伽玛刀治疗计划的优化问题研究
发表时间：2009-05-25 浏览次数：1167次
作者:张宜培,徐德生,张志远 作者单位：天津医科大学第二医院伽玛刀中心， 天津 300211 【摘要】 目的 探讨伽玛刀治疗计划的优化问题。 方法 回顾性分析2005年2月~2006年9月，386例病人的治疗计划，按照所使用准直器的规格，分为1~3种准直器组合 （以下分别简称1种组、2种组、3种组）。根据剂量-容积直方图提供的参数计算病灶覆盖率 （TC）、适形指数 （CI） 及平均剂量并加以比较。 结果 使用多准直器组合 （2种组和3种组） 较使用单一准直器，能获得较高的TC （P ＜0.01） 和较理想的CI （P ＜0.05），其差别具有统计学意义。1种组在平均剂量上明显高于其他组 （P ＜0.01）。2种组与3种组在上述指标上的差别无统计学意义 （P ＞0.05）。 结论 在设计治疗计划时，采用多等中心、多准直器联合可有效地提高病灶的覆盖率和适形性，但同时过多等中心又会造成病灶内部的剂量不均匀，因此我们提倡通过大小不同的准直器组合使用、合理布局来优化剂量计划。
【关键词】 放射外科手术 放射治疗计划 计算机辅助 病灶覆盖率 适形指数
The optimization of treatment planning in Gamma knife radiosurgery
ZHANG Yipei, XU Desheng, ZHANG Zhiyuan, et al
Gamma Knife Center, Second Affiliated Hospital of Tianjin Medical University, Tianjin 300211, China
Abstract: Objective To evaluate the optimization of Gamma knife treatment planning. Methods The treatment planning was retrospectively reviewed in 386 patients treated by Gamma knife radiosurgery from Feb. 2005 to Sep. 2006. The dose plans were divided into three groups according to the size of the collimators used in the treatment plans: single-size-collimator plan, two-size-collimator plan, and three-size-collimator plan. Each plan was analyzed using dose-volume histogram in conjunction with the target coverage, conformity index and mean target dose. Results Multi-size-collimator plans achieved improved target coverage values (P<0.01) and conformity indices (P<0.05) as compared with the single-size-collimator plans. The mean target dose values in single size-collimator plans were significantly higher (P<0.01). Two-size-collimator plans showed no significant differences in the coverage values, conformity indices and mean target dose values compared with three-size-collimator plans (P>0.05). Conclusion It is possible to achieve highly target volume coverage and conformal dose distribution using multiple isocenters and different size collimators in Gamma knife radiosurgery, but excessive isocenters could lead to dose heterogeneity within the target. Therefore, combination of different-size collimators and appropriate isocenter parameters should be associated with the optimization of Gamma Knife treatment planning.
Key words: radiosurgery; radiotherapy planning, computer-assisted; target coverage; conformity index
伽玛刀根据在焦点处形成的照射野范围不同，准直器分为4、8、14、18 mm四种规格，在设计治疗计划时组合使用才能形成与被治疗病灶形状相一致的剂量曲线，以实现适形照射，从而提高疗效，减少并发症。因此优化治疗剂量成为伽玛刀治疗的关键。本文回顾性地分析了2005年2月~2006年9月，386例接受伽玛刀治疗的颅内单发肿瘤病人的治疗计划参数，总结有关剂量计划的优化经验，现报告如下。
1 对象与方法
