優(yōu)化角度分組對宮頸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強計劃劑量分布的影響

王 成， 陳維軍， 李玉成， 賈勇士， 詹文明， 李 強， 楊 帆， 趙桂芝*

(1.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 衡陽 421001; 2.浙江省人民醫(yī)院放療科/杭州醫(yī)學(xué)院附屬人民醫(yī)院, 杭州 310014)

宮頸癌在臨床上是一種常見的婦科腫瘤，其發(fā)病率和致死率均處于女性腫瘤疾病的第四位[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，放療成為治療宮頸癌的一種重要手段，而容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(volumetric-modulated arc therapy, VMAT)作為當(dāng)代放療技術(shù)中一種先進手段，它相較于傳統(tǒng)調(diào)強技術(shù)在減少治療時間的同時，能使靶區(qū)保持更均勻的劑量分布[2-3]，因而成為目前一種主流放療技術(shù)。

在Monaco計劃系統(tǒng)對病人進行VMAT計劃設(shè)計時，第一階段中，系統(tǒng)將光子束分成多個扇形，使用理想的光子束注量分布優(yōu)化，用來滿足給定光束組的定義處方。在第二階段，系統(tǒng)在優(yōu)化過程中使用蒙特卡洛模擬，根據(jù)優(yōu)化限制函數(shù)完成分割，包括分割形狀和權(quán)重，并在此之間進行優(yōu)化平衡，以獲得優(yōu)化結(jié)果。已有大量文獻報道[4-7]：最小子野面積、優(yōu)化模式的選擇、劑量計算網(wǎng)格、優(yōu)化角度分組(increment，Inc)等參數(shù)的不當(dāng)設(shè)置，會嚴(yán)重影響VMAT劑量計算結(jié)果。針對優(yōu)化角度分組這一參數(shù)，尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的量化指標(biāo)，需要物理師根據(jù)經(jīng)驗手動輸入?yún)?shù)，如果參數(shù)設(shè)置不合理，可能會延長計劃的優(yōu)化時間，甚至導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果失敗，會嚴(yán)重影響臨床的工作效率。中外已有文獻報道Inc參數(shù)會影響鼻咽癌、食管癌、前列腺癌劑量計算的準(zhǔn)確性和影響劑量分布[7-9]，從而影響治療效率及療效。宮頸癌作為女性腹部常見的癌癥疾病，相較于食管癌病例其危及器官體積相對較小，數(shù)量更多且相互鄰近。相較于前列腺癌主要針對男性患者，宮頸癌作為女性腹部常見的腫瘤疾病，病灶位置與鄰近危及器官與之具有部分差異。相較于宮頸癌，鼻咽癌危及器官通常體積較小，串行器官較多，而宮頸癌危及器官多為并行器官，器官體積偏大。由于這些差異的存在，所以對宮頸癌患者的優(yōu)化角度分組參數(shù)影響研究仍具有一定臨床意義。在保證計劃靶區(qū)(planning target volume, PTV)劑量充足的條件下，為減少危及器官的劑量受量，減少臨床放射性副反應(yīng)的發(fā)生，得到更優(yōu)的劑量分布結(jié)果，從宮頸癌患者的VMAT技術(shù)出發(fā)，定量分析常用Inc參數(shù)對宮頸癌患者靶區(qū)和危及器官中劑量分布的影響，從而指導(dǎo)臨床應(yīng)用選擇合適的Inc參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 病例資料

隨機選取浙江省人民醫(yī)院2020年1月—2020年7月收治的15例宮頸癌術(shù)后放療的病人，病理類型均為鱗癌，年齡31～72歲，中位年齡53歲。所有患者此前均未接受過宮頸癌放療，且均無放療禁忌證。

1.2 模擬定位

患者取仰臥位，使用熱塑體膜(8例)或真空負(fù)壓墊(7例)進行體位固定，采用雙手交叉抱肘置于額頭，采用美國通用電氣公司(General Electric Company， GE)生產(chǎn)的Discovery CT590 RT型號的大孔徑CT機掃描，掃描范圍從第一腰椎至坐骨結(jié)節(jié)下緣水平，層厚5 mm，平掃加增強掃描。然后導(dǎo)入Monaco計劃系統(tǒng)中。

