自動羽化技術在射野銜接處的劑量魯棒性研究

魏夏平，蘇潔洪(通信作者)，黃小偉，朱毅，董彥鑫，劉葉明，黃明超

1 廣州中醫藥大學金沙洲醫院腫瘤放射治療中心 (廣東廣州 510080)；2 東莞理工學院 (廣東東莞 523808)

在放射治療中，使用直線加速器對長靶區(長度超過40 cm)進行照射是較為復雜的技術，這是因為常規直線加速器最大射野為40 cm×40 cm，1個射野往往不能覆蓋全靶區，如全腦全脊髓放射治療，通常需設置多個等中心進行射野銜接才能完成整個靶區的照射[1-2]。由于擺位誤差的存在，傳統照射方法極易在射野銜接處出現劑量冷熱點[3-4]。靶區內出現劑量冷點容易導致腫瘤復發，靶區內出現劑量熱點則可導致嚴重不良反應。目前，基于直線加速器設備的調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)和容積調強弧形治療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)、基于螺旋斷層放射治療(helical tomotherapy，TOMO)已被廣泛用于全腦全脊髓等長靶區的治療中[5-7]。但是基于直線加速器的IMRT、VMAT技術在治療計劃系統(treatment planning system，TPS)未搭配自動羽化技術的情況下對長靶區進行照射則較為煩瑣。為了避免冷熱點重復在同一區域出現，在治療過程中需多次修改計劃，調整射野銜接位置。TOMO設備的照射范圍為40 cm×135 cm，可輕松地照射長靶區，且不存在射野銜接問題。但目前國內擁有TOMO設備的放療醫療中心較少，因此TOMO放療尚未被推廣。美國瓦里安公司的治療計劃系統Eclipse 15.6版本具有自動羽化技術，可實現讓2個銜接射野在射野交疊處的劑量1個緩慢減少，另1個緩慢增加，形成柔性平緩疊加，使交疊區域的劑量達到100%的處方劑量。因此，在直線加速器上設計雙中心或多中心計劃變得更簡單，治療過程中操作更便捷、劑量更安全[8]。自動羽化技術的最大優點即射野銜接處射野的劑量自動羽化，無須進行額外處理，僅需在布野時，使射野之間有一定交疊長度即可。本研究通過在雙中心VMAT計劃中設置不同的射野交疊長度來評估和驗證Eclipse 15.6的自動羽化技術在射野銜接處的劑量學特點及引入擺位誤差時劑量的魯棒性，為長靶區的雙中心自動羽化計劃設計提供射野銜接長度設置的參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

治療機器為美國瓦里安公司的TrueBeam 2.7直線加速器，模擬定位CT采用德國西門子公司的SOMATOM Confidence 4D大孔徑CT，TPS是美國瓦里安公司的Eclipse 15.6版本；測量設備為德國PTW公司的鉆石探頭；模體為美國CIRS公司的胸部模體Thorax model 002LFC。

1.2 定位方法

將CIRS胸部模體在CT模擬機上按1 mm層厚掃描，然后傳輸至瓦里安Eclipse 15.6版本TPS上。如圖1所示，在模體的IC_1位置上畫1個底面直徑2.5 cm、高20 cm的圓柱體作為計劃靶區(planning target volume，PTV)。由于整個胸部模體的長度都不超過40 cm，因此只能將這個20 cm長的PTV假設為長靶區，然后對PTV設計2組雙中心計劃。

圖1 CIRS胸部模體

1.3 計劃設計

1.3.1自動羽化計劃

自動羽化計劃和不使用自動羽化的計劃都是使用2個治療中心，1個治療中心使用1條全弧。組1中，2條弧射野交疊5 cm，PTV內劑量分布盡量均勻；用Dose Profile工具在冠狀面頭腳方向畫1條直線，顯示出靶區頭腳方向Profile劑量曲線，如圖2所示，交疊區域中Field 1的劑量逐漸減少，Field 2的劑量則逐漸增加。組2的自動羽化計劃，2條弧射野交疊10 cm，PTV內劑量分布盡量均勻，如圖3的Dose Line Profile可見，交疊區域中Field 1的劑量逐漸減少，Field 2的劑量則逐漸增加，使得整個交疊區域的靶區劑量達到100%。

圖2 射野交疊5 cm自動羽化的雙中心計劃

圖3 射野交疊10 cm自動羽化的雙中心計劃

1.3.2不使用自動羽化的計劃

不使用自動羽化的計劃與自動羽化計劃布野方式和優化參數一致，優化計算時關閉自動羽化技術。組1不使用自動羽化計劃的射野交疊5 cm，如圖4的Dose Line Profile可見，交疊區域中Field 1的劑量逐漸減少，到橫坐標Distance=12 cm處出現了1個“平臺”，然后再繼續減少；Field 2的劑量逐漸增加，到Distance=12 cm處出現了1個“平臺”，然后再繼續增加；在Distance為10～11 cm，Field 1由100%迅速地遞減至50%，在14～15 cm，Field 1由30%迅速降至1%。組2不使用自動羽化計劃的射野交疊10 cm，如圖5的Dose Line Profile可見，在Distance為6～7 cm，Field 1由100%迅速地遞減至60%，在16～17 cm，Field 1由40%迅速地降至1%。

圖4 射野交疊5 cm不使用自動羽化的雙中心計劃

圖5 射野交疊10 cm不使用自動羽化的雙中心計劃

1.4 點劑量測量

如圖1右下角所示，在模體中插入PTW的鉆石探頭來測量點劑量，首先使用錐形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)確認模體正確擺位，然后將Field 1和Field 2出束測得模體正確擺位的劑量讀數作為參考值，Field 1測量位置不變，Field 2模擬擺位偏差，分別為進床1 mm(退床1 mm)、進床3 mm(退床3 mm)、進床5 mm(退床5 mm)，將測得的劑量與參考值進行比較。

