基于前列腺螺旋断层放射治疗*不同铅门模式下的剂量学研究

方春锋 解传滨 徐寿平 戴相昆* 徐 伟 丛小虎 陈高翔 葛瑞刚

基于前列腺螺旋断层放射治疗*不同铅门模式下的剂量学研究

方春锋①解传滨①徐寿平①戴相昆①*徐 伟①丛小虎①陈高翔①葛瑞刚①

目的：探讨前列腺癌螺旋断层放射治疗不同铅门模式下(静态和动态)靶区及危及器官的剂量学特点。方法：选取8例前列腺癌患者，分别设计铅门宽度为1.05 cm、2.512 cm及5.05 cm的三组静态铅门计划(F1.05、F2.512及F5.05)以及宽度为2.512 cm和5.05 cm的两组动态铅门计划(D2.512和D5.05)。比较五组计划靶区及器官的剂量分布、剂量体积直方图(DVH)以及出束时间(Time)和机器跳数(MU)。结果：在两种铅门模式下，靶区及股骨头的剂量学差异无统计学意义，而在膀胱与直肠的剂量学比较上，当铅门宽度相同时，动态铅门计划要明显优于静态铅门计划；当铅门宽度不同时，静态铅门计划略优于比之大一档铅门宽度的动态铅门计划，但仅少部分剂量学参数差异具有统计学意义。五组计划平均MU、平均出束时间随F5.05、D5.05、F2.512、D2.512以及F1.05顺序依次递增。结论：在前列腺癌螺旋断层放射治疗中，动态铅门模式可有效降低正常器官受量，并且与比之小一档宽度的静态铅门计划相比较，在得到近乎相当的剂量分布基础上，可有效提高计划的实施效率。

前列腺癌；螺旋断层调强技术；铅门模式；剂量学

前列腺癌是老年男性生殖系统最常见的恶性肿瘤，其发病率随年龄增长且分布具有明显地区差异，欧美地区较高，但近年来，亚洲地区发病率呈现出明显上升趋势，其发病率和病死率仅次于肺癌，位居癌症死亡的第二位[1]。前列腺癌的主要治疗方法包括手术治疗、放射治疗及内分泌治疗。放射治疗是对前列腺癌局限期和局限进展期病程的根治性治疗方式[2]。然而，放射治疗在杀灭肿瘤细胞的同时，会不可避免的对人体正常组织器官带来伤害。为了提高对肿瘤靶区的局控率，在单方面提高前列腺肿瘤放射剂量的同时，会加剧其周围膀胱、直肠等危及器官的不良反应，而随着新技术设备的发展应用，放射治疗剂量正逐渐提高。

螺旋断层放射治疗作为一种新兴的调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)技术，其51个射野方向相对于标准常规加速器IMRT在逆向治疗计划优化过程中拥有更多优化角度的优势，在更好的保护正常器官的同时实现了高度的靶区剂量适形度和均匀性，从而在众多癌症的放射治疗中显示出较明显的优势[3-7]。本研究主要探讨前列腺癌螺旋断层放射治疗技术(helical Tomotherapy，HT)静态和(或)动态不同铅门模式下靶区及危及器官的剂量学特点，为临床治疗计划的选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取经病理学证实并已在解放军总医院行螺旋断层放射治疗的8例前列腺癌患者的定位CT图像，根据美国抗癌协会(American joint committee on cancer，AJCC)分期法，8例患者中Ⅰ期4例(T1N0和M0期)，Ⅱ期4例(T2N0和M0期)。年龄69～82岁，中位年龄75岁。

1.2 仪器设备

患者定位扫描采用大孔径螺旋CT(德国SIEMENS)，靶区勾画采用计划设计采用Pinnacle 8.0计划系统工作站(荷兰Philips)，计划设计采用Hi.ART 5.0计划系统(美国Accuray)。

1.3 定位方法

患者取仰卧位，双手交叉上举抱头，采用普通低温热塑体膜固定。CT定位扫描层厚3 mm。扫描范围腰1椎体上缘至耻骨联合下8 cm。嘱咐每例患者在定位和每次治疗前均充盈膀胱到最大限度。

1.4 靶区定义与处方剂量

将患者的定位CT图像经网络以医学数字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)格式传输至Pinnacle 8.0计划系统工作站。靶区勾画：临床靶区(clinical target volume，CTV)包括前列腺及精囊；计划靶区(planing target volume，PTV)为CTV在头脚、左右及身体前方外放5 mm，身体后方外放3 mm。同时勾画膀胱、直肠和股骨头等正常器官。处方剂量为71.6 Gy/28次。

