任剛，徐壽平，杜鐳，謝傳濱，馬林解放軍總醫(yī)院放療科，北京，100853

螺旋斷層放療系統(tǒng)自適應(yīng)軟件在評(píng)價(jià)腮腺劑量變化中的初步應(yīng)用

【作者】任剛，徐壽平，杜鐳，謝傳濱，馬林解放軍總醫(yī)院放療科，北京，100853

【摘要】介紹了研究螺旋斷層放療（Helical tomotherapy，HT）系統(tǒng)自適應(yīng)軟件系統(tǒng)在評(píng)價(jià)頭頸部癌腮腺劑量學(xué)變化中的應(yīng)用價(jià)值。該自適應(yīng)軟件以HT系統(tǒng)為平臺(tái)，通過(guò)MVCT掃描得到的影像，計(jì)算感興趣區(qū)域?qū)嶋H體積及照射劑量，并以此為基礎(chǔ)決定是否進(jìn)行重新改野以及改野的時(shí)機(jī)，為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)放療提供幫助。本研究以一例鼻咽癌為樣本，評(píng)價(jià)雙側(cè)腮腺在整個(gè)放療過(guò)程中的體積及劑量學(xué)變化。在每周及最后一次行MVCT掃描，共8次圖像系列。隨著治療療程的進(jìn)行，腮腺體積逐漸縮小，接受劑量逐漸增加，腮腺體積變化和V1與D50呈負(fù)性相關(guān)（p均＜0.05）。

【關(guān)鍵詞】螺旋斷層放療；腮腺；頭頸部腫瘤；自適應(yīng)放療

螺旋斷層放療機(jī)（Helical Tomotherapy，HT）是一種直線加速器與螺旋斷層掃描CT的完美結(jié)合[1]的特殊調(diào)強(qiáng)放療系統(tǒng)。因其擁有從360o投照的上萬(wàn)個(gè)子野的特點(diǎn)，具有陡直的劑量曲線，在保證腫瘤靶區(qū)高劑量的同時(shí)保護(hù)了周圍正常組織，因而在解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的頭頸部腫瘤的放療方面更顯其優(yōu)勢(shì)。但在放療過(guò)程中，由于腫瘤及其周圍器官形狀改變、患者體重下降以及擺位誤差等因素影響，腫瘤位置及其周圍解剖結(jié)構(gòu)在不斷變化之中，若按照已定治療計(jì)劃繼續(xù)治療，不但可能加重正常組織的損傷，而且可能造成腫瘤靶區(qū)劑量不足影響療效。利用HT系統(tǒng)自帶的自適應(yīng)計(jì)劃軟件系統(tǒng)（planned adaptive version 3.X），根據(jù)兆伏級(jí)CT（megavoltage computed tomography, MVCT）掃描圖像，監(jiān)測(cè)感興趣區(qū)域（regional of interest，ROI）解剖結(jié)構(gòu)及劑量學(xué)變化，為實(shí)現(xiàn)劑量引導(dǎo)下的自適應(yīng)放療（Dose Guided Adaptive Radiation Therapy，DGART）提供了可能性。本文以1例鼻咽癌計(jì)劃為例，在放療全過(guò)程中對(duì)雙側(cè)腮腺進(jìn)行劑量學(xué)研究，以確定HT自適應(yīng)軟件在評(píng)價(jià)頭頸部腫瘤腮腺體積及劑量學(xué)變化中的應(yīng)用價(jià)值。

1　材料及方法

選取一例31歲局部晚期鼻咽癌男性患者，經(jīng)病理確診為鼻咽低分化鱗癌，2008分期為T2N1bM0，II期。CT掃描時(shí)，先自頭頂向下按層厚3 mm普通掃描至氣管隆突；然后保持體位不變，按照原設(shè)定的參數(shù)重復(fù)進(jìn)行增強(qiáng)掃描；最后將兩次掃描圖像傳輸至Pinnacle3 8.0計(jì)劃系統(tǒng)，由筆者勾畫腫瘤靶區(qū)及正常器官。靶區(qū)勾畫參照ICRU 50號(hào)及62號(hào)報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)，鼻咽部腫瘤及頸部轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)給予70 Gy/33F，高危淋巴引流區(qū)60 Gy/33F，低危淋巴引流區(qū)56 Gy/33F。每周及最后一次放療前行MVCT掃描，范圍包含腮腺及多高危淋巴引流區(qū)。根據(jù)掃描圖像在設(shè)定腫瘤靶區(qū)處方劑量及正常器官限制劑量后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將圖像傳輸至Hi Art TomoTherapy 工作站?；颊呓邮芡椒呕煟煵捎枚辔魉悾?0mg/m2，d1）加順鉑（60 mg/m2，d1）3周重復(fù)方案。