1.3 靶區(qū)勾畫及處方劑量

根據(jù)國際輻射單位和測量委員(International Commission Radiological Units，ICRU)62 號和83 號報告[10-11]，由其臨床主治醫(yī)師勾畫臨床靶區(qū)(clinical target volume,CTV)及危及器官，然后PTV由臨床靶區(qū)頭腳方向外擴0.7 cm，腹背及其他方向外擴0.5 cm形成。再由物理師進行計劃設(shè)計。處方劑量給予PTV95%達到4 500 cGy的處方劑量，25×180 cGy的分次劑量。針對部分宮頸癌患者存在需要更高劑量的PTV-boost，為了進行定量的劑量分析，本文暫且忽略PTV-boost所需達到的目標(biāo)劑量體積，同時使用系統(tǒng)自帶的Rescale dose技術(shù)將PTV調(diào)整到95%的目標(biāo)劑量體積，這樣可以定量對比分析其他危及器官的受量。

1.4 計劃設(shè)計

由于宮頸癌病人的靶區(qū)通常均處于體內(nèi)居中的位置，常使用360°全弧的方式進行計劃設(shè)計，由于Monaco自身條件的限制，不能由179°順時針旋轉(zhuǎn)到181°，所以令所有全弧的設(shè)計為178°逆時針旋轉(zhuǎn)350°。其余參數(shù)選擇為：劑量網(wǎng)格0.3 cm，計算不確定度為1%，平滑度選擇中等medium，選擇單弧VMAT計劃(機架轉(zhuǎn)向為單向，逆時針178°～188°)，單弧的控制點數(shù)選擇180。并在Inc為30°的條件下對計劃進行優(yōu)化設(shè)計，如圖1所示，此時CT圖被分為12個優(yōu)化區(qū)間進行同時優(yōu)化。然后另外對Inc分別賦值10°、20°、40°，同時將Inc=10°、20°、30°、40°時的計劃分別命名為Inc10°、Inc20°、Inc30°、Inc40°。在約束條件相同的情況下，分析各Inc下VMAT計劃的劑量分布。

圖1 360°的弧長其扇區(qū)數(shù)被分為12個Fig.1 The number of sectors for 360° arc length is 12

1.5 計劃評估指標(biāo)

根據(jù)國際輻射單位和測量委員會(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)發(fā)布的83號報告的要求對靶區(qū)和危及器官進行分析[11]。針對靶區(qū)，靶區(qū)使用D2、D50(Dx為器官中x%的體積包含的劑量)，靶區(qū)適形度指數(shù)(homogeneity index，CI)和靶區(qū)均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)進行分析，CI、HI的計算公式為

CI=(VT,ref/VT)(VT,ref/Vref)

(1)

式(1)中:VT,ref為參考等劑量線面所包圍的靶區(qū)體積；VT為總的靶區(qū)體積；Vref為參考等劑量線面包圍的所有區(qū)域體積。CI越接近1表示適形度越好[12]。HI的計算公式為

HI=(D2-D98)/D50

(2)

式(2)中:HI越接近1表示均勻性越好。針對宮頸癌的病灶所處的特殊位置，其危及器官的評價參數(shù)選擇左右股骨頭的平均劑量Dmean，盆骨V10、V20及Dmean，膀胱、直腸、小腸的D2及V45，乙狀結(jié)腸的D2及Dmean，和脊髓的D2來進行分析。其中Vx代表xGy的劑量線所包含的器官體積百分比。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量參數(shù)比較

與對照組Inc=30°相比較，10°、20°、40°的優(yōu)化角度分組計算得到PTV的HI均不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，D2除40°組以外，D50及CI除10°組以外，均不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。與對照組Inc=40°相比較，實驗組10°、20°中的D2、D50、HI、CI除10°組中的CI具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)以外，其余均不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。與對照組Inc=20°相比較，實驗組Inc10°中均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，且D2、D50，HI明顯增加，CI明顯減小。四組對照組在CT上的劑量分布差異如圖2所示。

圖2 4組計劃下的靶區(qū)橫切面的劑量分布Fig.2 The dose distribution of target region transverse of section among four groups

2.2 危及器官劑量參數(shù)比較

(1)與對照組Inc=20°時的計劃相比較，實驗組10°時的盆骨V20、Dmean和膀胱、直腸及乙狀結(jié)腸的D2與對照組相比具有統(tǒng)計學(xué)意義，且盆骨V20、Dmean減小，膀胱、直腸及乙狀結(jié)腸的D2增加，其余參數(shù)不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

(2)與對照組Inc=30°時的計劃相比較，實驗組10°其危及器官中的盆骨V10、V20、Dmean低于30°組，且具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，膀胱D2，直腸D2均高于30°組，且具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，10°時的其余危及器官參數(shù)不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。實驗組20°的所有危及器官參數(shù)與對照組相比，均不具有統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。實驗組40°的左股骨頭Dmean與盆骨Dmean均高于30°組，且具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其余危及器官參數(shù)與對照組相比不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表1 4組計劃靶區(qū)和危及器官劑量參數(shù)Table 1 Comparison of dosimetric parameters of targets and OARs among four groups

