中华放射医学与防护杂志  2018, Vol. 38 Issue (12): 923-927   PDF    
引用本文
王海洋, 刘帅蓬, 霍佳, 韩滨, 王芳娜, 贾飞, 刘乐乐, 孔凡洋, 裴运通, 胡金炎, 郭跃信. 螺旋断层放疗在分段全身照射中上下靶区衔接处剂量分布的影响因素研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2018, 38(12): 923-927, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2018.12.008.
螺旋断层放疗在分段全身照射中上下靶区衔接处剂量分布的影响因素研究
王海洋 , 刘帅蓬 , 霍佳 , 韩滨 , 王芳娜 , 贾飞 , 刘乐乐 , 孔凡洋 , 裴运通 , 胡金炎 , 郭跃信     
450052 郑州大学第一附属医院放射治疗部
收稿日期: 2018-05-29
基金项目: 河南省科技计划项目（182102310578）
通信作者: 郭跃信, Email:guoyx0371@126.com
[摘要] 目的 选取10例身高在120.0 cm左右的急性白血病患者分上下两段行螺旋断层治疗（HT）实现全身照射（TBI），通过分析衔接处靶区剂量分布的变化情况，寻找最佳靶区间隔距离所对应的计划设计参数。方法 选取的研究对象使用德国Siemens公司定位CT获得层厚为5 mm的全身图像，同时在髌骨上方10 cm处放置铅丝，作为上下两段靶区的分割线。在美国瓦里安Eclipse 13.5医生工作站进行靶区和危及器官的勾画，其中上下靶区在铅丝分割处依次分别内收不同距离，然后传至HT计划工作站进行计划设计，其中射野宽度（FW）分别选择5.0、2.5、1.0 cm，螺距分别选择0.430与0.287，调制因子1.8，剂量计算网格（最精细：0.195 cm×0.195 cm），其余计划参数都保持一致。将其分两段照射的上下靶区依据不同参数进行计划设计，并将设计好的不同参数的计划分别对应叠加在一起进行分析衔接处靶区剂量分布的变化情况。结果 通过比较不同螺距和射野宽度所对应不同间隔距离的衔接处靶区的剂量分布，发现只有射野宽度才影响衔接处靶区的剂量分布：当射野宽度为5.0 cm时，靶区间隔距离为5.0 cm在衔接处的剂量分布最佳；同理当射野宽度为2.5和1.0 cm时，靶区间隔距离分别为2.0和1.0 cm时最佳，即衔接处靶区的最佳剂量分布所对应的间隔距离与射野宽度保持一致。而螺距对衔接处靶区剂量和总治疗时间比值没有影响，总治疗时间长度与射野宽度保持一致反比关系。结论 对于HT进行分段式TBI治疗时，采用如上的计划设计参数，同时靶区勾画时间隔距离与射野宽度保持一致，能保证在进行分段TBI治疗时衔接处靶区不会出现剂量冷热点，确保了治疗的精确与安全。在实际临床治疗过程中，为达到治疗效果与效率的平衡，需要选择合适的计划参数。
[关键词] 螺旋断层放疗     全身照射     射野宽度     螺距     靶区间隔距离    
Impact factors of dose distribution in the abutment area duing total body irradiation with helical tomotherapy
Wang Haiyang, Liu Shuaipeng, Huo Jia, Han Bin, Wang Fangna, Jia Fei, Liu Lele, Kong Fanyang, Pei Yuntong, Hu Jinyan, Guo Yuexin     
Department of Radiation Oncology, The First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China
Fund programs: Science and Technology Project of Henan(182102310578)
Corresponding author: Guo Yuexin, Email:guoyx0371@126.com
[Abstract] Objective To investigate the optimal distance between upper and lower target volumes and their correlated planning parameters by analyzing the dose distribution in the abutment regions during total body irradiation (TBI) using helical tomotherapy. Methods A total of 10 patients with acute leukemia and with a height around 120 cm were enrolled. All patients were scanned by a Siemens simulation computerized tomography (CT) at a slice thickness of 5 mm. A lead wire was placed 10.0 cm above the patella as a marker of the separation boundary for the upper and lower target volumes. The delineations of target volumes and organs at risk (OARs) were performed in the Varian Eclipse 13.5 workstation with targets shrunk beyond the separation boundary at different distances. After contours and CT images were transferred to HT workstation, treatment plans were designed with different field width (FW, 5.0 cm/2.5 cm/1.0 cm) and pitch values (0.430/0.287) at a modulation factor of 1.8. All the plans were optimized with a dose calculation grid of 0.195 cm×0.195 cm and identical planning parameters. The correlation between treatment planning parameters and targets shrunk distances were investigated by analyzing the dose distributions in the abutment area. Results The study demonstrated that the dose distributions in the abutment area were influenced only by the field width parameters:when the gap distance between the upper and lower targets was 5.0 cm, the optimal FW is 5.0 cm; Similarly when the gap distances were 2.0 cm and 1.0 cm, and the optimal FW 2.5 cm and 1.0 cm, respectively. In another words, the dose distribution of the abutment region was optimal when the target gap distance was equal to FW. Pitch values did not affect the quality of dose distribution in the abutment region and the overall treatment time ratio. Overall treatment time was inversely related to the FW. Conclusions Consistent target distance and FW is helpful to improve the dose homogeneity in the abutment area during TBI with HT. Appropriate planning parameters is critical to balance the treatment efficacy and efficiency.
[Key words] Helical tomotherapy     Total body irradiation     Field width     Pitch     Target gap distance    