在自適應(yīng)軟件應(yīng)用中，首先調(diào)取治療時(shí)的MVCT掃描圖像，共計(jì)8張MVCT圖像。為了進(jìn)行非均勻組織密度校正的劑量計(jì)算，需要通過(guò)掃描埋入不同電子密度材料的模體，把定位KVCT和MVCT圖像的CT值轉(zhuǎn)換為電子密度值。以CT模擬機(jī)和HT系統(tǒng)掃描模體，每種材料的平均CT值對(duì)應(yīng)為已知的電子密度值，形成的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線結(jié)合到自適應(yīng)軟件中用于劑量計(jì)算。

圖1　在MVCT圖像上電子密度和Hu值的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Mappings of Hounsfield values to electron density in megavoltage computed tomography (MVCT) images.

如圖1所示，MVCT值與電子密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線與定位千伏級(jí)CT（KVCT）相似，可精確地用于劑量的計(jì)算[2]。調(diào)取的MVCT圖像按照治療時(shí)技師記錄的擺位誤差與KVCT圖像進(jìn)行匹配，形成融合圖像(merged image)，由筆者對(duì)照KVCT圖像（圖2）在MVCT上連續(xù)勾畫出16個(gè)腮腺輪廓，然后提交給系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。采用SPSS 13.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有數(shù)據(jù)均以p值＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2　KVCT圖像及原計(jì)劃雙側(cè)腮腺勾畫區(qū)域Fig.2 Kilovoltage computed tomography (KVCT) image and original contour of parotids volume

2　結(jié)果

表1　腮腺體積變化及實(shí)際受照劑量Tab.1 Volume and actual dose of parotids

采用自適應(yīng)計(jì)劃軟件系統(tǒng)計(jì)算雙側(cè)腮腺體積及實(shí)際劑量，列出雙側(cè)腮腺原計(jì)劃所受照射劑量和實(shí)際所接受劑量的劑量－體積直方圖（dose-volume histogram, DVH）。表1為腮腺每周體積變化及當(dāng)次實(shí)際所受劑量。

圖3　第16次治療前MVCT圖像及雙側(cè)腮腺輪廓Fig.3　Megavoltage computed tomography (MVCT) images and news contour of parotids volume

圖4　16次治療時(shí)左右腮腺實(shí)際劑量與計(jì)劃劑量DVH對(duì)比Fig.4 Comparison between the 16th actual parotids dose and plan parotids dose in the DVH

圖3為第16次治療時(shí)MVCT圖像及雙側(cè)腮腺輪廓，圖4為患者在第16次治療時(shí)實(shí)際所受劑量及原計(jì)劃劑量DVH對(duì)比圖，實(shí)線為原計(jì)劃劑量，虛線為實(shí)際劑量。第一次治療時(shí)，左、右側(cè)腮腺的體積分別為17.53 cm3和22.15 cm3。

最后一次治療時(shí)，左、右側(cè)腮腺的體積分別縮小至5.92 cm3和11.51 cm3，分別縮小了66.2%和48.0%，圖5顯示兩側(cè)腮腺體積的相對(duì)值在治療過(guò)程中的變化。與第一次治療時(shí)相比，最后一次治療時(shí)左、右側(cè)腮腺接收1Gy劑量的相對(duì)體積（V1）分別增加了21.5%和15.6%（圖6），左、右側(cè)腮腺50%體積受照劑量（中值劑量，D50）分別升高了36.0%和17.1%（圖7）。雙側(cè)腮腺體積平均下降率為0.67cm3/次治療/天，V1平均增加率為0.28%/次治療/天，中值劑量平均增加率為1.64cGy/次治療/天。腮腺體積與V1（r=-0.8，P＝0.017）和D50（r=-0.839，P＝0.009）呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5　兩側(cè)腮腺體積的相對(duì)值在治療過(guò)程中的變化Fig.5 Relative parotid gland volume variation during treatment course

圖6　兩側(cè)腮腺V1的相對(duì)值在治療過(guò)程中的變化Fig.6 Relative V1 of parotids variation during treatment course

