動態調強子野優化技術在胸上段食管癌治療中的應用研究*

張武哲 黃寶添 翟田田 彭 遜*

目前，調強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)已成為胸上段食管癌的主要治療手段，其劑量學優勢明顯，能提高腫瘤控制率，減少危及器官和正常組織損傷，但是實際治療時間較長可能導致相對生物效應降低，亦增加了治療中不確定因素的影響[1-4]。容積旋轉調強(volume modulated arc therapy，VMAT)是IMRT技術的延伸，利用可變的機架旋轉速度、多葉光柵(multi-leaf collimator， MLC)運動速率和動態劑量率來調制強度，高效的實現劑量投遞。相對IMRT技術，VMAT能夠明顯減少機器跳數(monitor units，MUs)，縮短治療時間(treatment time，TT)[5]。但是由于VMAT是全周連續照射，勢必導致低劑量照射區域的增多，這對于肺部低劑量受照區域的損傷不容忽視[6-9]。

動態調強(dynamic MLC-IMRT)是在射線照射時多葉準直器葉片處于運動狀態，利用多葉準直器相對應的每對葉片在射線照射時在計算機控制下對靶區進行掃描以實現對射野強度的調節。由于節省了葉片運動時間，所以動態調強比靜態調強的治療時間更短，提高了治療效率。

然而，Eclipse系統在Truebeam直線加速器的動態調強中每個射野的默認子野數目是166個(64～320)，理論上，減少每個射野的子野數目即減少了葉片的運動軌跡，應該能縮短治療時間，但子野數目的減少是否能夠滿足射野強度的調節，是否會導致計劃質量的下降，目前國內外在胸上段食管癌方面尚無相關研究。因此，本研究嘗試在保證不降低計劃質量的提前下，尋求滿足射野調控要求的最少子野數目的治療計劃，以達到盡可能的縮短治療時間，提高治療精度，使胸上段食管癌患者獲益。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年1-8月汕頭大學醫學院附屬腫瘤醫院治療的30例胸上段食管癌患者，其中男性18例，女性12例；年齡43～68，平均年齡(51±2)歲。所有患者均為首程放射治療，其中病灶下緣位于胸7和胸6椎體水平者分別為3例和8例，位于胸5、胸4和胸3椎體水平者分別為8例、5例和6例。

1.2 儀器設備

采用Briliance CT Big Bore型大孔徑CT(荷蘭飛利浦公司)。

1.3 放射治療定位

患者取仰臥位，雙臂自然下垂至身體兩側，頭頸肩網罩固定體位。采用大孔徑CT機進行定位掃描，層厚及層間距均為5 mm。范圍包括整個病灶，其上界至少包括下半頸，下界包括雙肺下緣。獲取的CT圖像通過DICOM 3.0傳輸到Eclipse(Version 10.0)治療計劃系統。

1.4 靶區定義

大體腫瘤區(gross tumor volume，GTV)包括食管腫瘤病灶和食管旁腫大淋巴結。臨床腫瘤區(clinical tumor volume，CTV)包括高危臨床腫瘤區CTV1和低危臨床腫瘤區CTV2；CTV1軸向在GTV外擴5～10 mm，縱向包括GTV外20 mm食管及食管旁組織，不包括區域淋巴結；CTV2在CTV1基礎上加上縱膈淋巴引流1區和2區，以及雙側鎖骨上區。計劃靶區(planning target volume，PTV)在各CTV基礎上三維外擴5 mm生成PTV1(64 Gy)、PTV2(54 Gy)；需勾畫的危及器官包括雙肺、脊髓、脊髓計劃區和心臟。脊髓計劃區由脊髓三維外擴5 mm生成。

1.5 計劃設計

應用TrueBeam直線加速器，X射線照射能量為6 MV，Eclipse系統進行計劃設計。動態調強共面5野照射，機架角度為210o、300o、0o、60o以及150o。用95%靶區體積獲得100%處方劑量進行歸一，PTV1(64)64 Gy/32次，PTV2(54)54 Gy/32次。危及器官劑量限制：脊髓計劃區Dmax＜45 Gy，脊髓Dmax＜40 Gy，肺V20≤25%、V30≤20%；采用劑量體積優化(dose volume optimizer，DVO)算法，最終劑量計算采用各向異性分析算法(anisotropic analytical algorithm，AAA)，計算網格為2.5 mm。在射野角度、處方劑量、優化條件等全部不變的情況下，初步制定下列計劃。

(1)基底劑量計劃(base dose plan，BDP)。

(2)最佳劑量計劃(top dose plan，TDP)：將BDP的處方分割數改為16次，單次處方劑量不變；復制更改分割數后的BDP，利用優化程序中的base dose plan功能將更改分割數后的BDP引入并關聯，進而繼續優化，計算最終劑量結果后再將處方分割數重置為32次，單次處方劑量仍保持不變，得到基于基準劑量補償的TDP。

