宫颈癌螺旋断层放疗与静态调强技术的剂量学比较

刘娟，李双双，高山宝，闫婧，侯震，朱丽晶

1.南京大学医学院附属鼓楼医院肿瘤中心，江苏南京210000；2.东南大学生物科学与医学工程学院生物电子学国家重点实验室、医学电子学实验室，江苏南京210096

前言

宫颈癌是最常见的妇科恶性肿瘤，其发病率非常高，占我国女性恶性肿瘤之首［1］。放疗作为宫颈癌的主要治疗手段，在改善局部控制率及提高总生存时间上是得到肯定的［2-3］。常规放疗技术多采用二维模式，照射区内的正常组织受照面积过大，易引起严重急性反应或远期症状。调强放射治疗（IMRT）和容积旋转调强放疗（VMAT）的应用使宫颈肿瘤照射更加精确，正常组织能得到很好的保护。尤其是螺旋断层放射治疗（Helical Tomotherapy,HT）的出现，其整合IMRT、影像引导放疗（Image-Guided Radiation Therapy,IGRT）和剂量引导放疗为一体，是目前世界高端的肿瘤放疗设备之一，结合CT影像引导行360°聚焦式的断层照射，对肿瘤患者进行精准、安全、高效的治疗，无疑给宫颈癌患者带来了新的曙光。本研究对25例宫颈癌盆腔照射患者分别采用HT与七野-静态调强放疗（7F-IMRT）治疗技术比较剂量学差异，旨在为HT技术进一步深入运用于宫颈癌外照射提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 临床资料

收集南京大学医学院附属鼓楼医院2015年3月～2017年10月期间接受HT治疗的25例宫颈癌盆腔外照射的患者；均有病理诊断；患者年龄35～88岁，中位年龄55岁；患者一般情况较好，KPS评分≥70分。

1.2 主要设备

美国螺旋断层放射治疗系统（Helical Tomotherapy,Hi-ART），Hi-Art Version 5.1.1三维治疗计划系统（HT组），Philips公司的Pinnacle39.10三维治疗计划系统（7F-IMRT组），Philips公司的Brilliance CT6模拟定位机（CT-SIM），美科PBSV4.1膀胱超声扫描仪，德国LAP移动激光灯，碳纤维俯卧位定位板、头枕及体膜、金点等。

1.3 定位方法

（1）定位前准备：定位前1 h嘱咐患者排空膀胱，饮用800 mL约10%浓度CT造影剂使肠道显影，自感膀胱充盈后，用超声膀胱扫描仪检测尿量；（2）定位固定：采用俯卧位，确保腹盆部自然垂入俯卧位定位板的方孔内，双臂上举交叉置于额下，并保证患者身体正中矢状面与定位板中垂线一致、背部与定位板平行，体膜固定，利用激光灯在皮肤和体模上均做标记，并在膜上贴金点；（3）影像获取：扫描范围一般自第1腰椎上缘至盆腔下缘5～10 cm处，120 kV，250 mAs，层厚5 mm，平扫+增强扫描；（4）后续工作：将数据传输至Pinnacle39.10计划系统，在患者皮肤标记“十”字处贴上保护膜，记录好数据，由双人审核签字。

1.4 靶体积及危及器官的勾画

根据ICRU 62和83号报告，由妇科肿瘤放疗医师勾画靶区与危及器官。肿瘤体积（GTV）包括MRI、CT显示的宫颈病灶和肿大淋巴结；临床靶体积（CTV）包括子宫颈体、宫旁及盆腔淋巴引流区域；计划靶区（PTV）在CTV基础上外放5～8 mm生成。危及器官包括小肠、结肠、直肠、膀胱及双侧股骨头等。由物理师创建不同剂量梯度的剂量限制环Ring及辅助限量区域Avoid，并将图像和勾画轮廓传输至TOMO计划系统。

1.5 治疗计划设计

采用Hi-Art Version 5.1.1和Philips Pinnacle39.10治疗计划系统对每例患者分别进行HT组和7FIMRT组两种计划设计。处方剂量：46～50 Gy/23～25 f（根据患者实际治疗剂量确定，保证每个患者两种计划处方剂量一致）。要求95%的PTV应获得100%的处方剂量。剂量限定如表1所示。

