碳素纤维床对宫颈癌容积弧形旋转调强放射治疗计划的剂量影响

孔伟，叶红强，何剑莉，夏新舍，赵婷，丁伟，尚钧

宁夏医科大学总医院肿瘤医院放疗科，宁夏银川750004

前言

碳素纤维床是放射治疗执行过程中不可缺少的辅助固定设施［1］。由于X射线的特性，在穿过介质时会与介质发生相互作用，将能量传递给介质。容积弧形旋转调强放射治疗（VMAT）过程中，一个360°的射野在旋转过程中接近一半的角度在照射时射线会穿过碳素纤维床，因此明确碳素纤维床对VMAT剂量的影响及如何修正其影响是极有意义的。美国医学物理师协会（AAPM）亦就治疗床对剂量的影响做了报告，即176号报告［2］。文中收录已发表的关于治疗床对剂量影响的各类文章，并对设备销售商和物理师提出建议，在放射治疗过程中应准确考虑治疗床对剂量的影响，同时国际辐射单位与测量委员会（ICRU）83号报告［3］建议肿瘤靶区剂量的精准性应小于±5%。因此本课题在放射治疗计划系统中使用CT值［4］来建立碳素纤维床的模型［5］，分析碳素纤维床对VMAT的剂量影响，为修正碳素纤维床对放疗剂量的影响提供方法。

1 材料与方法

1.1 校准CT值

使用CT电子密度模体（CIRS,MODEL062M）校准大孔径CT（西门子，Sensation Open）的CT值，之后在Eclipse 10.0计划系统中建立相对电子密度-CT值曲线。

1.2 确定碳素纤维床的CT值并进行验证

将医用电子直线加速器（Varian，Clinac IX）上的碳素纤维床拆下，在CT下进行扫描，将图像传输至Eclipse计划系统，在Eclipse计划系统中测量碳素纤维床的CT值，以此CT值为基础在计划系统中建立碳素纤维床的模型。将TW30013电离室插入RW3固体水中，其中电离室中心距上、下表面各10 cm，将此模体在CT下进行扫描，并将图像传输到计划系统中，以此图像为基础分别添加碳素纤维床Thin、Thick两种厚度的模型；射野大小为10 cm×10 cm，输出剂量为100 MU，照射中心为模体中心，每隔10°共进行13个角度及其相对穿角度射野的剂量测量，将相对穿角度两个射野的剂量进行比较，确定衰减系数DTPS；按以上条件在加速器上实际测量，确定衰减系数DTrue，比较DTPS和DTrue，计算差值DTrue-DTPS。

1.3 临床病例选取与计划设计

选取宫颈癌ⅠA、ⅡB期共5例患者，勾画计划靶区（PTV）与危及器官（OAR），使用Eclipse计划系统设计无碳素纤维床计划，处方剂量50 Gy，单次剂量2 Gy。之后在患者定位图像上分别建立Thin、Medium和Thick这3种厚度的碳素纤维床模型，将无床治疗计划直接移植到3种不同厚度治疗床图像上，治疗中心不变，机器条数不变，进行剂量计算。

1.4 剂量评估

无治疗床和3种不同厚度治疗床的VMAT计划的比较基于DVH和评估参数。采用近似最大剂量（D2%）、近似最小剂量（D98%）和中位剂量（D50%）来评估靶区剂量分布。使用适形度指数（Conformity Index,CI）和均匀性指数（Homogeneity Index,HI）评估靶区的适形性和均匀性。其中，CI=TVRI2/(TV×VRI)，TVRI为处方剂量线包绕的靶区体积，TV为靶区体积，VRI为处方剂量线包绕的体积，CI值越接近于1，表示靶区剂量分布越适形；HI=（D2%-D98%)/D50%，HI值越接近于0，表示靶区剂量分布越均匀。采用D2%、V30、V40和V40a评估小肠的受照剂量，采用D2%、V40和V43评估直肠的受照剂量，采用V50评估膀胱的受照剂量，采用D2%评估股骨头的受照剂量。其中，DX%表示X%体积受到的照射剂量，VX表示接受X剂量照射的相对体积，VXa表示接受X剂量照射的绝对体积。

1.5 统计学方法

采用SPSS 18.0统计软件进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 碳素纤维床对剂量的衰减系数

Thin和Thick厚度碳素纤维床对剂量的实际测量和计划系统计算的衰减系数详见表1和表2，以及图1和图2，两者相差均不超过±1%。

2.2 PTV的剂量比较

PTV的D2%、D50%、D98%、HI和 CI无治疗床和3种不同厚度治疗床之间比较，差异均具有统计学意义；3种不同厚度治疗床之间进行比较，D2%、D50%和CI比较结果差异具有统计学意义，其中HI的ThinvsThick差异具有统计学意义，其它结果比较均不具有统计学意义，详细结果见表3和表4。

