沈丽娟 王佳浩⋆
混合能量的调强放射治疗计划对上段食管癌的剂量探讨
沈丽娟 王佳浩⋆
目的比较食管癌患者单一X线能量与混合能量的调强放射治疗计划间靶区与危及器官剂量差异。方法选取10例典型上段食管癌患者CT图像,在Pinnacle治疗计划系统上进行肿瘤靶区、危及器官的勾画。每位患者分别制定6MV、10MV与混合6MV与10MV能量的三种放射治疗计划,用相同的物理参数和优化条件进行优化与计算,比较三种计划的剂量学差异。结果混合能量计划在靶区的均匀度上较6MV计划与10MV计划好,差异有统计学意义(F=-8.7,P=0.003);在靶区的适形度上,较两种计划好,差异有统计学意义(F=10.8,P=0.015)。混合能量计划在对危及器官的保护上(脊髓的最大剂量、肺容积剂量、心脏的容积剂量)较其它两种计划更具优势。结论混合能量的调强计划对于上段食道癌病例可以改善放射治疗计划的靶区剂量均匀度与适形度,以及可以减少危及器官的受照剂量,具有一定的临床应用价值。
混合能量 食管癌 剂量体积比较
放射治疗是食管癌的重要治疗手段,特别对于中晚期不能手术的患者,放射治疗具有重要意义,随着调强放射治疗技术的开展,更多患者可以从中受益[1]。食管上段肿瘤所在位置解剖结构的特殊性决定了在调强放射治疗中不同能量射线对肿瘤剂量贡献的穿透深度不同。本文对混合能量调强放射治疗对食管上段癌靶区和危及器官的剂量进行探讨。
1.1 一般资料 2015年8月至2016年1月本院收治的上段食管癌患者10例,年龄45~72岁,中位年龄58岁。每位患者分别使用6MV、10MV、混合6MV和10MV的三种方案进行计划设计及优化计算。
1.2 CT扫描与器官勾画 选取的10例食管癌患者均取仰卧位,在呼吸平稳的情况下进行体模固定并进行计算机断层扫描,CT图像层厚为5mm,要求将整个食管与肺部扫全。
1.3 计划的设定 在Pinnacle治疗计划系统上进行调强放射治疗计划的制定,所有计划用卷积算法进行剂量计算,并且使用直接机器参数优化进行剂量优化。布野采用5野,上三下二,子野个数采用优化参数后的40个子野[2],机架角度在210°、305°、0°、55°和150°。混合能量的调强计划中,10MV光子束是应用在225°和135°这两个机架角度,因是两个瘤皮距最长的射线束穿透角度,6MV光子束则应用在其他三个角度上,见图1。另外两个计划中,在这5个角度上均使用单一6MV或10MV能量的光子束。在优化结束后,经过计算多叶准直器(MLC)叶片的顺序和监测单元(MU)得到患者的整体剂量通量图。逆向优化函数设置如下:计划靶区(PTV)的处方剂量为60Gy/30f,至少应保证95%的处方剂量覆盖>95% PTV体积,而>108%的PTV体积所覆盖的处方剂量应为0。肺的体积剂量限制为V5<50%、V20<30%、V30<20%、Dmean<13Gy,心脏的V25<15%、Dmean<12Gy,脊髓的Dmax<45Gy。
图1 混合能量射野图
1.4 剂量学参数计算分析 对每一个患者的三种放疗计划均使用剂量体积直方图(DVH)进行分析,在D VH上主要计算PTV、肺的体积剂量、心脏的体积剂量以及脊髓的最大剂量,其中PTV,三种计划分别计算其均匀度(HI)与适形度(CI),均匀度的计算方法为:HI=(D2%-D98%)/D处方,适形度的计算方法为:即参考等剂量线覆盖的靶体积的平方/靶区体积*等剂量线包绕体积,本设计选用96%的等剂量线。
1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0统计软件。计量资料以(x±s)表示,6MV、10MV及混合能量的三个计划间进行单因素方差分析,P<0.05为差异有统计学意义。
2.1 三种计划的剂量体积对比结果见表1。
表1 混合能量、6MV、10MV剂量体积对照表(x±s)
2.2 靶区的适形性 三种计划的靶区适形度 见图2。
图2 靶区的适形性