1.1 临床资料 男213例，女173例，男∶女=1.23∶1；年龄3~82岁，中位数48岁。病灶容积范围0.48~28.4 cm3，平均8.6 cm3。全部病人均经MR、CT等影像学检查获得临床诊断，65例获得病理学诊断。其中垂体瘤 85例 （22.02%），脑膜瘤53例 （13.73%），听神经瘤44例 （11.40%），颅咽管瘤11例 （2.85%），三叉神经鞘瘤10例 （2.59%），血管网织细胞瘤7例 （1.81%），转移瘤94例 （24.35%），胶质瘤22例 （5.70%），淋巴瘤11例 （2. 85%），生殖细胞瘤8例 （2.07 %），其他肿瘤41例 （10.62%）。
1.2 治疗方法 采用GAMMAPLAN 5.34 for Leksell Gamma Knife model C剂量计划软件进行设计 （图1），50%的等剂量线为边缘剂量曲线。根据所使用准直器的规格，分为三组：1种准直器组合、2种准直器组合和3种准直器组合组 （以下分别简称1种组、2种组、3种组） （表1）。
1.3 治疗计划评价 根据剂量计划软件的统计功能计算剂量-容积直方图，获取相应参数，计算病灶覆盖率 （target coverage，TC）、适形指数 （conformity index，CI） 及病灶内平均剂量并加以比较。因各类肿瘤治疗剂量不同，为便于比较，将各计划的中心剂量进行百分归一化处理，平均剂量采用中心剂量的百分制表示。 依肿瘤放射治疗协会 （Radiation Therapy Oncology Group，RTOG） 的规定[1]，TC = VT，Pi/VT × 100%，理想值为100%，TC至少达到90%时，放射治疗计划才可以被接受。CI = VPi/VT，理想值为1，CI在1~2之间为可以接受。
1.4 统计方法 采用SPSS10.0统计软件，进行方差齐性分析，若方差齐则行方差分析，各组数据间两两比较采用SNK-q 检验。
2 结果
2.1 准直器的使用 （表1） 从治疗计划的等中心数分布来看，采用14 mm和8 mm准直器已成为主趋势，18 mm准直器由于半影较大使正常脑组织受照射较多因而使用较少，4 mm准直器在治疗功能性神经外科疾病中经常使用，随着优化计划的需要，其使用率也在增加。
2.2 评价指标结果 （表2） 多种准直器 （2种组和3种组） 搭配使用较使用单一种准直器，能获得较高的TC （P ＜0.01） 和较理想的CI （P ＜0.05），其差别具有统计学意义。但1种准直器组在平均剂量上明显高于其他组 （P ＜0.01）。2种准直器组合与3种准直器组合组在上述三项指标上的差别无统计学意义 （P ＞0.05）。
3 讨论 有学者将伽玛刀的剂量计划优化原则归结为“适形性”和“选择性”[2]。适形性是指边缘剂量曲线形状与病灶的三维形状相适合，同时病灶内部接受的剂量较高。选择性是指尽量减少病灶外正常脑组织受照射的剂量，与适形密切相关，高度适形才能将高剂量曲线局限于病灶内部而较少涉及病灶外组织。伽玛刀的治疗计划是由有经验的神经外科医生与物理师共同完成的，仅凭工作人员的视觉感受判断计划是否优化，难免存在受主观性影响等缺陷。虽然计划软件具备一些计算功能，能够从直方图中读取相应信息，但这些信息不加以整合难以精确的量化评价治疗计划。有学者引入多个相关指数来评价治疗计划的优劣，但计算复杂且结果不直观[3，4]，本文在进行治疗计划优化的同时，综合使用TC、CI、病灶平均剂量作为评价治疗计划的指标，能较为全面地概括适形性和选择性的标准，使用简便、数值可信度高，是迅速评价治疗计划优劣的有效方法。 建议不同规格的准直器搭配使用。本文总结了386例治疗计划的准直器组合形式，1种准直器组中多数病例适合采用单等中心计划，一个等中心形成的照射野为略扁椭球形，对规则球形病灶根据其大小选择相应大小的准直器可达到满意的TC和CI，但对形状不规则的病灶则不能达到满意的CI，这是1种准直器组TC最低、CI较差的原因。颅内病灶大多数形状不规则，使用多种准直器组合能明显提高TC和CI，实现剂量曲线对病灶的良好适形。在设计治疗计划时，一般根据病灶整体几何形状划分为若干大小不同的子容积，根据各子容积的大小、形状选择适合的准直器并调节等中心坐标及权重等，以形成同病灶适形的剂量曲线。从理论上讲，同等大小的病灶，使用的等中心数越多，适形越好。每个准直器发出的射线在靶点处形成的均是一个上下略扁的椭球体照射野，准直器规格不同，形成大小不同的椭球野，形状不规则的病灶不可能完全被等分成相同的子容积，因此使用一种准直器不可能实现良好的适形，多种准直器配合使用，根据病灶形状、大小及周围重要结构的位置关系，较大准直器置于病灶中心位置，远离敏感结构，用较小准直器填补空隙，修饰剂量曲线形状。优化治疗计划的工作就是合理划分病灶子容积、选择准直器及调节坐标和权重以实现适形性。 小准直器形成的照射野半影带小，与大准直器相比，病灶外剂量衰减更快，因此对容积较小、位于重要结构附近的病灶应选择小准直器组合。美国匹兹堡伽玛刀中心在回顾性研究了1 105例听神经瘤的伽玛刀治疗效果后得出结论，使用多准直器组合能获得较高适形性[2]，本研究中较小准直器使用率高也说明此点。但对容积较大的病灶选用小准直器，必然增多等中心数，过多等中心则可能造成病灶内部的剂量分布不均匀。本研究中多准直器组合 （2种组和3种组） 虽然能获得好的适形性，但以牺牲病灶内部剂量的均匀性为代价，平均剂量明显低于1种组。1种组多数病例是采用单枪计划，虽然病灶内部高剂量线较均匀，平均剂量较高，但TC和CI均较差，不能保证高剂量尽可能局限在病灶内部而较少涉及病灶外组织。3种组选用的小准直器较多但也未在TC和CI方面表现出优势。Perks等[5]在比较了伽玛刀、加速器固定野照射、多叶光栅后也得出了相似结论：伽玛刀治疗等中心数最多，但病灶内部的最低剂量伽玛刀较后两者均低。这种矛盾提示我们：不可不分病灶大小，单纯追求适形而过多选用小准直器造成病灶内部剂量不均匀，在两方面间要取得均衡。 综上所述，制定治疗计划时要综合考虑病灶大小、形状、与周围重要结构的位置关系，合理选择准直器组合及等中心的坐标、权重、伽玛角等参数，以实现治疗计划的优化。
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