3　討論

HT使用MVCT于治療前行掃描，實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)及患者的重新擺位，消除了擺位引起的誤差[3]。但僅消除擺位誤差是不夠的，其局限性在于調(diào)節(jié)位置變化的前提是假設(shè)患者身體為剛性結(jié)構(gòu)，但就頭頸部腫瘤而言，隨著療程的進(jìn)行患者體重減輕、頭面部逐漸消瘦，因而在每次放療之間靶區(qū)及周圍器官均會(huì)產(chǎn)生位移和形變，腫瘤靶區(qū)及體表標(biāo)記的相對(duì)位置進(jìn)行性改變，可能使得初始治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)不在照射野的正常器官進(jìn)入射野內(nèi)。解剖結(jié)構(gòu)變化越大，就越難以確保原始治療計(jì)劃的實(shí)施。HT系統(tǒng)利用基于直線加速器的MVCT掃描圖像以及自適應(yīng)計(jì)劃軟件進(jìn)行位置及劑量驗(yàn)證，并與初始計(jì)劃對(duì)比，及時(shí)監(jiān)測(cè)并評(píng)價(jià)腫瘤靶區(qū)及其周圍正常器官的位置和實(shí)際劑量，適時(shí)重新進(jìn)行治療計(jì)劃的優(yōu)化，最終使患者的實(shí)際劑量分布基本符合初始治療計(jì)劃的要求，從而可以盡量減少因解剖結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的生物劑量效應(yīng)的改變。以上過(guò)程即為自適應(yīng)放療（Adaptive RadiationTherapy，ART）。

圖7　病人腮腺相對(duì)劑量中值在治療過(guò)程中的變化Fig.7 Relative median parotid gland dose variation during treatment course

在頭頸部腫瘤自適應(yīng)放療的研究中，最受關(guān)注的是腮腺解剖變化對(duì)放療預(yù)后的影響。實(shí)際上，在頭頸部腫瘤的放療過(guò)程中，除腮腺以外腫瘤靶區(qū)及其他危及器官的劑量學(xué)變化較小，因而有學(xué)者為了避免腮腺受到過(guò)高劑量的照射而改野，但相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道并不多見[4]。Banson等[5]以10例頭頸部癌患者為研究對(duì)象，在第19次放療前后重新行螺旋CT掃描，然后勾畫腮腺，再把初始計(jì)劃復(fù)制到新的CT圖像上形成混合計(jì)劃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合計(jì)劃中右側(cè)腮腺的Dmean、D50、V26均高于基于第二次CT定位圖像的改野計(jì)劃。Wang等[6]運(yùn)用相似方法針對(duì)28例鼻咽癌，在第25次放療前重新行CT定位，發(fā)現(xiàn)混合計(jì)劃中左右側(cè)腮腺的Dmean均高于改野計(jì)劃，分別增加了4.23±10.03Gy（p=0.034）和11.47%±18.89%（p=0.003）。但是，單純重新CT定位制定改野計(jì)劃并未考慮到實(shí)際治療時(shí)的擺位誤差，因而也無(wú)法避免結(jié)果的偏倚。

隨著新型數(shù)學(xué)算法逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像研究中，變形配準(zhǔn)算法為自適應(yīng)放療提供了一項(xiàng)有力的工具。利用變形配準(zhǔn)算法可以準(zhǔn)確模擬出實(shí)際的劑量分布，自動(dòng)勾畫感興趣區(qū)域，迅速計(jì)算該區(qū)域接受到的劑量，因而顯著地減少了靶區(qū)及危及器官勾畫的時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)放療技術(shù)提供了便利[7]。由于可以準(zhǔn)確得出每次放療器官的實(shí)際接受劑量，一些學(xué)者便使用變形配準(zhǔn)算法分析腮腺體積及其劑量學(xué)變化的情況[8,9]。Lee等[8]利用MVCT掃描和變形配準(zhǔn)算法分析10例頭頸部癌放療過(guò)程中腮腺實(shí)際受量情況，結(jié)果顯示30%患者腮腺平均單次Dmean超過(guò)初始計(jì)劃的33%，最高達(dá)95%。HT自適應(yīng)軟件擁有變形配比算法的功能，因而可以準(zhǔn)確計(jì)算腮腺接受到的實(shí)際劑量。Han等[9]對(duì)經(jīng)螺旋斷層放療的5例鼻咽癌行回顧性研究，發(fā)現(xiàn)最后一次放療時(shí)腮腺的體積和劑量中值與第一次放療時(shí)相比均發(fā)生了明顯變化（pvolume＝0.001；pmediandose＝0.0005），腮腺平均體積下降率為0.21 cm3/分次/天，平均中值劑量增加率為1.7 cGy/分次/天。該結(jié)果與本文報(bào)告的結(jié)果一致。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，螺旋斷層放療系統(tǒng)自帶的自適應(yīng)軟件作為評(píng)價(jià)放療過(guò)程中危及器官劑量學(xué)變化的有力工具，可更好地配合精確放療技術(shù)。在頭頸部腫瘤放療過(guò)程中，對(duì)腮腺劑量變化較大的患者實(shí)施相應(yīng)的自適應(yīng)計(jì)劃優(yōu)化，最終圓滿完成原定治療計(jì)劃的目標(biāo)。當(dāng)然，該款自適應(yīng)計(jì)劃軟件中涉及的一些技術(shù)（如自動(dòng)勾畫的準(zhǔn)確度、變形算法在累計(jì)劑量中的應(yīng)用，等）還需進(jìn)一步研發(fā)，期盼新一代自適應(yīng)軟件能提升這些方面的功能，為推動(dòng)自適應(yīng)放療技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

