robust優化在乳腺癌調強放療中的應用

楊一威 翁鄧胡 邵凱南

乳腺癌是女性常見的惡性腫瘤之一，放療是主要治療手段。特別是改良根治術后的輔助放療，能降低高危乳腺癌患者的局部復發率，提高總生存率[1]。本研究選取了10例左側乳腺癌根治術后患者，分別采用傳統的調強適形放射治療（IMRT）計劃及容積旋轉調強放射治療（VMAT）計劃、加入robust優化的IMRT及VMAT計劃，比較加入與不加入robust優化的放療計劃靶區和危及器官劑量，現將結果報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 選擇2016年1至12月在本院接受放射治療的左側乳腺癌改良根治術后患者10例為研究對象。年齡 31~55[43（37.75，49.00）]歲；臨床分期為Ⅲ期；放射治療靶區包括胸壁和鎖骨上淋巴區。

1.2 CT模擬定位 患者仰臥于乳腺托架上，雙側手臂上舉并握住托架上的桿，體中線以皮膚墨水和鉛絲標注，以確保體位的重復性。乳腺靶區和頸部暴露，使胸壁呈水平狀態。體表定位點用鉛絲標記。采用Phlips 16排大孔徑CT機對治療部位進行掃描。掃描層厚5mm，掃描范圍上界至C1，下界至肝臟下緣，包括雙側肺、乳腺和頸部。圖像由網絡傳輸至Raystation計劃系統。

1.3 計劃設計 由經驗豐富的臨床醫生在Raystation計劃系統根據美國放射治療協作組（RTOG）標準勾畫臨床靶區（CTV），包括胸壁區（標記為CTV1）和鎖骨上淋巴結區（標記為CTV2）；再分別外擴5mm，生成計劃靶區（PTV），包括胸壁區（標記為PTV1）和鎖骨上淋巴結區（標記為PTV2），PTV1不超體表。在Raystation治療計劃系統中進行兩組計劃的設計，一組加入robust優化，為A組；一組不加入，為B組。A組包含IMRT計劃為A-I計劃，包含VMAT計劃稱為A-V計劃；B組包含IMRT計劃稱為B-I計劃，包含VMAT計劃稱為B-V計劃。其他條件相同，兩組都加上0.5cm的虛擬填充物。IMRT計劃對 PTV1、PTV2分別設野，PTV1設四野（300°、330°、95°、125°），為避免機頭碰到患者手臂，切線野角度≥300°；PTV2根據靶區形狀設置前三后一野（300°、330°、30°和 165°），兩前野同切線野，射野方向根據靶區差別進行微調，通過設置鉛門大小來限制照射區域。VMAT計劃采用雙弧，角度300°~165°。射野中心點往Posterior、Right方向分別發生位移0.5cm的計劃定義為A-I-S計劃、B-I-S計劃、A-V-S計劃和B-V-S計劃，這些計劃只需移動射野中心點計算最終劑量即可，無需再次優化。按照射要求，PTV給予50Gy/25F的處方劑量，靶區與危及器官的計劃劑量作如下約束：PTV的V95%（受到95%處方劑量照射的體積百分比）≥100%；患側肺V5＜60%，V20＜30%，V30＜20%；心臟平均劑量（MHD）＜7Gy，脊髓最大劑量（Dmax）＜45Gy。

1.4 劑量學評估 對A-I計劃與B-I計劃、A-V計劃與B-V計劃、A-I-S計劃與B-I-S計劃、A-V-S計劃與B-V-S計劃進行比較，評估基于劑量-體積直方圖（DVH）曲線和劑量學參數。未發生位移的計劃都以95%PTV體積獲得50Gy處方劑量進行歸一，發生位移的計劃不作處理。計劃的比較指標：采用適形指數（CI）和均勻指數（HI）評估 PTV 劑量分布，V100%、V95%評估CTV 劑量，V5、V20、V30及 MLD 評估患側肺的受量，MHD評估心臟的受量，Dmax評估脊髓最大劑量。

1.5 統計學處理 應用SPSS 19.0軟件統計，計量資料用表示，組間比較采用配對樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 A-I計劃與B-I計劃的劑量學參數比較 B-I計劃的PTV CI、脊髓Dmax均明顯高于A-I計劃，差異均有統計學意義（均P＜0.05）；其余9個參數差異均無統計學意義（均 P＞0.05），見表 1。

表1 A-I計劃與B-I計劃的劑量學參數比較

2.2 A-V計劃與B-V計劃的劑量學參數比較 與AV計劃比較，B-V計劃的CTV V100%較低，PTV CI較高，差異均有統計學意義（均P＜0.05）；其余9個參數差異均無統計學意義（均P＞0.05），見表2。

2.3 A-I-S計劃與B-I-S計劃的劑量學參數比較 與A-I-S 計劃比較，B-I-S 計劃的 PTV CI、CTV V100%、CTV V95%、脊髓Dmax均較低，PTV HI較高，差異均有統計學意義（均P＜0.05）；其余6個參數差異均無統計學意義（均P ＞0.05），見表 3。

2.4 A-V-S計劃與B-V-S計劃的劑量學參數比較與A-V-S計劃比較，B-V-S計劃的PTV CI、CTV V100%、CTV V95%均較低，PTV HI較高，差異均有統計學意義（均P＜0.05）；其余7個參數差異均無統計學意義（均P ＞0.05），見表 4。

