中华放射医学与防护杂志  2020, Vol. 40 Issue (8): 612-617   PDF    
引用本文
张喜乐, 杨瑞杰, 孟娜, 李孟昭, 王俊杰, 庄洪卿, 田素青. Halo-Vest支架对颈椎原发恶性肿瘤放疗剂量分布的影响[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2020, 40(8): 612-617, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2020.08.007.
Halo-Vest支架对颈椎原发恶性肿瘤放疗剂量分布的影响
张喜乐 , 杨瑞杰 , 孟娜 , 李孟昭 , 王俊杰 , 庄洪卿 , 田素青     
北京大学第三医院肿瘤放疗科 100191
收稿日期: 2019-09-23
基金项目: 北京市自然科学基金(7202223);北京市科技计划课题(Z201100005620012);首都卫生发展科研专项(2020-2Z-40919)
通信作者: 杨瑞杰, Email:ruijyang@yahoo.com
[摘要] 目的 探讨Halo-Vest支架对颈椎原发恶性肿瘤不同放疗技术剂量分布的影响。方法 选择10例曾接受Halo-Vest支架手术后进行放射治疗的颈椎原发恶性肿瘤患者进行回顾性研究，使用Monaco计划系统，在勾画Halo-Vest支架结构外轮廓的CT序列图像上设计调强放疗（IMRT）和容积旋转调强放疗（VMAT）计划，然后复制相同射野参数的IMRT和VMAT计划到不勾画Halo-Vest支架结构外轮廓的CT序列图像上重新计算剂量分布，比较靶区、危及器官和正常组织的剂量分布差异。结果 对于VMAT计划，两组计划的计划靶区（PTV）和计划肿瘤靶区（PGTV）的剂量学参数除PGTV107%外的各参数平均差异均 < 1%。相比外轮廓勾画Halo-Vest支架，外轮廓不勾画支架的图像计算的脊髓和脊髓-PRV平均最大剂量分别增加0.38和0.42 Gy（Z=-2.803、-2.803，P < 0.05），脊髓和脊髓PRV Dmean分别增加0.35和0.37 Gy（Z=-2.703、-2.801，P < 0.05）。黏膜、甲状腺、腮腺、下颌骨、下颌关节和正常组织的V5、V30和Dmean最大差异为0.74%。对于IMRT计划，两组计划的PTV和PGTV间剂量学参数差异较VMAT技术的差异增大，大部分差异超过1%，最大差异为4.55%。相比外轮廓勾画Halo-Vest支架，外轮廓不勾画支架的图像计算的脊髓平均最大剂量和脊髓-PRV最大剂量分别增加0.48和0.59 Gy（P>0.05），脊髓和脊髓PRV的平均Dmean分别增加0.57和0.59 Gy（Z=-2.293、-2.293，P < 0.05）。其他危及器官的最大差异为1.98%。结论 CT图像外轮廓勾画或不勾画Halo-Vest支架结构，VMAT计划间剂量差异很小，临床上可以忽略，但IMRT计划间剂量差异偏大，需要考虑忽略或部分勾画Halo-Vest支架结构的外轮廓时对剂量分布带来的影响。
[关键词] Halo-Vest支架    外轮廓    容积旋转调强放射治疗    固定野调强放射治疗    剂量    
Effect of Halo-Vest on dose distribution of radiotherapy for primary cervical spine malignant tumors
Zhang Xile , Yang Ruijie , Meng Na , Li Mengzhao , Wang Junjie , Zhuang Hongqing , Tian Suqing     
Department of Radiation Oncology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
Fund programs: Natural Science Foundation of Beijing (7202223); Beijing Municipal Commission of Science and Technology Collaborative Innovation Project (Z201100005620012); Beijing Capital Special Research Project of Health Development (2020-2Z-40919)
Corresponding author: Yang Ruijie, Email: ruijyang@yahoo.com
[Abstract] Objective To investigate the effect of Halo-Vest on the dose distribution of different radiotherapy techniques for primary cervical spine malignant tumors. Methods Ten patients with primary cervical spine malignancies who underwent radiotherapy after Halo-Vest surgery were retrospectively studied. The IMRT and VMAT plans were designed on the contoured CT images including Halo-Vest delineations using Monaco planning system. The IMRT and VMAT plans with the same field parameters were duplicated to the CT images without the Halo-Vest delineations, and the dose distribution was recalculated. The dose distribution of the target, organs at risk and normal tissues was analyzed and compared for the plans with and without the Halo-Vest delineation. Results For most dosimetric parameters of VMAT plans, the mean deviations induced by the Halo-Vest were less than 1%, except for PGTV107%. Without Halo-Vest delineation, the mean maximum dose of spinal cord and spinal cord-PRV increased by 0.38 Gy and 0.42 Gy (Z=-2.803, -2.803, P < 0.05), respectively. The mean Dmean of spinal cord and spinal cord PRV increased by 0.35 Gy and 0.37 Gy, respectively (Z=-2.703, -2.701, P < 0.05). The maximum deviation observed in the mean V5, V30, and Dmean of mucosa, thyroid, parotid gland, mandible, mandibular joint, and normal tissues was 0.74%. For IMRT plans, larger dosimetric deviations than VMAT plans were observed in PTV and PGTV, most of which were more than 1.0% and the maximum deviation was 4.55%. The absence of Halo-Vest delineation increased the mean maximum dose of spinal cord and spinal cord-PRV by 0.48 Gy and 0.59 Gy (P>0.05), respectively. The mean Dmean of spinal cord and spinal cord PRV increased by 0.57 Gy and 0.59 Gy, respectively (Z=-2.293, -2.293, P < 0.05). The maximum deviation of other organs at risk was 1.98%. Conclusions There are no clinically significant dose differences for VMAT planning with or without Halo-Vest delineation on the CT images. But the dosimetric impact of absent or partial Halo-Vest delineation on IMRT planning is relatively large and should be considered.
[Key words] Halo-Vest    Contour    Volumetric-modulated arc therapy    Intensity-modulated radiation therapy    Dose    

