放射治疗计划的设计和评估

第五节　放射治疗计划的设计和评估

放疗全过程包括患者的治疗体位固定、治疗计划设计、治疗计划优化和评估及治疗计划的验证和执行等四大步骤。随着计算机技术的发展和三维TPS的应用，放疗计划的设计都是在CT图像上进行的。

一、体位固定

体位固定是为了保证每次照射的重复性以及技术员摆位的准确性。胸、腹部肿瘤常采用真空体模、热塑体模或硬质泡沫塑料体模等。

好的体位固定能使患者每次治疗具有良好的重复性，是保证治疗效果的重要因素。患者的首次体位固定是在体模室，由于大多数患者不了解放疗过程，因此会相当紧张。医生和体模室技术员应让患者处于放松和舒服的状态，尽量采取自然体位作为治疗体位。患者如在紧张的情况下做体位固定，由于精神紧张，肌肉也会收缩，这样的体位在以后的治疗时往往很难重复。

布野要求和患者的身体条件也是影响体位固定的因素。有时为了让射线避开敏感的正常组织，患者可能需要采取特殊的体位;有时患者驼背，采取侧卧位较为舒服;患者在CT扫描及治疗过程中其固定装置是否会与设备碰撞也是一个需要考虑的问题。

在体位固定前应教会患者如何正确使用固定装置，特别是因为脏器生理运动造成靶区在体腔内的位置不确定的患者，如肺癌患者，肿瘤会随着呼吸运动上下移动，应该训练患者在治疗期间不做深呼吸，学会做平静小幅度的呼吸运动，尽量避免咳嗽。如采用主动呼吸门控设备，更加要求患者完全配合。

患者体位固定好以后，最好先在模拟机下确定大致的照射野中间平面，并在其体表或体模上做标记;观察肿瘤在体内的活动程度，供设计照射野时参考。然后进行定位CT扫描，有条件的地方应使用CT模拟机。CT模拟机在诊断方面与CT机类似，它的特点是扫描机架的圆孔孔径较大，可适应不同照射体位的需要。

二、治疗计划的设计

放疗计划设计最常用的是用三维TPS来设计，一般采用正向设计方法。首先设计照射野的个数、入射角、各照射野的剂量权重等物理参数，然后用TPS计算照射剂量分布。根据预定肿瘤照射剂量及正常组织的放射耐受量，通过尝试-失败-再尝试这种途径，最终获得比较满意的放疗计划。放疗计划设计的步骤包括下列几个步骤。

1.影像学资料输入CT图像是必不可少的影像学资料，目前所有的TPS都可接受CT图像。为了更清楚地了解患者的肿瘤情况，有时也需要患者的MRI和PET影像学资料。

2.正常组织或器官以及靶区的勾画这部分工作由医生来完成。在复旦大学附属肿瘤医院，靶区的勾画先由某个医生勾画好，经过其所在的治疗小组主诊医生的复核后交给物理师。有些患者需先做CT、MRI融合，或CT、PET融合后，再勾画靶区。

3.具体计划设计采用三维TPS设计。放射物理师根据CT上正常器官和肿瘤的信息，设定照射野的入射角度、照射野形态、每个照射野的权重及是否需加楔形板等剂量修饰滤片，这些参数的设定与物理师的临床经验有关。参数设定好以后，由TPS计算得到立体的剂量分布。

4.照射剂量的显示剂量分布的显示一般采用照射野方向观(BEV)视野，即医生或计划设计者站在放射源位置，沿照射野中心轴方向观看照射野与患者肿瘤部位间的关系。通常有3种方式来显示剂量分布情况：①二维的剂量分布，即在患者横断面、冠状面和矢状面的解剖结构上，把二维的剂量分布叠加在一起，用等剂量曲线的分布来表达。②剂量云图(color wash)，即相等剂量区域用某种颜色来表示，为半透明，透过颜色可以看到不同解剖结构的剂量分布。③表面剂量显示(surface dose display)，即三维表达方式，相等剂量的立体表面用某种颜色来表示。如果将处方剂量用一种颜色来表示，肿瘤用另一种颜色来表示，因此很容易看出肿瘤是否被处方剂量所包绕。

