姚凱寧，王若曦，岳海振，王美嬌，王翰林，弓健，張藝寶，吳昊

北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院暨北京市腫瘤防治研究所放療科，惡性腫瘤發(fā)病機(jī)制及轉(zhuǎn)化研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100142

前言

放射治療是腫瘤治療的重要手段之一［1］，隨著放療設(shè)備和技術(shù)的持續(xù)更新，現(xiàn)已進(jìn)入精確放療的時(shí)代。影響精確放療的因素較多，其中貫穿整個(gè)治療流程的患者體位固定問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外研究者的重視，尤其對(duì)于生理差異較大的頭頸部腫瘤。臨床實(shí)踐中，體位固定裝置應(yīng)具備固定性強(qiáng)、精確性高、可重復(fù)性高、舒適度好等特征。常用的頭頸部體位固定裝置包括熱塑膜［2‐3］、發(fā)泡膠［4］和雙面膜固定系統(tǒng)［5‐7］。已有研究表明相對(duì)于其他固定方式，雙面膜固定系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、固定效果和重復(fù)性較好等優(yōu)勢(shì)［5］。

Ⅴarian公司Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)在患者定位CT圖像導(dǎo)入時(shí)按照默認(rèn)搜索策略自動(dòng)生成外輪廓（Body），其他部分不參與整個(gè)劑量計(jì)算過(guò)程（CT 值設(shè)置為0 HU）。由碳纖維固定床板引入的外輪廓體積的變化對(duì)于射線衰減和劑量沉積影響較大［8‐10］，而對(duì)于雙面膜本身引入的體積差異對(duì)患者的劑量學(xué)影響尚未引起較多關(guān)注。Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)自動(dòng)生成的外輪廓體積則取決于相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，包括搜索范圍、搜索CT值閾值、平滑度等，臨床常采用默認(rèn)設(shè)置或根據(jù)需要加以修改。常規(guī)熱塑膜體積小、厚度薄，采用常規(guī)參數(shù)設(shè)置，其對(duì)劑量計(jì)算的影響忽略不計(jì)［9］，而雙面膜體積較大且各部分密度略有差異，因此不同搜索參數(shù)下外輪廓的體積差異較大，對(duì)劑量計(jì)算的影響也相應(yīng)增加。鑒于Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)外輪廓搜索范圍的強(qiáng)依賴性和雙面膜本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，加之搜索策略和參數(shù)設(shè)置的多樣化，本研究分析了采用雙面膜固定的腫瘤患者的外輪廓自動(dòng)生成參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致的體積差異對(duì)靶區(qū)和危及器官劑量學(xué)計(jì)算的影響，為醫(yī)學(xué)物理師在治療計(jì)劃方案制定前的外輪廓范圍界定提供必要參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

隨機(jī)選取25例采用雙面膜固定的全腦放療病例，采用Siemens 大孔徑CT 定位，靶區(qū)和危及器官的勾畫均由高年資醫(yī)師確認(rèn)，計(jì)劃的設(shè)計(jì)和制定在Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)（15.5 版本）上完成，均采用6 MⅤ高能光子束，布野方式為左右兩個(gè)對(duì)穿野，劑量計(jì)算算法為Acuros XB 15.5。25例患者的處方劑量為30 Gy/10 次，本研究主要對(duì)比外輪廓的體積和劑量學(xué)差異以及計(jì)劃靶區(qū)（PTⅤ）、眼球、晶體、視神經(jīng)等的劑量學(xué)差異。