2.3 监测单元 从表1中可看出,对于平均的加速器跳数(MU),6MV的计划比混合能量和10MV的计划高,但差异无统计学意义。
本组10例食管癌患者,其原发肿瘤生长的部位在颈段或上胸段,手术治疗的难度大,并发症发生率高[3],而放射治疗的损伤较小,因此研究上段食管癌的放疗计划具有一定的临床意义。放射治疗技术对于食管癌患者的治疗在国内外均已较为普遍,对于照射的方式、总剂量、脊髓的耐受量、肺的保护价值等也均有较多的文献报道[4-8]。
光子能量的选择在调强放疗中有重要的影响,较低能量的光子束(≤6MV)由于其在组织内的百分深度剂量分布,常被用来治疗头颈部肿瘤或者浅表肿瘤;较高能量的光子束(>6MV)在组织内的穿透能力较强,较多的被用于治疗深部的肿瘤。然而高能量的光子束却有其消极的一面,比如在加速器机头MLC上的漏射投射线较多、产生过多的次级电子(光子和物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应而产生[9])和次级中子(光子与加速器机头发生光核反应[10])等,这些会增加实际射线束的边界范围,无形中增加靶区的投影截面,增加患者不必要的辐射。而低能X线的调强计划在肿瘤靶区的外围,离皮肤表面较近的正常组织上却沉积了较高的剂量[11],若使肿瘤靶区得到临床处方剂量,就必然要求制定一个包含更多照射野、更多机器跳数的复杂计划,同时会增加治疗的时间、危及器官与正常组织的受照剂量[12]等。用低能X线治疗较深部的肿瘤时,皮肤的不良反应应予考虑。
本资料显示,低能光子束由于其剂量扰动效应比高能光子束小[13],因此在靶区周围可以形成适形度高、更均匀的剂量分布,6MV的调强计划在PTV的均匀度与适形度上优于10MV计划。从胸腔的解剖结构分析,肺部位于食管两侧,脊髓位于食道的后方,若使用单一6MV能量的调强计划,由于低能光子束穿透能力的限制,则对于离皮肤表面较近的肺部组织会沉积较大的剂量,且在优化过程中为得到靶区的目标剂量,必然会增加机器监测单元的跳数(MU),这可以解释6MV调强计划的平均机器跳数比混合X线能量高10.9%,比10MV高11.7%;若使用单一10MV的调强计划,由于高能光子束上述消极的一面,会增加产生次级电子和次级中子的概率,且从蒙特卡洛剂量计算的方法中[14-15],光子与物质的反应是一个随机性过程,也就是一个概率问题,入射越多的高能光子束产生的次级电子与次级中子的概率也越高,因此在食管癌患者的放射治疗计划制定时,使用的混合能量的调强计划,选择在210°和150°这两个穿透深度较长且离脊髓较近的角度上使用10MV的能量,旨在得到较好的靶区均匀度与适形度,同时避免两肺、脊髓等沉积过高的剂量。
本资料显示,混合能量的调强计划在脊髓的最大耐受量为最优,Dmax比6MV减少0.3%,比10MV减少1%,虽然其它2个计划脊髓的最大剂量也在临床所接受的范围内。在肺的保护方面,混合能量计划无论在平均剂量,抑或覆盖的百分体积,也优于其它2个计划。从数据的分析结果可以观察到混合能量的调强计划既保留低能光子束剂量扰动效应小、靶区均匀度和适形度较好以及高能光子束穿透能力强、浅表组织剂量沉积小的优点,同时减少了高能光子束在治疗计划系统中优化与计算的误差及在加速器MLC上的漏射透射线和产生次级电子与次级中子的概率,同理在心脏的保护上,混合能量计划也是最优的。总之,混合能量是一个包含射野数较少、射线跳数较小、靶区均匀度与适形度较好、危及器官与正常组织剂量沉积较低的比较理想的放射治疗计划。
综上所述,在Pinnacle治疗计划系统中的混合能量调强放疗计划确实能够带来低能与高能光子束的共同优势,同时也克服了优化与计算时低能与高能光子束各自的弊病,因此混合能量的调强计划对于较深部的上段食管肿瘤可以改善调强放射治疗计划的质量,具有一定的临床应用价值。
[1]田小刚,王小虎.食管癌放疗的研究进展.甘肃医药,2012, 31(11):850-851.
