铅门跟随技术在食管癌调强放疗中的应用研究

黄玉玲 袁星星 张 云

放射治疗是食管癌主要的局部治疗手段[1],调强放疗(IMRT)是当今放射治疗的主流技术。相比三维适型放疗,IMRT能在保证靶区得到充足的照射剂量同时降低周围正常组织受照剂量[2-3]。目前,直线加速器在实施IMRT时有两种铅门处理模式,一种是铅门跟随,另一种是固定铅门。文献报道了铅门跟随在临床放疗中具有剂量学优势[3-7]。然而,铅门跟随模式在食管癌的靶区和正常组织的剂量学的研究较少,特别是动态IMRT。因此,本研究详细比较了食管癌静态和动态IMRT铅门跟随和固定铅门两种模式靶区和正常组织的剂量差异,并通过伽马分析评估计划剂量分布值与测量值差异。

1 资料与方法

1.1 病例选择

随机选取25例已在我院进行了放射治疗的食管癌患者,患者年龄47～88岁,中位年龄71岁。所有的患者均采用颈胸膜配合与塑形垫的方式进行体位固定。利用西门子大孔径CT模拟定位机进行CT扫描,扫描层厚为0.5 cm。完成扫描后将CT图像导入放疗计划系统,由放疗医师进行靶区勾画。

1.2 靶区勾画

大体肿瘤区(GTV)由原发性肿瘤(GTVp)和区域恶性淋巴结(GTVn)组成。GTVp和GTVn包括整个食道周围,通过治疗计划系统(TPS)合并形成GTV。临床靶区(CTV)包括GTV和隐匿性病灶边缘。根据界定的肿瘤范围,沿食道轴向上和向下界定CTV,有3 cm边缘。左右方向通过计划CT扫描界定肿瘤周围1 cm边缘,向后方向通过计划CT扫描界定肿瘤周围0.5～1 cm边缘。通过CTV在头脚方向外扩1 cm,在左右和前后方向外扩0.5 cm生成计划靶区(PTV)。25例患者计划靶区的体积为(232.72±62.54)cm3(范围:142.34～338.70 cm3)。临床放疗医师在CT图像上勾画肺、心脏、脊髓、肝脏等正常组织。

1.3 计划设计和验证

首先为每例患者设计铅门跟随的静态调强放疗计划(s-IMRT-JT)和动态调强计划(d-IMRT-JT)。所有计划采用瓦里安TureBeam直线加速器6 MeV的X射线能量,射野角度分别为320°,0°,40°,150°,210°。计划系统为瓦里安Eclipse(版本13.5),采用各向异性算法进行剂量计算,剂量计算网格分辨率为 2.5 mm×2.5 mm×2.5 mm。处方剂量为50 Gy/25次,计划的目标为至少95%的PTV达到处方剂量,并且PTV接受110%处方剂量照射体积不超过0.03 cm3,计划过程尽可能降低正常组织受照剂量。完成s-IMRT-JT和d-IMRT-JT计划后,在保证每个射野相同的通量下按固定铅门模式重新计算两种调强计划的剂量,即s-IMRT-FJ和d-IMRT-FJ。所有计划处方统一归一到95%的PTV剂量为50 Gy。

使用瓦里安加速器自带的电子射野成像系统(EPID)进行测量所有计划的二维剂量分布,通过伽马分析比较计划和测量的合成二维剂量差异,分别基于3 mm/3%,2 mm/3%和2 mm/2%三个标准进行比较,阈值均设置为10%。

1.4 计划评估

1.5 统计学方法

用PASW统计软件对各种计划剂量行配对t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

图1和图2显示了一个患者的三维剂量分布图和DVH图。由图可见,PTV在铅门跟随和固定铅门计划中没有差异。表1列出了所有患者4种计划PTV和正常组织剂量学参数。对于s-IMRT和d-IMRT计划,固定铅门和铅门跟随模式仅在PTV的D2%、D50%、Dmean和HI方面表现出统计学差异(P<0.05),但差异相当小,不超过0.1 Gy或0.01%。相比固定铅门模式相比,铅门跟随技术降低了肺和心脏的V5 Gy、V10 Gy、V20 Gy、V30 Gy、V40 Gy和平均剂量。其中s-IMRT计划中,肺和心脏分别降低了0.84%、0.57%、0.28%、0.00%、0.74%、0.72%和0.19%、0.32%、0.68%、0.57%、0.37%、0.35%;在d-IMRT计划中,肺和心脏降低了3.22%、1.48%、1.18%、2.12%、0.74%、1.78%和0.67%、0.90%、2.65%、2.23%、1.43%和1.22%。

