离线自适应技术在鼻咽癌放射治疗中的剂量学分析*

石先伟 何英 唐组阁 王丽 袁志 任杰 别俊 潘荣强

(川北医学院第二临床医学院·南充市中心医院肿瘤中心,四川 南充 637000)

鼻咽癌是我国常见的恶性肿瘤之一,鼻咽解剖位置深居头颅中间,周围有许多重要器官、血管和神经组织,如眼,脊髓,神经和脑干等,外科手术很难将肿瘤和淋巴引流区大范围地切除,同时鼻咽癌病理类型以未分化型非角化癌多见,对射线有较高的敏感性,放射治疗是目前鼻咽癌主要的治疗手段[1]。由于鼻咽肿瘤解剖位置复杂,周围危及器官多,如何保证鼻咽癌放射治疗的精确与安全是国内外学者研究的热点[2-3]。自适应放射治疗(Adaptive radiotherapy,ART)是在病人整个治疗过程中,通过CT扫描等方式,对病人治疗中各种变化如靶区位置、器官的运动等进行系统地监测,并用监测到的反馈信息及时对放疗计划进行修改,以改进治疗,避免靶区欠量或危及器官超量,从而保证病人治疗的准确性与安全性[4-5]。理想自适应方式是在线对每一次治疗都行剂量追踪并调整计划,但这种方式工作量很大,需大量的人力和时间,特别是对于较复杂的鼻咽癌,靶区勾画和计划自动优化都需要较长时间,目前国内外学者研究的热点仍是离线的自适应[6],即在当次治疗中获取影像资料进行线下分析研究,接受到反馈结果,对下次治疗或者以后分次的治疗进行干预,确保放射治疗质量安全。该研究利用离线自适应技术应用于鼻咽癌放射治疗中的剂量学分析,探讨再计划的必要性以及其带来的剂量学改善[7]。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取2021年10月—2022年10月在我院行根治性放疗的鼻咽癌患者10例。纳入标准:①病理证实为鼻咽癌。②年龄18～70岁。③无远处转移。④第8版AJCC/UICC分期:T分期T2及以上,N分期N1及以上。⑤KPS评分≥70分。排除标准:①既往接受过鼻咽部放疗或手术治疗。②无法耐受放疗副反应。10例患者中位年龄56岁,其中男性6例,女性4例,均行同步推量放疗[8],原发灶区给予高剂量照射(2.12～2.40 Gy/次)的同时,亚临床灶或其周围扩大区给予较低剂量的照射(1.70～2.10 Gy/次)。

1.2 图像采集 10例患者的图像包括初始计划CT图像,并在治疗过程中每周行一次CT扫描(6～7幅CT图像),计划CT和每周CT均在联影Uct510机器扫描,扫描电压为120 KV,FOV为600 mm,扫描层厚为3 mm。

1.3 计划设计 利用Monaco 5.4.03进行VMAT计划设计[9-10],一周治疗5次,共33次治疗。将10例患者的所有CT图像导入治疗计划系统,由同一个熟练的放疗科临床医生勾画靶区和危及器官[1],其中GTVnx是增强计划CT所显示患者鼻咽部的原发肿瘤及其侵犯范围(Gross tumor volume,GTV),GTVnd为颈部转移淋巴结的肿瘤,CTV1为包括GTVnx + 5～10 mm +整个鼻咽腔粘膜及粘膜下5 mm,CTVnd包括GTVnd + 5 mm及需要预防照射的颈部淋巴结分区,CTV2涵盖CTV1,同时根据肿瘤的具体位置和侵入的范围合适增加预防照射的范围,PTV将以上相应靶区外扩3 mm;正常组织的勾画包括脊髓、脑干、腮腺、视神经、视交叉、晶体、眼球、下颌骨、颞颌关节,垂体等[11]。靶区以及危及器官的限制条件是:PGTVnx和PGTVnd的处方剂量为70～74 Gy,PCTV1为60 Gy,PCTV2和PCTVnd为54～56 Gy,脊髓不超过40 Gy,脑干不超过54 Gy,腮腺D50小于30 Gy等[12]。

2 结果

2.1 靶区和危及器官体积及分次剂量变化

2.1.1 靶区体积和分次剂量平均变化 在治疗过程中,10例患者GTVnx和GTVnd的平均体积都在缩小,在治疗末最后扫描CT上可以观察到,10例患者的GTVnx平均缩小13.17%;GTVnd平均缩小13.95%,由于没有参照的MRI图像,所以靶区进行修改时相对比较保守,实际靶区的变化可能更大一些。而GTVnx和GTVnd的D95在治疗过程中变化不大,实际受照剂量波动均在±3%以内。说明在实际治疗过程中,靶区体积虽然会有所变化或者变化程度较大,但是其所受照剂量或者临床要求剂量基本不会变化。因为靶区缩小是向心性的,也就是靶区缩小也是向高剂量区移动,所以在治疗过程中靶区一直处于高剂量区,不会出现靶区欠量情况。见图1。