2.3 小肠的剂量比较

D2%、V30、V40和V45a无治疗床和3种不同厚度治疗床之间比较，差异均具有统计学意义；3种不同厚度治疗床之间比较，其中D2%的ThinvsMedium和ThinvsThick以及V45a的ThinvsThick差异具有统计学意义，其它结果比较均不具有统计学意义，详见表5和表6。

表1 Thin厚度碳素纤维床对剂量的衰减系数（%）Tab.1 Attenuation coefficients of Thin carbon fiber couch for dose(%)

表2 Thick厚度治疗床对剂量的衰减系数（%）Tab.2 Attenuation coefficients of Thick carbon fiber couch for dose(%)

图1 Thin厚度碳素纤维床对剂量的衰减系数Fig.1 Attenuation coefficients of Thin carbon fiber couch for dose

图2 Thick厚度碳素纤维床对剂量的衰减系数Fig.2 Attenuation coefficients of Thick carbon fiber couch for dose

表3 PTV的剂量参数（±s）Tab.3 Dose parameters of planning target volume(Mean±SD)

表3 PTV的剂量参数（±s）Tab.3 Dose parameters of planning target volume(Mean±SD)

HI:Homogeneity index;CI:Conformity index

Parameter D2%/Gy D50%/Gy D98%/Gy HI CI No couch 53.90±0.37 52.35±0.25 49.65±0.23 0.081±0.011 0.873±0.021 Thin couch 53.33±0.35 51.78±0.27 49.04±0.22 0.083±0.010 0.843±0.017 Medium couch 53.31±0.35 51.75±0.26 49.00±0.25 0.083±0.011 0.839±0.019 Thick couch 53.28±0.35 51.71±0.26 48.97±0.23 0.083±0.011 0.835±0.020

表5 小肠的剂量参数（± s）Tab.5 Dose parameters of small intestine(Mean±SD)

表5 小肠的剂量参数（± s）Tab.5 Dose parameters of small intestine(Mean±SD)

Parameter D2%/Gy V30/%V40/%V45a/cm3 No couch 51.38±0.57 32.4±7.0 15.6±4.4 156.6±45.8 Thin couch 50.94±0.58 31.9±7.0 15.3±4.4 151.5±44.6 Medium couch 50.90±0.5950.89±0.58 31.8±6.931.8±6.9 15.2±4.415.2±4.4 151.2±44.6150.5±44.3 Thick couch

表6 小肠的剂量参数比较Tab.6 Dose parameter comparison of small intestine

2.4 直肠的剂量比较

除V43的MediumvsThick差异不具有统计学意义，其它结果比较均具有统计学意义，详见表7和表8。

2.5 膀胱的剂量比较

除V50的MediumvsThick差异不具有统计学意义，V50的其它比较均具有统计学意义，详见表9和表10。

表7 直肠的剂量参数（±s）Tab.7 Dose parameters of rectum(Mean±SD)

表7 直肠的剂量参数（±s）Tab.7 Dose parameters of rectum(Mean±SD)

Parameter D2%/Gy V40/%V43/%No couch 52.98±1.3052.23±1.2052.20±1.1952.16±1.19 60.4±5.958.4±5.458.2±5.358.0±5.3 50.0±3.948.1±4.048.0±4.047.9±3.9 Thin couch Medium couch Thick couch

2.6 股骨头的剂量比较

左、右侧股骨头的D2%在无治疗床与有治疗床、3种不同厚度治疗床之间的比较均具有统计学意义，详见表11和表12。

3 结论

加速器碳素纤维床是放射治疗不可缺少的辅助固定设施。目前市场上多数放射治疗计划系统并不能简单地建立碳素纤维床的模型参与剂量计算［6-7］，Eclipse计划系统中可以建立几种特定的治疗床模型。本研究使用的是Exact IGRTCouchTop，有3种厚度分别为Thin、Medium和Thick，Meddium厚度为Thin和Thick厚度的过渡阶段，从Thin开始厚度持续增加直到达到Thick厚度。Exact IGRT Couch Top模型的建立主要依据Panel Surface和Panel Interior的CT值，本研究是将加速器治疗床拆下移至定位CT下进行扫描，测量Panel Surface和Panel Interior的CT值，以此值在计划系统中建立治疗床的模型，并对此CT值进行验证，每隔10°验证13个角度的计划系统模拟和实际测量的衰减系数，两者的偏差均小于±1%；衰减系数随角度变化而有所不同，与McCormack等［8］研究结果一致，最终确定碳素纤维床的CT值，Panel Surface：-650 HU、Panel Interior：-950 HU。Vanetti等［9］使用Panel Surface：-700 HU、Panel Interior：-960 HU作为有效的CT值，并计算不同厚度治疗床机架角在180°时实际测量和计划系统计算的治疗床对剂量的衰减系数。其中，Thin厚度实际测量和计划系统计算的衰减系数分别为97.7%和97.9%，Thick厚度实际测量和计划系统计算的衰减系数分别为96.9%和97.7%。本研究也计算了不同厚度治疗床机架角在180°时实际测量和计划系统计算的治疗床对剂量的衰减系数，Thin厚度实际测量和计划系统计算的衰减系数分别为98.43%和97.61%，Thick厚度实际测量和计划系统计算的衰减系数分别为98.00%和97.35%。4种实际测量和计划系统计算的衰减系数偏差均小于±1%。但本研究在项目进行之初，对所使用的CT进行CT值的校准，对碳素纤维床的CT值也进行了实际扫描的测量。