1.2 外輪廓搜索

外輪廓搜索條件的更改基于原始CT 圖像，保證相同的搜索范圍、優(yōu)化條件和正向劑量計(jì)算算法，同時(shí)每種計(jì)劃只改變一個(gè)搜索條件。Eclipse 中外輪廓搜索的默認(rèn)參數(shù)如下：平滑度（Smoothing Level）為3，CT 值閾值（Ranger）為‐350 HU、后處理方法（Post Processing）全部選擇，默認(rèn)搜索參數(shù)的計(jì)劃簡(jiǎn)稱為Default 計(jì)劃。本研究分別改變平滑度、CT 值閾值和后處理方法，生成對(duì)比計(jì)劃。將平滑度分別設(shè)置為0、1、2、4（以下分別簡(jiǎn)稱為DSL0、DSL1、DSL2和DSL4計(jì)劃）；CT 值設(shè)置為‐550 和‐750 HU（以下簡(jiǎn)稱為HU‐550 和HU‐750 計(jì)劃）；后處理方法中主要探索不使用Disconnect 和Keep number of largest parts（1）（以下分別簡(jiǎn)稱為NoDisconnect 和NoKeep 計(jì)劃），Disconnect指不連接外輪廓的各部分，Keep number of largest parts（1）指保留體積最大的一部分。以上8 種計(jì)劃分別與Default 計(jì)劃進(jìn)行比較。部分計(jì)劃的外輪廓如圖1所示。對(duì)B～F 幾種不同搜索策略條件與默認(rèn)設(shè)置A 的體積差異做對(duì)比和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

圖1 不同類型計(jì)劃中外輪廓（綠線）的范圍Fig.1 Range of Body(green line)in different plans

1.3 劑量學(xué)比較

利用Eclipse 腳本應(yīng)用程序編程接口（ESAPI）導(dǎo)出患者的劑量體積直方圖（DⅤH），統(tǒng)計(jì)外輪廓、PTⅤ和左右眼球的劑量學(xué)差異（D‐Ⅴalue）。計(jì)算公式如下：

其中，DRef代表參考計(jì)劃的劑量，DTest代表對(duì)比計(jì)劃的劑量。

體積差異的計(jì)算方式與劑量學(xué)相同。靶區(qū)比較參數(shù)包括劑量的最大值（Dmax）、平均值（Dmean）、最小值（Dmin）以及靶區(qū)95%體積的覆蓋劑量（D95%）；危及器官比較參數(shù)有劑量的Dmax和Dmean。統(tǒng)計(jì)各參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和P值。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 24.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，反之采用相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)，P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。數(shù)據(jù)圖表采用SigmaPlot 10.0軟件完成。

2 結(jié)果

2.1 外輪廓體積與劑量學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)差異

不同搜索策略條件對(duì)外輪廓體積和Dmean、Dmax等評(píng)價(jià)指標(biāo)差異的箱體圖分析如圖2所示，其中HU‐750 的體積差異乘以0.2 后再進(jìn)行分析。由圖2可知，相對(duì)于默認(rèn)搜索方式，平滑度參數(shù)對(duì)外輪廓體積、Dmean、Dmax等差異呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，提示外輪廓的搜索方式宜選取較小的平滑度；HU 閾值的絕對(duì)值與上述差異呈正相關(guān)趨勢(shì)，提示宜選取絕對(duì)值較大的閾值設(shè)置；NoKeep 參數(shù)對(duì)外輪廓體積和Dmean的差異影響 較 小。除NoDisconnect 和NoKeep 的Dmax以及NoDisconnect的Dmean外，各類計(jì)劃中外輪廓體積與劑量學(xué)參數(shù)的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），如表1所示。

圖2 不同搜索策略條件下外輪廓體積和劑量學(xué)指標(biāo)差異Fig.2 Differences in the volume and dosimetric indexes of Body under different search strategies

表1 8種計(jì)劃類型中外輪廓體積和劑量變化及靶區(qū)和眼球的劑量變化的P值統(tǒng)計(jì)Tab.1 P values of changes in the dose and volume of Body and the changes in dose of PTV and eyeballs in 8 plans

2.2 靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)差異

不同搜索策略下引入的外輪廓體積差異對(duì)PTⅤ關(guān)鍵劑量學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響見(jiàn)圖3。平滑參數(shù)DSL與PTⅤ的Dmax、Dmean和D95%均呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，且均具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），與外輪廓的劑量學(xué)影響較為一致，而對(duì)Dmin的影響沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。CT值閾值設(shè)置除Dmin之外的評(píng)價(jià)指標(biāo)差異呈正相關(guān)趨勢(shì)，除NoDisconnect計(jì)劃中Dmean和D95%外，NoDisconnect和NoKeep兩個(gè)參數(shù)對(duì)PTⅤ其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義但影響較小。對(duì)于左右眼球的Dmax，搜索策略引入的外輪廓體積差異對(duì)其影響較小，與布野方向外輪廓的微小變化相關(guān)性很大（圖4）。

