3月合并

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恒茧郁
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1 第 36 卷第 3 期 2019 年 3 月 DOI: /j.issn X Chinese Journal of Medical Physics Vol. 36 No.3 March 2019 医学放射物理肺癌立体定向体部放疗以靶区为准进行锥形束 CT 在线配准的可行性研究孙晓欢, 谭丽娜, 王中飞, 肖锋空军军医大学第一附属医院放疗科, 陕西西安摘要目的 : 在使用锥形束 CT(CBCT) 立体定向体部放疗 (SBRT) 前进行位置验证时, 由于呼吸运动, 容易导致以骨性标志或外轮廓配准时靶区与计划图像严重偏离 ; 反之, 以靶区配准, 则骨性标志或外轮廓容易出现严重偏离本文探讨出现上述情况时, 以靶区为准进行 CBCT 在线配准的可行性方法 : 选取 9 例肺癌患者, 对患者行 4DCT 扫描, 采用美国瓦里安公司 Eclipse 13.5 计划系统, 分别为 9 例患者设计 VMAT 计划, 处方剂量为 60 Gy/10 次, 使用美国瓦里安公司 ix 加速器进行治疗为了验证靶区与外轮廓发生偏移对剂量分布的影响, 本文在原始 CT 图像中, 将靶区分别朝患者右侧脚方向和背部移动 0.5 和 1 cm, 再将原计划治疗中心依据肿瘤移动方向分别移动 cm 至移动后的靶区中心, 重新计算剂量分布, 生成模拟计划, 并与原计划的靶区及正常器官受量进行比较结果 : 原计划中靶区的最大剂量 (D max) 最小剂量 (D min) 平均剂量 (D mean) 60 Gy 剂量包绕的靶区体积 (V 60) 分别为 108.5%±1.6% 98.3%±0.2% 101.1%±0.9% 95.1%±0.3%(D max, D min,d mean 均以相对靶区处方剂量的百分量表示 ), 脊髓 D max 为 (9.7±1.9)Gy, 双肺 V 20 为 5.2%±1.9%,D mean 为 (3.9±1.4)Gy 靶区向患者右侧移动 1 cm 背部移动 0.5 和 1 cm 后脚方向移动 0.5 和 1 cm 后,D max 较原计划差异均具有统计学意义, 脚方向移动 0.5 cm 后 D min 和 V 60 较原计划也具有统计学差异, 但是结果仍然满足 RTOG0915 号报告的要求当靶区向患者背部移动 0.5 和 1 cm 时, 脊髓受量与原计划差异具有统计学意义, 靶区向患者脚方向移动 0.5 和 1 cm 时, 全肺 V 20 和 D mean 与原计划差异具有统计学意义, 但这些结果均满足 RTOG0915 号报告的要求结论 : 本研究建议对于肺癌 SBRT 患者在线 CBCT 配准时, 可以直接利用可见肿瘤进行配准, 若误差小于 1 cm, 无需重新定位, 可以直接移动治疗床进行治疗关键词肺癌 ; 立体定向体部放疗 ; 锥形束 CT; 靶区位移 ; 剂量分布 ; 在线配准中图分类号 R815 文献标志码 A 文章编号 X(2019) Feasibility of CBCT online registration by target areas in stereotactic body radiotherapy for lung cancer SUN Xiaohuan, TAN Li'na, WANG Zhongfei, XIAO Feng Department of Radiation Oncology, the First Affiliated Hospital of Air Force Medical University, Xi'an , China Abstract: Objective Positioning verification before cone beam CT (CBCT)guided stereotactic body radiotherapy (SBRT) is of great importance. However, due to the respiratory motion, target areas were seriously deviated from planning image when using the bony structure or the skin marker to align the CBCT with planning CT, and the bony structure or the body outline would not match when using the image registration based on target areas. Herein the feasibility of CBCT online registration by target areas is discussed. Methods Nine patients receiving SBRT for lung were enrolled in this study. All the patients were scanned with 4DCT. Varian Eclipse 13.5 treatment planning system was used to design volumetric modulated arc therapy (VMAT) plans for each patient, with a prescribed dose of 60 Gy/10 F, and Varian ix accelerator was adopted in the treatment. The planning target volume (PTV) on original CT image was shifted to the right, feet and back by 0.5 or 1.0 cm, and according to the shifting of PTV, the isocenter of each plan was shifted by 0.5 or 1.0 cm. Subsequently, the dose distribution was recalculated to generate a PTVshift plan. The differences in the dosimetric parameters of target areas and organsatrisk between the original plan and PTVshift plan were evaluated, so as to investigate the effects of PTVshift on dose distribution. Results The maximum dose (D max), minimum dose (D min), mean dose (D mean) and V 60 of PTV in the original plan were 108.5%±1.6%, 98.3%±0.2%,101.1%±0.9%, 95.1%±0.3%, respectively (D max, D min, D mean were represented by the percentage relative to target prescription dose). The D max of the spinal was (9.7±1.9) Gy, and the V 20 and D mean of lungs were 5.2%±1.9% and (3.9±1.4) Gy, respectively. Statistical differences between two plans were found in the D max of PTV after PTV was shifted by 1 cm in X direction, 0.5 or 1.0 cm in Y and Z directions, and in 收稿日期作者简介孙晓欢, 硕士研究生, 主要从事放射物理师工作, sxhshuijing@163.com 通信作者肖锋, xiaofeng@fmmu.edu.cn

2 3 孙晓欢,. 肺癌立体定向体部放疗以靶区为准进行锥形束 CT 在线配准的可行性研究 283 D min and V 60 of PTV after PTV was shifted by 0.5 cm in Y direction, but the results still satisfied the requirements of RTOG report Moreover, statistical differences were also found in the dose of spinal cord after PTV was shifted by 0.5 or 1.0 cm in Z direction, and in the V 20 and D mean of lungs after PTV was shifted by 0.5 or 1.0 cm in Y direction, but the results still satisfied the requirements of RTOG report Conclusion For patients receiving SBRT for lung cancer, the image registration based on target areas is recommended in CBCT online registration. Repositioning is not necessary if the setup error was small than 1 cm, and therapy can be initiated after adjusting the treatment couch. Keywords: lung cancer; stereotactic body radiotherapy; cone beam CT; shifting of target area; dose distribution; online registration 前言立体定向体部放疗 (Stereotactic Body Radiotherapy, SBRT) 用于肺癌放疗中, 肿瘤局控率可以达到 80%~90% [13], 可以达到与手术相当的治疗效果, 但是肺部肿瘤受呼吸运动体位固定皮肤牵拉改变等因素的影响, 易造成摆位重复性差等问题, 在锥形束 CT(Cone Beam CT, CBCT) 配准时易导致以骨性标志或外轮廓配准时靶区与计划图像中的靶区严重偏离 ; 反之, 以靶区配准, 