射波刀计划系统两种预设模型的选择对肿瘤剂量分布的影响＊

顾 莹，周 含，李 兵，景生华，朱锡旭

肺癌目前在全世界癌症死因中占据第一位，而对于早期或局部晚期无法进行手术切除患者，放射治疗成为了首选治疗方案。传统的放射治疗，由于危及器官受量的限制，无法耐受较高的剂量，生物效应较低，而立体定向放射治疗（stereotactic body radiotherapy，SBRT）已成为肺癌的主要治疗方式。射波刀（Cyberknife）系统作为典型SBRT设备，成为了早期肺癌，局部晚期肺癌以及单发多发脑转移患者主要的治疗手段，具有很好的治疗效果［1］。首先射波刀具有独特的呼吸跟踪技术，在患者正常呼吸过程中能够精准跟踪靶区的运动并持续修正，减少照射的偏差，提高照射的精准性；其次射波刀属于低分割单次大剂量的照射方式，具有较高的生物学效应［2，3］。

CT电子密度模型的选择直接关系到计划设计的剂量学的准确性，正确使用电子密度模型可以减少剂量学差异［4］，徐慧军等［5］分析了射波刀计划系统算法的建立与评价方法，密度模型的建立是算法的重要步骤，认真评价是剂量计算准确性的关键步骤。Constantinous等［6］研究发现，使用错误的电子密度模型将会带来高达20%的剂量学差异。高立权等［7］报道，扫描不同的电子密度，建立不同的电子密度曲线，计划系统产生明显的剂量学差异。因此电子密度模型的正确选择，对于剂量计算的准确性至关重要。

Cyberknife MultiPlan2.4.1计划系统提供了多个预先设置的密度标准用于建立相对电子密度模型，该文主要研究射波刀治疗计划系统提供的不可更改的两种预设标准模型对于治疗计划的各个剂量参数以及危及器官受量的影响。

1 资料与方法

1.1 资料选取选取2018年5月—2019年2月在笔者所在医院放疗科行射波刀治疗的头部患者以及肺部患者分别10例，其中肺部患者：年龄46～79岁，肺转移患者2例，原发肺肿瘤8例，肿瘤大小15 mm×17 mm～50 mm×60 mm，剂量 45～60Gy，治疗次数 3～5 f；头部患者：年龄 23～63 岁，肿瘤大小15 mm×15 mm～50 mm×41 mm，剂量 26～40 Gy，治疗次数2～5 f。所有患者KPS评分＞80分，见表1。

1.2 设备与方法所有患者使用飞利浦公司Brilliance Big Bore大孔径CT模拟机对患者行CT扫描，条件为：120 kV，250 mAs，头部患者取仰卧位，小头模固定，扫描范围头顶上5 mm至第一胸椎T1，层厚1 mm；肺部患者采用仰卧位真空垫的定位方式，扫描范围靶区上下15 cm，层厚1 mm。由同一位医师勾画靶区，包括一般大体肿瘤区域（gross tumor volume，GTV） 与危及器官 （Organ at Risk，OAR），在GTV基础上各个方向均匀外放3 mm形成计划靶体积（planning target volume，PTV）。 所有患者采用射波刀立体定向放射治疗系统G3（美国Accuray公司）进行放射治疗，其中头部患者采用颅骨跟踪的方式，肺部患者采用同步呼吸跟踪系统进行引导摆位治疗。

表1 20例患者的一般资料

2 计划设计

10例头部患者采用颅骨跟踪方式治疗摆位，10例肺部患者都采用金标植入术及同步呼吸跟踪方式的治疗方式，同一患者所有患者靶区勾画完成后，在G3射波刀治疗计划系统Multiplan2.4.1上进行治疗计划设计。计划设计时，根据肿瘤大小选择合适的限光筒，筒的大小根据肿瘤的长短径选择，一般选择长短径的70%左右［8］，每位患者选择合适的处方等剂量线包绕肿瘤体积，设置剂量参数限值，所有计划均遵从临床计划应用限值，由同一物理师设计，高年资物理师审核完成。

2.1 预设模型MultiPlan2.4.1计划系统提供了3个预先设置的密度标准，分为水/空气（Water/Air）、肺 部 标 准 （Lung standard） 和 体 部 标 准 （Body standard）模型。实际计划设计时，主要使用肺部与体部标准，根据患者扫描的CT参数进行快速的电子密度模型的建立，密度模型对患者的剂量计算具有重要的影响。

水/空气（Water/Air）：CT 值≥200 HU 的相对电子密度为1，≤199 HU的相对电子密度为0。

肺部标准模型：可以选择CT值视为肺组织的区域建模。通常这些区域的密度介于空气和水之间，默认范围是200～800。由于肺部组织在射线作用时存在二次建成，电子失衡的影响，如软组织与骨骼相邻处的反向散射或侧向散射等［9］。表2所示为笔者所在医院射波刀中心计划系统的肺部与体部标准值。