每年新增脊柱原发恶性肿瘤占恶性骨肿瘤的10%[1]，手术是脊柱原发肿瘤的首选治疗[2]。由于颈椎结构复杂和椎动脉的存在，手术难度大、风险高，易复发[3]，应积极行辅助术前或术后放疗[4]。

近年来，加速器调强放射治疗、射波刀和质子治疗等复杂放疗技术广泛用于椎体恶性肿瘤治疗[5-7]。多数颈椎肿瘤患者术前易发生病理性骨折或术后放疗前需要进行复位固定，需要外置器具支架进行固定[8]。Halo-Vest头环背心支架(简称Halo-Vest支架)是固定颈椎常用外固定装置[9]。Halo-Vest支架包括头环、可调连接杆装置和背心三部分，其中头环和连接杆部分是由钛合金等金属制成[10]。作为一种体外辅助装置，支架部分钛合金材料密度大，对射线有衰减。放疗计划设计时，射野内包含Halo-Vest支架时，射线穿过支架也会影响剂量计算的准确性。蒙特卡罗算法是剂量计算中的“金标准”，特别是计算体积中包含不均匀组织时[11-12]，能够减少计算的不确定度。支架固定患者CT图像扫描后导入计划系统，有些计划系统需要手动勾画外轮廓或设置感兴趣区自动勾画外轮廓进行后处理时，容易忽略或者勾画部分Halo-Vest支架结构，影响剂量计算的准确性，但目前尚未有系统性研究。本研究目的是探讨Halo-Vest支架对颈椎原发恶性肿瘤不同调强放疗技术的剂量分布的影响。

资料与方法

1.一般临床资料：选择2013年3月至2017年5月北京大学第三医院行Halo-Vest架辅助固定接受放射治疗的颈椎原发恶性肿瘤患者10例，均采用真空垫固定，治疗范围为C1~T1，其中男性6例，女性4例，患者年龄22~72岁，中位年龄44岁，术前辅助放疗9例，术后辅助放疗1例。

2. Halo-Vest支架：Halo-Vest支架的头环和连接杆部分是由钛合金金属(密度为4.51 g/cm3)制成，背心胸部固定部分是聚丙烯材料(密度为0.91 g/cm3)。治疗计划使用的Monaco治疗计划系统(瑞典医科达公司，版本号5.11.03)，验收测试时建立不同密度物质相应的CT值-密度转换表，以保证计划系统剂量计算准确性：测量CT值范围为：-1 000~3 071 HU，密度范围为0~4.51 g/cm3，覆盖Halo-Vest支架材料密度范围。

3.患者模拟定位：10例Halo-Vest架辅助固定患者均采用仰卧位，真空垫固定模拟定位，使用Brilliance BigBore 16排CT模拟机(荷兰Philips公司)，3 mm扫描层厚，扫描范围为椎体病变部位上下各10 cm，由同一放疗主管医师勾画靶区及危及器官。

4.靶区和危及器官勾画：使用CT-MRI图像融合进行靶区勾画，勾画大体肿瘤体积(GTV)、临床靶区(CTV)、计划靶区(PTV)和计划肿瘤体积(PGTV)。PTV上下各6 mm层面范围内勾画脊髓[13]，脊髓外扩3 mm得到PRV，同时勾画甲状腺、腮腺、下颌骨和黏膜等其他危及器官，正常组织定义为整个外轮廓内体积减去PTV。勾画外轮廓时分别勾画和不勾画Halo-Vest支架结构，见图 1。