图1 靶区随治疗次数体积与分次剂量平均变化图

2.1.2 腮腺体积和分次剂量(D50)平均变化 在治疗过程中腮腺的体积和剂量都会发生较大的变化。在治疗末最后扫描CT上可以观察到,左腮腺体积平均缩小17.05%,右腮腺体积平均缩小24.53%。10例患者实际腮腺平均D50剂量均比计划剂量高,左腮腺D50剂量平均增加10.66%;右腮腺D50剂量平均增加12%。总体上随治疗次数增加,腮腺体积有逐渐缩小的趋势,同时所受到的实际分次剂量有逐渐增加的趋势。见图2。

图2 左右腮腺随治疗次数体积与分次剂量平均变化图

2.1.3 脑干和脊髓体积及分次剂量(Dmax)平均变化 在整个治疗过程中,脊髓和脑干的体积及受照剂量均未发生较大的变化。脑干的体积在治疗过程中波动范围为±5%,所受到的剂量也在±7%以内。脊髓的体积在治疗过程中波动范围也在±3%以内,脊髓剂量波动也在±5%以内。说明在治疗过程中脑干和脊髓体积及剂量基本未发生比较明显的变化,两者所受到的剂量也均在临床可接受范围之内。见图3。

图3 脑干和脊髓随治疗次数体积与分次剂量平均变化图

2.2 靶区和危及器官累积剂量的变化

2.2.1 靶区GTVnx和GTVnd累积剂量(D95)的平均变化 在整个治疗过程中,靶区内GTVnx和GTVnd由CT变形累加得到的实际受照剂量与原始计划预期照射剂量基本相当,10例患者GTVnx和GTVnd的实际平均受照剂量差别均在0.03%以内,保证了在治疗期间内,靶区内不会发生欠缺剂量或者漏照问题。见图4。

图4 GTVnx和GTVnd累积剂量平均变化图

2.2.2 左右腮腺累积剂量(D50)的平均变化 在治疗末,左右腮腺所实际受到的累积剂量,均大于原始计划累积剂量。10例患者左腮腺(PL)D50最后实际受到的剂量平均增加至原始计划剂量的109.6%;右腮腺(PR)D50平均增加至原始计划剂量的105.1%。10例患者中,有些患者的腮腺实际受照剂量已经超出了腮腺D50<3000 cGy的阈值剂量。由图中也可看出,在第三周至第四周腮腺实际剂量相较计划剂量开始有所变化,在治疗过程中受到了高于预期剂量的照射。见图5。

2.2.3 脑干和脊髓累积剂量(Dmax)平均变化 脊髓和脑干在实际治疗中所受到的最大剂量Dmax与初始计划相比并无太大变化,变化均在2%以内,而且即使变化也均在合理范围内(脑干PRV<5400 cGy,脊髓PRV<4500 cGy)。说明实际治疗中脑干和脊髓所受到的剂量与预期计划剂量相当,基本未有超量现象。见图6。

2.3 自适应计划后靶区和危及器官剂量的变化 根据所得到的CT变形累加剂量和原始计划剂量的对比图,发现在治疗的三到五周(15至22次)腮腺剂量变化较大。张勇乾等[13]通过观察15例接受调强放射治疗的鼻咽癌患者,建议在放疗的第5周前重新定位做计划,以减轻放疗过程中的靶区及危及器官结构变化带来的影响。因此,在本研究中10例患者也均选择在第20次治疗结束后进行自适应计划设计,将20次治疗分次附近扫描的CT图像作为二次计划图像,各项优化参数以及优化条件保持与原计划相同进行优化,在得到比较满意的结果后,将20次原计划剂量和后续新计划剂量变形累加起来。并将原始计划剂量、自适应计划后的总体累加剂量进行对比分析。

2.3.1 二次计划后GTVnx和GTVnd剂量平均变化 10例患者GTVnx和GTVnd的平均D95、D98、D2可以发现,原始计划预期剂量和经过二次计划后的两阶段累加剂量差别也不大,剂量偏差均在±2%以内。其余原始计划、二次计划后的靶区均匀性指数HI也都很接近,均能很好的满足临床要求。说明在整个治疗过程中,靶区所受到的剂量和原始计划预期剂量相符,经过二次计划后也不会影响到靶区的剂量分布。见表1。

表1 靶区自适应计划后剂量与原计划剂量比较

2.3.2 二次计划后危及器官剂量平均变化 患者脑干和脊髓经自适应计划后所得到的剂量与原始计划剂量相比均有减少,但差别不大,自适应计划前后均未有超量发生。腮腺经二次计划后,与原始计划相比,D50和Dmean均明显降低,其中D50平均降低10.12%和7.73%,Dmean平均降低6.76%和6.36%。见表2。

表2 危及器官自适应计划后剂量与原计划剂量比较(%)

