2. 江苏省医学物理工程研究中心/南京医科大学医学物理中心实验室/常州市医学物理重点实验室，江苏 常州 213000
2. Jiangsu Province Engineering Research Center of Medical Physics/Center for Medical Physics Nanjing Medical University/Key Laboratory of Medical Physics, Changzhou 213000 China
食管癌是常见的消化道肿瘤，放射治疗作为食管癌综合治疗的重要手段之一，在降低食管癌复发率、提高患者生存率发挥重要作用[1]。放疗过程中，食管癌患者通常采用双手抱肘在前额前的位置，但上臂抬高时间过长会导致体位稳定性降低，尤其对于术后出现并发症的患者[2]。因此，对于一些食管癌患者，手臂自然地向下放置于身体两侧[3]。此外，部分放疗科室使用热塑膜对食管癌患者进行体位，也采用手臂自然向下的体位[4]。在定位阶段采集食管癌患者CT时，由于大多数CT扫描仪的扫描视场(scan field-of-view, sFOV)为50 cm，因此可能会出现CT截断情况。大孔径CT扫描仪中孔径可达80~90 cm直径可有效缓解这一问题[5]，但部分放疗科室由于场地和资金的限制未能配置大孔径CT。当截断的组织和计划靶区位于相同横断面时，会影响组织轮廓和放疗剂量计算。在临床中，VMAT常用于食管癌患者的放疗计划设计[6-7]。为了降低截断区域对剂量学影响，目前主要采用避开截断区域的射野和勾画OAR并添加剂量约束，但可能增加正常组织的照射剂量并降低PTV的剂量适形性[8]。
本研究尝试不同计划中截断区域对靶区和危及器官的剂量学影响，为临床放疗计划设计提供有益参考。
1 资料与方法 1.1 图像获取及预处理收集15例胸中段食管癌患者完整扫描的CT图像进行回顾性分析，其中男性12例，女性3例，年龄为51～76岁，中位数为63岁。计划靶体积(planning target volume, PTV)体积均值为236.75 (178.55～296.48) cm3。CT扫描仪型号为Siemens CT (SOMATOM Force, Germany)，扫描参数为：扫描电压120 kVp，扫描电流250 mAs，扫描层厚3 mm，像素大小0.9765 mm。去除CT图像中床板等信息，仅保留患者身体内体素信息。
1.2 掩膜和截断CT生成首先由医师勾画手臂，其中肩膀处与躯干相连的手臂部分由医师根据附近手臂变化趋势勾画。为了更好地生成接近真实的截断CT，将圆形掩膜的中心设置在图像中心，即坐标（256,256），初始半径设置为255像素，然后逐像素减小，分别得到截断区域体积占手臂体积10%、20%、30%、40%的掩膜。圆形外掩膜值为0，圆形内掩膜值为1，真实CT记为CT0。将CT图像中最小CT值线性调整为0 HU, 将不同掩膜和CT0逐像素相乘得到相应的截断CT，记为CT1、CT2、CT3和CT4，并将CT图像中最小CT值再线性调整回−1000 HU，如图1。
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图 1 截断CT生成示意图 Figure 1 Schematic diagram of truncated CT generation 注：CT0表示原始CT图像，mask1、mask2、mask3、mask4为截断区域体积占手臂体积10%、20%、30%、40%的掩膜，CT1、CT2、CT3、CT4为mask1、mask2、mask3、mask4对应的截断CT |
对于15例真实CT设计放疗计划，放疗计划设计系统为Monaco 5.1(Elekta AB, Stockholm, Sweden)，剂量计算使用蒙特卡罗算法，计算网格为3 mm，每控制点不确定度为2%。计划设计采用2组VMAT计划[9]：一组为不避开手臂的VMAT_1F，机架从181°旋转至179°再逆时针旋转至181°；另一组为避开手臂的VMAT_3F，第一野从181°旋转至230°再逆时针旋转至181°，第二野从310°旋转至50°再逆时针旋转至310°，第三野从130°旋转至180°再逆时针旋转至130°。处方量为60 Gy/30f，优化过程中，设置PTV的95%体积包含处方量60 Gy。计划完成后不优化直接复制到不同截断CT图像，比较剂量差异，评价指标包括：PTV的Dmean，均匀性指数(homogeneity index, HI)[10]，Paddick适形指数(conformity index, CI)[11]；心脏的Dmean，V30；肺的Dmean，V20和V5；脊髓的Dmax，其中Dmax为器官平均剂量，Dmean为器官平均剂量，Vn为器官内剂量高于n Gy的体积百分比。CI的计算公式为：