图 1 1例患者外轮廓结构图  A.外轮廓不勾画Halo-Vest支架结构；B.外轮廓勾画Halo-Vest支架结构 Figure 1 The illustration of body contour for one case  A. Body contoured with Halo-Vest structure; B. Body contoured without Halo-Vest structure

5.治疗计划设计：从既往计划中导出相关图像及结构，导入到Monaco计划系统，在勾画Halo-Vest支架结构外轮廓CT序列图像上重新设计IMRT和VMAT计划，然后复制相同参数的IMRT和VMAT计划到不勾画Halo-Vest支架结构外轮廓CT序列图像上重新计算剂量分布。剂量计算算法为X射线蒙特卡罗算法(X-ray voxel Monte Carlo，XVMC)，剂量计算网格默认为3.0 mm，每个控制点计算时统计误差不确定度设置为2.0%。

治疗计划设计采用的6 MV光子线，固定机架角调强放疗(IMRT)和容积旋转调强(VMAT)两种技术。IMRT计划使用5个非均匀分布的共面射野，射野角度分别为255°、225°、180°、135°、105°。VMAT计划使用双弧照射，弧角度范围178°~181°，小机头角度为为0°。处方剂量为PTV 44 Gy/22次，PGTV 60 Gy/22次。PTV和PGTV的95%体积达到处方剂量，D98%>95%处方剂量，D2% < 107%处方剂量。脊髓D0% < 45 Gy，脊髓PRV D1% < 48 Gy；甲状腺Dmean < 45 Gy；腮腺D50% < 35 Gy，Dmean < 25 Gy；下颌骨和黏膜D2% < 60 Gy。

6.剂量学差异比较：分别比较CT图像外轮廓勾画和不勾画Halo-Vest支架结构时，IMRT和VMAT计划各自的靶区、危及器官和正常组织的剂量分布差异。靶区剂量差异比较参数有D98%、D2%、D50%、Dmean、接受处方剂量95%的体积(PTV95%/PGTV95%)、PGTV107%、靶区均匀性指数(HI)和适形指数[14](CI)。危及器官剂量差异比较脊髓D0%(Dmax)、Dmean；脊髓PRV D1%、Dmean；黏膜、甲状腺、下颌骨、腮腺及正常组织的V5、V30、Dmean[13-14]。

7.统计学处理：使用SPSS 26.0软件对CT图像外轮廓勾画和不勾画Halo-Vest支架结构时，测量结果符合正态分布使用x±s表示，IMRT和VMAT计划的剂量分布差异进行非参数Wilcoxon符号秩和检验，P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1.靶区剂量分布差异：10例患者的CT图像外轮廓分别勾画和不勾画Halo-Vest支架结构，VMAT和IMRT计划的靶区剂量分布差异见表 1。对于VMAT计划，两组计划的PTV和PGTV平均D2%、D98%、D50%、Dmean、PTV95%和PGTV95%差异均有统计学意义(Z=-2.805、-2.803、-2.807、-2.805、-2.201、-2.807、-2.803、-2.805、-2.803、-2.552，P < 0.05)，差异均 < 1%；两组计划剂量差异最大为PGTV107%，平均为2.32%，差异有统计学意义(Z=-2.810，P < 0.05)；PTV和PGTV平均CI、HI差异较小。

表 1 靶区的剂量学参数比较(x±s) Table 1 Inter-plan dosimetric comparison of PTV and PGTV(x±s)

对于IMRT计划，两组计划的PTV和PGTV平均D2%、D98%、D50%、Dmean、PTV95%和PGTV95%较VMAT技术增大，最大差异为1.76%，最小差异为0.61%；两组计划的PGTV107%差异最大，为4.60%，差异有统计学意义(Z=-2.374，P < 0.05)。两组计划间PGTV的平均CI差异较大(0.12)。

2.危及器官和正常组织剂量分布差异：10例患者的CT图像外轮廓分别勾画和不勾画Halo-Vest支架结构，VMAT和IMRT计划的靶区、危及器官和正常组织的剂量分布差异统计见表 2。对于VMAT计划，相比CT图像外轮廓勾画Halo-Vest支架，不勾画该结构时计算得到的脊髓平均最大剂量(D0%)和脊髓-PRV最大剂量(D1%)分别增加0.38和0.42 Gy(Z=-2.803、-2.803，P < 0.05)，脊髓和脊髓PRV的Dmean分别增加0.35和0.37 Gy，差异有统计学意义(Z=-2.703、-2.701，P < 0.05)。不勾画Halo-Vest支架时，黏膜、甲状腺、腮腺、下颌骨、下颌关节和正常组织的V5、V30和Dmean最大差异为0.74%。

表 2 危及器官和正常组织剂量分布差异(x±s) Table 2 Inter-plan dosimetric comparison of organ at risk and normal tissue(x±s)