全身照射(TBI)是造血干细胞移植预处理中的一个重要组成环节，作为免疫抑制手段，其目的是避免骨髓移植排斥反应[1]；与此同时还能实现高剂量全身化疗不易侵入的残留庇护区的治疗[2]。螺旋断层放疗(HT)是以螺旋断层模式进行治疗的全新加速器，具有区别与传统加速器的独有特点：一方面是它独特的气动多叶准直器(MLC)和360°旋转照射，能实现靶区剂量的高度适形且还能很好地保护正常器官[3-5]；另一方面能够实现160.0 cm×40.0 cm超长靶区的治疗，因此HT是实现TBI治疗的首选技术手段之一[6]。实际临床中160.0 cm ×40.0 cm的治疗范围是理论值，真正的治疗范围是145.0 cm×40.0 cm。对于需要进行TBI照射的患者，如果身高在145.0 cm以内，HT可以通过一个计划实现；如果身高超过145.0 cm，则需要将患者分段治疗从而实现全身照射的目的[7-8]。分段治疗时上下靶区在分割线处的靶区勾画需要确定好间隔距离，因为它直接决定了衔接处靶区的剂量分布，从而导致在衔接处靶区剂量冷热点的出现，进而可能出现放疗不良反应或者复发的情况[9]。目前，国内外对于分段全身照射在衔接处剂量影响因素还没有相关研究，其中Gruen等[8]在利用HT对儿童和成人进行骨髓移植前行TBI治疗文章中，对于分段式治疗采用的是射野宽度为5.0 cm上下靶区同时内收2.0 cm的做法，即靶区间隔距离为4.0 cm；岳麒等[10]在应用HT行全身放疗的文章中，对于分段式治疗采用的也是射野宽度为5.0 cm上下靶区同时内收1.0 cm的做法，即靶区间隔距离为2.0 cm；Salz等[11]在使用Tomodirect实现全身照射的文章中，对于分段式治疗采用的同样是铅门为5.0 cm上靶区内收2.0 cm下靶区内收1.0 cm的做法，即靶区间隔距离为3.0 cm。以上研究都仅仅是关于特定射野宽度对衔接处靶区剂量的影响，缺乏不同计划参数对衔接处靶区剂量的影响研究，本研究将进一步探讨不同计划参数对衔接处靶区的剂量影响。

资料与方法

1.临床病例：选取郑州大学第一附属医院放射治疗部2016年5月—2017年12月已治疗的10例行骨髓移植的白血病患者。其中7男3女，年龄从5至14岁，诊断结果：急性淋巴白血病(L1、L2型；T、B细胞型)，身高105.0~135.0 cm。

2.固定方法：患者固定装置采用一体板，头颈肩热塑膜加体热塑膜和一个下肢真空垫进行固定。上段靶区定位铅点放置在患者的肚脐附近，下段靶区定位铅点放置在髌骨下方20.0 cm处，铅丝分割线放置在髌骨上方10.0 cm处，作为上下靶区分割的衔接点。

3.CT扫描：患者在德国西门子公司Definition AS CT上完成图像的扫描，图像层厚5.0 mm，仰卧位头先进，从颅顶扫描至脚趾。

4.靶区勾画：扫描获取的CT图像传输到美国瓦里安公司Eclipse 13.5医生工作站进行勾画，由于HT计划系统对不同套CT图像上的计划无法进行叠加，所以选择全身的定位图像，靶区勾画以铅丝线为分割点，进行上下两段靶区及危及器官的勾画，其中靶区为全身外轮廓且内收3.0 mm，危及器官包括眼晶状体、肺等[7-9, 12-13]。其中对于上下靶区，分别勾画距离铅丝分割线0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cm 6个不同距离的靶区，其中用于评估衔接处剂量的靶区包括的是以铅丝分割线为界上下各延伸3.0 cm组成的6.0 cm厚范围。