表2 A-V計劃與B-V計劃的劑量學參數比較

表3 A-I-S計劃與B-I-S計劃的劑量學參數比較

表4 A-V-S計劃與B-V-S計劃的劑量學參數比較

3 討論

本研究主要對robust優化在乳腺癌調強放射治療中的應用進行研究。目前已有研究表明robust優化不僅可以提高靶區的劑量，還可以降低危及器官的劑量。Bissonnette等[2]、Mccann等[3]在肺癌調強放射治療中運用robust優化，不僅降低了同側肺的劑量，而且提高了CTV的累計劑量。Li等[4]、Voort等[5]分別在肺癌、咽癌的質子放射治療中發現robust優化可減少由于擺位和器官運動引起的誤差，提高靶區的劑量覆蓋率。Mahmoudzadeh等[6]研究發現robust優化在自由呼吸的情況下，可以減少乳腺癌放射治療時心臟的劑量，降低對屏息技術的需求。以上研究主要運用robust優化來進行CTV各個方向的外擴，不需要生成PTV，直接對CTV作放療計劃。本研究把robust優化運用到乳腺癌改良根治術后放療計劃的設計上，只對PTV靶區外側界進行外放，提高了放療計劃的魯棒性。

由于呼吸運動引起的擺位誤差以及治療體位偏移會造成CTV位移[7-8]，臨床醫生往往要對CTV進行外擴。但是乳腺癌改良根治術后患者的腫瘤大部分離皮膚很近，CTV往往要畫到皮膚，而外擴生成PTV又不能超出體表，因此當射野中心向內側發生偏移的時候，CTV的劑量覆蓋率會出現大幅下降。而robust優化恰恰考慮到這一點，在計劃優化過程中加入了這一方向偏移對計劃影響的考量，改善位移對靶區劑量的影響。若是CTV外放生成PTV時，外放到虛擬填充物上的話，往往造成計劃設計的不便，使PTV的處方劑量很難達到臨床要求。從結果來看，加入robust優化后，靶區適形性變差，這是由于照射范圍變大，引起體表面的散射線變多，處方劑量包含的體積變大。靶區的HI稍微有點降低，但差異無統計學意義。加入robust優化的IMRT計劃及其移位計劃，脊髓Dmax稍高，可能是由于脊髓離靶區較遠、受量較低、樣本量少等造成的偶然現象。當中心點發生位移時，加入robust優化的移位計劃，其靶區適形性和均勻性相對更好，因為位移的發生會造成一部分體表的PTV發生脫靶；其對應的計劃同側肺的劑量差異無統計學意義，這是因為本研究只應用robust優化對靶區外側界進行外放，對內側界關系密切的同側肺的劑量沒有影響。

robust優化基于Minimax優化，是最小化在最壞情況下的一組預定義場景的目標函數值[9]。本研究中2個情境被使用，一個是標稱的情境，一個是射野中心向內側發生偏移時的情境，在優化過程中分別計算這2種情境的劑量分布。Raystation系統在作劑量參數優化時，可以選擇讓靶區劑量優化增加一個robust優化。就是說，在設定PTV靶區參數Min Dose和Min DVH的時候勾上robust選項，再在robust選項中選擇Anterior和Left外放0.5cm。與普通IMRT、VMAT計劃相比，加入robust優化的計劃在危及器官劑量方面基本沒有差別；在射野中心往內側界方向發生移位時，加入robust優化的計劃在靶區適形性、均勻性及CTV覆蓋率上均可獲得更好的劑量分布。不管是IMRT還是VMAT，它們的robust計劃雖然在不發生位移的時候靶區適形性較差，但是相對發生移位時靶區劑量分布的改善來說，就顯得沒那么重要了。如果臨床醫生對靶區的均勻性和適形性有更高的要求，也可以加入條件作進一步優化。

乳腺癌胸壁照射時，呼吸運動造成的靶區擴大不容忽視。雖然臨床醫生在勾畫PTV時，在一定程度上考慮了這個因素；但由于乳腺癌改良根治術后患者的腫瘤特征，往往會因外側界外放程度不夠，可能造成冷區和脫靶；而加入robust優化具有可行性。roubust優化的應用在保證胸壁靶區照射精度的同時，基本不增加正常組織受照劑量，用于乳腺癌放射治療是安全可行的。

4 參考文獻

[1]余子豪.乳腺癌放射治療進展[J].中國實用外科雜志,2015,20(7)：53-56.

[2]Bissonnette J,Hope AJ,Lundin A,et al.A Simple,Robust IMRT optimization method for lung cancer,Accounting for tissue heterogenity and intra-fraction lung tumor motion[J].Int J Radiat OncolBiolPhys,2008,72(1)：86-87.

[3]Mccann C,Purdie T,Hope A,et al.Lung sparing and dose escalation in a robust-inspired IMRT planning method for lung radiotherapy that accounts for intrafraction motion[J].Med Phys,2013,40(6)：61705.

[4]Li H,Zhang X,Park P,et al.Robust optimization in intensity-modulated proton therapy to account for anatomy changes in lung cancer patients[J].Radiother Oncol,2015,114(3)：367-372.

[5]Voort SVD,Water SVD,Perkó Z,et al.Robustness Recipes for Minimax Robust Optimization in Intensity Modulated Proton Therapy for Oropharyngeal Cancer Patients[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2016,95(1)：163-170.

[6]Mahmoudzadeh H,Lee J,Chan TC,et al.Robust optimization methods for cardiac sparing in tangential breast IMRT[J].Med Phys,2015,42(5)：2212-2222.

[7]Conroy L,Quirk S,Smith WL,et al.Realistic respiratory motion margins for external beam partial breast irradiation[J].Med Phys,2015,42(9)：5404.

[8]Guo B,Li J,Wang W,et al.Correlation Between Target Motion and the Dosimetric Variance of Target and Organ at Risk during External Beam Partial Breast Irradiation Using 4-Dimensional Computed Tomography[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2016,96(2)：E5.

[9]Chan T,Bortfeld T,Tsitsiklis J.A robust approach to IMRT optimization[J].Phys Med Biol,2006,51(10)：2567-2583.