宫颈癌患者放疗剂量的影响。

目前国内外大多数计划系统,如RayStation、Varian Eclipse等,在进行剂量计算时均以外轮廓(Body)的勾画范围作为边界,Body外不参与剂量计算(Body外默认为空气),而目前Body的勾画主要通过计划系统的半自动勾画工具或第三方自动勾画软件进行勾画,这2种Body勾画方式均无法完整包裹体位固定板,导致未包裹的体位固定板默认为空气,即射线穿过时剂量不衰减,导致剂量计算不准确。若要考虑体位固定板的影响,需要医生或物理师对每层CT图像的Body进行手动勾画修改,此过程耗时费力。因此本研究采用构建虚拟体位固定板模型的方法,来模拟新华碳纤维体位固定板对射线的影响,并通过实验验证该模型准确性。本研究结果显示,新华体位固定板在不同机架角度下的实际衰减系数在0.961～0.997,射野角度越偏离中心轴,射线穿过板的路径越长,衰减系数越大,与孔伟等[18]的研究结果一致,即为保证剂量计算的精确度,计划系统需要考虑体位固定板对射线的影响。同时本研究结果还显示,RayStation计划系统中虚拟板模型衰减测试结果与实际板衰减具有良好的一致性,不同角度下的偏差均在0.3%以内,验证了固定板模型的准确性。

对于宫颈癌放疗计划,本研究以不添加板模型的计划为基准,探讨若计划系统再加入板模型对放疗剂量的影响。结果显示,板模型的加入会使PTV、OAR受照剂量降低。对于PTV:计划系统中加入体位固定板模型,将导致Dmean、Dmin、Dmax、D2、D98、D50的平均受照剂量降低1%左右,而对PTV的CI、HI影响不大,其中HI研究结果与孔伟等[18]一致,根据HI计算公式及实验数据得D2、D98、D50的平均受照剂量均降低1%左右,近似等比例降低,因此对均匀性HI影响不大。对于OAR:体位固定板模型的加入导致OAR剂量体积百分点偏低,偏低范围在3%以内,影响其评估准确性。因此在计划设计时,有必要考虑体位固定板对放疗剂量的影响。

本研究还通过ArcCHECK分析测量了体位固定板模型对宫颈癌计划验证的伽马通过率影响。结果显示,加入体位固定板模型的验证计划伽马通过率有明显提高,与王晓春等[19]的实验结论一致,加入板模型后3 mm/3%通过率平均提高0.69%,2 mm/2%通过率平均提高1.50%。研究结果也进一步表明计划设计过程中考虑体位固定板的必要性。

综上所述,体位固定板对宫颈癌放疗剂量有一定的影响,在进行计划设计时建议考虑体位固定板的影响,以提高剂量计算精确度。同时,本研究提出一种创建虚拟板模型的方法替代手动勾画,该板模型可以和治疗床模型同步添加到放疗计划中,省时省力,适合在临床工作中开展应用。