中华放射医学与防护杂志  2019, Vol. 39 Issue (1): 63-67   PDF    
引用本文
刘志强, 胡志辉, 戴建荣. 动态钨门技术在中段食管癌螺旋断层调强放疗中的应用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2019, 39(1): 63-67, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2019.01.012.
动态钨门技术在中段食管癌螺旋断层调强放疗中的应用
刘志强 , 胡志辉 , 戴建荣     
国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院放疗科, 北京 100021
收稿日期: 2018-06-20
基金项目: 国家重大研发计划项目（2016YFC0904600）
通信作者: 戴建荣, Email:dai_jianrong@cicams.ac.cn
[摘要] 目的 评价螺旋断层调强放疗（TOMO）设备升级后，能否用5.0 cm动态钨门替代2.5 cm固定钨门治疗中段食管癌。方法 对中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院收治的10例局部晚期根治性中段食管癌患者进行研究。在TOMO计划系统分别设计2.5 cm固定钨门（FJ2.5）、2.5 cm动态钨门（DJ2.5）和5.0 cm动态钨门（DJ5.0）计划。比较3种计划的靶区适形度指数（CI）、均匀性指数（HI）和危及器官（OAR）受量以评价计划质量；比较出束时间和机器跳数以评价效率。结果 3种计划的靶区CI和HI均满足临床要求。与DJ5.0计划相比，FJ2.5计划的双肺V5和平均剂量、正常组织V5、V10和平均剂量均增加，差异有统计学意义（t=9.751、4.163、11.840、10.321、3.745，P < 0.05），DJ2.5计划的心脏V30、V40、平均剂量和最大剂量、正常组织V20和平均剂量均降低，差异有统计学意义（-2.454、-3.275、-4.192、-6.435、-4.139、-6.431，P < 0.05）。与DJ2.5计划相比，FJ2.5计划的双肺V5、V20、V30和平均剂量、心脏V30和平均剂量、脊髓和脊髓计划体积（PRV）最大剂量、正常组织V5、V10、V20和平均剂量均增加，差异有统计学意义（t=8.289、6.142、3.137、8.895、3.597、4.565、3.782、5.429、16.421、12.496、8.286、11.933，P < 0.05）。与FJ2.5和DJ2.5计划相比，DJ5.0计划的平均出束时间分别缩短43.9%和42.8%，平均机器跳数分别减少42.8%和43.8%。结论 若综合考虑计划质量和执行效率，建议采用5.0 cm动态钨门技术用于中段食管癌螺旋断层调强放疗，不但可以有效缩短治疗时间、提高射线利用率，而且与2.5 cm固定钨门技术相比双肺和正常组织保护更好。若只考虑计划质量，建议采用2.5 cm动态钨门技术，其计划质量好。
[关键词] 动态钨门技术     中段食管癌     螺旋断层调强放疗    
Application of dynamic jaw technique in helical tomotherapy for mid-esophageal carcinoma
Liu Zhiqiang, Hu Zhihui, Dai Jianrong     
National Cancer Center/National Clinical Research Center for Cancer/Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100021, China
Fund programs: National Key Projects of Research and Development(2016YFC0904600)
Corresponding author: Dai Jianrong, Email:dai_jianrong@cicams.ac.cn
[Abstract] Objective To evaluate the feasibility of replacing the fixed jaw 2.5 cm mode with dynamic jaw 5.0 cm for mid-esophageal cancer after the upgrade of helical tomotherapy (TOMO). Methods A total of 10 patients with locally advanced esophageal cancer were planned with radical intent using 2.5 cm fixed jaw (FJ2.5), 2.5 cm dynamic jaw (DJ2.5) and 5.0 cm dynamic jaw (DJ 5.0) modes respectively on TOMO. Dose conformity index (CI), dose homogeneity index (HI) and dose to OARs were analyzed to evaluate the plan quality. Treatment time and monitor units were used to assess efficiency. Results CI and HI met clinical requirement for all plans. DJ5.0 plans showed significant improvement over FJ2.5 plans in terms of V5 and mean dose to lungs, the V5, V10 and mean dose to normal tissues (t=9.751, 4.163, 11.840, 10.321, 3.745, P < 0.05). DJ2.5 plans were superior to DJ5.0 plans in the aspects of the V30, V40 and mean dose to heart, the V20 and mean dose to normal tissues (-2.454, -3.275, -4.192, -6.435, -4.139, -6.431, P < 0.05). Compared with DJ2.5 plans, the V5, V20, V30 and mean dose to lungs, the V40 and mean dose to heart, maximum dose to cord and cord PRV, the V5, V10, V20 and mean dose to normal tissues of FJ2.5 plans were worse (t=8.289, 6.142, 3.137, 8.895, 3.597, 4.565, 3.782, 5.429, 16.421, 12.496, 8.286, 11.933, P < 0.05). The beam-on time of DJ5.0 plans was significantly reduced by 43.9% and 42.8% compared with FJ2.5 and DJ2.5 plans respectively, and the machine monitor unit was reduced by 42.8% and 43.8% respectively. Conclusions The dynamic jaw of 5.0 cm technique is recommended for treatment of mid-esophageal cancer for sake of plan quality and efficiency. It does not only shorten the treatment time and improve radiation efficiency compared with fixed and dynamic jaw of 2.5 cm technique, but also provides a dosimetric advantage in terms of lung and normal tissue sparing in comparison with fixed jaw of 2.5 cm. When only improving plan quality is concerned, the dynamic jaw of 2.5 cm technique is more recommendable.
[Key words] Dynamic jaw     Mid-Esophageal carcinoma     Helical tomotherapy    