1.5 计划设计与评估指标

将勾画好的靶区及正常器官的CT图像传输至Hi.Art计划系统(美国Accuray)，由同一物理师分别设计铅门宽度为1.05 cm、2.512 cm及5.05 cm的3组静态铅门(Fixed Jaw)计划，分别命名为F1.05、F2.512和F5.05，以及宽度为2.512 cm和5.05 cm的2组动态铅门(Dynamic Jaw)计划D2.512和D5.05。5组计划中螺距(pitch)和调制因子(modulate factor，MF)分别为0.287和2.4，要求处方剂量至少覆盖95%的靶区体积。

靶区评价指标：剂量均匀指数(homogeneity index，HI)计算为公式1：

式中D2和D98分别为2%和98%的靶区体积所受照剂量，Dt为处方剂量，HI越小表明靶区均匀性越好。

靶区适形指数(conformity index，CI)计算为公式2：

式中VPTVt为处方剂量所覆盖的靶区体积，VPTV为靶区体积，Vt为处方剂量所覆盖的总体积，CI值越接近1表示适形度越好[8]。

危及器官评价指标：①膀胱、直肠分别比较其平均受量以及V20～V65；②股骨头则比较V15～V30以及平均受量。

1.6 统计学方法

使用SPSS 22统计软件对数据进行统计分析，计算结果均用均数±标准差(x-±s)表示，对5组数据进行配对样本t检验，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量指标评估

在5组计划中均能满足95%的靶区体积接受处方剂量的照射(如图1所示)，而对5组计划靶区的各项评价指标进行比较后发现数据差异均无统计学意义，见表1。5组计划矢状位等剂量曲线分布如图2所示。

图1 五组计划平均DVH比较

图2 五组计划矢状位等剂量曲线分布

表1 PTV剂量参数比较±s)

表1 PTV剂量参数比较±s)

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表2 直肠剂量参数比较(±s)

表2 直肠剂量参数比较(±s)

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2.2 危及器官剂量参数比较

在5组计划中直肠受照剂量明显呈现出随F1.05、 D2.512、F2.512、D5.05以及F5.05的顺序依次递增的趋势。动态铅门计划在直肠各剂量参数比较上明显低于同等铅门宽度的静态铅门计划，且差异皆具有统计学意义。在射野宽度同为2.512 cm情况下，动态铅门计划的直肠平均剂量较静态铅门计划降低了7.31%。在射野宽度同为5.05 cm情况下，动态铅门计划直肠平均剂量较静态铅门计划降低了11.23%。在各参数均值比较上，D2.512有略高于F1.05的趋势，但仅V40和V50两项参数比较具有统计学意义。同样，F2.5与D5.0进行比较，除V50、V60及V65外其余参数比较皆无统计学意义，见表2。

在膀胱受照剂量的比较评估中体现出了与直肠同样的递增趋势，且对于同等铅门宽度下的计划比较也得到与直肠类似的结果。而对F1.05与D2.512比较发现，V20、V40、V65参数差异无统计学意义。同样，对F2.5与D5.0进行比较，V20、V30参数差异也无统计学意义，见表3。

对股骨头各项剂量参数进行分析发现：除F5.05vsD5.0中V15(t=4.057，P=0.001)，Dmean(t=2.974，P=0.009)以及F1.05vsD2.512中V30(t=1.680，P=0.037)差异具有统计学意义外，其余指标差异皆无统计学意义，见表4。

2.3 计划实施效率

在5组计划中机器跳数、时间随F5.05、D5.05、F2.512、D2.512以及F1.05的顺序依次递增。且在相同铅门宽度下，动态铅门计划的MU及出束时间较静态铅门计划有增加的趋势，见表5。

表3 膀胱剂量参数比较(±s)

表3 膀胱剂量参数比较(±s)

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表4 股骨头剂量参数比较(±s)

表4 股骨头剂量参数比较(±s)

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表5 计划实施效率指标比较(±s)

表5 计划实施效率指标比较(±s)

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3 讨论

近年来，随着放射治疗技术的飞速发展，IMRT得到广泛应用，其在提高靶区剂量的同时，可显著降低周围正常组织的剂量[9-10]。Meerleer等[11]研究证明了静态调强技术(static intensity-modulated radiation therapy，sIMRT)相较于三维适形放射治疗(3 dimensional-conformal radiation therapy，3D-CRT)在显著提高前列腺癌肿瘤控制率的同时降低了正常组织并发症的概率。Tsai等[12]对容积旋转调强放射治疗(volumetric-modulated arc radiotherapy，VMAT)、sIMRT及HT在前列腺癌放射治疗中的剂量学参数做了比较研究，结果证明了HT技术相较于其他两种技术得到了更高的靶区适形度与更好的危及器官保护。Scobioala等[13]研究显示，在得到近乎相同的靶区剂量分布同时，HT技术在直肠保护上更具有优势。目前，对于HT技术在前列腺癌放射治疗应用的相关研究报道中大都基于静态铅门模式，而对于在此基础上发展而来的动态铅门技术却鲜有报道，且此技术目前在国内尚无单位开展。