| $ {{CI}} =({{TVPV}})^{2}/({{TV}} \times {{PV}}) $ | (1) |
其中PV为处方剂量所含的体积，TVPV为处方剂量所包含的靶体积，TV为靶体积。
HI的计算公式为：
| $ {{HI}} = ({{D}}_{2\%}-{{D}}_{98\%}) / ({{D}}_{50\%}) $ | (2) |
其中D5%和D95%分别是5%和95%的靶区体积的照射最小剂量，D50%表示 50%靶体积接受的剂量，近似于靶区平均剂量。
1.4 统计学分析采用SPSS 20.0软件对所有数据进行分析，分析数据采用中位数(下四分位数，上四分位数)表示，非参数Wilcoxon符号秩检验用于配对数据比较，检验水准α = 0.05。
2 结 果 2.1 CT0中VMAT_1F和VMAT_3F的剂量学比较表1展示了CT0中VMAT_1F和VMAT_3F的剂量学比较。结果显示，除肺的Dmean外，其余指标均有统计学差异(P < 0.05)。VMAT_3F降低了肺的 V5，但增加了PTV、心脏和脊髓的Dmean。图2展示了1例患者的VMAT_1F和VMAT_3F的可视化比较，其中CT图像显示窗位为40 HU，窗宽为600 HU。与VMAT_1F相比，VMAT_3F中包饶肺的500 cGy等剂量线范围较少，包饶心脏和肺的3000 cGy等剂量线更多。
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表 1 15例食管癌患者VMAT_1F和VMAT_3F的剂量学参数比较 Table 1 Comparison of dosimetric parameters of VMAT_1F and VMAT_3F in 15 patients with esophageal cancer |
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图 2 一例患者中VMAT_1F和VMAT_3F的剂量分布比较 Figure 2 Comparison of dose distribution of VMAT_1F and VMAT_3F in one patient 注：(a)和(b)分别为CT0中VMAT_1F和VMAT_3F的剂量分布量分布 |
表2展示了基于VMAT_1F不同CT的中PTV和OAR剂量学参数，Wilcoxon符号秩检验用于比较4种截断CT和CT0中的剂量学参数之间差异。结果显示，除脊髓的Dmax外(P > 0.05)，与CT中剂量学参数相比，几种截断CT中的剂量学参数均有显著性差异( P < 0.05)。图3展示了基于VMAT_1F一例患者不同CT中的剂量分布。与图3中(a)相比，(e)中的6200 cGy等剂量线范围更大（如绿色箭头所示），同时靠近手臂的肋骨处存在突出（如蓝色箭头所示），而且从(b)到(e)，这种差异幅度呈逐渐增加趋势。
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表 2 基于VMAT_1F不同CT的剂量学参数比较 Table 2 Comparison of dosimetric parameters of different types of CT based on VMAT_1F |
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图 3 基于VMAT_1F的一例患者不同CT中剂量分布 Figure 3 Dose distribution in different types of CT of one patient based on VMAT_1F 注：(a)至(e)分别为CT0、CT1、CT2、CT3和CT4的剂量分布，图例单位为cGy |
表3展示了基于VMAT_3F不同CT的中PTV和OAR剂量学参数，Wilcoxon符号秩检验用于比较4种截断CT和CT0中的剂量学参数之间的差异。结果显示，与CT中剂量学参数相比，几种截断CT中的剂量学参数均无显著性差异(P > 0.05)。图4展示了基于VMAT_3F同例患者不同CT中剂量分布，不同CT中剂量分布的差异较小且在视觉上难以识别。
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表 3 基于VMAT_3F不同CT的剂量学参数比较 Table 3 Comparison of dosimetric parameters of different types of CT based on VMAT_3F |