螺旋断层调强放疗(TOMO)可以形成很好的剂量分布，但与常规加速器容积旋转调强放疗相比，出束时间长，临床需要在剂量分布和治疗时间之间进行平衡，通常选择2.5 cm的固定钨门，而靶区边缘头脚方向的半影区是由钨门宽度决定，固定钨门的模式使得靶区边缘头脚方向剂量半影区大，即靶区边缘头脚方向的剂量跌落慢，使得紧邻靶区边缘的危及器官受照剂量变高。食管癌放疗时，对于重要器官肺的保护非常重要，而有报道称肺的低剂量照射范围大小是放射性肺炎的风险因素之一[1]。为降低肺的低剂量照射范围，本课题组报道过部分遮挡方式的TOMO技术和螺旋断层固定野调强放疗(TD)技术可以降低肺的低剂量照射范围[2]，然而靶区边缘头脚方向的散射剂量依然存在，尤其是使用5 cm固定钨门时。随着动态钨门技术的发展，可有效降低靶区边缘头脚方向的剂量[3-4]，本研究试图探究能否用5.0 cm的动态钨门技术替代2.5 cm固定钨门治疗中段食管癌。

资料与方法

1.病例资料：对中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院近年收治的10例局部晚期中段食管癌患者(T3~4N0~1M0)进行回顾性分析，6例男性患者，4例女性患者，年龄55~81岁，中位值67.5岁。在荷兰飞利浦Pinnacle3 9.0治疗计划系统，由放疗科的医生勾画大体肿瘤靶区(GTV)，包括原发肿瘤、区域淋巴结转移和远端转移；根据临床经验勾画临床靶区(CTV)，包括GTV以及考虑和治疗相关具有一定发生概率的亚临床恶性病灶；考虑CTV的位置、大小和形状以及患者和束流位置的不确定性和变化，将CTV三维均匀外扩5 mm得到计划靶区(PTV)，PTV长度10~ 20 cm，中位值18 cm，体积130~530 cm3，中位值287 cm3。

2.设计方案：CT模拟定位均采用仰卧位姿势，双臂交叉举于前额头，用胸部体膜固定，采用荷兰飞利浦或德国西门子公司模拟定位CT进行扫描。体位中轴线位于CT孔径中心轴附近，扫描层厚均为5 mm，范围从颈部到腹部。扫描后的CT图像传输至荷兰飞利浦Pinnacle3 9.0治疗计划系统，由主管医生勾画PTV和危及器官(OAR)，OAR包括双肺、脊髓、心脏和气管等，将勾画好的结构传输至美国安科锐TomoTherapy Hi-Art V4.0治疗计划系统，分别设计2.5 cm固定钨门(FJ2.5)、2.5 cm动态钨门(DJ2.5)和5.0 cm动态钨门(DJ5.0)计划，所有计划的参数设置：调制因子为2.0、螺距为0.25，并对双侧肺进行部分遮挡设置，计划设计完成后，导出每个计划的剂量体积直方图(DVH)、出束时间(BOT)和加速器跳数(MU)。

本研究所给予的处方剂量为60 Gy，单次剂量2 Gy，共30次，要求处方剂量覆盖95%的PTV体积。危及器官的限量要求为双肺至少受到20 Gy的体积V20＜30%，心脏至少受到30 Gy的体积V30＜40%、至少受到40 Gy的体积V40＜30%，气管最大剂量＜80 Gy，脊髓计划体积(PRV)(脊髓均匀外扩5 mm)最大剂量＜45 Gy。

