自动羽化技术在射野衔接处的剂量鲁棒性研究

魏夏平，苏洁洪(通信作者)，黄小伟，朱毅，董彦鑫，刘叶明，黄明超

1 广州中医药大学金沙洲医院肿瘤放射治疗中心 (广东广州 510080)；
2 东莞理工学院 (广东东莞 523808)

在放射治疗中，使用直线加速器对长靶区(长度超过40 cm)进行照射是较为复杂的技术，这是因为常规直线加速器最大射野为40 cm×40 cm，1个射野往往不能覆盖全靶区，如全脑全脊髓放射治疗，通常需设置多个等中心进行射野衔接才能完成整个靶区的照射[1-2]。由于摆位误差的存在，传统照射方法极易在射野衔接处出现剂量冷热点[3-4]。靶区内出现剂量冷点容易导致肿瘤复发，靶区内出现剂量热点则可导致严重不良反应。目前，基于直线加速器设备的调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)和容积调强弧形治疗(volumetric modulated arc therapy，VMAT)、基于螺旋断层放射治疗(helical tomotherapy，TOMO)已被广泛用于全脑全脊髓等长靶区的治疗中[5-7]。但是基于直线加速器的IMRT、VMAT技术在治疗计划系统(treatment planning system，TPS)未搭配自动羽化技术的情况下对长靶区进行照射则较为烦琐。为了避免冷热点重复在同一区域出现，在治疗过程中需多次修改计划，调整射野衔接位置。TOMO设备的照射范围为40 cm×135 cm，可轻松地照射长靶区，且不存在射野衔接问题。但目前国内拥有TOMO设备的放疗医疗中心较少，因此TOMO放疗尚未被推广。美国瓦里安公司的治疗计划系统Eclipse 15.6版本具有自动羽化技术，可实现让2个衔接射野在射野交叠处的剂量1个缓慢减少，另1个缓慢增加，形成柔性平缓叠加，使交叠区域的剂量达到100%的处方剂量。因此，在直线加速器上设计双中心或多中心计划变得更简单，治疗过程中操作更便捷、剂量更安全[8]。自动羽化技术的最大优点即射野衔接处射野的剂量自动羽化，无须进行额外处理，仅需在布野时，使射野之间有一定交叠长度即可。本研究通过在双中心VMAT计划中设置不同的射野交叠长度来评估和验证Eclipse 15.6的自动羽化技术在射野衔接处的剂量学特点及引入摆位误差时剂量的鲁棒性，为长靶区的双中心自动羽化计划设计提供射野衔接长度设置的参考。

1.1 仪器与材料

治疗机器为美国瓦里安公司的TrueBeam 2.7直线加速器，模拟定位CT采用德国西门子公司的SOMATOM Confidence 4D大孔径CT，TPS是美国瓦里安公司的Eclipse 15.6版本；
测量设备为德国PTW公司的钻石探头；
模体为美国CIRS公司的胸部模体Thorax model 002LFC。

1.2 定位方法

将CIRS胸部模体在CT模拟机上按1 mm层厚扫描，然后传输至瓦里安Eclipse 15.6版本TPS上。如图1所示，在模体的IC_1位置上画1个底面直径2.5 cm、高20 cm的圆柱体作为计划靶区(planning target volume，PTV)。由于整个胸部模体的长度都不超过40 cm，因此只能将这个20 cm长的PTV假设为长靶区，然后对PTV设计2组双中心计划。

图1 CIRS胸部模体

1.3 计划设计

1.3.1自动羽化计划

自动羽化计划和不使用自动羽化的计划都是使用2个治疗中心，1个治疗中心使用1条全弧。组1中，2条弧射野交叠5 cm，PTV内剂量分布尽量均匀；
用Dose Profile工具在冠状面头脚方向画1条直线，显示出靶区头脚方向Profile剂量曲线，如图2所示，交叠区域中Field 1的剂量逐渐减少，Field 2的剂量则逐渐增加。组2的自动羽化计划，2条弧射野交叠10 cm，PTV内剂量分布尽量均匀，如图3的Dose Line Profile可见，交叠区域中Field 1的剂量逐渐减少，Field 2的剂量则逐渐增加，使得整个交叠区域的靶区剂量达到100%。

图2 射野交叠5 cm自动羽化的双中心计划

图3 射野交叠10 cm自动羽化的双中心计划

1.3.2不使用自动羽化的计划

不使用自动羽化的计划与自动羽化计划布野方式和优化参数一致，优化计算时关闭自动羽化技术。组1不使用自动羽化计划的射野交叠5 cm，如图4的Dose Line Profile可见，交叠区域中Field 1的剂量逐渐减少，到横坐标Distance=12 cm处出现了1个“平台”，然后再继续减少；
Field 2的剂量逐渐增加，到Distance=12 cm处出现了1个“平台”，然后再继续增加；
在Distance为10～11 cm，Field 1由100%迅速地递减至50%，在14～15 cm，Field 1由30%迅速降至1%。组2不使用自动羽化计划的射野交叠10 cm，如图5的Dose Line Profile可见，在Distance为6～7 cm，Field 1由100%迅速地递减至60%，在16～17 cm，Field 1由40%迅速地降至1%。

图4 射野交叠5 cm不使用自动羽化的双中心计划

图5 射野交叠10 cm不使用自动羽化的双中心计划

1.4 点剂量测量

如图1右下角所示，在模体中插入PTW的钻石探头来测量点剂量，首先使用锥形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)确认模体正确摆位，然后将Field 1和Field 2出束测得模体正确摆位的剂量读数作为参考值，Field 1测量位置不变，Field 2模拟摆位偏差，分别为进床1 mm(退床1 mm)、进床3 mm(退床3 mm)、进床5 mm(退床5 mm)，将测得的剂量与参考值进行比较。