(3)利用計算葉片運動(leaf motion calculator，LMC)功能，依據得到的TDP的子野數目，將其分為G1組(64個)、G2組(115個)和G3組(166個)3組再行劑量計算。

1.6 評估指標

適型指數(conformity index，CI)為公式1：

式中參考取值VT為靶區體積，VT，ref為處方劑量等劑量線所包繞的靶區體積，Vref為處方劑量等劑量線所包繞的體積。CI取值在0～1，越接近1表明靶區適型度越好。

劑量均勻性指數(heterogeneity index，HI)為公式2：式中D2近似最高劑量，D98近似最低劑量，D50中位劑量。HI值越小表明其劑量均勻性越好。其他參數：最高劑量(Dmax)、平均劑量(Dmean)、劑量體積參數(Vx)、MU以及TT。

1.7 統計學方法

運用SPSS 19.0軟件進行統計學分析，正態分布的數據以(±s)表示，采用配對t檢驗比較各組參數的差異，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量參數比較

(1)PTV1(64 Gy)：G2組與G3組靶區CI比G1組高[CIG1(0.924±0.011)＜CIG2(0.925±0.011)＜CIG3(0.926±0.011)]，HI略低[HIG1(0.053±0.005)＞HIG2(0.052±0.005)＞HIG3(0.049±0.009)]；相對于G1組，G2組的Dmax、Dmean、D2、D50略低，D98略高；G3組的Dmean、D2、D50略低，D98略高。

表1 三組不同子野計劃靶區的劑量學參數比較(Gy，±s)

表1 三組不同子野計劃靶區的劑量學參數比較(Gy，±s)

注：表中a為與G1組比較，t=-3.77～8.10，P＜0.05； b為與G2組比較，t=2.18，P＜0.05。

靶區 G1組 G2組 G3組 t值 P值G1與G2 G1與G3 G2與G3 G1與G2 G1與G3 G2與G3 PTV1(64 Gy)PTV2(54 Gy)Dmin(Gy) 57.67±1.9057.71±1.8557.73±1.86 -1.42 -0.56 -0.12 - - -Dmax(Gy) 68.14±0.77 68.05±0.76 67.76±1.10 a5.04 a2.22 1.69 0.00 0.05 0.12 Dmean(Gy) 65.63±0.15 65.60±0.15 65.46±0.34 a7.08 a2.65 2.16 0.00 0.02 -D2(Gy) 66.73±0.26 66.68±0.27 66.49±0.54 a7.42 a2.47 2.03 0.00 0.03 -D98(Gy) 63.19±0.18 63.20±0.18 63.24±0.20 a-3.77 a-2.79 -2.11 0.00 0.02 -D50(Gy) 65.80±0.16 65.76±0.16 65.61±0.38 a6.18 a2.73 2.18 0.00 0.02 -CI 0.924±0.011 0.925±0.011 0.926±0.011 a-2.51 -2.01 -1.54 0.03 - -HI 0.053±0.005 0.052±0.005 0.049±0.009 a7.98 a2.51 a2.51 0.00 0.03 -Dmin(Gy) 46.07±1.7846.10±1.8045.97±1.86 -0.91 1.22 1.75 - - -Dmax(Gy) 68.14±0.77 68.05±0.76 67.76±1.10 a5.64 a2.22 1.67 0.00 - -Dmean(Gy) 62.10±1.11 62.07±1.10 61.94±1.10 a8.10 a2.52 2.12 0.00 0.03 -

表2 三組不同子野計劃危及器官的劑量學參數比較(Gy，±s)

表2 三組不同子野計劃危及器官的劑量學參數比較(Gy，±s)

注：與G1組比較，at=-2.67～2.67，P＜0.05。

項目 G1組(64) G2組(115) G3組(166) t值 P值G1與G2 G1與G3 G2與G3 G1與G2 G1與G3 G2與G3脊髓計劃區Dmax(Gy) 45.28±2.08 45.27±2.14 45.21±2.16 0.03 0.41 0.43 0.98 0.69 0.68脊髓Dmax(Gy) 38.47±0.99 38.44±1.00 38.46±0.97 1.70 0.22 -0.64 0.12 0.83 0.54肺心臟Dmean(Gy) 10.40±2.65 10.40±2.65 10.39±2.66 -0.06 1.11 1.37 0.96 0.29 0.20 V5(%) 46.94±13.44 46.94±13.45 46.84±13.53 -0.36 1.60 1.68 0.72 0.14 0.13 V10(%) 38.38±10.95 38.37±10.95 38.36±10.98 a2.67 1.29 0.70 0.02 0.23 0.50 V13(%) 31.64±9.06 31.64±9.07 31.66±9.09 -0.54 -1.63 -1.64 0.60 0.13 0.13 V20(%) 22.08±6.28 22.07±6.29 22.03±6.31 a2.61 2.05 1.72 0.03 0.07 0.12 V30(%) 7.94±2.26 7.95±2.27 7.96±2.28 -1.47 a-2.67 -1.99 0.17 0.02 0.07 Dmean(Gy) 46.8±5.54 46.8±5.54 46.7±5.54 1.68 1.38 0.86 0.13 0.20 0.41 V20(%) 8.15±12.87 8.14±12.87 8.14±12.87 0.82 0.25 -1.00 0.43 0.81 0.34 V30(%) 4.99±8.36 4.99±8.37 4.99±8.37 0.84 0.79 -0.56 0.42 0.45 0.59 V40(%) 2.17±3.35 2.17±3.35 2.17±3.36 1.31 0.80 -1.00 0.22 0.44 0.34 V50(%) 1.24±1.80 1.24±1.80 1.24±1.80 1.00 0.00 -1.00 0.34 1.00 0.34