3 讨论

要保证鼻咽癌放疗安全精确,分次放疗中靶区和危及器官解剖结构和空间位置的稳定是一个重要因素,但是在临床中发现,除了系统和摆位误差外,放射治疗过程中鼻咽原发病灶或颈部转移淋巴结缩小、部分重要器官体积和位置发生改变、患者外形轮廓有明显改变或患者体质量减轻,有可能会造成靶区及周围器官所受到的剂量偏离原始计划,影响预期放疗效果[14]。

本研究应用每周CT来探讨鼻咽癌放疗过程中靶区和危及器官体积和剂量的变化。在研究中发现,随着治疗的进行,10例患者的靶区和腮腺的体积均呈现出了不同程度的萎缩,治疗结束后GTVnx、GTVnd体积平均缩小了13.17%、13.95%,左腮腺、右腮腺体积平均缩小17.05%、24.53%。杜镭等[15]研究了5例接受螺旋断层治疗(Tomotherapy)的局部晚期鼻咽癌患者,发现左腮腺在治疗结束平均缩小了42%,右腮腺平均缩小了33%。蒋振东等[16]在CBCT图像上观察到,鼻咽癌调强放疗中腮腺、外轮廓体积逐步缩小。Lu等[17]选择了43例鼻咽癌患者在第20次治疗时进行二次CT扫描,发现与原始CT相比,GTVnx、GTVnd体积平均缩小了30.1%、41.6%,左腮腺、右腮腺平均缩小33.4%、33.5%。Cheng等[18]选择了19例鼻咽癌患者,在靶区接收到30 Gy和50 Gy时分别进行CT和MRI扫描,发现GTVnx体积分别缩小了9.1%和13.1%,GTVnd体积分别缩小了16.2%和28.7%,患侧腮腺分别缩小了5.3、8.4 cm3,对侧腮腺分别缩小了0.7、3.4 cm3。与国内外研究结果对比可知,国内研究中的患者肿瘤消退速度普遍没有国外得出的结论快,腮腺的体积变化反而较大,这是否是因为人种体质的不同造成的,还有待进一步研究。

通过每周CT进行剂量累加后发现,虽然靶区GTVnx和GTVnd的体积一直在缩小,但剂量D95与计划剂量相当,最大波动也在0.03%以内,观察发现靶区整体往中心(即高剂量区)移动,所以靶区体积的变化不会影响到靶区的受量,在治疗过程中基本不会发生靶区漏照或者欠量现象。而患者的左腮腺、右腮腺的D50平均增加了9.6%、5.1%。脑干和脊髓的Dmax与原始计划剂量相当。姚鑫森等[19]通过形变配准分析18例鼻咽癌患者放疗中肿瘤靶区和危及器官剂量变化,发现放疗过程中靶区所受剂量基本无变化,与本研究结果一致。王微等[20]在鼻咽癌患者治疗的第15次和第25次采集重复CT图像,分析放疗前半程和后半程靶区和危及器官的体积剂量变化,发现脊髓剂量在放疗过程中基本无变化,脑干剂量略有升高。腮腺剂量增加会使其产生的副作用加重[21],腮腺功能下降会导致口干、龋齿、口腔溃疡、影响患者吞咽、言语、味觉以及睡眠等方面。

本研究系统分析了靶区和危及器官累积剂量的变化后,10例患者均在第20次治疗左右进行二次自适应计划,然后与原始计划剂量进行对比,靶区、脑干和脊髓剂量并无太大变化,均能很好的达到临床预期,二次计划能稍微提高靶区的均匀性。而腮腺经二次计划后D50和Dmean均明显降低。卢洁等[22]利用MimVista软件对第25次扫描CT进行形变配准并重新计划后,发现左腮腺Dmean平均降低2.0%,右腮腺Dmean平均降低1.1%。Schwartz等[23]通过对22例头颈部肿瘤患者进行ART研究得出,在患者治疗过程中,与单独IGRT比较,根据影像资料得到的反馈信息调整一次计划,可使对侧和同侧腮腺所受剂量平均减少 2.8% 和3.9% ,而进行了两次计划调整以后平均减少3.8%和9.0%。Nishi等[24]通过对鼻咽癌患者进行二次计划,腮腺Dmean平均能降低5 Gy左右,这些结果都有一致性。

本研究只实施了一次自适应计划,对于靶区或危及器官体积变化梯次比较大的患者,可进行多次自适应计划以达到更好的临床目标,但是也要同时考虑患者本身和医务工作者的经济和劳力状况。此外,本研究在讨论中提出的国内外鼻咽癌患者放疗过程中的肿瘤消退速度有很大的差异,其具体原因有待进一步研究。

4 结论

晚期鼻咽癌患者放疗过程中靶区和危及器官的位置和体积均会发生变化,靶区和腮腺体积变化较大,脑干和脊髓体积基本无变化,腮腺会受到超过预期剂量的照射,在治疗后期有必要修改治疗计划,提高患者的生活质量。