对于IMRT计划，相比CT图像外轮廓勾画Halo-Vest支架，不勾画该结构时计算得到的脊髓平均最大剂量(D0%)和脊髓-PRV最大剂量(D1%)分别增加0.48和0.59 Gy(P>0.05)，脊髓和脊髓PRV的Dmean分别增加0.57和0.59 Gy(Z=-2.293、-2.293，P < 0.05)。黏膜、甲状腺和正常组织的V5、V30和Dmean有所增加，最大差异为1.98%。

讨论

本研究探讨了外固定Halo-Vest支架对于颈椎肿瘤放疗计划剂量计算的影响，以及临床上行Halo-Vest架辅助固定接受放射治疗患者计划设计时使用不同的放疗技术应注意的问题。

人体中包含很多不同密度和辐射特性的组织和结构，如肺、口腔、牙齿和骨骼等，也包括植入人体的异物如高原子序数高密度金属假体等，需要精确计算非均匀人体中的剂量分布[15]。计划系统剂量计算的准确性直接影响靶区剂量和危及器官受量，影响治疗疗效和不良反应发生概率[16]。美国医学物理学家协会(AAPM) TG 63号报告中，均匀水模体中包含3 cm宽的钴铬钼合金材料，使用6 MV和18 MV射线照射，研究合金材料对射线PDD曲线的影响发现，水-金属界面产生建成效应，发生剂量分布扰动，剂量差异超过10%[17]。因此，高能射线与金属材料的相互作用，通过衰减作用和材料界面建成效应对射线影响。金属材料CT成像时产生的条状伪影，会影响靶区和危及器官的勾画及CT值准确性，最终影响计划系统剂量计算的准确性[18]。目前有很多研究关于如何减少CT图像金属伪影对剂量影响[19-20]。本文研究的Halo-Vest属于体外辅助装置，虽然头环部分对图像的影响较大，但由于头环和连接杆金属部分与治疗靶区和危及器官有一定距离，受金属伪影影响较小，故该研究没有涉及伪影对剂量影响。

临床放射治疗中，为了保证治疗摆位精度，使用真空垫或者热塑膜加固定体板进行治疗。为了减少这些固定装置对射线的影响，这些固定材料通常使用碳纤维材料或近似水等效材料。对于颈椎肿瘤患者，术前或术后放疗前需要进行复位固定，需要外置器具支架进行固定。此类Halo-Vest支架非水等效金属材料对射线衰减更强，同时反射的次级散射电子也会影响靶区和危及器官的实际受量[17]。患者CT扫描图像后导入计划系统后，勾画的外轮廓时不包括或者勾画部分Halo-Vest支架结构，也会引起剂量计算不准确，同时制定放疗计划时布野时也尽量避开头环和连接杆部分。本研究中，VMAT计划的大部分靶区和危及器官结构剂量差异 < 1%，Halo-Vest支架对VMAT计划的剂量影响较小。但对于IMRT计划，计划布野时没有考虑避开Halo-Vest支架的头环和连接杆部分，结果显示这种情况下靶区和危及器官结构的差异较大，部分差异超过1%。因此为避免外轮廓勾画不全对剂量计算的影响，制定IMRT计划布野时可以考虑特定射野角度避开Halo-Vest支架。

脊髓属于串行器官，脊髓受到高剂量照射可引起严重的放射性脊髓炎，因此在颈椎的放射治疗中，脊髓作为重要的危及器官需要特别考虑，避免放射性脊髓炎的发生[21]。同时颈椎肿瘤患者因压迫脊髓伴有疼痛，很难长时间保持一个固定的体位进行治疗，治疗过程中患者会不自主运动，加上Halo-Vest支架固定，治疗摆位条件不易重复，造成治疗时剂量偏差。通过治疗前和治疗中的影像引导技术可保证靶区精确定位在1~2 mm内，同时选择治疗时间短的放疗技术，如VMAT技术，有助于减轻患者不适感，减少分次内患者体位移动和器官运动等不确定性因素对剂量的影响[22]。

因此，对于CT图像外轮廓分别勾画和不勾画Halo-Vest支架结构，VMAT计划计算的大部分靶区和危及器官结构的剂量偏差 < 1%，无明显差异。IMRT计划计算的靶区和危及器官结构的剂量偏差偏大，部分差异超过1%，需要考虑外轮廓忽略或部分勾画Halo-Vest支架结构对剂量计算精确性带来的影响。

利益冲突  本人与本人家属、其他研究者，未因进行该研究而接受任何不正当的职务与财务利益，在此对研究的独立性和科学性予以保证

作者贡献声明  张喜乐负责设计研究方案，收集、整理数据和统计分析，论文撰写；杨瑞杰提供科研思路和科研方案指导，指导修改论文；孟娜、庄洪卿和田素青负责病例的靶区和危及器官勾画；李孟昭协助采集数据；王俊杰负责指导监督试验进行

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