表2 两种标准模型CT值对应各个模块的电子密度值

体部标准模型：按照人体结构不同类型的物质对衰减进行建模，分为空气、软组织和骨骼3个线性分段。将CT值＜200 HU的体素视为空气，即它们对射线没有衰减。将CT值在200～1200 HU范围内的体素进行建模，此时相对电子密度在从0.2～1.2的范围内呈线性增长，代表各种密度的软组织。CT值在1200～2500 HU范围，体素相对电子密度在1.2～1.77的范围内呈线性增长，代表骨骼。密度＞2500 HU 的体素则指定相对电子密度为 1.77［10，11］。

Multiplan 2.4.1计划系统采用的是射线追踪剂量算法，其中有效不均匀校正算法用于射线追踪剂量算法，当应用组织密度校正算法时，计划系统会提供一些选择供计划设计［10］。

2.2 计划评估每个患者治疗计划粗算完成后，系统进入高精度评估阶段，分别计算每位患者两种标准模型的剂量分布，改变预设的标准模型，记录改变之后的各个剂量学参数的变化情况，根据40组不同计划分别分析密度模型的选择对各参数的影响，研究密度模型选择对剂量参数的影响［12］。计划参数主要有适形度（Conformity index，CI，即处方等剂量线包绕的组织体积与处方等剂量曲线包绕的肿瘤体积之比）。新适形度nCI（new Conformity index，CI＊肿瘤体积/处方等剂量曲线包绕的肿瘤体积），靶区的包绕体积覆盖率Coverage（超过处方剂量的靶体积占肿瘤体积百分比）；危及器官受量评估参数包括晶体，眼球，脑干，视觉通路，心脏，脊髓，双肺。对于头部与肺部组织行SBRT治疗时，射波刀剂量跌落大，且所选择的靶区均远离危及器官区域，因此危及器官晶体，眼球，脑干，心脏，脊髓所受剂量较少，该文主要评估CI，nCI，HI（均匀性指数），Coverage，以及双肺的受量。

2.3 统计方法应用Origin 8.0软件对PTV参数等采用参数检验法行正态分布检验，正态分布行配对t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 治疗计划参数比较10例头部患者的靶区的nCI，CI，HI，肿瘤包绕体积 Coverage，治疗机器 MU统计值见表3。由表3可知，nCI肺部与体部两种模型的剂量学参数并无统计学差异；而对于CI，Coverage，机器跳数 MU（P＜0.05）具有统计学差异，且使用body stardand模型MU平均高于lung stardand的模型。

10例周围型肺癌靶区的nCI，CI，肿瘤包绕体积Coverage，治疗机器MU见表5。由表5可知，CI，nCI，Coverage肺部与体部两种模型的剂量学参数并无统计学差异；而对于机器跳数MU（P＜0.05）具有统计学差异，且使用body stardand模型MU平均高于lung stardand的模型。

3.2 危及器官的受量比较表6列举了肺部患者全肺受量 V5，V10，V20，V30的统计值。 对于单次 2 Gy的剂量限制，按照Emami［13］危及器官的剂量限制，但对于大分割的剂量计算，危及器官的受量同样可以参考Emami的剂量限制，通常主要观察V5，V10，V20，V30的受量体积。Robert D.Timmerman文献中也指出了大分割的剂量要求，主要考虑1000、1500ml体积的OAR，头部患者所有靶区均远离危及器官，所以危及器官的受量均很少。从表7可得，射波刀肺部病灶两种密度标准模型在低剂量V5，V10具有统计学差异（P=0.023，P=0.01），而 V20，V30无统计学差异（P=0.052，P=0.15）。

图1 射波刀治疗计划系统的三种密度模型

表3 10例头部患者的两种预设标准模型的剂量学分布统计值

表4 头部肿瘤的两种密度模型的剂量学参数差异比较（n=10，x±s）

图2 10例头部患者的包绕体积与机器跳数的统计图

表5 肺部肿瘤的两种密度模型的剂量学参数差异比较（n=10，x±s）

4 讨论

射波刀是新型全身立体定向放射外科治疗设备，将直线加速器，计算机技术和实时跟踪技术完美结合在一起，主要采用低分割大剂量的高能X射线精准照射靶区，产生较高的生物学效应，达到消融肿瘤或病灶的目的，目前对于早期非小细胞肺癌的SBRT治疗效果不亚于手术切除。提高计划质量，减轻患者治疗过程中的不良反应是临床医师与物理师关注的问题。2014年笔者单位统计射波刀立体定向放射外科治疗1期周围型非小细胞肺癌的疗效，中位随访25个月，2年疾病控制率为96%，2年总生存率为74%，所有患者表现良好，最主要的不良反应为乏力，无严重的不良反应发生［1］。射波刀计划设计中，对全身性肿瘤，主要使用预设的body stardand建立密度模型进行计划设计，而对于肺部的患者，MultiPlan计划系统具有专门的lung stardand模型，根据测量得到的CT值和已知物质的相对电子密度值，快速建立CT值-相对电子密度模型进行计划设计［14］。body stardand 与 lung stardand 模型不能更改，主要功能是在计划设计时，选择合适的密度标准模型。肺组织属于低密度物质，CT值介于800～1200，由表2的两种密度标准，可以看出在低密度区域建立的相对电子密度模型具有较大的差异，对于lung stardand，模型趋于固定值，而对于body stardand模型相对电子密度模型的建立呈线性递增。因此标准模型的选择对靶区剂量分布，CI，nCI，Coverage等剂量参数的影响具有重要的意义。