本研究通过分析研究静态铅门技术与动态铅门技术在前列腺癌放射治疗中的剂量学差异，探讨动态铅门技术的优缺点。HT技术提供了三档铅门宽度即1.05 cm、2.512 cm及5.05 cm。在静态铅门模式下，整个治疗过程中铅门一直保持预设宽度，通过对靶区的螺旋叠加实现对整个靶区的剂量覆盖。因此在较大铅门宽度条件下，在靶区纵向边缘会发生明显的剂量延伸现象，也由此带来了毗邻器官及组织的受照剂量增加[14-15]。动态铅门技术在静态铅门基础之上发展而来，在此模式下，当靶区接近照射场时，铅门起始宽度为1.05 cm，随着靶区向前移动，铅门随之逐渐打开直至预设宽度，在靶区离开照射场阶段，铅门随靶区的退场而逐渐变窄，直至1.05 cm。这样在靶区边界Y轴方向上，剂量梯度就会变得更为陡峭，从而很好的克服了静态模式下较大铅门带来的纵向剂量延伸的缺点，因此得到了各放射治疗中心的关注与青睐[16]。

本研究中8例患者皆为前列腺癌中低危分期，并未行盆腔淋巴引流区预防性照射，而前列腺局部照射的靶区与直肠与膀胱为纵向并行毗邻关系，并且膀胱与直肠头脚方向皆明显的超出了靶区纵向边缘。因此在静态铅门模式下，较大铅门宽度所带来的剂量延伸不可避免的造成了其受照体积的增加，尤其是在超出靶区纵向边缘的部分。通过对五组计划矢状位等剂量曲线分布图比较发现，动态铅门技术明显改善了靶区纵向边缘的剂量梯度，其两种宽度计划的靶区纵向剂量分布基本达到了1.05 cm铅门宽度计划的效果。Chen等[17]在其报道中指出，在靶区形状不复杂的情况下可以采用动态模式下的较大铅门宽度来实现对靶区的快速照射，而本研究对各自剂量学参数比较结果也很好的印证了这一点。当铅门宽度不同时，动态铅门模式下的直肠和膀胱平均受量虽然略高于比之铅门宽度小一档的静态铅门计划，但计划的实施效率却明显提高，这在计划的实际执行中尤为重要。当然，对于需行盆腔照射的高危患者，由于照射靶区的复杂化以及与正常器官毗邻关系改变，在不同铅门模式下的剂量学比较势必显现出不同的结果，将在后续研究中予以探讨。

在前列腺癌(局部)螺旋断层放射治疗中，动态铅门模式可有效降低正常器官受量，并且与比之小一档宽度的静态铅门计划相比较，在得到近乎相当的剂量分布基础上，可有效提高计划的实施效率。

[1]Jemal A，Bray F，Center MM，et al.Global cancer statistics[J].CA Cancer J Clin，2011，61(2)：69-90.

[2]唐鑫.前列腺癌的放射治疗[J].临床军医杂志，2007，35(1)：107-111.

[3]解传滨，徐寿平，葛瑞刚，等.下咽癌静态调强放疗与两种射野宽度设计螺旋断层治疗的剂量学研究[J].中国医学物理学杂志，2011，28(6)：2967-2970，3020.

[4]Chen AM，Marsano J，Perks J，et al.Comparison of IMRTtechniques in the radiotherapeutic management ofhead andneck cancer：is tomotherapy"better"than step-and-shootIMRT？[J]. Technol Cancer Res Treat，2011，10(2)：171-177.

[5]Sheng K，Molloy JA，Read PW.Intensitymodulated radiation therapy(IMRT)dosimetry of the head and neck：acomparison of treatment plans using linear accelerator-basedIMRT and helical tomotherapy[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2006，65(3)：917-923.

[6]van Vulpen M，Field C，Raaijmakers CP，et al. Comparing step-and-shoot IMRT with dynamic helical tomotherapy IMRTplans for head-andneck cancer[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys，2005，62(5)：1535-1539.

