手臂位置对射波刀放射治疗脊柱肿瘤患者的剂量学影响

李 君，刘旭红，王 工，程 程，庄洪卿，杨瑞杰△

(1.北京大学第三医院肿瘤放射治疗科，北京 100191； 2.云南省肿瘤医院放射治疗科，昆明 650018；3.昆明医科大学第三附属医院放射治疗科，昆明 650018)

立体定向放射治疗(stereotactic radiation therapy，SRT)技术具有增加肿瘤照射剂量并减少正常组织照射的能力，从而获得更高的肿瘤控制率和更低的正常组织并发症[1]。射波刀作为SRT的专用设备，在现代放射治疗(放疗)中越来越多地应用于脊柱肿瘤的治疗[2-3]。然而，基于射波刀的非等中心、非共面射束的立体定向放疗比常规直线加速器放疗射束的照射更为复杂[4-5]，因此，剂量照射的准确性对治疗效果至关重要。

常规放疗中，对于颈部以下的脊柱肿瘤治疗，为避免上肢接受不必要的剂量，通常采用双手抱肘置于额前的摆位姿势，但是，射波刀的治疗时间较常规放疗更长，一般为25～55 min。上臂长时间的高举会导致摆位重复性和稳定性降低。尤其是术后伴有合并症的患者，随着治疗时间的延长，始终保持双臂高举不动将非常困难，反而在某些情况下需要重复摆位。这在资源有限的情况下，可能延误后面患者的治疗，因此，射波刀体位固定基本采用手臂自然向下置于体侧的方式，以保证患者在相对舒适的姿势下实施照射。

射波刀由于采用五维自由度的治疗床，所以缺少水平旋转的角度修正功能[4]。若患者采用热塑网进行体位固定，因体网固定于床体，患者在水平方向的旋转误差将无法自动修正。当旋转误差不满足追踪限值时，不仅需要患者多次重新摆位，还可能导致治疗计划无法执行,因此，北京大学第三医院对于颈部以下的脊柱肿瘤患者多采用真空垫进行体位固定。射波刀患者均采用加长型真空垫，相比于常规外照射的真空垫，加长型真空垫能够更好地限制患者身体旋转，但是相比于热塑网，真空垫与体表的贴合度相对较低，摆位重复性和稳定性相对较差[6-7]。尤其在长时间治疗过程中，手臂发生移动的概率会有所增加。虽然射波刀具有实时影像追踪的功能，但仅限于椎体追踪框范围内的修正，对于双臂位置重复性的验证无法实现，因此，手臂对于射波刀治疗的剂量学精度势必产生一定的影响。有研究曾报道在常规直线加速器治疗中，手臂不同位置对照射剂量的影响[8-11]， 但是目前文献中还没有明确地阐述在射波刀治疗中改变手臂位置对脊柱肿瘤照射剂量的影响，因此，本研究的目的是对于脊柱肿瘤的患者，将双臂向下放置体侧的治疗计划与移除手臂的模拟计划进行比较，分析治疗期间改变手臂位置对实际剂量分布的影响。

1 资料与方法

1.1 病例资料与定位

回顾性分析北京大学第三医院肿瘤放疗科2019年6月至2020年6月治疗的24例脊柱肿瘤患者，其中胸椎12例，腰椎12例。所有患者采用仰卧位，手臂自然平放在身体两侧，使用真空垫进行固定。患者身体和真空垫两侧要贴合紧密。利用 Philips Brilliance CT(Philips公司, Cleveland, 美国)模拟定位机进行螺旋CT 扫描，扫描范围是靶区上下界10～15 cm，扫描厚度1.5 mm，重建后的CT图像经网络系统传输到Multiplan4.6计划系统。

1.2 治疗计划

CT图像与定位MR图像融合后勾画靶区与危及器官(organ at risk, OAR)。治疗计划中处方剂量为30 Gy，次数3次。计划均采用射束追踪(ray tra-cing，RT)算法，治疗过程中手臂位置最极端的情况是完全不在射野范围内。为了模拟该状态，需要手动勾画出手臂的完整结构，并将其物理密度与CT值分别修改为0 g/cm3与0 HU，使手臂等效为空气。针对模拟计划不进行重新优化，直接采用原始计划的射束参数进行高分辨率剂量计算，如图1所示。

A, the manual outline of the arms; B, the beams of simulation plan same as the original plan.图1 脊柱肿瘤患者放射治疗模拟计划Figure 1 Radiotherapy simulation plan for spinal tumor patient

1.3 剂量学差异分析

记录原治疗计划与模拟计划的剂量-体积直方图(dose-volume histogram，DVH)参数并进行比较。靶区评价指标为：处方剂量覆盖计划靶区(planning target volume, PTV)的体积(V100)、靶区95%体积接受的剂量(D95)、靶区90%体积接受的剂量(D90)、剂量均匀性指数(homogeneity index, HI)以及适形指数(conformity index, CI)。HI，CI 通过下述公式分别计算：

HI=Dmax/Dpre,

其中Dmax和Dpre分别为最大剂量与处方剂量。HI 的值越接近1，表示靶区剂量越均匀，反之表明靶区剂量越不均匀。当脊柱肿瘤PTV与脊髓有交叠时，靶区内剂量均匀性的要求更为严格，因此，对HI的评估至关重要。

CI=(VRX/VT)×(VRX/VRI),

其中VT为靶区PTV的体积，VRI为参考剂量等剂量线包绕的总体积，VRX为参考剂量包绕靶区PTV的体积。CI值的范围为 0～1，CI 的值越大，表明该结构对应处方剂量的适形度越好。