表1 靶区及正常组织剂量限定Tab.1 Dose limits for PTV and OAR

1.5.1 HT计划设计 计划模式为逆向调强，6 MV X线，剂量率864 MU/min，64对多叶准直器（MLC）；设定靶区处方剂量、剂量计算网格为Fine、射野的宽度选2.5 cm、螺距（Pitch）设定0.43、调制因子初设2.0，根据优化情况进行调整，一般都不超过2.8，设定各剂量限定的优先权重（优化中时时调整）进行优化，得到最佳的剂量分布，然后进行Get Full Dose运算以考虑散射的完全剂量计算，最后进行Final Dose计算，得到最终计划。

1.5.2 7F-IMRT计划设计 调强方式为静态调强（step and shot），采用逆向设计，七野共面射野，6 MVX线，剂量率为560 MU/min，40对MLC；入射角度为0°、50°、100°、155°、205°、260°、310°，根据靶区剂量和危及器官剂量规定设置优化目标。子野数量限定60个，最小子野面积9 cm3，最小子野机器输出跳数5 MU，进行计划优化，通过反复调整优化条件或目标函数的权重，以获得较理想的剂量分布，最后进行剂量归一（95%的PTV达到处方剂量）。

1.6 评价指标

计划评价是基于各断面的剂量分布及剂量体积直方图（DoseVolume Histogram,DVH）进行各参数比较。（1）靶区剂量参数：D1（1%体积的PTV受到的最大剂量）、D2、D98（98%体积的PTV受到的最小剂量）、D95、平均剂量（Dmean）和中位剂量（D50）；（2）PTV 适形度指数（Conformity Index,CI）［4］：用来评价等剂量线与靶区PTV的适形度，CI=(TVRI/TV)×(TVRI/VRI)，其中TVRI为处方剂量线包绕的靶体积，TV为靶体积，VRI为处方剂量包绕的体积，CI的范围为0～1，其值越接近1表示靶区适形度越好［5］；（3）靶区均匀性指数（Homogeneity index,HI）［6］：用来反映靶区内的剂量分布均匀性，HI=D2-D98/D50，其值越接近0表示均匀性就越好，数值越大表示剂量分布越不均匀［7-8］；（4）两种计划危及器官比较，包括小肠、结肠、直肠和膀胱的最大剂量（Dmax）、Dmean和30、40、50 Gy 剂量受照射的体积（V30、V40、V50）；双侧股骨头Dmax、Dmean、股骨头接受25 Gy受照的体积（V25）及5%的体积受照的剂量（D5）。

1.7 统计学方法

应用SPSS 22.0统计软件，数据用均数±标准差表示，采用配对t检验对两种治疗计划的剂量学进行差异分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

25例患者均能配合治疗，未出现严重的不良反应，顺利完成治疗。

2.1 靶区剂量分布与DVH图比较

图1为某例患者两种计划中心截面的剂量分布，包括横断面、矢状面和冠状面。图2为该患者两种计划的DVH图。与7F-IMRT计划比较，HT计划处方等剂量线对靶区包绕更好，而且靶区的CI和HI更优，剂量分布更理想。

图1 两种治疗计划中心截面的等剂量分布Fig.1 Isodose distribution in the central section of two treatment plans

2.2 两种治疗计划的PTV剂量参数比较

本研究剂量分布显示，HT和7F-IMRT两种放疗计划中靶区的覆盖均能满足临床剂量要求。HT计划PTV的D1、D2分别为（51.19±2.12）Gy、（50.99±2.11）Gy，比7F-IMRT计划（52.44±2.18）Gy、（52.34±2.19）Gy低（P＜0.001,P＜0.001）；HT计划和7F-IMRT计划的Dmean分别是（50.25±2.00）Gy、（50.47±1.97）Gy（P=0.048），D98分别是（47.85±1.98）Gy、（47.03±1.81）Gy（P＜0.001），D95分别是（48.68±1.95）Gy、（48.39±1.86）Gy（P=0.015）。结果表明HT技术在尽可能保证靶区的最小剂量接近处方剂量，同时降低靶区内的热点区，使靶区的剂量线梯度越陡直；HT计划和7F-IMRT计划的CI分别为0.898±0.017和0.834±0.013（P＜0.001），HT计划的CI值更接近于1，适形度优于7F-IMRT；HT计划和7F-IMRT计划的HI分别为0.062±0.012和0.109±0.019（P＜0.001），HT计划的HI值更接近于0，靶区剂量分布更均匀。具体参数如表2所示。