表6 两种标准模型的危及器官的数值统计

表7 两种模型的危及器官剂量学差异（n=10，x±s）

该课题主要对头部与肺部20例患者分别进行了研究。由表4可知，对于头部病灶患者，靶区的剂量学参数两种标准模型存在统计学差异，CI（P=0.01）具有显著的统计学差异，最大差异高达4.6%，而nCI无统计学差异；但对于肺部患者，CI，nCI无统计学差异。同时由表3、表4可以得出，使用两种预设的标准模型，对于头部病灶的射波刀治疗，肿瘤靶区的包绕体积（P=0.005）具有统计学差异，而对于肺部病灶选择两种预设的标准模型。靶区包绕体积（P=0.99）并没有统计学差异。对于射波刀SBRT治疗时，机器跳数反应单次治疗时间，表4、表5可知，无论是头部还是体部患者，两种计划系统预设密度标准模型的选择对于机器跳数都具有统计学差异，且图2可知，头部患者，使用Body stardand模型的机器跳数多于lung stardand模型。对于OAR的评估，在实际评估肺部受量时，所有的受量主要集中在患侧肺上面。根据TG101报告，评估肺受量，采用的方法为豁免体积的方法，因此在实际评估过程中依然使用的是全肺的评估方法，在计算全肺体积受量的时候，需要在全肺的基础上面扣去肿瘤体积的受量。由表6、7可知，全肺的受量中，V5、V10的统计学P值分别为0.023和0.01，具有统计学差异；V20、V30无统计学差异。

通过改变计划预设的标准模型计算头部以及肺部肿瘤的研究结果显示，采用两种标准模型对于剂量分布参数有一定的影响。表3、表5关于靶区的剂量参数的变化，肺部靶区的包绕体积Coverage基本无差异，而头部的包绕体积Coverage具有差异。该资料与李克等［15］的分析具有一定差别，李克等分析计划系统密度模型头胸腹三组患者的剂量学比较，头腹部基本无统计学差异，而胸部存在统计学差异，两种结果的不同主要有不同的计划系统中不同算法导致。同时李祯等［16］研究CT扫描方式对胸部治疗计划的影响，李祯等得出结果为无论是靶区还是正常组织都有差异，其中靶区剂量的影响较少。该文通过不同密度标准快速建立不同电子密度模型进行剂量计算，由表5、表6、表7可知对肺部肿瘤的剂量参数影响并无统计学差异，影响较少，与李祯等的研究具有相同的分析结果。由于对于肺部肿瘤，当射线束穿过低密度组织时，高能X射线与组织作用在肺部等低密度组织中具有较长的射程，侧向散射增大导致侧向电子失衡，使半影增宽。而两种剂量模型全肺受量主要差别在V5，V10低剂量区域，而高剂量区域并没有差别，这种差异主要有两种预设的标准是否考虑电子失衡有关，如软组织与骨骼相邻处的反向散射或侧向散射等，两种模型对于电子失衡以及反向散射，侧向散射的计算结果具有一定误差，导致在肺部组织的低剂量区域具有一定差异［17，18］。

该文使用G3的Multiplan2.4.1使用的射线追踪算法，利用射线追踪函数，计算每个射束的靶区体素的累积剂量。对于肺部肿瘤来说，对入射路径上的不均匀肺组织进行校正，因此在实际治疗中，对于肺癌患者，计划设计时，首要选择lung stardand密度模型更加贴近实际的靶区及危及器官的剂量学参数；而对于头部肿瘤的射波刀治疗，由于脑组织的CT值一般大约在1000 HU左右，通过两种标准模型的计算方法，body stardand更符合实际计算的要求，因此在选择头部肿瘤的射波刀治疗时，选择body stardand模型更加贴近实际的剂量分布，更好地保护正常组织，更加适用于临床。

20例患者都达到了很好的局控率与总生存率，实际笔者计划设计时头部患者采用了body stardand密度模型，肺部患者采用lung stardand密度模型，因此无法获得lung stardand与body stardand两种模型临床应用上的差异，只能得出计划设计时剂量学差异，在实际工作中尽量减少密度模型选择带来的差异。后面笔者将进一步研究电子密度模型在射波刀计划中应用，减少由于设备的影响产生的误差。