3.计划评价指标：靶区的评价采用适形度指数(CI)和均匀性指数(HI)。CI的计算公式为CI=(TVPV)2/(TV×PV)[5]。式中，TVPV为处方剂量所覆盖的PTV的体积；TV为PTV的体积；PV为处方剂量线所覆盖的总体积。CI越接近1，表明靶区适形度越好。HI的计算公式为HI=(D2%-D98%)/D50%[6]。式中，D2%、D98%和D50%为包围PTV体积的2%、98%和50%的最小剂量，D50%是用来做归一化处理的。HI值越接近0，表明靶区均匀性越好。OAR的评价指标参考国际辐射单位和测量委员会(ICRU)83号报告[5]，包括双肺至少受到5、20和30 Gy的体积(V5、V20和V30)，双肺平均剂量(Dmean)，脊髓和脊髓PRV的最大剂量(Dmax)，心脏至少受到30和40 Gy的体积(V30和V40)，心脏平均剂量和最大剂量，正常组织(NT)至少受到5、10和20 Gy的体积(V5、V10和V20)，NT的平均剂量，NT定义为除PTV外的所有正常组织，以上的指标用于评价计划质量。利用出束时间(BOT)评价加速器执行效率，加速器跳数MU评价射线利用率。

4.统计学处理：数据经检验符合正态分布，用x±s表示。采用SPSS 23.0软件进行统计学分析，利用双侧配对t检验，对FJ2.5、DJ2.5和DJ5.0治疗计划的剂量学差异、出束时间以及机器跳数进行分析。P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1. 3组计划的剂量学结果：FJ2.5、DJ2.5和DJ5.0计划的靶区和OAR在10例患者中的平均值和统计分析结果列于表 1。3种计划的靶区平均剂量、CI和HI均能满足临床要求。与DJ5.0计划相比，FJ2.5计划的双肺V5和平均剂量均增加，差异有统计学意义(t=9.751、4.163，P < 0.05)，而DJ2.5计划的双肺V5、V20、V30和平均剂量差异无统计学意义(P>0.05)；与DJ2.5计划相比，FJ2.5计划的双肺V5、V20、V30和平均剂量均增加，差异有统计学意义(t=8.289、6.142、3.137、8.895，P < 0.05)。与DJ5.0计划相比，FJ2.5计划的心脏V40和最大剂量均降低，差异有统计学意义(t=-2.440、-4.761，P < 0.05)，DJ2.5计划的心脏V30、V40、平均剂量和最大剂量均降低，差异有统计学意义(t=-2.454、-3.275、-4.192、-6.435，P < 0.05)；与DJ2.5计划相比，FJ2.5计划的心脏V30和平均剂量均增加，差异有统计学意义(t=3.597、4.565，P < 0.05)。与DJ5.0计划相比，DJ2.5计划的脊髓PRV最大剂量降低，差异有统计学意义(t=-4.122，P < 0.05)；与DJ2.5计划相比，FJ2.5计划的脊髓和脊髓PRV最大剂量均增加，差异有统计学意义(t=3.782、5.429，P < 0.05)。与DJ5.0计划相比，FJ2.5计划的正常组织V5、V10和平均剂量均增加，差异有统计学意义(t=11.840、10.321、3.745，P < 0.05)，DJ2.5计划的正常组织V20和平均剂量均降低，差异有统计学意义(t=-4.139、-6.431，P < 0.05)，而DJ2.5计划的V5和V10差异无统计学意义(P>0.05)；与DJ2.5计划相比，FJ2.5计划的正常组织V5、V10、V20和平均剂量均增加，差异有统计学意义(t=16.421、12.496、8.286、11.933，P < 0.05)。

表 1 3组计划的靶区和危及器官统计结果(x±s) Table 1 Statistical results of PTV and OARs for treatment plans of three groups(x±s)

2.治疗计划的执行效率以及机器的利用效率：FJ2.5、DJ2.5和DJ5.0的治疗计划平均出束时间分别为497.1、488.1和279.0 s，与FJ2.5和DJ2.5计划相比，DJ5.0计划的平均出束时间分别缩短43.9%和42.8%，差异有统计学意义(t=14.591、14.296，P < 0.05)，FJ2.5和DJ2.5计划的平均出束时间相差1.2%；FJ2.5、DJ2.5和DJ5.0计划的平均机器跳数分别为6 842、6 954和3 911 MU，与FJ2.5和DJ2.5计划相比，DJ5.0计划的的平均机器跳数分别减少42.8%和43.8%，差异有统计学意义(t=14.699、14.274，P < 0.05)，FJ2.5和DJ2.5计划的平均机器跳数相差1.6%。DJ5.0计划从出束时间和机器利用率上要明显优于FJ2.5和DJ2.5计划。

