应用逆向算法实现三维适形放射治疗的初步研究

陈宏林 张旭光 阎 平 宋百锋 刘 波 周 堃 徐 红

三维适形(3DCRT)及调强放射治疗(IMRT)都属于精确放疗,在临床中得到广泛应用。调强放射治疗计划系统(TPS)属于逆向算法,它是利用医学物理师预先给定射野方向及子野数,然后由 TPS根据数理最优化原则自动生成子野形状,对靶区实施适形辐照,从而产生精确的靶区高剂量分布,降低周围危及器官的受量。但是也正是由于这种剂量学特点,使得靶区边缘剂量梯度变化大[1],因此在做调强放疗时,要求有极高的摆位要求,然而摆位的随机误差几乎是不可消除的[2];而 3DCRT之于 IMRT技术存在不足的是医学物理师在设计放疗计划时要对射野权重因子、楔形板补偿等做不断调整,以期满足剂量学要求。我们考虑用单野逆向调强算法来实现三维适形放射治疗,对 5例肺癌患者做了放射治疗计划,现介绍如下。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选择 2008年 5月至 2009年 3月我院收治的非小细胞肺癌(NSCLC)5例。年龄 45～74岁;男性 3例,女性 2例。TNM分期:Ⅱ期 2例,Ⅲ期 1例,Ⅳ期 2例;鳞癌 3例,腺癌 2例。

1.2 研究设备

Prowess 6.1 TPS、东芝 CT模拟定位机、西门子LANTIS网络系统、体架、体模固定系统、LAP激光灯、MatriXX剂量验证系统、0.013 cc电离室及固体水。

1.3 研究方法

1.3.1 CT模拟 患者仰卧于 CT模拟机适配碳纤维床板上的体架上,双臂抱头,热塑体膜固定胸腹部,令患者均匀呼吸,CT扫描要求:层厚 0.5 cm,肺窗窗宽1 600 HU,窗位 -600 HU,纵隔窗窗宽 400 HU,窗位20 HU,扫描范围为全胸,位于下叶的肿瘤再往下扫描10 cm。CT图像经 LANTIS局域网传至 TPS。

1.3.2 靶区勾画 以 CT图像为基础勾画靶区。大体靶区(GTV)为 CT图像上所见原发病灶,临床靶区(CTV)在 GTV的基础上,腺癌外放 0.8 cm,鳞癌外放0.6 cm,最后在 CTV上外放 0.5～1.0 cm的运动及摆位误差而得到最终计划靶区(PTV)。

1.3.3 处方剂量 PTV予以 6 000 cGy,常规分割照射,即每天 PTV受量 200 cGy,每周治疗 5次。物理师分别用 5野、7野的方式制定 3DCRT治疗计划,及 5野、7野调强模式制定治疗计划。限量要求:双肺 V20≤30%,脊髓最大受量点≤4 500 cGy。这里强调的是指计划的每个射野方向只设 1个子野。

1.3.4 调强计划验证 将患者计划导入固体水模体中,应用 Matrixx剂量验证系统分别对 5位患者的调强计划进行相对剂量的验证,用 0.013cc的电离室进行绝对剂量的验证。

1.3.5 计划评估 各种计划完成后,分别对靶区的适形角、靶区及危及器官的剂量体积直方(DVH)图(图1)、最大(小)剂量、加速器跳数做出定量统计(表 1)。

通过研究,我们提出适形角这一概念,它定义为:靶区在满足剂量学的原则前提下,剂量曲线的跌落点与剂量的结束点的连线,在其中点做一垂线,这两条线形成的锐角夹角(图 2),夹角越小则表示适形度越好,较适形指数(CI)、均匀指数(HI)来表示靶区的剂量均匀性、适形度,更直观、便捷。

表1 5例患者靶区及危及器官受量的统计

图1 7野调强和 7野适形 DVH的比较

图2 适形角示意图

2 结果

2.1 DVH图特点

7野 IMRT适形角明显小于 7野 3DCRT,见图 1。

2.2 占机时间

5F-3DCRT与 5F-IMRT、7F-3DCRT与 7F-IMRT总跳数相差不大,由于病例较少,未做统计学分析。

2.3 危及器官

适形计划由于设计的射野方向较多,均未超过正常组织耐受量。

2.4 不同计划同一射野方向的射野面积比较

选取 7F-3DCRT、7F-IMRT相同射野方向的射野面积进行比较。前者面积 89 cm2,后者面积为 110 cm2,同一射野方向的调强野面积大于适形野面积,见图 3。

2.5 调强计划验证结果

美国医学物理学家协会(AAPM)53号任务组报告建议:采用 3%(3mm DTA)和 4%(4mm DTA)的标准对放疗剂量结果进行分析[3],本研究样本相对剂量通过率 ＞98%,绝对剂量通过率 ＞97.7%,符合 AAPM 53号报告标准。