3 討論

VMAT技術(shù)相較于傳統(tǒng)固定野調(diào)強技術(shù)，其有著良好的腫瘤控制率和危及器官受量，短治療時間的優(yōu)勢[13]，在選擇Inc參數(shù)時，系統(tǒng)提示可以在3°～60°選擇，而在使用全弧計劃且使用單弧的條件下，Inc>45°時系統(tǒng)將進行報錯參數(shù)選擇過大，可能是在選擇45°時，VMAT的優(yōu)化角度的8個分組相較于常規(guī)固定野調(diào)強為8個射野，此時不能體現(xiàn)VMAT的技術(shù)優(yōu)勢，所以系統(tǒng)在Inc選擇大于45°時系統(tǒng)將進行報錯[14]。

從整體來看，Inc10°、Inc20°、Inc30°、Inc40°時的所用的平均計劃時間分別為55.4、36.27、26.2、25.07 min，而計劃時間的減少對于優(yōu)化過程較復(fù)雜的Monaco來說，可以較為顯著地提高計劃效率。Inc10°、Inc20°、Inc30°、Inc40°的平均機器跳數(shù)(monitor unit，MU) 分別為949.28、812.57、786.16、773.08 MU，由于MU是指在標(biāo)定下1 MU=1 cGy，則出束劑量率一定時，跳數(shù)越少時治療時間就越短，不僅可以提高治療效率，也可以減少由于較長的治療時間引起的分次內(nèi)器官體積變化，提高治療精確度。并且機器跳數(shù)明顯減少時，還可以降低加速器機頭附近的射線散射，理論上也可以降低二次致癌的概率[15]。

從文章數(shù)據(jù)中得出，當(dāng)隨著Inc的增大，其計劃運算時間會隨之減小，這是由于Inc=10°時，其射野需要在36個弧內(nèi)進行相互優(yōu)化，而當(dāng)Inc=40°時，計劃只需在9個弧段內(nèi)進行優(yōu)化，其計劃運算效率提升顯著。但在部分病人身上，當(dāng)其Inc越大，用的時間卻越多，可能是由于Inc增大時，優(yōu)化結(jié)果較差，靶區(qū)劑量和危及器官劑量不能達到目標(biāo)，進行了反復(fù)的優(yōu)化調(diào)整，從而導(dǎo)致計劃時間的增加。本文在對照組Inc10°中，發(fā)現(xiàn)較小的Inc在危及器官的優(yōu)化結(jié)果上較好，但此時容易導(dǎo)致靶區(qū)的目標(biāo)劑量體積不足，在使用劑量提升Rescale Dose功能進行靶區(qū)提量到95%的目標(biāo)劑量體積后，此時危及器官的劑量優(yōu)化結(jié)果相較于Inc30°的對照組，危及器官受量提高，其優(yōu)化結(jié)果相對較差。在Inc20°時發(fā)現(xiàn)，大部分劑量優(yōu)化結(jié)果較好，但大部分器官所受劑量，相較于Inc30°對照組，會呈現(xiàn)下降的趨勢。實驗組Inc40°中，由于其優(yōu)化精度相對較低，因此在靶區(qū)和危及器官劑量上的優(yōu)化結(jié)果也相對較差。Nithya等[7]對比了食管癌病人使用的4種不同角度優(yōu)化分組(15°、20°、30°、40°)的靶區(qū)及器官劑量學(xué)差異，得出越小的Inc優(yōu)化結(jié)果越好，其結(jié)論在本文宮頸癌全弧的計劃Inc20°、Inc30°、Inc40°三組中成立，這一點與本文結(jié)果相似。而本文Inc10°的對照組由于靶區(qū)目標(biāo)劑量的欠缺而優(yōu)化結(jié)果較差，但Nithya等在食管癌患者使用的最小的Inc值為15°，可能是15°與20°的優(yōu)化角度分組分區(qū)數(shù)目差異較小，從而其得出Inc越小優(yōu)化結(jié)果越好的結(jié)論，因而與本文的部分結(jié)果不一致。