讨论

本研究报道了动态钨门技术在中段食管癌螺旋断层放疗中的应用。实验结果表明，与固定钨门技术相比，同样宽度的动态钨门可以有效地降低危及器官的受照剂量，尤其是危及器官的低剂量受照范围变小，这与国外的动态钨门技术应用的报道一致[7-8]。实验结果还表明5.0 cm动态钨门计划比2.5 cm固定钨门计划执行效率和机器利用率要高，出束时间和机器跳数可以分别减少43.9%和42.8%，并且DJ5.0计划的双肺V5和平均剂量，以及正常组织V5、V10和平均剂量均显著降低，尽管靶区的均匀性和适形度变差，但仍在临床可接受的范围，动态钨门在靶区边缘头脚方向剂量的迅速跌落可能是造成均匀性和适形度变差的原因。从实验结果还可以看出，2.5 cm动态钨门计划的靶区均匀性和适形度最好；在双肺、心脏、脊髓和正常组织的保护方面明显优于2.5 cm固定钨门计划，执行效率和机器利用率方面相当；而2.5 cm动态钨门计划仅在心脏和脊髓的保护方面明显好于5.0 cm动态钨门计划，但执行效率和机器利用率却显著的降低了，分别减少42.8%和43.8%。

放射性肺炎与肺的V20和平均剂量密切相关[9-11]，除此之外，肺的V5或V10等低剂量受照范围也是风险因素之一[1]。实验结果表明，在中段食管癌的放疗中，采用动态钨门技术可以有效降低肺的低剂量受照范围和平均剂量，可以减少放射性肺炎发生的可能性[12]；动态钨门技术还可以有效降低正常组织器官的V5、V10等低剂量受照范围，可以使由于大体积的正常组织器官受到低剂量照射而诱发的二次肿瘤的风险减少，其中正常组织保护更好的原因是靶区边缘头脚方向剂量半影的减少。

常规的螺旋断层调强放疗固定钨门方式有相对治疗时间长的缺点，有报道称通过缩短摆位和图像配准时间、调整螺距和调制因子，以及少使用1 cm钨门等方式可以减少平均总治疗时间7.7 min[13]。实验结果表明，动态钨门技术比更窄的固定钨门可以极大的缩短治疗时间而不影响计划质量，通过实验结果可以看出，5.0 cm的动态钨门比2.5 cm的固定钨门缩短了44%的治疗时间，并具有同样或更好的计划质量。

按第8版美国癌症联合委员会/国际抗癌联盟(AJCC/UICC)食管癌病变部位分段标准，将食管癌分为：颈段、胸上段、胸中段和胸下段[14]。其中，胸中段长度约5 cm，从奇静脉至肺下静脉；胸下段约10 cm，自肺下静脉至贲门口。本研究考虑胸中段食管癌靶区与肺的交集范围较大，肺是重点保护的危及器官，故只针对中段食管癌进行研究，这可能也是本研究的一个局限。与中段食管癌相比，颈段和胸上段食管癌的靶区与肺的交集范围相对较小，周边主要危及器官类似，可以推断本研究的结果应该适用于这些部位；而对于胸下段食管癌的靶区，虽然与肺的交集范围相对较小，但周边还有肝脏、胃、小肠和结肠等危及器官需要保护，本研究的结果不一定适用，故还需要进一步的研究；如果食管癌有多处病变，需要进行全段食管癌放疗时，涉及到的危及器官数量较多，而且靶区比较长，仍需要进一步的研究。

综合考虑，与2.5 cm固定钨门和动态钨门技术相比，5.0 cm动态钨门技术可以缩短治疗时间、减少加速器机器跳数，从而整体提高了治疗效率，而且对于危及器官，如双肺及其周围正常组织的保护方面，比2.5 cm固定钨门技术具有剂量学优势，故综合考虑计划质量和效率，建议使用5.0 cm动态钨门技术用于中段食管癌的螺旋断层调强放疗。2.5 cm动态钨门技术的计划质量最好，如果只是考虑计划质量，建议使用2.5 cm动态钨门技术治疗中段食管癌。

志谢 本项目由中国癌症基金会北京希望马拉松专项基金(LC2018B07)资助
利益冲突 无
作者贡献声明 刘志强负责数据收集和整理、数据分析和论文撰写；胡志辉负责协助数据分析；戴建荣负责实验总体设计、论文修改
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