圖3 不同搜索策略條件下PTV劑量學(xué)指標(biāo)差異Fig.3 Differences in PTV dosimetric indexes under different search strategies

圖4 不同搜索策略條件下左右眼球的劑量學(xué)指標(biāo)差異Fig.4 Differences in dosimetric indexes of left and right eyeballs under different search strategies

3 討論

目前已知影響放療計(jì)劃劑量的因素較多，包括體位固定裝置、靶區(qū)和危及器官的勾畫［11‐12］、加速器機(jī)械參數(shù)的設(shè)置、優(yōu)化算法［13‐14］、數(shù)據(jù)建模等。現(xiàn)有研究表明，體位固定裝置不同，引起射束劑量的衰減存在差異，進(jìn)而影響靶區(qū)劑量，但對(duì)于外輪廓變化引入的劑量學(xué)影響未做有效探討［9］。本研究通過(guò)對(duì)比雙面膜固定時(shí)治療計(jì)劃系統(tǒng)外輪廓搜索策略所引入的外輪廓體積變化對(duì)劑量計(jì)算的影響，從理論計(jì)算方面進(jìn)行了定量分析，重點(diǎn)關(guān)注在整個(gè)放療流程中較易忽略且影響整個(gè)放療精度的環(huán)節(jié)，以適應(yīng)新的固定裝置臨床應(yīng)用中面臨的劑量精度評(píng)價(jià)問(wèn)題。

本研究結(jié)果表明，搜索策略的平滑度參數(shù)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響呈負(fù)相關(guān)，表明平滑度較低的情況下生成的外輪廓更接近結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的雙面膜固定方式的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。對(duì)于HU 限制的設(shè)置，本研究表明HU 值絕對(duì)值較小時(shí)引入的劑量學(xué)變化較小，該結(jié)論與已有研究中HU 值對(duì)劑量計(jì)算的影響一致［15‐16］。Disconnect 和Keep number of largest parts（1）兩個(gè)搜索參數(shù)對(duì)全腦放療的靶區(qū)和危及器官評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響較小。此外，危及器官的劑量限值要考慮射線敏感性，例如頭頸部的危及器官相對(duì)較多且對(duì)劑量較為敏感，所以臨床計(jì)劃是否可行必須要考慮危及器官的劑量［17‐20］，這些器官的放療劑量應(yīng)格外注意。本研究發(fā)現(xiàn)危及器官的劑量變化不明顯，這可能是由于全腦病例涉及的危及器官較少且處方劑量較小?？紤]到雙面膜的體積較大且對(duì)劑量有一定影響，因此建議外輪廓搜索時(shí)應(yīng)適當(dāng)包含雙面膜的各部分結(jié)構(gòu)。

由于頭部解剖結(jié)構(gòu)的特殊性，內(nèi)部有許多空腔且與外界相通，在搜索外輪廓時(shí)會(huì)出現(xiàn)外輪廓從鼻孔和外耳道位置深入人體內(nèi)部的情況，這與搜索條件平滑度密切相關(guān)。在臨床中通常采取將其修回鼻尖和外耳道的外側(cè)，本研究對(duì)此也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

4 結(jié)論

Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)所提供的搜索策略中，平滑度、HU 閾值對(duì)全腦放療病例的劑量學(xué)計(jì)算結(jié)果影響較大，而后處理方法影響較小。針對(duì)雙面膜固定病例外輪廓界定的特殊情況，本研究建議平滑度為1，HU閾值為‐550 HU。但本研究屬于純理論計(jì)算的對(duì)比性研究，僅對(duì)放療相關(guān)工作人員在治療計(jì)劃制定階段起到提示性和參考性質(zhì)的作用，至于以上搜索參數(shù)如何優(yōu)化配置更能接近臨床實(shí)際，需要研究者進(jìn)一步設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，獲取劑量方面的參考數(shù)據(jù)，從而定量和定性分析并確定雙面膜固定病例的外輪廓搜索策略。