在實驗組Inc10°中，發(fā)現(xiàn)有兩組病例靶區(qū)劑量D2較高，導(dǎo)致其PTV及危及器官劑量嚴(yán)重偏大。經(jīng)分析其中一組為乙狀結(jié)腸部分被PTV所覆蓋，而PTV作為靶區(qū)，其劑量值較高，乙狀結(jié)腸劑量此時無法得到有效限制，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果較差。另一組為部分乙狀結(jié)腸被當(dāng)作小腸進行了勾畫，乙狀結(jié)腸離靶區(qū)較近，通常被PTV環(huán)繞，其D2、Dmean較高，小腸相對于乙狀結(jié)腸而言位置離靶區(qū)稍遠(yuǎn)，劑量限值通常較小，在包含了乙狀結(jié)腸作為其體積后，其靶區(qū)劑量D2會偏大，當(dāng)使用小腸的劑量函數(shù)再進行限制時，靶區(qū)無法進行一個較大的劑量跌落，難以進行限制，導(dǎo)致PTV劑量不足，PTV靶區(qū)提量后隨之靶區(qū)D2較高，其余危及器官受量也隨之上升。而Inc20°、Inc30°、Inc40°組中受到勾畫錯誤的影響相較于Inc10°并不大，由此可猜測，Inc越小時，對危及器官優(yōu)化精度較好，但容易降低部分靶區(qū)的目標(biāo)劑量體積，Inc越小影響越顯著。而靶區(qū)HI和CI指數(shù)在不同角度分組優(yōu)化下，其值均無統(tǒng)計學(xué)差異，證明當(dāng)Inc變化時，由于靶區(qū)是固定的，其劑量線在PTV達到95%的時候，靶區(qū)覆蓋率較好，其劑量梯度差異較小，所以HI和CI指數(shù)沒有統(tǒng)計學(xué)差異。Inc20°實驗組中的D2、D50、CI、HI與對照組相比均不具有統(tǒng)計學(xué)意義，但其D2、D50的均值都有減少的趨勢，而在部分病人的計劃中，會出現(xiàn)D2及D50會出現(xiàn)隨著Inc的增大反而略微減小的情況，經(jīng)分析，這部分異常的病人身體相對瘦小，靶區(qū)體積相對較小，此時受Inc的影響也會較小。馮麗娜[14]也對比多種不同類型的病例也指出：靶區(qū)越簡單，體積越小，受Inc影響越小，相反則受Inc影響越大。

由于宮頸癌病人靶區(qū)附近危及器官較多，在計劃設(shè)計時需要根據(jù)病人實際情況選擇最重要的器官優(yōu)先保護，減少臨床不良反應(yīng)。針對宮頸癌術(shù)后的病人，其小腸會落入盆腔，且腸道會受粘連，此時小腸是盆腔放療的主要限制性器官[16]。單從小腸劑量上來看，在考慮宮頸癌術(shù)后的病人時，可以選擇Inc30°小腸可以得到較低的劑量體積。王利華等[17]指出，滿膀胱狀態(tài)下的小腸V45會比空膀胱狀態(tài)下的小腸V45的體積減小26%，文獻[18-19]也指出，膀胱充盈時能減少小腸受照體積，同時也能降低小腸受到的最大劑量。因此可以通過增加膀胱尿液量，來避免小腸由于高劑量受照體積引起的放射性損傷，同時使用膀胱容量測定，以保證定位和治療時膀胱尿液充盈程度的一致性[20]，提升治療精度，同時減少小腸的放射性損傷。放射性直腸及膀胱黏膜損傷也是宮頸癌放療常見的不良反應(yīng)[21]，嚴(yán)重程度與直腸及膀胱接受的高劑量照射體積有關(guān)，由文中數(shù)據(jù)可知，選用Inc30°能得到相對較低的直腸膀胱照射量。另外在Inc20°下，乙狀結(jié)腸及脊髓受量較低，可以減少乙狀結(jié)腸放射性腸道損傷及放射性脊髓炎的隨機性發(fā)生效應(yīng)，文獻[22-23]研究顯示，骨盆V20、Dmean可能是宮頸癌放療患者血液學(xué)毒性發(fā)生的主要影響因素。由本文數(shù)據(jù)，骨盆劑量會隨著Inc的增大而增加，則骨盆劑量可以在Inc10°下進行計算，觀察靶區(qū)及危及器官的劑量分布，如骨盆不能得到理想的劑量分布，可以考慮將Inc的數(shù)值由10°進行小幅度提升，在保證靶區(qū)劑量充足的情況下，以最優(yōu)的方式將骨盆劑量降低。

因此，筆者在平衡計劃設(shè)計效率和優(yōu)化結(jié)果下，認(rèn)為針對常規(guī)病人，使用Inc=30°時能得到較好的劑量分布，既能得到臨床要求的靶區(qū)劑量和危及器官限制，又能提高治療效率。而針對部分身體狀況較差或者靶區(qū)體積較大的病人，需要更好的優(yōu)化精度時，可以選擇Inc為20°，以得到更好的劑量分布。