则骨性标志或外轮廓容易出现严重偏离而 SBRT 治疗方式的特点是治疗次数少单次剂量大剂量或正常器官超剂量所以首先要保证的是摆位准确, 才能做到剂量精确, 否则将造成非常大的误差四维计算机断层成像 ( FourDimensional Computed Tomography, 4DCT) 技术的引入为靶区勾画提供了指导, 从一定程度上防止肿瘤脱靶并可以减少正常组织受照剂量图像引导放射治疗 (Image Guide Radiation Therapy, IGRT) 技术可以纠正摆位误差, 进而可以缩小计划靶区 (Planning Target Volume, PTV), 使得正常组织受量减小 [47] 针对摆位误差和 [8] 肿瘤位移,Wu 等利用皮肤标记点骨性标记和软组织 3 种方法分别对图像进行配准并利用得出的摆位 [9] 误差来模拟并对比肿瘤的剂量分布,Miura 等也模拟了肿瘤运动给靶区带来的剂量误差, 此过程仅有肿瘤靶区 (Gross Tumor Volume, GTV) 移动而照射野并未跟随肿瘤运动还有一些研究从固定装置或呼吸控制方法方面做研究, 以期减小靶区运动范围, 另有一些研究从治疗过程中动态追踪靶区方面希望使得靶区始终处于照射范围内以上这些研究或是从剂量分布, 或是从治疗方式上进行研究, 都是为了验证靶区运动对剂量分布的影响, 但是这些研究对肿瘤在 CBCT 配准出现偏差时, 并未对不同大小的位置偏差提出如何应对, 而本文以肿瘤移位 1 cm 为界进行研究, 验证肿瘤与骨性标志偏离 cm 时, 以肿瘤作为配准依据, 移动治疗等中心能否使靶区得到准确的剂量分布 1 材料与方法 1.1 病例选取选取 2016 年 6~12 月间于空军军医大学第一附属医院治疗的 9 例肺癌患者, 年龄 30~60 岁, 中位数 45 岁 1.2 CT 定位及靶区勾画使用飞利浦公司 Big Bore 大孔径 CT 模拟定位机对患者行 4DCT 扫描患者采用仰卧位, 热塑体模固定, 扫描层厚层距均为 5 mm 在 Mip 图像上勾画 GTV, 并分别与各时相配准核实, 最后合并生成内靶区 (Internal Target Volume, ITV), 再将此 ITV 外放 5 mm 生成 PTV 1.3 计划设计采用美国瓦里安公司 Eclipse 13.5 计划系统, 分别为 9 例患者设计 VMAT 计划, 处方剂量为 60 Gy/10 次采用 6 MV X 射线, 依据肿瘤位置选择合适的机架起始角度和弧数 (3~4 弧 ), 剂量率由系统自动控制 ( 瓦里安加速器剂量率为 0~600 MU/min 可变 ), 计划采用各向异性分析算法 (Anisotropic Analytical Algorithm, AAA) 进行计算靶区剂量分布要求 60 Gy 需覆盖 95% 以上靶区体积 ( 靶区及正常器官受量应满足 RTOG0915 号报告要求 ) 计划使用美国瓦里安公司带有 120 片多叶准直器 (Multi leaf Collimator, MLC) 的 ix 加速器实施照射 1.4 模拟肿瘤位移对剂量分布的影响将每例患者的 PTV 在原 CT 图中向患者右侧背部脚方向分别移动 0.5 和 1 cm, 治疗等中心依据肿瘤的位移方向移动 0.5 cm 1 cm, 重新计算剂量分布, 生成 6 个模拟计划, 再对比原计划及模拟计划的剂量分布, 图 1 所示为将患者的 PTV 在原 CT 图中向患者右侧背部脚方向分别移动 1 cm, 图 2 为患者按照原计划剂量分布及将 PTV 向患者右侧移动 1 cm 后剂量分布

3 284 第 36 卷 a: 原 PTV 位置 ( 横断面 ) b:ptv 右移 1 cm( 横断面 ) c:ptv 向背部移动 1 cm( 横断面 )d:ptv 向脚方向移动 1 cm( 横断面 ) e: 原 PTV 位置 ( 冠状面 ) f:ptv 右移 1 cm( 冠状面 ) g:ptv 向背部移动 1 cm( 冠状面 )h:ptv 向脚方向移动 1 cm( 冠状面 ) 图 1 计划靶区向患者右侧背部脚方向移动 1 cm Fig.1 Planning target volume (PTV) shifted to the right, back and feet by 1 cm a: 原 PTV 位置 b: 将 PTV 向患者右侧移动 1 cm c: 原 PTV 剂量分布 d:ptv 右移 1 cm 后的靶区剂量分布图 2 计划靶区向患者右侧偏移 1 cm 后剂量分布 Fig.2 Dose distribution after PTV shifted to the right by 1 cm 1.5 统计学分析采用 SPSS 18.0 统计软件, 对原计划及模拟计划的靶区和危及器官受照剂量进行符号秩检验,P<0.05 为差异有统计学意义