图3 不同计划同一射野方向的射野面积比较BEV为射野方向观

3 讨论

精确放疗是 21世纪放疗的发展方向,由此而衍生出图像引导的放疗(IGRT)、剂量引导的放疗(DGRT)及生物引导(BGRT)的放疗。但是由于我们目前的国情,一方面是放疗设备资源匮乏,不可能每台加速器都配备锥形束 CT(CBCT)或电子射野影像装置(EPID)等设备,另一方面每台加速器所治疗的患者也较多,也不可能在每次治疗前都能得到充分而准确的剂量及位置验证,因此用简单的方法处理复杂的问题,似乎更符合我们目前的医疗行业现状,我们以逆向调强算法的方式来实现三维适形放疗,其优点如下:每个射野方向的唯一子野面积最大化,避免了子野过多造成的 MLC拉动次数多,从而减少了设备磨损。占机时间少,与适形治疗相比无大的差别,使患者不至于在较长时间内保持一种姿势而产生不适感。从物理剂量学角度看,逆向算法代替了医学物理师正向设野时所考虑的各射野的权重因子及物理补偿物(楔形板),节约时间的同时也实现了物理剂量最优化。静态调强由于占机时间长,从而导致相对剂量率不足,是否对靶区有影响尚不可知,因而本文介绍的这种技术避免了以上缺陷,而目前调强治疗要求较高,MLC误差要小于 1mm,这是因为小野造成剂量差,从剂量学上看,这种以逆向代替正向算法的技术,只要符合临床剂量学原则,应无可厚非。调强的治疗面积大于适形治疗的面积,这样避免了传统调强放疗子野数量多、面积较小,靶区剂量较陡的缺陷,从而减少了由摆位误差造成的剂量误差。

通过对 5例患者的治疗,我们总结出以下几条适应症:靶区较为规整,近似于圆或椭圆形;患者心肺功能较差,不能长时间处于 1个治疗体位;靶区离脊髓较近,用三维适形无法降低脊髓剂量。

对于危及器官(OAR)肺的放射损伤,两肺是相互独立的,还是将两肺看做 1个器官,目前还存在争议。美国光子治疗协作组发表的 26个器官耐受量表中,肺TD5/5、TD50/5值均把肺做为 1个器官来看待,而Kutcher等却认为肺功能相对独立,治疗评价时应把它看做两个器官较合适。且多种文献显示,在放射治疗中,肺 V20可做为 1个独立因子来评价肺损伤程度[4]。在本研究项目中,我们将肺作为 1个器官来对待,并对双肺 V20进行评估。美国放射肿瘤学协作组(RTOG)研究显示,肺 V20＜20%时,无放射性肺炎发生,V20在22%～31%时,8%的患者会发生 2级放射性肺炎[5]。虽然本组病例设野较多,存在肺低剂量区较大的问题,但是,“小剂量大体积”或“大剂量小体积”对肺的影响究竟有多大,现在还尚无定论[6]。因此我们认为,只要制定出的治疗计划符合剂量学四原则,就是 1个可以用于治疗患者的计划。

2006年耿辉等[7]提出简易调强概念,周立庆等[8]研究得出简易调强仅在放疗中心初起实施时进行计量学验证,以后验证方法同三维适形治疗。因此,本文介绍的这种以逆向调强的方式代替适形放疗可遵循以上原则。同时,本样本研究也是简易调强放疗技术的 1个延续研究。这种治疗模式也可以用于其它病种。

[1] 李光俊,李 勤,韩 军,等.调强放疗中小野剂量学特性研究〔J〕.中华放射肿瘤学杂志,2007,16:469.

[2] 潘才住,潘建基,陈传本,等.应用电子射野影像装置实时纠正鼻咽癌调强放疗摆位误差研究〔J〕.中华放射肿瘤学杂志,2009,18:341.

[3] Fraass B,Doppke K,Hunt M,et al.American association of physcists inmedicine radiation therapy committee task group 53:quality assurancefor clinical radiotherapy treatment planning〔J〕.Med Phys,1998,25:1773.

[4] 尹 勇,于金明,刑力刚.剂量体积直方图参数评估放射性肺损伤的作用〔J〕.中华肿瘤杂志,2003,25(4):313.

[5] John MS,RobertCM,Debra HB.Incidence of radiation pneumonitis after thoracic irradiation:Dose volume correlates〔J〕.Int JRadiat Oncol Biol Phys,2007,67:410.

[6] 张 永,于甬华,刘希军,等.放射性肺炎临床相关因素的研究进展〔J〕.中华放射肿瘤学杂志,2008,17:325.

[7] 耿 辉,戴建荣,李晔雄,等.一种简单调强放疗技术应用的初步研究〔J〕.中华放射肿瘤学杂志,2006,15(5):411.

[8] 周立庆,戴建荣,胡逸民,等.三种照射技术的剂量验证结果比较〔J〕.中华放射肿瘤学杂志,2008,17(6):460.