5.治疗计划的优化同一患者的数据可设计几种放疗计划，常用定量指标排出优劣次序，通过改变照射野位置、入射角、射线能量、每个照射野的剂量权重、楔形滤片及其他射线修饰滤片、光栏角等参数来优化治疗计划。

三、放射治疗计划的评估

放疗计划的评价工具可分为物理学指标和生物学指标两大类。物理学指标有平面剂量分布显示、剂量-体积直方图(DVH)和适形指数(conformal index，CI)等;生物学指标有肿瘤控制概率(tumor control probability，TCP)、正常组织并发症概率(normal tissue complication probability，NTCP)、等效均匀剂量(equivalent uniform dose，EUD)或有效剂量(effective dose)和有效体积(effective volume)等。物理学指标是现代TPS和医生用于评价的主要指标，到目前为止生物学指标在临床上应用较少。

(一)物理学指标

1.平面剂量分布显示现代三维放疗计划的评估要比二维放疗复杂得多。评估的平面包括CT横断面以及经重建后的冠状面和矢状面。评估的内容包括：每个面内规定的等剂量线是否包括靶区、剂量分布是否均匀、剂量冷点和热点的体积和位置、重要器官的受量情况等。对于冷点，希望冷点不要在GTV内，如在GTV内，其体积应尽量小;对于热点，则希望其只在GTV内，不要在重要器官内。

除了分析剂量分布状况外，还可以用ICRU参考点剂量，感兴趣点(POI)的剂量，PTV中最大、最小剂量和平均剂量等来评估一个计划的好坏。体积也是一个重要的评估指标，例如靶区D₉₅(即95%靶区中得到的最小剂量)，V₉₅(受到95%处方剂量以上的靶区体积)等参数;肺组织V₂₀(受到剂量为20 Gy以上组织的体积)等参数。

2.DVHDVH是目前评估计划治疗方案的最有力工具，它可明确显示靶区和正常组织的剂量与体积的关系。根据DVH可以直接评估高剂量区与靶区的适形度，再依据适形度挑选较好的治疗计划。

DVH有积分(cumulative DVH)和微分(differential DVH)两种表达形式，最常用的是积分形式。积分形式的DVH是把剂量维度分割成有限的小区间，统计等于或大于每一区间剂量的TPS剂量点数，如图2-42所示。因此，积分DVH的意义是显示受到等于或大于某一剂量的体积。如果在等份的剂量维度上统计落在每一个间区的剂量点数，则得到微分形式的DVH，它的意义是显示靶区或某正常组织受到某一照射剂量的体积(图2-43)。如何使用上述两种形式DVH，要看具体情况。微分DVH能很好地表达剂量分布的均匀度，对评价靶区剂量的均匀性很有益处。而积分DVH对评估OAR的某一体积份额所受剂量比较直观。

评估靶区的剂量分布情况时，积分DVH可定性地观察到台阶肩部剂量的梯度情况，而微分DVH可直观地反映靶区的最小剂量、最大剂量以及模剂量等情况。一般说来，一个好的计划应要求肩部剂量跌落较快，剂量变化范围不超过12%(－5%～+7%)。评价OAR的剂量分布情况时，首先需确定危及器官是串联组织，还是并联组织。如果是串联组织(如脊髓、视神经等)，一般需关注其高剂量段的剂量值，应尽量小于其剂量限值。如果是并联组织(如肝、肾、肺等)，其某一体积份额所受剂量水平将决定计划的取舍。一般TPS除了提供积分DVH和微分DVH外，还可提供多种计划方案积分DVH的比较。如果某个计划靶区DVH分布优于其余，而且OAR的DVH曲线也总是低于其余，则毫无疑问该计划是较好的计划。如不然则需权衡利弊，选择物理师和医生都可接受的折中方案。

