鼻咽癌咽旁间隙插植三维靶区重建与剂量分布虚拟仿真研究

作者：潘建基    
作者单位：福建医科大学 教学医院、福建省肿瘤医院 放疗科，福州 350014；

【摘要】  目的 通过对实际的咽旁间隙插植与虚拟的插植进行比较，探讨计算机仿真模拟技术应用于鼻咽癌咽旁插植技术的辅助价值。 方法 对10例鼻咽癌咽旁间隙插植患者设计虚拟理想插植施源管，并对两施源管之间的距离、大体肿瘤靶区和周围重要组织器官的体积剂量直方图进行比较。 结果 鼻咽咽旁间隙实际插植和虚拟插植施源管之间的距离均数为4.9 mm。虚拟插植100%等剂量线所包括的肿瘤靶区体积大于实际插植，而实际插植100%等剂量线所包括的正常组织体积大于虚拟插植。 结论 运用计算机技术进行咽旁间隙插植模拟有可能减少实际插植与虚拟插植之间的差异，有助于改善肿瘤靶区和周围正常组织器官的剂量分布。

【关键词】  鼻咽肿瘤 近距离放射疗法 组织间插植 计算机模拟

　　Virtual Simulation of ThreeDimensional Tumor Target Reconstruction and Dose Distribution for Parapharyngeal Space Interstitial Brachytherapy
of Nasopharyngeal Neoplasm

　　PAN Jianji, WU Junxin, ZHENG Buhong, PAN Caizhu,
DAI Peishan, LU Jun, WANG Boliang

　　1. Department of Radiation Oncology，Teaching Hospital of Fujian Medical University，
Fujian Provincial Cancer Hospital，Fuzhou 350014，China

　　2. Department of Computer Sicence, Xiamen University, Xiamen 361005, China

    ABSTRACT:  Objective  To explore the value of clinical application of virtual simulation for determination the dose of brachytherapy in nasopharyngeal neoplasm.  Methods  Fictitious ideal parapharyngeal space interstitial brachytherapy were designed in ten cases of nasopharyngeal neoplasm.  The discrepancy between the real and fictitious program were calculated and the dose volume histograms of gross tumor dose and surrounding critical organs dose were compared.  Results  The mean value of the distances between the real and fictitious program was 4.9mm.  The inside of the 100% isodose line was larger for fictitious implantation, while the volume of body inside of the 100% isodose line was larger for real implantation.  Conclusions  Virtual simulation can reduce the discrepancy between the real implantations and fictitious ideal implantations and consequently ameliorate the dose distributions of tumor volume and surrounding critical organs.
   
　　KEY WORDS:  nasopharyngeal neoplasms; brachytherapy; interstitial implantation； computer simulation

    鼻咽癌是我国南方常见的恶性肿瘤，放射治疗是鼻咽癌治疗的主要方法。作为体外放射治疗的补充，近距离放射治疗（包括鼻咽腔内放射治疗和鼻咽咽旁间隙插植放射治疗）可以提高局部肿瘤剂量并减少周围正常组织受量[13]。鼻咽咽旁间隙插植可与腔内放射治疗配合或单独应用。鼻咽咽旁间隙插植为有创性，虽然术中大出血及神经损伤等并发症罕见，但由于操作者的熟练程度和患者鼻咽病灶解剖部位的复杂性，施源管置入位置与最佳位置存在一些差距，从而影响到剂量学分布的优化[1,46]。

    本院与厦门大学合作研制了“鼻咽癌放射治疗虚拟仿真系统”，该系统可以进行靶区和重要器官的勾画，并且可以对点状放射源进行剂量计算和优化[7]。通过在该系统中模拟鼻咽癌咽旁间隙插植的过程为操作者的培训及近距离放射治疗计划的设计提供帮助。由于计算机仿真为无创性，且可以重复进行，故可模拟每个患者鼻咽咽旁间隙插植，实现个体化设计，选择最佳插植路径，更好地使高剂量区包括肿瘤，同时减轻周围正常组织受量，避免大血管和神经的损伤等。笔者通过对鼻咽癌病例的咽旁间隙插植与虚拟的理想插植进行比较，探讨计算机模拟技术临床应用的价值。