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國(guó)際醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)與技術(shù)展覽會(huì)MEDTEC China在滬舉行

由匯科傳訊集團(tuán)和中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)上海市分會(huì)聯(lián)合主辦的國(guó)際醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)與技術(shù)展覽會(huì)（MEDTEC China），于 2010年8月25日-26日在上海國(guó)際展覽中心順利舉行。有來(lái)自15個(gè)國(guó)家及地區(qū)，230多家原始設(shè)備制造商參加展出，推出了最新的上游產(chǎn)品和解決方案。主要包括塑膠加工技術(shù)、樹脂及原料、設(shè)計(jì)制造及軟件。為國(guó)內(nèi)外醫(yī)療設(shè)備與器械制造與設(shè)計(jì)者提供了最新源頭產(chǎn)品。

展會(huì)期間，還舉辦二個(gè)論壇，即法規(guī)論壇和醫(yī)療技術(shù)創(chuàng)新論壇。

法規(guī)論壇有中外FDA代表官員及法律法規(guī)顧問(wèn)闡釋的最新的FDA法規(guī)及國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械法規(guī)。其中有中國(guó)醫(yī)藥國(guó)際交流中心常永亨副主任、上海市藥品監(jiān)督管理局岳偉處長(zhǎng)、美國(guó)FDA中國(guó)部副主任MikeKravchuk等11位作了精彩報(bào)告。

醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新技術(shù)論壇有的四大主題是“電子醫(yī)療產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新”、“醫(yī)療器械包裝設(shè)計(jì)與新技術(shù)”、“先進(jìn)材料的選擇，應(yīng)用及表面處理工藝”及“設(shè)計(jì)及優(yōu)化的制造工藝技術(shù)”。有清華大學(xué)唐勁天教授、復(fù)旦大學(xué)宋志堅(jiān)教授、德州儀器公司李文榮經(jīng)理、微創(chuàng)醫(yī)療器械（上海）微創(chuàng)公司劉道志博士等24位作專題報(bào)告。 通過(guò)對(duì)具體案例的研究，使與會(huì)者從世界知名的行業(yè)專家學(xué)習(xí)到最新的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用。

自2005 年來(lái)，每年一度的國(guó)際醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)與技術(shù)展覽會(huì)MEDTEC China，今年是第6次也是規(guī)模最大，參展商最多，參觀最為涌躍的一次盛會(huì)。 越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)人士的歡迎。

第七屆MEDTEC China 將于2011年9月7-8日再次在上海國(guó)際展覽中心舉辦。

（本刊訊）

【中圖分類號(hào)】R454.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

doi:10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.006

收稿日期：2010-04-06

作者簡(jiǎn)介：任剛，E-mail: rgsn@163.com

通訊作者：馬林，E-mail: malinpharm@sohu.com

文章編號(hào)：1671-7104(2010)05-0335-04

Assessment of Parotid Gland Dose Variations by Helical Tomotherapy Adaptive System in Head and Neck Cancer

【W(wǎng)riters】Ren Gang, Xu Shouping, Du Lei, Xie Chuan-bin, Ma Lin
Department of Radiation Oncology, PLA General Hospital, Beijing, 100853

【Abstract】The paper introduces a helical tomotherapy (HT) adaptive system in assessment of parotid gland dose variation in head and neck cancer. The system, which helical therapy unit is equipped with, is based on megavoltage computed tomography (MVCT) images to calculate the actual volume and dose of region of interest (ROI). Whether to change plan is judged on the fact for the realization of adaptive radiotherapy. One case of nasopharyngeal carcinoma was as a sample to evaluate parotid gland dose variation during the treatment. On every week and last time, patient was scanned by MVCT before treatment, a total of eight MVCT images. As the treatment progressed, the parotid gland volume was shrinking and the dose was increasing. The parotids volume variation was negatively related with D50 and V1 (both P ＜0.05).

【Key words】Helical tomotherapy, parotid gland, head and neck cancer, adaptive radiotherapy