(2)PTV2(54 Gy)：G2組的Dmin比G3組覆蓋更好，G1組除了Dmean略高于G3組之外，其Dmax均高于其他兩組。見表1。

2.2 危及器官劑量參數比較

脊髓計劃區、脊髓和心臟均在劑量限值之內，且組間差異無統計學意義。G1組的雙肺V10、V20高于G2組，差異有統計學意義；V30則比G3組低，差異有統計學意義，見表2。

2.3 其他參數比較

在MU和TT參數中，G2組MU為(652±48)，G3組為(670±56)，分別較G1組(648±48)增加了0.6%、3.4%，其差異有統計學意義(t=-2.48，t=-3.08；P＜0.05)。G2組的TT為(176±13)s，G3組為(184±15)s，分別較G1組(175±13)s增加了0.6%和5.1%，其差異有統計學意義(t=-4.28，t=-4.81，P＜0.05)。

3 討論

放射治療的主流技術是逆向調強，其主要目標是最大程度提高靶區照射劑量的同時最大限度地保護危及器官，但調強技術的不足之處是治療時間較長，可能增加患者治療時移動的可能性，使治療依從性下降，分次內治療時間相對的延長，對腫瘤細胞損傷的生物學效應也可能隨之下降[10]。子野數目的減少，治療時間的縮短對于減少移動誤差和提高治療效率有積極意義。

通過30例研究計劃可見，3組計劃均能滿足臨床劑量學要求，而本研究結果顯示，G2組與G3組的靶區適形度指數雖比G1組略高，但實際數值非常接近，G1組同樣高度適形靶區，其均勻性指數略差，亦滿足劑量學要求，G2組與G3組的靶區劑量學參數無明顯差異。Schultheiss等[11]報道，當脊髓Dmax為45 Gy時，放射性脊髓病發生概率為0.03%，要求最大程度降低脊髓受量以減少脊髓功能受損傷的風險。本研究中3組計劃的脊髓Dmax＜40 Gy，脊髓計劃區Dmax約為45 Gy，很好的保護了脊髓，體現了一定的優勢[12]。另有多篇文獻[13-14]報道了雙肺的V5～V30和MLD與放射性肺炎的發生率相關，并且與其嚴重程度明顯相關，一般認為雙肺V20＜25%～30%可被接受。本結果中3組計劃的雙肺V20均＜25%，這對預防及降低放射性肺炎的發生率及嚴重程度更具優勢，這與Yin等[15]的研究結果相符。Kumar等[16]的研究表明，急性放射性肺炎主要與V30相關，3組計劃均遠低于可接受范圍(V30＜18%～20%且G1組最低)。肺部低劑量大體積照射亦是引起放射性肺炎的重要危險因素，建議V5應限制在65%以內[17-18]。本研究結果顯示，3組計劃的V5均≤47%，遠低于劑量限值，更能有效降低放射性肺炎的發生率。國內外文獻報道，心臟受照體積和劑量是心臟損傷的重要因素，3組計劃中的心臟平均劑量均≤5 Gy，遠低于各項指標，起到了很好的保護作用。G1組與G2組、G3組相比，其最大優勢在于減少MU和縮短治療時間。本研究中G2組、G3組的MU分別較G1組增加了0.6%和3.4%，而TT分別增加了0.6%和5.1%。治療時間的縮短對圖像引導放射治療的開展具有重要意義。Bewes等[19]報道，治療時間的縮短，能夠增加腫瘤的相對生物效應，利于腫瘤細胞的殺傷。由于在較長時間治療過程中體位可能產生變化，將導致治療精度下降，因此縮短治療時間對精確放射治療具有顯著意義。

本研究中的3組計劃均能滿足臨床劑量學要求，G1組在保證靶區劑量分布情況下，同樣能夠有效保護脊髓、脊髓計劃區和心臟的同時降低部分危及器官的受量，MU減少對降低放射線誘導的繼發腫瘤的發生率有重要意義，TT縮短對提高治療效率和精度具有顯著意義的同時亦降低了設備損耗率，患者不適感的減輕增加了治療依從性[20]。因此，動態調強的子野優化技術在胸上段食管癌具有臨床應用價值。