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图 4 基于VMAT_3F的同例患者不同CT中剂量分布 Figure 4 Dose distribution in different types of CT of one patient based on VMAT_3F 注：(a)至(e)分别为CT0、CT1、CT2、CT3和CT4的剂量分布，图例单位为cGy |
由于患者身体状况和CT扫描设备等的限制，食管癌患者CT中手臂可能超过sFOV。当射线经过CT截断区域时，影响组织轮廓勾画放疗剂量的精确计算[12]。本研究对15例食管癌的真实CT图像上设计2组VMAT计划，然后移植到截断区域不同大小的4种模拟截断CT图像。结果显示，与CT0采用VMAT_1F相比，CT0中采用VMAT_3F可以降低肺的V5和Dmean，但会增加心脏、PTV的Dmean和脊髓的Dmax，同时降低CI和增加HI，与张惠玲等[13]研究结论类似。根据王澜等[14]研究，当肺V5 > 55%时，2级以上放射性肺炎发生率可能会明显增加，因此VMAT_3F可能有助于降低放射性肺炎的发生概率。对于截断区域对PTV和OAR的剂量学影响，在VMAT_3F中由于没有射野直接进过截断区域，仅通过背向散射影响器官剂量，而且截断区域距离危及器官距离较远，因此截断区域对PTV和OAR的计划参数没有统计学影响 [3]。对于VMAT_1F，不同截断CT的心脏、肺和PTV的Dmean均与CT0中的剂量存在统计学差异(P < 0.05)。截断区域体积比增加时，对PTV和OAR的影响幅度也逐渐增加。当截断区域占手臂体积的40%时，PTV的 Dmean的中位数增加0.21 Gy，截断区域对心脏和肺虽然有统计学差异，但Dmean中位数分别增加0.07 Gy和0.06 Gy，对临床影响并不显著。截断区域对影响较小，可能存在以下2个原因。第一，截断区域与PTV的位置相对较远，而且截断区域占整个射野路径的体积较小。第二，由于肺的剂量约束，使得经过2个手臂的机器跳数比例较低。除脊髓外，截断CT图像中的PTV和OAR平均剂量均高于真实图像中平均剂量，这是由于截断区域内组织的缺失，减少了射线衰减，增加了PTV和OAR的照射剂量。因此在临床上，对于不得已使用截断CT图像设计放疗计划时，物理师必要时可以设置避开截断区域的射野以降低缺失区域对剂量计算的影响物理师必要时可以设置避开截断区域的射野以降低缺失区域对剂量计算的影响[5]。
目前也有部分学者初步探索了截断CT对放疗剂量学的影响。Cheung等[12]为头颈部和胸腹部患者设计IMRT计划并设置4个野穿过截断区域，通过西门子CT扫描仪自带的eFOV和eHDFOV算法重建CT图像中剂量差异可达1.8%，但并没有直接给出截断CT图像中的剂量差异。Testa等[15]对25例姑息性脊髓患者模拟水平最宽处截断0.5、1、1.5、2和2.5 cm并设计VMAT计划。结果表明，平均每增加1 cm截断深度，PTV的99%体积受照剂量(D99)和CTV的D99分别增加2.32 cGy和2.59 cGy，表明截断对姑息性脊柱病人的剂量学未产生统计学的改变。该方法采用水平最宽处模拟截断，但CT扫描多数情况患者并非在图像中间，此外随着截断距离的增加，截断区域体积会增加得更快，采用截断区域体积比会是一个更好的选择。此外，还有部分学者研究手臂完全移除的剂量学评估[2, 16]。Murrell 等[2]对于局部晚期非小细胞肺癌患者，从手臂朝上(arm up，AU)未优化复制到模拟的两侧手臂朝上(arm down，AD)，结果显示PTV的D95平均降低3.7%，同侧和对侧手臂的D2cc分别为23.1 Gy和4.0 Gy。李君等[3]选取胸椎与腰椎肿瘤患者各12例，勾画患者手臂轮廓并修改CT值和电子密度，模拟手臂完全移出射野的极端情况。结果表明靶区与OAR的剂量有所增加，但增幅相对较小，与本研究结论相似。
综上所述，由于患者身体状况和CT扫描设备等原因，食管癌患者的CT中手臂可能超出sFOV，进而影响组织勾画和放疗计划剂量计算。本研究模拟生成了截断区域占手臂体积比例不同的截断CT，并设计2种VMAT计划。结果表明避开手臂的VMAT_3F中，截断区域对靶区和危及器官的剂量学影响无统计学差异。在全弧的VMAT_1F中，截断区域增加PTV、心脏和肺的Dmean并均有统计学差异，且截断区域体积越大，增加幅度越大。在临床中应注意截断区域对PTV剂量影响，必要时可以采用设置避开截断区域的射野方法降低其影响，且可能有助于降低放射性肺炎的发生概率。
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