4 2 结果表 1 为患者的肿瘤分布特点, 表 2 为原计划及模拟计划靶区的 D max,d min,d mean( 以相对处方剂量的百分数表示 ) 及 V 60 比较, 表 3 为原计划及模拟计划的脊髓与全肺的受量比较患者标号孙晓欢,. 肺癌立体定向体部放疗以靶区为准进行锥形束 CT 在线配准的可行性研究 285 表 1 患者的肿瘤分布特点 Tab.1 Characteristics of tumor distributions in patients 肿瘤位置 LLL RUL 肿瘤体积 /cm 从表 2 可以看出, 靶区向患者右侧移动 1 cm 背部移动 0.5 和 1 cm 脚方向移动 0.5 和 1 cm 后,D max 较原计划差异均具有统计学差异 (P<0.05), 向脚方向移动 0.5 cm 后 D min 与 V 60(60 Gy 剂量包绕的靶区体积 ) 较原计划也具有统计学差异 (P<0.05), 但是结果仍然满足 RTOG0915 号报告的要求从表 3 可知, 当靶区向患者背部移动 0.5 和 1.0 cm 时, 脊髓受量与原计划差异具有统计学意义 (P<0.05), 靶区向患者脚方向移动 0.5 和 1.0 cm 时, 全肺 V 20 和 D mean 与原计划差异具有统计学意义 (P<0.05), 但这些结果均满足 RTOG0915 号报告的要求 3 讨论 LUL LML LLL RUL LLL= 左肺下叶 ;LUL= 左肺上叶 ;LML= 左肺中叶 ;= 右肺下叶 ;RUL= 右肺上叶在目前的治疗过程中, 对于治疗前 CBCT 与原 CT 图的配准方法主要有 3 种 : 皮肤标记点骨性标记和软组织配准许多人也做了不同的研究来验证各个方法的准确性 [10], 结果均类似, 均认为骨性标志配准与软组织配准得出的结果差异较大, 且利用骨性标记配准更容易导致靶区脱靶, 但这些研究并未从剂量学分布上的影响来验证各个方法的优劣 Wu [8] 等用剂量分布的差异来验证 3 种配准方法的优劣, 表 2 原计划及模拟计划的靶区参数比较 (%) Tab.2 Comparison of dosimetric parameters of PTV between original plan and PTVshift plan (%) 计划 Dmax Dmin Dmean V60 原计划 108.5± ± ± ±0.3 R_0.5 cm 109.7± ± ± ±5.3 R_1.0 cm 111.9± ± ± ± I_0.5 cm 110.3± ± ± ±4.4 I_1.0 cm 112.6± ± ± ± P_0.5 cm 110.2± ± ± ± P_1.0 cm 112.6± ± ± ± R_0.5 cm R_1.0 cm 分别代表将 PTV 向患者右侧移动 0.5 和 1.0 cm;i_0.5 cm I_1.0 cm 分别代表将 PTV 向患者背部方向移动 0.5 和 1.0 cm;p_0.5 cm P_1.0 cm 分别代表将 PTV 向患者脚方向移动 0.5 和 1.0 cm 实验得出的结论为软组织配准方法对剂量分布的影响要小于骨性标记配准方法及皮肤标记点配准方 [9] 法而在 Miura 等也针对 GTV 偏移做了研究, 但其只是模拟了 GTV 位移, 并未将治疗中心随着 GTV 移动, 故其得出的结论为肿瘤移位对 GTV 及 PTV 剂量分布影响较大而本文在以前面的研究结论作为基础, 即以靶区作为 CBCT 配准依据, 并直接给出了 1 cm 的运动范围限制, 计算靶区偏离在 0.5 及 1.0 cm 时, 移动治疗床进行剂量对比, 选择 1.0 cm 作为界限是因为若靶区配准后误差范围大于 1 cm, 笔者认为应该重新摆位上述文献中的研究均使用固定野调强技术来进行计划设计, 因为射野数目有限, 剂量分布会相应的受到影响, 而本文采用了 VMAT 技术, 固定野调强技术与 VMAT 技术相比有一定的劣势, 如文献 [11] 中研究结果证明, 对计划实施过程中出现的偏差, 如

5 286 表 3 原计划及模拟计划的危及器官受量比较 Tab.3 Dosimetric comparison of organsatrisk between original plan and PTVshift plan 第 36 卷计划脊髓 Dmax/Gy V20/% 双肺 Dmean/Gy 原计划 9.7± ± ±1.4 R_0.5 cm 9.8± ± ± R_1.0 cm 10.1± ± ± I_0.5 cm 10.3± ± ± I_1.0 cm 10.9± ± ± P_0.5 cm 9.8± ± ± P_1.0 cm 9.7± ± ± MLC 位置, 机架角度等的偏差,VMAT 受到的影响要 [12] 小于固定野调强技术, 另有文献中报道, 对于前列腺病人的治疗,VMAT 受治疗过程中病人外轮廓的变化的影响要小于固定野调强技术所以, 本文虽然将 PTV 移动了位置, 其相对外轮廓肺脊髓等的位置与原计划有差异, 但最终的模拟结果是,PTV 和正常组织的剂量分布均能满足剂量分布要求, 所以从本文的结果可以得出, 对于肺部较小的病灶, 在线 CBCT 配准时, 本文建议可以直接利用可见肿瘤进行配准, 若误差小于 1 cm, 直接移动治疗床并进行治疗, 肿瘤最终接受到的剂量与原计划无明显差异, 利用这种配准方式才能保证病人接受到的剂量是准确的参考文献 [1] NAGATA Y, WULF J, LAX I, et al. Stereotactic radiotherapy of primary lung cancer and other targets: results of consultant meeting of the international atomic energy agency[j]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2011, 79(3): [2] ONISHI H, ARAKI T, SHIRATO H, et al. Stereotactic hypofractionated high dose irradiation for stage I non