    1  对象与方法

    1.1  对象

    2005年6月-2007年12月，60例经病理确诊的鼻咽癌病人行体外放射治疗+鼻咽咽旁间隙插植组织间放射治疗，其中10例患者在咽旁间隙插植后进行了CT定位扫描验证施源管位置和三维剂量分布。10例中，男性7例，女性3例，年龄（46.71±7.18）岁（31～56岁）；根据福州92分期标准，T2期2例，T3期8例。针对这些病例逐例进行实际咽旁间隙插植与虚拟插植。

    1.2  方法

    1.2.1  实际鼻咽咽旁间隙插植

    根据CT所示鼻咽咽旁间隙区内的肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV）范围和位置，设计和确定咽旁间隙施源管置放的位置，选择实施插植进针的途径。患者于模拟机透视引导下行鼻咽咽旁间隙插植。穿刺点为颌下区，采用不锈钢套针，边进针边根据CT所示病灶位置调整进针方向；针尖插入鼻咽咽旁间隙到达颅底后置入施源管，退出穿刺针，置入施源管并保留于咽旁间隙内。插植后患者行鼻咽部CT扫描，层厚及层距为2～3 mm。

    1.2.2  虚拟鼻咽咽旁间隙插植

    根据CT所示，在“鼻咽癌放射治疗虚拟仿真系统”中设计虚拟的鼻咽咽旁间隙施源管。虚拟施源管的位置一般取各个CT层面的咽旁间隙GTV的中心。目的是使肿瘤靶区受到高剂量照射的同时更好地保护周围正常组织。剂量监测点参照文献[1]进行确定。

    1.2.3  施源管置入位置、剂量分布以及剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）比较 
 
    在“鼻咽癌放射治疗虚拟仿真系统”进行GTV和重要器官的勾画，并且对点状放射源进行剂量计算和优化[7]。计算每个含有GTV的CT层面上实际鼻咽咽旁间隙插植和虚拟插植的施源管之间的距离。对GTV及周围重要组织器官（如斜坡、椎体、软腭、和脊髓+脑干等）的DVH进行比较。

    1.3  统计学处理

    采用SPSS 13.0版软件，配对设计资料的Wilcoxon符号秩检验。

    2  结  果

    2.1  在10例病人每个含GTV的CT层面测量鼻咽咽旁间隙实际插植和虚拟插植的施源管之间的距离，共测得141个数值，其均数为4.9 mm，标准差为2.7 mm，中位数为5.0 mm（0～11.0 mm）。在咽旁间隙靠近颅底的层面，实际插植与虚拟插植的距离位置相差最为明显，均数为6.3 mm。

    2.2  鼻咽咽旁间隙虚拟插植与实际插植比较等剂量线分布可以更好地包括靶区（图1）。100%等剂量线所包括的GTV体积在实际插植病人为（96.43±5.57）%，而虚拟插植情况下为（99.94±0.09）%（P<0.01）。100%等剂量线所包括的正常组织体积在实际插植病人为（30.42±12.80）cm3，而虚拟插植情况下为（16.62±6.68）cm3（P<0.01）。福建医科大学学报  2008年7月  第42卷第4期潘建基等：鼻咽癌咽旁间隙插植三维靶区重建与剂量分布虚拟仿真研究。

    2.3  10例病人椎体、斜坡、软腭、和脊髓+脑干等重要器官在鼻咽咽旁间隙实际插植和虚拟插植中DVH值的差异比较见表1。表1  实际插植与虚拟插植对相应重要器官DVH值的差异比较（略）

    3  讨  论

    鼻咽癌近距离放射治疗是鼻咽癌精确放射治疗重要方法，近距离放射治疗的主要优点是放射源可置入或贴近肿瘤病灶，使肿瘤组织受到高剂量照射，而正常组织受照射的剂量低。近距离放射治疗实施的关键是放射源置入路径和位置的设计、放射源对靶区及其周围正常组织的剂量分布达到最佳优化。Kim等通过计算机技术实现了放射源在鼻咽部输送过程的仿真虚拟内窥技术[8]，虚拟内窥技术不仅可实现放射治疗源的位置模拟，还可以让医生沿着内窥路径对鼻咽部进行观察，熟悉鼻咽部的结构特点。