2.1 点剂量测量

组1射野交叠5 cm时，测得的数据如图6所示，可知在不使用自动羽化的计划在摆位误差是+5 mm(即2个射野过重叠5 mm)时，射野交叠处增加了33.61%的剂量，自动羽化计划仅增加了13.62%，自动羽化计划表现出相对高的鲁棒性和安全性。组2射野交叠10 cm时，测得的数据如图7所示，可知在不使用自动羽化的计划在摆位误差是+5 mm时，射野交叠处增加了35.37%的剂量，自动羽化计划仅增加了4.15%，明显低于组1射野交叠5 cm的自动羽化计划，说明自动羽化计划射野交叠的距离从5 cm增加到10 cm时，羽化的效果变得更好，鲁棒性更好，出现摆位误差时，射野交叠处的剂量不会出现暴增或者暴减，故治疗是安全的。

图6 组1射野交叠5 cm自动羽化计划与不使用自动羽化计划比较

图7 组2射野交叠10 cm自动羽化计划与不使用自动羽化计划比较

2.2 临床治疗的全脑全脊髓自动羽化计划分析

回顾性分析本科室使用直线加速器治疗的6例全脑全脊髓病例的资料，如图8所示，全脑全脊髓的自动羽化计划使用3个等中心，其中全脑靶区设置1个等中心，2个全弧；
胸段靶区设置1个等中心，1个全弧；
腰段靶区设置1个等中心，1个全弧。两两等中心之间都设置了10 cm长的射野交叠。图8中交叠区域Field 2的剂量逐渐减少，Field 3的剂量逐渐增加，使得整个交叠区域的靶区剂量达到100%处方剂量。由于临床病例难以直接测量，因此该分析仅在TPS中模拟分析。图8 Field 2的等中心保持不变，Field 3的等中心引入±1、±3、±5 mm的摆位误差，使得Field 2和Field 3过重叠。引入摆位误差后射野重叠区域靶区的最高点剂量与原计划射野重叠区域的最高点剂量进行比较。6例全脑全脊髓病例自动羽化计划的TPS模拟摆位误差结果如表1所示，当出现1 mm摆位误差时，射野交叠处剂量增加了0.25%；
当出现3 mm摆位误差时，射野交叠处剂量增加了2.26%；
当出现5 mm摆位误差时，射野交叠处剂量增加了5.56%。由此说明，全脑全脊髓自动羽化计划射野衔接处的射野交叠长度为10 cm时，射野衔接处的剂量的羽化效果较好。

在放射治疗中，照射长靶区是1项复杂的治疗技术，因为在计划中需使用多中心技术，不同等中心射野之间的衔接问题就变得非常重要[9-10]。如全脑全脊髓照射，传统的方法是全脑对穿联合脊髓单野照射，为使交叠处剂量均匀，需设置合适的准直器角度、床角和射野大小。但在治疗过程中发现，由于摆位误差的存在，导致无法避免交叠处的冷热点。而为了避免冷热点重复在同一区域出现，在治疗过程中需多次修改计划，调整射野衔接位置，导致整个治疗过程耗时费力。IMRT、VMAT、TOMO等调强技术的发展，使全脑全脊髓等长靶区照射更加容易[11-12]。然而，射野衔接处的处理依然是一个挑战，在治疗时既要保证无摆位误差时射野交叠区域剂量均匀，又要保证有摆位误差时射野交叠区域的剂量鲁棒性。Fogliata等[13]和Lee等[14]提出了将靶区交叠法策略应用于全脑全脊髓VMAT治疗中，但未指出等中心偏移对射野衔接处剂量均匀性的影响。Myers等[15]和Strojnik等[16]提出通过梯度优化法来行全脑全脊髓VMAT治疗，报道了在射野交叠长度均大于10 cm时，头脚方向有5 mm的偏移，靶区交叠法策略和梯度优化法技术的最大剂量分别为118%和108%。

本研究中的自动羽化计划采用瓦里安Eclipse 15.6版本的TPS上的自动羽化技术，可让2个衔接射野在射野衔接处的剂量1个缓慢减少，另1个缓慢增加，形成柔性平缓叠加，使得交叠区域的剂量达到100%的处方剂量。射野衔接处的剂量不会因为摆位误差出现较大冷热点，表现出极好的剂量鲁棒性，使得在直线加速器上的双中心或多中心计划的设计更容易，治疗操作更便捷、剂量更安全。通过比较发现，使用自动羽化技术的双中心计划比不使用自动羽化技术的双中心计划能更好地降低摆位误差带来的剂量不确定性，确保治疗的安全性，不会由于出现摆位误差而使射野交叠，从而导致剂量暴增。随着射野交叠长度的增加，当交叠长度为10 cm时，自动羽化的效果更好，即当出现同等摆位误差数据时，射野衔接处的剂量变化更小、更安全。但如过多地增加射野交叠长度，因此会使得射野不够长，覆盖不全靶区，可能需要增加等中心设置，计算起来将更耗时，治疗时间也会相应增加。

综上所述，在双中心计划中使用自动羽化技术的射野衔接处靶区内不会出现明显冷点或热点，有较好的剂量鲁棒性。将射野衔接处的交叠长度设置为10 cm，既能满足临床治疗安全需要，又不会增加计划计算和治疗时间。