图2 同例患者两种治疗PTV和危及器官DVH图比较Fig.2 Dose-volume histogram comparison of PTV and OAR in two treatment plans of the same patient

表2 HT计划和7F-IMRT计划的PTV剂量参数比较（±s）Tab.2 Comparison of dose parameters in planning target volume between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

表2 HT计划和7F-IMRT计划的PTV剂量参数比较（±s）Tab.2 Comparison of dose parameters in planning target volume between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

CI:Conformity index;HI:Homogeneity index

Plan HT 7F-IMRT P value D98/Gy 47.85±1.98 47.03±1.81＜0.001 CI 0.898±0.017 0.834±0.013＜0.001 HI 0.062±0.012 0.109±0.019＜0.001 Dmean/Gy 50.25±2.00 50.47±1.97 0.048 D1/Gy 51.19±2.12 52.44±2.18＜0.001 D2/Gy 50.99±2.11 52.34±2.19＜0.001 D95/Gy 48.68±1.95 48.39±1.86 0.015

2.3 两种治疗计划危及器官的剂量参数比较

对于小肠，两组比较除了V50无统计学意义（P=0.130），Dmax、Dmean、V30和V40均有统计学意义（P＜0.001,P＜0.001，P＜0.001,P=0.001），HT组均优于7F-IMRT组；对于结肠除了V50无统计学意义（P=0.051），Dmax、Dmean和V30全部有统计学意义（P＜0.001,P＜0.001,P＜0.001），HT组和7F-IMRT组的V40分别为（11.00±8.73）%、（11.82±1.64）%（P=0.006）。具体参数如表3所示。

对于直肠，HT 组的 Dmax、Dmean、V30和 V40分别为（51.14±2.10）Gy、（40.61±5.44）Gy、（80.58±19.76）%、（55.70±17.56）%均显著低于7F-IMRT组（P＜0.001,P＜0.001,P＜0.001，P＜0.001），HT组和7F-IMRT组的V50分别为（15.93±16.90）%、（25.85±24.99）%（P=0.006）；对于膀胱，除了V50无统计学差异（P=0.309），HT组的Dmax、Dmean、V30和 V40均明显低于 7F-IMRT 组（P＜0.001,P＜0.001,P＜0.001,P＜0.001）。具体参数如表4所示。

对于双侧股骨头，HT组的D5、Dmean、Dmax和V25均明显低于7F-IMRT组（P＜0.001,P＜0.001,P＜0.001,P＜0.001）。具体参数如表5所示。

表3 HT计划与7F-IMRT计划小肠和结肠的剂量参数比较（±s）Tab.3 Comparison of dose parameters in small intestine and colon between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

表3 HT计划与7F-IMRT计划小肠和结肠的剂量参数比较（±s）Tab.3 Comparison of dose parameters in small intestine and colon between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

OAR Small intestine Colon Plan HT 7F-IMRT P value HT 7F-IMRT P value V30/%12.08±9.67 15.11±11.84＜0.001 18.72±11.30 22.48±11.95＜0.001 V40/%4.80±5.84 5.64±6.46 0.001 11.00±8.73 11.82±1.64 0.006 V50/%1.37±2.95 1.56±3.49 0.130 2.96±3.97 3.14±4.04 0.051 Dmean/Gy 19.42±5.04 20.38±5.22＜0.001 20.26±5.34 21.19±5.63＜0.001 Dmax/Gy 50.35±4.56 51.31±3.71＜0.001 51.11±2.15 52.30±2.24＜0.001

表4 HT计划与7F-IMRT计划直肠和膀胱的剂量参数比较（±s）Tab.4 Comparison of dose parameters in rectum and bladder between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

表4 HT计划与7F-IMRT计划直肠和膀胱的剂量参数比较（±s）Tab.4 Comparison of dose parameters in rectum and bladder between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

OAR Rectum Bladder Plan HT 7F-IMRT P value HT 7F-IMRT P value V30/%80.58±19.7655.70±17.5615.93±16.9040.61±5.4451.14±2.10 96.70±7.7285.07±13.4125.85±24.9945.59±3.6352.51±2.46＜0.001＜0.0010.006＜0.001＜0.001 68.99±12.7352.84±11.4023.26±19.8639.10±3.3151.67±2.06 79.17±9.0260.03±9.3223.69±19.6040.44±2.8653.13±2.17＜0.001＜0.0010.309＜0.001＜0.001 V40/%V50/%Dmean/Gy Dmax/Gy