mall cell lung carcinoma[j]. Cancer, 2004, 101(7): [3] NAGATA Y, TAKAYAMA K, MATSUO Y, et al. Clinical outcomes of a phase I/II Study of 48 Gy of stereotactic body radiotherapy in 4 fractions for primary lung cancer using a stereotactic body frame[j]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2005, 63(5): [4] D'SOUZA W D, NAZARETH D P, ZHANG B, et al. The use of gated and 4DCT imaging in planning for stereotactic body radiation therapy [J]. Med Dosim, 2007, 32(2): [5] WU J, LI H, SHEKHAR R, et al. An evaluation of planning techniques for stereotactic body radiation therapy in lung tumors[j]. Radiother Oncol, 2008, 87(1): [6] RICHTER A, BAIER K, MEYER J, et al. Influence of increased target dose inhomogeneity on margins for breathing motion compensation in conformal stereotactic body radiotherapy[j]. BMC Med Phys, 2008, 8(1): 115. [7] HOF H, RHEIN B, HAERING P, et al. 4DCTbased target volume definition in stereotactic radiotherapy of lung tumours: comparison with a conventional technique using individual margins[j]. Radiother Oncol, 2009, 93(3): [8] WU J, BETZING C, HE T T, et al. Dosimetric comparison of patient setup strategies in stereotactic body radiation therapy for lung cancer [J]. Med Phys, 2013, 40(5): [9] MIURA N, MASAI N, OH R J, et al. Dosimetric impact of tumor position and lung density variations in lung stereotactic body radiotherapy[j]. Int J Med Phys Clin Eng Radiat Oncol, 2014, 3(1): [10] 王艳阳, 傅小龙, 夏冰. 不同标记点对肺癌图像引导放疗图像配准结果的影响 [J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2010, 19(6): WANG Y Y, FU X L, XIA B. Impact of different anatomical landmarks on registration in imagingguided radiation for lung cancer[j]. Chinese Journal of Radiation Oncology, 2010, 19(6): [11]BETZEL G T, YI B Y, NIU Y, et al. Is RapidArc more susceptible to delivery uncertainties than dynamic IMRT?[J]. Med Phys, 2012, 39 (10): [12]CHOW J C, JIANG R. Comparison of dosimetric variation between prostate IMRT and VMAT due to patient's weight loss: patient and phantom study[j]. Rep Pract Oncol Radiother, 2013, 18(5): ( 编辑 : 薛泽玲 )

為減少腫瘤治療時間, 提高治療過程的舒適度, 降低因身體蠕動而造成劑量給予的不確定性, 提升治療的精確度, 增加腫瘤局部控制率, 避免正常組織接受到不必要的劑量, 降低

為減少腫瘤治療時間, 提高治療過程的舒適度, 降低因身體蠕動而造成劑量給予的不確定性, 提升治療的精確度, 增加腫瘤局部控制率, 避免正常組織接受到不必要的劑量, 降低中華民國生物醫學工程學會腫瘤醫學影像暨治療儀器新知研討會主辦單位 : 澄清綜合醫院中港分院 / 中華民國生物醫學工程學會會議日期 :101 年 12 月 22 日 ( 星期六 ) 會議地點 : 澄清醫院中港分院 17 樓國際會議廳 ( 台中市中港路