5.计划设计：勾画好的靶区和图像传送至HT的Planning Station进行计划设计。处方剂量12.0 Gy，分割次数为6次，单次2.0 Gy，每日2次，间隔>8 h[7-8]。不同靶区分别设计对应的计划，HT计划要求至少95%的靶区达到处方剂量，其中射野宽度选择5.0、2.5、1.0 cm，螺距选择0.430和0.287，调制因子1.8，剂量计算网格(0.195 cm×0.195 cm)，其余计划参数都保持一致。

6.评估方法：评估衔接处靶区的平均剂量(Dmean)、最大剂量(Dmax)、最小剂量(Dmin)和均匀性指数(HI)，其中HI=D2/D98，D2是指靶区2%的体积受到的照射剂量，D98是指靶区98%的体积受到的照射剂量。

7.统计学处理：数据采用SPSS 19.0软件分析，数据符合正态分布结果以x±s表示，图形采用美国OriginLab公司Origin 8.0软件绘制。

结果

将分段靶区在铅丝分割线处依次内收0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 cm 6个不同间隔距离、不同射野宽度和不同螺距的计划对应叠加在一块，然后再分别统计间隔为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 cm的叠加计划在衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin和HI指数。

如图 1是射野宽度5.0 cm、螺距0.430/0.287、在衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin与标准差随间隔距离的变化曲线图。从图中变化曲线可以看出，螺距0.430/0.287对衔接处靶区的剂量没有影响，因为不同螺距对应的平均剂量曲线、最大剂量曲线、最小剂量曲线几乎完全重合，正如文献中所述：螺距影响的只是机架旋转1周的时间，对计划质量和总治疗时间没有影响[14-15]。间隔距离为5.0 cm时，衔接处靶区的剂量曲线集体向处方剂量靠拢，且最接近处方剂量，为最佳靶区间隔距离，与射野宽度保持一致。当靶区间隔距离偏离5.0 cm时，衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin曲线逐渐散开，偏离处方剂量。当靶区间隔距离逐渐<5.0 cm时，衔接处靶区的剂量已明显超过处方剂量，存在剂量热点。当靶区间隔距离>5.0 cm时，衔接处靶区的剂量除最大剂量外都低于处方剂量，存在剂量冷点。图 2是射野宽度5.0、2.5、1.0 cm、螺距0.430/0.287在衔接处靶区HI指数随间隔距离的变化曲线图。从射野宽度为5.0 cm对应的变化曲线可以明显看出：在靶区间隔距离为5.0 cm时对应的HI指数最接近1，即剂量分布的均匀性最佳，随着间隔距离偏离5.0 cm时，HI指数在增大，即剂量分布的均匀性逐渐变差。通过分析Dmean、Dmax、Dmin和HI指数，结果都一致表明：当射野宽度为5.0 cm时，对应的最佳靶区间隔距离为5.0 cm，即靶区间隔距离与射野宽度保持一致，而螺距对衔接处靶区剂量没有影响。

图 1 射野宽度5.0 cm、螺距0.430/0.287、在衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin与标准差随间隔距离的变化 Figure 1 Dmean, Dmax, Dmin and standard deviation in abutment region changing with different gap distances including FW=5.0 cm、pitch=0.430/0.287

图 2 射野宽度5.0、2.5、1.0 cm，螺距0.430/0.287在衔接处靶区均匀性指数随间隔距离的变化 Figure 2 HI and standard deviation in abutment region changing with different gap distances including FW=5.0, 2.5, 1.0 cm, pitch=0.430/0.287

如图 3和图 4是射野宽度2.5 cm和1.0 cm、螺距0.430/0.287、在衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin与标准差随间隔距离的变化曲线图。当间隔距离分别为2.0 cm和1.0 cm时，衔接处靶区的剂量曲线集体向处方剂量靠拢，且最接近处方剂量，为最佳靶区间隔距离。图 2中射野宽度2.5 cm和1.0 cm、螺距0.430/0.287在衔接处靶区HI指数随间隔距离的变化曲线图也再次证实图 3和图 4结论，同样螺距参数对衔接处靶区的剂量没有影响，此结论与射野宽度5.0 cm结论一致，即衔接处靶区的最佳剂量所对应的间隔距离与射野宽度保持一致。图 3中由于计划设计时都是按照距铅丝分割线对称收缩距离，所以没有设计靶区间隔距离为2.5 cm的计划，因而无法直接从曲线图中看到2.5 cm靶区间隔所对应的剂量分布，靶区间隔距离与射野宽度保持一致的结论是否成立仍需继续进一步研究确认。

图 3 射野宽度2.5 cm、螺距0.430/0.287、在衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin与标准差随间隔距离的变化 Figure 3 Dmean、Dmax、Dmin and standard deviation in abutment region changing with different gap distances including FW=2.5 cm, pitch=0.430/0.287