2 結果及分析

2.1 點劑量測量

組1射野交疊5 cm時，測得的數據如圖6所示，可知在不使用自動羽化的計劃在擺位誤差是+5 mm(即2個射野過重疊5 mm)時，射野交疊處增加了33.61%的劑量，自動羽化計劃僅增加了13.62%，自動羽化計劃表現出相對高的魯棒性和安全性。組2射野交疊10 cm時，測得的數據如圖7所示，可知在不使用自動羽化的計劃在擺位誤差是+5 mm時，射野交疊處增加了35.37%的劑量，自動羽化計劃僅增加了4.15%，明顯低于組1射野交疊5 cm的自動羽化計劃，說明自動羽化計劃射野交疊的距離從5 cm增加到10 cm時，羽化的效果變得更好，魯棒性更好，出現擺位誤差時，射野交疊處的劑量不會出現暴增或者暴減，故治療是安全的。

圖6 組1射野交疊5 cm自動羽化計劃與不使用自動羽化計劃比較

圖7 組2射野交疊10 cm自動羽化計劃與不使用自動羽化計劃比較

2.2 臨床治療的全腦全脊髓自動羽化計劃分析

回顧性分析本科室使用直線加速器治療的6例全腦全脊髓病例的資料，如圖8所示，全腦全脊髓的自動羽化計劃使用3個等中心，其中全腦靶區設置1個等中心，2個全??；胸段靶區設置1個等中心，1個全??；腰段靶區設置1個等中心，1個全弧。兩兩等中心之間都設置了10 cm長的射野交疊。圖8中交疊區域Field 2的劑量逐漸減少，Field 3的劑量逐漸增加，使得整個交疊區域的靶區劑量達到100%處方劑量。由于臨床病例難以直接測量，因此該分析僅在TPS中模擬分析。圖8 Field 2的等中心保持不變，Field 3的等中心引入±1、±3、±5 mm的擺位誤差，使得Field 2和Field 3過重疊。引入擺位誤差后射野重疊區域靶區的最高點劑量與原計劃射野重疊區域的最高點劑量進行比較。6例全腦全脊髓病例自動羽化計劃的TPS模擬擺位誤差結果如表1所示，當出現1 mm擺位誤差時，射野交疊處劑量增加了0.25%；當出現3 mm擺位誤差時，射野交疊處劑量增加了2.26%；當出現5 mm擺位誤差時，射野交疊處劑量增加了5.56%。由此說明，全腦全脊髓自動羽化計劃射野銜接處的射野交疊長度為10 cm時，射野銜接處的劑量的羽化效果較好。

3 討論

在放射治療中，照射長靶區是1項復雜的治療技術，因為在計劃中需使用多中心技術，不同等中心射野之間的銜接問題就變得非常重要[9-10]。如全腦全脊髓照射，傳統的方法是全腦對穿聯合脊髓單野照射，為使交疊處劑量均勻，需設置合適的準直器角度、床角和射野大小。但在治療過程中發現，由于擺位誤差的存在，導致無法避免交疊處的冷熱點。而為了避免冷熱點重復在同一區域出現，在治療過程中需多次修改計劃，調整射野銜接位置，導致整個治療過程耗時費力。IMRT、VMAT、TOMO等調強技術的發展，使全腦全脊髓等長靶區照射更加容易[11-12]。然而，射野銜接處的處理依然是一個挑戰，在治療時既要保證無擺位誤差時射野交疊區域劑量均勻，又要保證有擺位誤差時射野交疊區域的劑量魯棒性。Fogliata等[13]和Lee等[14]提出了將靶區交疊法策略應用于全腦全脊髓VMAT治療中，但未指出等中心偏移對射野銜接處劑量均勻性的影響。Myers等[15]和Strojnik等[16]提出通過梯度優化法來行全腦全脊髓VMAT治療，報道了在射野交疊長度均大于10 cm時，頭腳方向有5 mm的偏移，靶區交疊法策略和梯度優化法技術的最大劑量分別為118%和108%。

本研究中的自動羽化計劃采用瓦里安Eclipse 15.6版本的TPS上的自動羽化技術，可讓2個銜接射野在射野銜接處的劑量1個緩慢減少，另1個緩慢增加，形成柔性平緩疊加，使得交疊區域的劑量達到100%的處方劑量。射野銜接處的劑量不會因為擺位誤差出現較大冷熱點，表現出極好的劑量魯棒性，使得在直線加速器上的雙中心或多中心計劃的設計更容易，治療操作更便捷、劑量更安全。通過比較發現，使用自動羽化技術的雙中心計劃比不使用自動羽化技術的雙中心計劃能更好地降低擺位誤差帶來的劑量不確定性，確保治療的安全性，不會由于出現擺位誤差而使射野交疊，從而導致劑量暴增。隨著射野交疊長度的增加，當交疊長度為10 cm時，自動羽化的效果更好，即當出現同等擺位誤差數據時，射野銜接處的劑量變化更小、更安全。但如過多地增加射野交疊長度，因此會使得射野不夠長，覆蓋不全靶區，可能需要增加等中心設置，計算起來將更耗時，治療時間也會相應增加。

綜上所述，在雙中心計劃中使用自動羽化技術的射野銜接處靶區內不會出現明顯冷點或熱點，有較好的劑量魯棒性。將射野銜接處的交疊長度設置為10 cm，既能滿足臨床治療安全需要，又不會增加計劃計算和治療時間。