[2]徐莉霞,李夏东,王佳浩,等.优化参数对肺癌调强放疗计划设计的影响.实用肿瘤杂志,2015,30(1):72-75.
[3]孙诠,陈晓冬,曹森,等.食管癌术后肺部严重并发症的治疗体会.临床医学实践,2011,20(1):11-12.
[4]果惠,董士丽.颈段胸上段食管癌精确放疗的临床疗效分析.中华全科医学,2011,9(1):21-23.
[5]陈强,梁宁震,晏党.三维适形放疗同步化疗治疗食管癌疗效观察.中国误诊学杂志,2011,11(3):584.
[6]惠蓓娜,综述,张晓智,等.颈段、胸上段食管癌放射治疗现状.陕西医学杂志,2011,40(2):217-219.
[7]Woudatra E, Heijimen BJ. storchipr. Automated selection of beam orientations and segmented intensity modulated radiotherapy (IMRT) for treatment esophagus tumors Radiother Oncol, 2005, 77(3), 254-261.
[8]葛琴,蔡晶,谢国栋,等.3D-CRT中采用二程计划对局部晚期食管癌患者V20及放射性肺炎的影响.实用肿瘤杂志,2013, 28(6):642-646.
[9]李先明,胡逸民,哈思衡.气腔对高能X射线剂量分布的影响.中华放射肿瘤学杂志,1992,1(3):195-199.
[10]胡逸鸣. 肿瘤放射物理学.北京:原子能出版社,2006.
[11]Laughlin JS, Mohan R, Kutcher GJ. Choice of optimum megavoltage for accelerators for photon beam treatment. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 1986, 12(9):1551-57.
[12]Subramanian TS. Linear accelerators used for IMRT should be designed as small field, high intensity, intermediate energy units. Med Phys,2002,29(11):2526-2528.
[13]李乾坤,小射野条件下高能和低能X射线在非均匀介质中的剂量特性的比较研究.四川大学学报(自然科学版), 2007,44(2):375-379.
[14]戴相昆,王运来,徐寿平, 等. Monte Carlo方法及其在放疗中的应用.医疗卫生装备,2010,31(4):88-89.
[15]张俊广,张春光,梁少华,等.基于蒙特卡罗的IMRT模拟研究.中国医疗装备,2008,5(1):01-03.
ObjectiveThe difference between single X-ray energy and mixed X-ray energy in intensity-modulated radiation treatment(IMRT)plans were compared for esophageal cancer cases.The mixed X-ray energy IMRT plans on the distribution of dose were then investigated.MethodsThe CT images about 10 typical cases of esophageal cancer are selected and the target areas,OARs,and the normal tissue were contoured in the Pinnacle treatment planning system. Each patient developed three kinds of radiation treatment plans of 6 MV,10 MV and mixed X-ray energy,which were optimized and calculated,the data of dose-volume histogram used SPSS software to analysis and three plans matching t test.ResultsThe plans of mixed X-ray energy showed more superior in target dose homogeneity than plans of 6MV and 10MV plans(F=-8.7,P=0.003). The plans of mixed X-ray energy showed better target dose conformity than the other plans(F=10.8,P=0.015). Comparing with the three plans in max does of spinal cord,the DVH of lung and heart,the plans of mixed X-ray energy showed the best and had statistical difference.ConclusionMixed X-ray energy in IMRT plan can ameliorate the overall plan quality and actually has certain clinical signifi cance for cases of esophageal cancer.
Mixed X-ray energy Esophageal cancer Dose-volumetric comparison
310000 杭州市肿瘤医院放射物理室
*通信作者