对于危及器官，如脊髓、食管、胃和肠道的评价指标为Dmax、D1cc、D2cc。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 靶区剂量参数

从图2与图3横截面剂量分布比较图中发现，与原始计划相比，模拟计划沿手臂横向区域的剂量有少量的改变，其他区域没有明显变化。DVH结果可以看出，模拟计划中靶区的剂量曲线整体偏高，说明PTV 的处方剂量覆盖体积以及D95和D90均有升高。统计结果表明PTVV100、D95、D90与CI值平均值分别增加了 0.86%、2.02%、1.97%、0.80%。最大偏差2.80%，差异具有统计学意义(P<0.05)，如表1所示。手臂位置对靶区的剂量均匀性指数HI 影响非常小，平均偏差0.76%，最大偏差 0.98%, 差异无统计学意义。

A, axial dose distribution of the original plan; B, axial dose distribution of the simulation plan; C, DVH comparison between the original plan and the simulation plan. PTV, planning target volume; DVH, dose-volume histogram.图2 胸椎肿瘤原始计划与模拟计划剂量分布及DVH比较Figure 2 Comparison of dose distribution and DVH between original plan and simulation plan for thoracic vertebral tumor

A, axial dose distribution of the original plan; B, axial dose distribution of the simulation plan; C, DVH comparison between the original plan and the simulation plan. PTV, planning target volume; DVH, dose-volume histogram.图3 腰椎原始计划与模拟计划剂量分布及DVH比较Figure 3 Comparison of dose distribution and DVH between original plan and simulation plan for lumbar vertebral tumor

表1 患者手臂不同位置的两种计划靶区剂量学参数比较Table 1 Comparison of dosimetric parameters of two plans for target at different arm positions

2.2 危及器官剂量参数

如表2所示，由于手臂移除射束外对射线的衰减减少，危及器官的接受的剂量有少许的增加。脊髓Dmax、D1cc、D2cc的平均偏差分别是2.35%、2.60%、1.49%，最大偏差分别是4.90%、5.30%、5.20%，差异具有统计学意义(P<0.05)。食管Dmax、D1cc、D2cc的平均偏差分别是0.72%、0.49%、0.48%，差异无统计学意义。胃Dmax与D1cc的平均偏差分别是1.65%与0.84%，差异无统计学意义。胃D2cc平均偏差是1.70%，差异有统计学意义(P<0.05)。肠道Dmax、D1cc、D2cc的平均偏差分别是0.40%、0.34%、0.26%，差异无统计学意义。

表2 患者手臂不同位置的两种计划危及器官剂量学参数比较Table 2 Comparison of dosimetric parameters of two plans for organ at risk at different arm positions

3 讨论

DVH参数结果显示，与原治疗计划相比，模拟计划的靶区覆盖率与危及器官的受量均有所增加，这是由于随着手臂的移开，射线衰减减少，累积在靶区与危及器官的剂量也随之增加。虽然统计学结果显示，PTV的处方剂量覆盖率与脊髓剂量参数差异具有统计学意义，但是绝对值的变化非常小。PTV处方剂量覆盖率最大差异小于3%，脊髓绝对剂量偏差均小于1 Gy，并且本研究的模拟计划采用的方案是最极端的情况。有研究表明，实际治疗过程中通过验证不同分次间锥形束CT(cone beam CT，CBCT)的体位，手臂的最大位移约为1.5 cm[8]，因此，基于射波刀治疗的脊柱肿瘤患者，治疗中手臂位置的改变对剂量精度的影响并不显著。

手臂位置对剂量影响不显著主要存在两个因素：第一，脊柱肿瘤与手臂的位置相对较远，虽然射波刀射束的空间自由度较大，可以实现多角度多方位出束，但大部分射束不会直接穿越手臂。第二，第五代射波刀(型号VSI)机臂存在一定的空间限制：首先，为了防止机头触碰地面，射波刀机头沿治疗床平面向下26°的范围内无射束路径，因此从侧后方无法实施照射[12]；其次，加速器坐落于治疗床右前方，机臂需跨越患者才能实现从患者左侧照射，在优化射束节点设置时，为了防止碰撞患者，从该方向照射的射束相对较少。综合上述因素，射波刀的射束主要由前方照射，两侧射束很少，后方射束基本没有，如图1所示。穿过手臂的射束对剂量的贡献并不占主导，因此与原始计划相比，模拟计划将手臂移除后在剂量学上差异无统计学意义，但是有研究表明在儿童患者中，如果长骨骺端位于或临近辐射场，也可能发生长骨生长障碍的副作用[13-14]。在射波刀脊柱肿瘤治疗中，患者手臂向下将不可避免射束的照射。虽然手臂接受的剂量有限(一般低于30%处方剂量)，但是对于儿童患者，应尽可能地通过计划优化降低手臂照射。

我们的结果表明，统计学上靶区处方剂量覆盖率与脊髓剂量随手臂位置改变的差异具有统计学意义，实际这些剂量学参数的绝对差异相对较小，对肿瘤控制率或相关的放射毒副作用的影响并不显著。

这项模拟计划研究表明，使用真空垫固定射波刀脊柱肿瘤患者，治疗过程中手臂发生合理的位置改变(手臂未完全移出真空垫、不发生机头触碰)的情况下，手臂对实际照射剂量的精确性没有显著性影响，因此在某些特殊情况下，患者确实无法始终保持手臂位置不变时，可以进行合理的调整，但在精确治疗的当今，精准放疗是立体定向放疗的根本与关键，为保证放疗期间剂量的精确投照，应尽可能实现患者摆位的稳定性与一致性。