尽管DVH是评价放疗计划的有力工具，但它还不能标明靶区内低剂量区或OAR高剂量区的位置，如靶区内低剂量区在原发灶，根治量的不足可增大复发的可能性，因此需要结合平面剂量分布来具体分析。另外，采用DVH比较两个不同计划时，如果两条DVH互相交叉则无法进行比较。

图2-42　积分DVH

图2-43　微分DVH

3.适形指数CI是PTV与TV体积的比值，反映TV的形状和大小与PTV的符合程度。理想的治疗计划应是TV和PTV完全一致，CI值为1。但现实中受照射技术的限制，不可能达到这一点，一般3D-CRT技术可以获得CI＞0.5，IMRT技术可以获得更高的CI值。Wu等比较了70例患者分别应用3D-CRT和IMRT技术计算的CI值，正向和逆向3D-CRT的CI平均值分别为0.57和0.55，IMRT为0.62。研究表明，IMRT技术获得比3D-CRT更高的CI值，即意味着有更好的适形度。

(二)生物学指标

1.肿瘤控制概率和正常组织并发症概率TCP是指肿瘤得到控制的概率，即肿瘤所受照射剂量和肿瘤体积的函数。NTCP是指正常组织经照射一定剂量后一段时间内发生放射并发症的概率，同样也是所受照射剂量和体积的函数。达到95%的肿瘤控制概率所需要的照射剂量通常定义为肿瘤致死剂量(tumor control dose，TCD₉₅)，产生5%或50%相应损伤的概率所需要的照射剂量定义为正常组织的耐受剂量(tolerance dose，TD_5/5或TD_50/5)。一般说来，TCP和NTCP随剂量的变化呈“S”形曲线(图2-44)。一个好的治疗方案应使肿瘤得到最大可能的控制率，同时使正常组织的并发症概率最小。

图2-44　TCP和NTCP随剂量的变化曲线

(1)TCP的计算方法：对于均质分布的肿瘤，且肿瘤内部剂量分布相对均匀，则靶区剂量可用平均剂量表示。设D(r)表示靶区内的剂量分布，D^—表示靶区内的平均剂量，σ_D表示剂量标准偏差，其TCP［D(r)］和TCP(D^—)的关系近似为：

式中，γ因子称为剂量效应曲线的特征参数，与剂量效应曲线的斜率有关，即

γ=D(aTCP/aD)

γ₅₀最常用，指当TCP=0.5或D=D₅₀时的γ值，D₅₀为50%肿瘤控制概率所需照射剂量。

对于非均质分布的肿瘤，最佳剂量分布不再是均匀的剂量分布，肿瘤细胞密集、对放射较抗拒的靶区，要用相对较高剂量。当剂量不均匀时，可将肿瘤组织划分为若干个子区域，每个子区域内的剂量是均匀的，则肿瘤的控制概率应为各个子区域控制概率的积，即

如果同时考虑剂量分布不均匀性、体积因素、细胞间和群体间的放射敏感性的差异性，则肿瘤的控制概率更为复杂，即

式中，V_t为肿瘤的总体积，它被分成M个子体积，每个子体积的克隆源性细胞密度为ρ_j，剂量为D_j(平均剂量为D^—j，或有效剂量为D_jeff)，占总体积的比例为f_j，l为同类肿瘤的群体采样数(一般取10⁴)，α_i为采样个体的放射敏感性。

(2)NTCP的计算方法：NTCP可由Lyman积分概率模型公式计算，即

式中，t=［D－D₅₀(V)］/［mD₅₀(V)］，D₅₀(V)=D₅₀(V=1)V^－n;D₅₀(V=1)、D₅₀(V)分别为整个体积、部分体积受照射时引起50%某种并发症概率所需照射剂量;n为体积效应因子;m是NTCP剂量效应曲线的斜率。该模型为四参数(V，D₅₀，n，m)模型，模型参数必须依据临床观察到的数据。