表8 直肠的剂量参数比较Tab.8 Dose parameter comparison of rectum

表9 膀胱的剂量参数（± s）Tab.9 Dose parameters of bladder(Mean±SD)

表9 膀胱的剂量参数（± s）Tab.9 Dose parameters of bladder(Mean±SD)

Parameter V50/%No Couch 21.2±5.819.2±6.419.0±6.318.9±6.3 Thin Couch Medium Couch Thick couch

表10 膀胱的剂量参数比较Tab.10 Dose parameter comparison of bladder

表11 股骨头的剂量参数（±s）Tab.11 Dose parameters of femoral heads(Mean±SD)

表11 股骨头的剂量参数（±s）Tab.11 Dose parameters of femoral heads(Mean±SD)

Organs-at-risk Femoral head-L Femoral head-R Parameter D2%/Gy D2%/Gy No couch 45.27±2.2244.92±2.1844.89±2.1844.86±2.19 44.67±3.5344.37±3.4544.35±3.4544.31±3.45 Thin couch Medium couch Thick couch

表12 股骨头的剂量参数Tab.12 Dose parameter comparison of femoral heads

关于加速器碳素纤维床对放射治疗剂量的影响，从单个射野［10］、调强放射治疗计划到VMAT计划，从多个计划系统包括Pinnacle计划系统［11］、XiO计划系统［12］、RayStation计划系统［13］，从肿瘤不同位置包括头颈部肿瘤［7］、胸部肿瘤［14］，国内外学者进行了大量的研究，均提出应修正碳素纤维床对放射治疗剂量的影响。甘家应等［15］对ELEKTA碳素纤维床对剂量的影响也进行了研究。本研究通过对宫颈癌患者的放射治疗计划进行研究，分析Varian加速器碳素纤维床对Eclipse计划系统宫颈癌患者VMAT计划的剂量影响。结果显示无论是PTV还是OAR，无治疗床与3种不同厚度治疗床的结果比较均具有统计学意义；通过结果显示，碳素纤维床对PTV的D50%有着1.1%～1.2%的剂量衰减。ICRU第83号报告指出靶区剂量的精确性应好于±5%，否则就有可能使肿瘤失控或增加放射并发症，但±5%的精确性也是理想和现实的折中选择。实际放射治疗过程中，应尽可能切断各个误差的来源，也意味着在设计患者放射治疗计划时，考虑碳素纤维床对剂量的影响是非常有必要的。本研究也将3种不同厚度治疗床的数据进行比较，对于PTV，治疗床的厚度对于D2%、D50%和CI有明显的影响关系，对D98%影响较小，对HI无影响。对于OAR，治疗床的厚度也会对受照剂量准确性的评价造成影响。Mihaylov等［16］研究表明碳素纤维床对皮肤剂量也有所影响，与射野大小存在一定的关系［17］。因此，在应用于其它部位病变的放射治疗时，建议根据靶区与治疗床之间的位置关系选择添加相应厚度的治疗床模型，例如：仅是头部靶区可建立Thin厚度模型；头颈部可建立Medium厚度模型；胸部及胸部以下可建立Thick厚度模型。同时，碳素纤维床对剂量验证的结果也会造成影响。早期由于验证设备硬件限制的原因，不能在射野实际角度进行验证，通常情况是将射野角度归零进行验证。目前部分设备可在实际角度进行验证，但由于这种原因带来的习惯性因素多数情况还是将射野角度归零进行验证。戴越等［18］和孔伟等［19］使用MatriXX二维探测矩阵和Delta4三维剂量验证系统进行射野角度归零和实际角度的验证结果比较，均显示射野角度归零相对于实际角度验证提高了γ通过率。

综上所述，加速器碳素纤维床对宫颈癌VMAT计划的剂量分布有一定的影响。在进行VMAT治疗时，应准确建立碳素纤维床的模型参与剂量运算。床的厚度会对剂量分布有一定的影响，可根据靶区与治疗床之间的位置关系选择添加相应厚度的治疗床模型。