[7]Zhang X，Penagaricano J，Moros EG，et al. Dosimetric comparison of helical tomotherapy and linac-IMRT treatmentplans for head and neck cancer patients[J].Med Dosim，2010，35(4)：264-267.

[8]姚波，郑明民，王平，等.直肠癌五野调强放疗与传统适形放疗剂量学研究[J].临床肿瘤学杂志，2009，14(5)：446-449.

[9]刘海霞，马林.前列腺癌高剂量大分割放射治疗研究进展[J].解放军医学院学报，2015，36(4)：399-402.

[10]Wang-Chesebro A，Xia P，Coleman J，et al. Roach 3rd M.Intensitymodulated radiotherapy improves lymph node coverage and dose to critical structures compared with threedimensional conformal radiation therapy in clinically localized prostate cancer[J].Radiat Oncol Biol Phys，2006，66(3)：654.

[11]De Meerleer GO，Vakaet LA，De Gersem WR，et al. Radiotherapy of prostate cancer with or without intensity modulated beams：a planning comparison[J].Radiat Oncol Biol Phys，2000，47(3)：639-643.

[12]Tsai CL，Wu JK，Chao HL，et al.Treatment and dosimetric advantages between VMAT，IMRT，and helical tomotherapy in prostate cancer[J].Med Dosim，2011，36(3)：264-271.

[13]Scobioala S，Kittel C，Wissmann N，et al.A treatment planning study comparing tomotherapy，volumetric modulated arc therapy， Sliding Window and proton therapy for low-risk prostate carcinoma[J].Radiat Oncol，2016，11(1)：128.

[14]解传滨，徐寿平，葛瑞刚，等.局部晚期喉癌和下咽癌容积旋转调强与螺旋断层放疗的剂量学研究[J].实用癌症杂志，2016，31(1)：120-123.

[15]Parker W，Brodeur M，Roberge D，et al.Standard and nonstandard craniospinal radiotherapy using helical TomoTherapy[J].Radiat Oncol Biol Phys，2010，77(3)：926-931.

[16]Krause S，Beck S，Schubert K，et al.Accelerated large volume irradiation with dynamic Jaw/ Dynamic Couch Helical Tomotherapy[J].Radiat Oncol，2012，7：191.

[17]Chen Y，Chen Q，Chen M，et al.Dynamic tomotherapy delivery[J].Med Phys，2011，38(6)：3013-3024.

Dosimetric study of helical tomotherapy for prostate cancer under different Jaw modes/FANG Chun-feng, XIE Chuan-bin, XU Shou-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):18-22.

Objective: To explore the dosimetric characteristics of target region and organic at risk (OAR) in helical tomotherapy for prostate cancer under different Jaw modes (static state and dynamic state). Methods: Eight patients with prostate cancer were enrolled in this study. Static state plans were designed into three groups (1.05 cm, 2.512 cm and 5.05 cm) and dynamic state plans were designed into two groups (2.512 cm and 5.05 cm) as Jaw width. The dosage distribution, dose-volume histogram (DVH), beam-on time and monitor unit (MU) of planning target region and organic of five groups were compared. Results: Under the two Jaw mode, the difference of dosimetry in target region and caput femoris were no significant. For the comparison of dosimetry on bladder and rectum, the plan of dynamic Jaw was obviously better than that of static Jaw when the width of Jaw was equality. The plan of static Jaw was better than higher grade plan of dynamic Jaw when the width of Jaw was different, while the difference of one part of dosimetry parameters among them were significant. The average MU and average beam-on time of 5 plans were increase with the increase of sequence (F5.05, D5.05, F2.512, D2.512, F1.05). Conclusion: In the helical tomotherapy for prostate cancer, dynamic Jaw mode can efficiently reduce the

dose of normal organ. And the plan of dynamic Jaw mode compares with the plan lower one grade of static Jaw, it can increase implement efficiency of plan based on the almost equality dosage distribution.

Prostate cancer; Helical tomotherapy; Jaw modes; Dosimetric characteristic

Department of Radiotherapy, Chinese People's Liberation Army General Hospital, Beijing 100853, China.

方春锋,男,(1992- ),本科学历，物理师。解放军总医院放射治疗科，研究方向：医学物理和肿瘤精确放射治疗的相关研究。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.005

2017-04-27

1672-8270(2017)07-0018-05

R814.2

A

国家重点研发计划(2016YFC0904600)“以生物组学特征与多模态功能影像为基础的多线束精准放疗方案研究”；解放军总医院临床科研扶持基金(2015FC-TSYS-1008)“前列腺癌螺旋断层自适应放疗的临床研究”

①解放军总医院放射治疗科 北京 100853

*通讯作者：13520924521@163.com