Schultheiss等根据广义线性GLM模型推导出另一个剂量效应模型——逻辑模型，与Lyman积分概率模型基本等效，但逻辑模型的形式比Lyman积分概率模型简明直观。逻辑模型的公式：

式中k与n、m的关系为：k≈1.6/m或k=1/n。逻辑模型也可用于TCP的计算。

2.等效均匀剂量和有效体积上述计算NTCP的两种模型中均假设整个器官和组织或部分器官和组织受到单一剂量的照射，但实际上器官和组织总是受到不均匀剂量的照射。为了计算方便，需要将二维形式的DVH变成有效剂量照射到整个体积或某一均匀剂量照射到有效体积的一维形式，于是引入了等效均匀剂量或有效剂量和有效体积的概念。

等效均匀剂量是指当器官或组织的部分体积(V)受到均匀剂量(D)的照射造成的器官和组织的损伤，相当于整个器官和组织(V=1)受到均匀剂量(EUD)照射造成的损伤，即

NTCP(V，D)=NTCP(V=1，EUD)

有效体积(V_eff)是指当器官和组织的部分体积(V)受到均匀剂量(D)的照射造成的器官和组织的损伤，相当于器官和组织的一部分体积(V_eff)受到DVH中最大剂量(D_max)照射造成的损伤，即

NTCP(V，D)=NTCP(V_eff，D_max)

目前有6种方法可计算等效均匀剂量和有效体积，本文仅介绍一种TPS常用的积分概率模型(integral probability model，IPM)的原理。

根据Schultheiss的假设，DVH中每部分的损伤概率是彼此独立的，按微分DVH概率，则有：

根据微分DVH概念，ν_i=V_i－V_i－1，则：

由于对肿瘤细胞的生物学特性不可能做到完全了解，上述公式推导出的结果仅作为临床参考，绝对不是临床放疗方案的决定性准则。

四、治疗计划的验证和执行

(一)治疗计划的验证

一个设计好的治疗计划，应该放到模拟机或CT模拟机上进行照射野模拟和核对，看能否在实际的治疗机上执行，核对时患者的摆位条件如头枕、垫肩及固定体模等应该与定位和照射时的体位条件完全相同。即使治疗计划的剂量分布设计得很满意，若因种种原因计划不能执行，例如与治疗机碰撞或患者不能保持定位时的体位，也必须返回治疗计划系统进行修改，以适应治疗机和患者的要求。有条件的话，应将治疗计划与患者实际接受的治疗方案进行剂量验证。一旦验证可以执行治疗计划，则应在患者体表作相应的摆位标记(等中心激光定位器标志、照射野边界等)，填好治疗单，做好挡野铅块和组织补偿块等，医生和物理师签字以确定最后的治疗计划。

(二)治疗计划的执行

治疗计划执行包括3个方面的内容：治疗机物理及几何参数的设置、治疗摆位和治疗体位的固定。治疗计划的执行是整个治疗计划设计与执行过程中极其重要的一个环节。技术员是治疗计划的最终执行者，其职业道德和技术素质对保证治疗精度和提高疗效极为重要。由于每天工作量大，同时照射技术日趋复杂和精细，技术员在治疗计划执行过程中有时出现差错，所以必须采取措施，避免差错的发生。除必须使用体位固定装置和激光定位器外，有条件的可拍摄照射野验证片。照射野影像验证系统(EPID)是拍摄照射野验证片的扩展，它能观察、记录和再现照射过程的患者体位、照射野与靶区的关系等动态情况。

随着治疗的一步步进行，肿瘤的范围在不断缩小和变化，患者的身体健康条件也在变化，医生和物理师应随之修改治疗计划，以适应肿瘤和患者的身体条件变化等情况。