    鼻咽癌咽旁间隙经颌下组织间插植近距离放射治疗技术由笔者首创，在临床应用得到良好效果。治疗实施主要利用CT图像确定肿瘤靶区范围和位置、放射源置入的路径，然后根据治疗医师的临床操作经验，在模拟机2D平面图像的引导下，将放射源的施源器置入到鼻咽咽旁间隙的病灶内[1]。由于鼻咽癌邻近的组织结构复杂，包括大血管、神经等重要结构，实施治疗的医师的操作技能和经验对施源器置入的准确性很重要。目前主要是通过有经验的医师传帮带、手把手的教学方法为主，显然这种方法已不适应现代医学发展和临床应用的要求。如果能够在计算机虚拟和仿真系统平台上培训医务人员，操作和模拟放射源植入以及放射剂量分布情况，将为近距离放射治疗的实施和计划的设计提供很大帮助。计算机仿真进行无创模拟没有危险和副作用，可以重复进行。在虚拟仿真技术的辅助下，可顺利完成放射源置入手术计划的制定，实现治疗的个体化设计，应用于复杂且有一定危险性的鼻咽咽旁间隙插植及蝶窦、筛窦插植，做到精确的近距离放射治疗，从而避免大血管和神经的损伤、降低肿瘤周围正常组织，如后组颅神经的受量，减少放射治疗后的远期并发症的发生率和严重程度，提高治疗后患者的生活质量[1,6,9]。

    本研究的结果显示，在鼻咽癌咽旁间隙插植近距离放射治疗中实际插植与计算机仿真虚拟插植结果有一定的差距，10例实际插植与虚拟插植施源管在CT各层面的距离均数为4.9 mm，最大距离可达11 mm，且实际插植施源管在接近颅底的层面设置不够理想，表明借助于计算机辅助的虚拟仿真系统，鼻咽癌咽旁间隙插植技术和剂量分布还可以得到进一步改进。鼻咽咽旁间隙虚拟插植100%等剂量线所包括的GTV体积均大于实际插植，而100%等剂量线所包括的正常组织体积则是实际插植大于虚拟插植，其差异经符号秩检验有统计学意义，结果表明虚拟插植可以在提高GTV受量的同时减少周围正常组织剂量。虚拟插植时椎体、软腭和脊髓+脑干剂量减少(P<0.01)，提示虚拟插植可以减少这些器官的受量。斜坡处距离插植部位较远，由于近距离放射治疗剂量分布遵循“距离平方反比定律”，虚拟插植和实际插植的位置差异对剂量分布的影响随着距离的增大而减少，故在该部位处二者的差异未显示出统计学意义。

    笔者认为，“鼻咽癌放射治疗虚拟仿真系统”可进行鼻咽咽旁间隙插植模拟，根据特定的病人进行多次插植前模拟训练，提高插植的熟练程度，减少实际插植与虚拟插植之间的差异，达到更好的治疗效果并减少并发症。

【参考文献】
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　　[3] 陈传本,潘建基,潘才柱,等. 计划性调强放疗加腔内后装治疗早期鼻咽癌[J]. 福建医科大学学报, 2006,40(6）:587590.

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　　[6] 林少俊,潘建基,吴君心,等. 鼻咽癌外照射加腔内近距离超分割推量照射的远期疗效分析[J]. 癌症, 2007,26(2):208211.

　　[7] 郑朝炜,王博亮,戴培山,等. 基于VTK的鼻咽部三维重建[J]. 中华现代影像学杂志, 2006,3(9):805808.

　　[8] Kim D Y,Chung S M,Park J W. Automatic navigation path generation based on twophase adaptive regiongrowing algorithm for virtual angioscopy[J]. Medical Engineering & Physics(S13504533), 2006,28(4):339347.

　　[9] 潘建基,洪金省,张 瑜. 鼻咽癌常规放疗后组颅神经的剂量学研究 [J]. 福建医科大学学报, 2006,40(2):132135.