图 4 射野宽度1.0 cm、螺距0.430/0.287、在衔接处靶区的Dmean、Dmax、Dmin与标准差随间隔距离的变化 Figure 4 Dmean, Dmax, Dmin and standard deviation in abutment region changing with different gap distances including FW=1.0 cm, pitch=0.430/0.287

为了进一步研究螺距对总治疗时间的影响，将每位患者不同射野宽度和螺距所对应的总治疗时间进行统计，由于总治疗时间主要是由患者治疗身高与射野宽度决定，因而每位患者总治疗时间都不一致，但是总治疗时间与射野宽度分别对应的比值却是相对固定的，为了说明它们的内在关系，现将不同射野宽度对应的总治疗时间比值进行统计，结果如上图 5螺距0.430/0.287、治疗时间比随射野宽度比的变化，从图中可以看出，总治疗时间比值与射野宽度比值保持一致反比关系，即射野宽度扩大与总治疗时间成反比变化，如射野宽度为2.5 cm的总治疗时间将是射野宽度为5.0 cm的总治疗时间2倍，与射野宽度5.0 cm/2.5 cm比值一致，两者呈反相关。而螺距对总治疗时间比值没有影响。

图 5 螺距0.430/0.287、治疗时间比随射野宽度比的变化 Figure 5 Treatment time ratio changing with FW ratio for Pitch=0.430/0.287

通过分析不同射野宽度下衔接靶区随间隔距离的剂量分布，可以得出如下结论：衔接处靶区的最佳剂量所对应的间隔距离与射野宽度保持一致，即在靶区勾画时，可以选择5.0、2.5、1.0 cm的靶区间隔距离，同时在做计划时选择与靶区间隔距离一致的射野宽度，这样可以最大限度的防止衔接处靶区出现剂量冷热点，避免放疗不良反应的出现，达到最佳的治疗效果。螺距对衔接处靶区剂量和总治疗时间比值没有影响。总治疗时间长度与射野宽度保持一致反比关系，即射野宽度增大与总治疗时间缩短成比例关系，两者呈反相关。

讨论

由于HT计划系统只能支持同一套CT图像上的计划叠加，所以选取的病例并不是临床上真实的分段治疗患者，而是选取了10例身高在120.0 cm左右的一段式治疗患者，即选择覆盖全身的一套CT图像，靶区勾画以铅丝分割线为界，上下靶区通过内收不同距离来实现靶区的不同间隔，然后分别设计相应计划并叠加在一起实现对衔接处靶区的评估。

衔接处靶区主要由上下两部分靶区组成：上部分靶区从铅丝分割线向颅顶方向勾画6层5.0 mm厚的CT图像，即铅丝分割线以上3.0 cm厚的范围；下部分靶区从铅丝分割线向脚趾方向勾画6层5.0 mm厚的CT图像，即铅丝分割线向下3.0 cm厚的范围，整个衔接处靶区包括的是以铅丝分割线为界上下各延伸3.0 cm组成的6.0 cm厚范围。衔接处靶区只所以选择6.0 cm厚的范围，主要是考虑最大射野宽度为5.0 cm，相应的在衔接处剂量投影可能也在5.0 cm左右；若衔接处靶区勾画范围过小，则可能出现无法显示完整间隔距离过大(如6.0、5.0、4.0 cm等)时的剂量分布情况；若衔接处靶区勾画范围过大，则衔接处靶区的剂量变化(如Dmean、Dmax、Dmin等)会不敏感，影响最佳靶区间隔距离与计划参数关系的寻找。综上所述，最后选择与靶区最大间隔距离一致的6.0 cm厚范围作为衔接处靶区。

螺旋断层放疗系统已经发展至第3代，其中第1代和第2代均采用固定铅门模式，而第3代HT加入了动态铅门的功能，能有效的控制靶区纵向剂量跌落梯度，Krause等[16]采用固定铅门和动态铅门方式，对比分析了胸腔照射、全腹腔照射、全骨髓照射中纵向剂量分布，其结果是动态铅门计划能有效的收敛靶区纵向分布的剂量。本单位正在使用的是第2代HT型号，只有固定铅门模式，所以本研究的内容对于第1代和第2代型号的机器均适用，而对于第3代HT已经不再适用，需要重新研究确认。

本中心已经在HT上完成多例全身照射患者，其中对于分段治疗的TBI患者，在靶区勾画时都参考了最佳靶区间隔距离，有效地提高了治疗的精确度。

利益冲突 无
作者贡献声明 王海洋负责课题方向选择、实验思路、数据整理、论文起草；刘帅蓬、霍佳负责计划验证；韩滨、王芳娜、贾飞、刘乐乐负责病例筛选；孔凡洋、裴运通、胡金炎负责计划设计；郭跃信负责总体设计、指导论文写作
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