表5 HT计划与7F-IMRT计划左右股骨头的剂量参数比较（±s）Tab.5 Comparison of dose parameters in left and right femoral heads between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

表5 HT计划与7F-IMRT计划左右股骨头的剂量参数比较（±s）Tab.5 Comparison of dose parameters in left and right femoral heads between HT plan and 7F-IMRT plan(Mean±SD)

OAR Femoral head-R Femoral head-L Plan HT 7F-IMRT P value HT 7F-IMRT P value V25/%29.58±17.6530.50±3.3224.32±3.0437.98±5.08 89.16±13.7741.14±1.6531.76±1.8946.37±1.77＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001 30.55±19.5430.13±3.4024.02±2.4437.05±4.79 86.46±13.6240.49±2.2431.66±2.3745.76±2.96＜0.001＜0.001＜0.001＜0.001 D5/Gy Dmean/Gy Dmax/Gy

2.4 机器输出跳数

HT计划与7F-IMRT计划的机器输出量分别为（5 702±1 124）MU、（808±131）MU，HT计划相对于7F-IMRT计划的机器跳数平均增加了7.1倍（P＜0.001），延长了治疗时间，降低了射线利用率。

3 讨论

放射治疗在宫颈癌的综合性治疗中有着重要的地位，但是常规放疗可能会导致较为严重的消化系统和泌尿系统的并发症，不仅严重影响了生活质量，也影响了疗效［9］。随着放疗技术的不断发展，三维调强放疗技术日臻完善，宫颈癌IMRT技术在临床上已应用十余年，其优势主要表现在对正常组织的保护和毒性反应的降低，最大可能提高疗效，减低副作用，缓解患者的痛苦［10-12］。

近几年，旋转断层调强技术的出现与发展，有效改善了放射治疗的效能，如HT、VMAT及质子治疗等［13-14］。HT技术结合加速器与CT螺旋断层扫描，是一种较新的调强模式，具有旋转照射、螺旋式照射、MVCT-IGRT等多种放疗技术优势。既往研究结果显示，HT技术在肿瘤治疗中显示出更优的靶区适形度、均匀性及对危及器官保护等优势，在肿瘤放疗中取得更好的治疗效果，并且放疗相关副反应耐受良好［15-18］。本研究对HT与7F-IMRT的剂量学优势进行全面的比较，结果显示在HT计划中，其改善了放疗计划的CI和HI，显著改善了剂量分布，同时满足了剂量限制的需求，具有显著的剂量学优越性，明显好于7F-IMRT计划，为提高肿瘤治疗的疗效提供保障；在危及器官保护方面，HT计划对小肠、结肠、膀胱、直肠及股骨头等的保护均优于7F-IMRT计划，与既往杨宗霞等［19］研究结果类似。

HT是当前唯一采用放疗与验证CT同源的图像引导系统，成像精度非常高，高达±0.1 mm，在每次治疗前进行图像配比，可依据肿瘤部位逐日的变动情况及时调整照射剂量、角度和范围。由于盆腔肿瘤照射过程中存在小肠、结肠不自主运动，受膀胱充盈和直肠扩张的影响较大，使得肿瘤位置随之改变，即便在一次治疗开始与治疗中都有可能因大便或尿液的积聚而不同，所以我们在每次治疗前使用超声膀胱测量仪检测膀胱容量，直肠处于排便后状态，尽可能跟定位时状态保持一致。由于HT技术采用的是螺旋断层治疗，机器输出量较高，MU数较多，治疗时间延长，低剂量辐射区域较大，对射束的利用率不高，其风险还需要进一步评估［20］。

HT计划可减少宫颈癌放疗中危及器官的受量，满足剂量限制的需求，对小肠、股骨头及直肠的保护尤其突出，并且放疗计划的CI和HI明显提高，改善剂量分布，从而优化治疗计划。本研究也有一定的缺陷，比如病例数目过少、未跟后装内照射进行剂量叠加后的评估等，后续会继续扩大样本量，进一步分析剂量分布与相关毒副作用及治疗近、远期疗效。