表1 4种计划靶区和正常组织剂量比较结果

(a)为s-IMRT-FJ,(b)为s-IMRT-JT,(c)为d-IMRT-FJ,和 (d)为d-IMRT-JT。

(a)为s-IMRT-FJ 和s-IMRT-JT,(b)为d-IMRT-FJ 和d-IMRT-JT。

固定铅门计划的跳数(MU)中位数在s-IMRT中为496 MU(352～613 MU),在d-IMRT中为607 MU(459～812 MU);而在铅门跟随计划中,s-IMRT为502 MU(354～624 MU),d-IMRT为619 MU(468～838 MU)。等中心层面的二维剂量分布伽马通过率见表2。在3 mm/3%、2 mm/3%和2 mm/2%的标准下,无论是s-IMRT还是d-IMRT计划,铅门跟随计划验证的伽马通过率更高。

表2 4种计划二维剂量验证伽马通过率

3 讨论

在放疗设计过程中,提高靶区的处方剂量覆盖和减少正常组织的辐射剂量,是临床提高肿瘤控制率和降低放疗毒性的关键。对于食管癌放疗而言,在确保靶区有足够的剂量照射前提下,减少肺部和心脏的照射剂量是放疗计划设计的重点。影响靶区和正常组织的照射剂量的因素很多,如放疗技术[2,8-9]、射束的均准块模式[10]等。与CRT相比,IMRT可以提高靶区适形度,减少食管癌放疗的放射损伤[2]。Zhang等的研究结果证实采用无均整块模式射束的计划能降低肺部的低剂量照射体积,并缩短了平均治疗时间[10]。除上述两个因素外,铅门是否跟随也是影响正常组织照射剂量的一个因素[4-7,11-16]。

本研究系统地分析了食管癌铅门跟随模式在静态和动态IMRT计划靶区和正常组织的剂量学特性。相比固定铅门模式,铅门跟随模式不会改善靶区剂量覆盖和均匀性,这与其他文章的结果一致[5,11-12]。但是对于正常组织,铅门跟随技术能有效降低肺和心脏的照射剂量,并且在动态调强下降幅度更大,如肺和心脏的平均剂量可降低1.78%和1.22%,这与之前研究一致[4,7,11-16]。Yao等[4]研究表明,在鼻咽癌IMRT计划中,铅门跟随模式正常组织剂量均小于固定铅门模式。Schmidhalter[11]和Kim[12]的研究表明远离靶区的器官照射剂量在铅门跟随模式下降幅度比邻近靶区的器官更大。然而,Joy等[13]研究结果未提及哪些患者能从铅门跟随中获益最大。放射性肺炎和心脏毒性是食管癌放射后最常见的并发症,甚至可能会导致患者死亡。因此,铅门跟随技术可以减少肺部和心脏毒性的风险,特别是对于动态调强。

铅门跟随模式能降低正常组织照射剂量的主要原因是射线在铅门中,其透射率比多叶准直器更低。对于瓦里安Truebeam直线加速器,6 MV的射线在多叶准直器透射率约为1.2%,而铅门透射率低于0.5%[17]。因此,铅门跟随模式的计划对正常组织的影响要大于靶区,特别是在低剂量和中剂量区域,这对于低剂量敏感的正常组织比较重要的,如肺部的情况。由于静态IMRT子野的数量比动态IMRT少,并且子野面积更大,这导致动态IMRT受铅门跟随影响会更大。也就是说,铅门跟随模式在动态IMRT计划减少正常组织照射剂量方面更有效。

虽然铅门跟随模式跳数更多,但对于IMRT,治疗时间主要取决于机架的旋转速度、多叶准直器的移动速度和剂量率。因此,在本研究中,当采用600 MU/min治疗时,其出束时间增加不超过2秒,因此其对治疗时间影响可以忽略。在本研究中,我们发现在3 mm/3%、2 mm/3%和2 mm/2%的标准下,铅门跟随模式计划验证的伽马通过率高于铅门固定模式,这与以往的研究结果不同[4,11]。Yao等[4]得出鼻咽癌的静态IMRT,在2%/2 mm的标准下,铅门跟随计划的伽马通过率高于铅门固定模式计划(97.15±0.98 vs 91.90±1.40),而在3 mm/3%的标准下,两种模式之间没有明显差异(99.89±0.06 vs 99.56±0.19)。计划验证伽马通过率会受到很多因素的影响,如多叶准直器叶片间隙、MLC泄漏和传输因子、输出因子、铅门移动速度和位置精度等。铅门跟随模式可以使铅门的尺寸最小化,减少MLC的泄漏和传输,因此降低了这部分的影响,因此计划验证伽马通过率会增加。

综上所述,铅门跟随模式在食管癌静态和动态IMRT中能降低肺部和心脏照射剂量,并且其计划具有更高的伽马通过率。总而言之,在静态和动态IMRT中都建议使用铅门跟随技术。