基于外輪廓的虛擬限量環在宮頸癌固定野調強放療中的應用

陳 穎，劉茹佳，鐘志鵬，楊士勇，焦 楊，王娟芬

（1.荊門市第二人民醫院腫瘤防治中心，湖北荊門 448000；2.荊門市第二人民醫院影像中心，湖北荊門 448000）

0 引言

宮頸癌是常見的婦科惡性腫瘤之一，手術和放療是其重要的治療方法[1-4]。固定野調強放療（fixedfieldsintensity-modulated radiotherapy，ff-IMRT）技術能兼顧靶區劑量分布、危及器官和正常組織保護，被基層醫院普遍采用[5-6]。為了提高處方劑量的適形性并減小靶區周圍危及器官和正常組織低劑量照射范圍，放療物理師在設計放療計劃時通常設置若干個限量環并給予其權重較小的約束條件[7-8]。Monaco是常用的商用計劃系統之一，其Shrink Margin功能可使某結構遠離其上級結構指定距離，在患者外輪廓的基礎上利用該功能可形成虛擬限量環，繼而達到與實際限量環類似的功能。因此，本研究通過比較無限量環計劃、基于實際限量環計劃和基于患者外輪廓的虛擬限量環計劃三者間的區別，探討基于患者外輪廓創建虛擬限量環的應用價值，為放療物理師設計放療計劃提供參考。

1 資料與方法

1.1 患者資料

選取2019年10月至2020年5月在某醫院放療科接受宮頸癌術后ff-IMRT的患者20例，年齡42～58歲，中位年齡52歲。納入標準：根據國際婦產科聯盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）的分期標準，分期為ⅠB～ⅡB期，病理類型為鱗癌，首次接受放療，無放療禁忌證，肝腎功能正常的患者。排除標準：骨髓抑制患者（周圍血白細胞總數＜3×109/L，血小板總數＜7×109/L），急性或亞急性盆腔炎癥未獲控制的患者，尿毒癥患者，精神病發作期患者，嚴重心血管疾病未獲控制的患者。

1.2 定位方法

患者以仰臥位平躺于碳纖維治療床，用體部熱塑膜固定體位[9]。掃描前確保直腸清空、膀胱充盈[10]。利用Philips Brilliance Big Bore CT獲取所選病例平掃和增強CT圖像，掃描范圍為第二腰椎～坐骨結節下5 cm，掃描層厚0.5 cm。將CT圖像經網絡以DICOM格式傳輸至Monaco 5.11.03計劃系統進行ff-IMRT計劃設計。

1.3 靶區和危及器官勾畫

由同一名臨床經驗豐富的腫瘤醫師參考美國腫瘤放射治療協作組織（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）指南完成靶區和危及器官勾畫。臨床靶區（clinical target volume，CTV）包括腫瘤瘤床、陰道殘端、宮旁組織、盆腔淋巴引流區（髂總、髂內、髂外、骶前、閉孔淋巴引流區），計劃靶區（planning target volume，PTV）由CTV在三維方向上外擴0.5～1.0cm得到。經統計，所選病例PTV體積范圍為602～785 cm3，平均705 cm3。危及器官包括小腸、直腸、膀胱、股骨頭、骨盆。

1.4 計劃設計方法

基于Elekta Precise加速器（含40對多葉準直器，所有葉片厚度均為1 cm）6 MV X射線，采用Monaco 5.11.03計劃系統對20例患者分別設計3種ff-IMRT計劃（plan_1、plan_2和plan_3）。3種ff-IMRT計劃射野角度均為180°、129°、77°、26°、334°、283°、251°，準直器角度均為0°[11]。3種計劃劑量率均為600MU/min，計算網格為0.3 cm，采用蒙特卡羅算法（Monte Carlo algorithm，MCA），子野個數限值為100，最小子野面積為2 cm2，最小機器跳數為5 MU，處方劑量均為4 500 cGy/25f。

plan_1為無限量環ff-IMRT計劃。plan_2為基于布爾運算創建2個實際限量環，其環形弧間距（環外徑與內徑之差）均為0.6 cm。其中第1個實際限量環遠離PTV 0.6 cm，目標函數為Quadratic Overdose，限制條件：Maximum Dose為3 900 cGy，RMSDose Excess為30 cGy，Shrink Margin為0；第2個實際限量環遠離PTV 1.2cm，目標函數為Quadratic Overdose，限制條件：Maximum Dose為3300 cGy，RMSDose Excess為50 cGy，Shrink Margin為0。plan_3為基于患者外輪廓創建2個虛擬限量環，第1個虛擬限量環目標函數為Quadratic Overdose，限制條件：Maximum Dose為3 900 cGy，RMSDose Excess為30 cGy，Shrink Margin為0.6cm；第2個虛擬限量環目標函數為Quadratic Overdose，限制條件：MaximumDose為3300cGy，RMSDose Excess為50 cGy，Shrink Margin為1.2 cm。其中，Maximum Dose表示限量環的最大劑量；RMS Dose Excess表示限量環最大劑量的均方根，其取值在2～1 500 cGy范圍內變化，值越小，限量環約束力度越大；Shrink Margin的值為限量環遠離PTV的距離，不同的取值對應限量環不同的約束范圍。3種ff-IMRT計劃除上述限量環限制條件不同之外，其他目標函數限制條件均相同。

1.5 ff-IMRT計劃評估

通過劑量-體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）評估PTV的以下劑量學參數：最大劑量D2%、平均劑量Dmean、最小劑量D98%、靶區覆蓋率V100%（4 500 cGy劑量包繞的PTV體積與PTV體積之比）、靶區適形性指數（conformity index，CI）、靶區均勻性指數（homogeneity index，HI）。

參考ICRU83報告，CI計算公式如下：

式中，VPTV，45為4 500 cGy等劑量線所包繞的PTV體積，VPTV為PTV體積，Vref為4 500 cGy等劑量線所包繞的體積。CI值與1越接近，說明靶區適形性越好。

HI計算公式如下：

式中，D2%為2%PTV體積的受照劑量，以此類推。HI值與0越接近，說明靶區均勻性越好。

對于3種ff-IMRT計劃小腸、直腸、膀胱、股骨頭、骨盆等危及器官及正常組織，評估其受照體積的百分 數Vx（V10、V20、V30、V45），并 評 估3種ff-IMRT計劃的治療參數，包括機器跳數、子野個數、出束時間（包括機架轉動時間）。

1.6 統計學方法

基于SPSS20.0軟件完成計量數據的統計學分析，分析計量數據前均行正態性檢驗和方差齊性檢驗。若計量數據服從正態分布且方差齊，多組間數據比較和兩兩比較分別采用單因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）和Tukey檢驗；反之，則采用Kruskal-Wallis H檢驗和Dunnett’s T3檢驗。P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 PTV橫斷面劑量分布圖

某例患者3種ff-IMRT計劃橫斷面劑量分布如圖1所示。由圖1可知，處方劑量線均能較好地覆蓋PTV，但PTV處方劑量的適形性和低劑量線的覆蓋范圍存在差異，按從優到劣排序為plan_3、plan_2、plan_1。

圖1 某例患者3種ff-IMRT計劃橫斷面劑量分布圖

2.2 PTV劑量學參數比較

3種ff-IMRT計劃PTV劑量學參數比較見表1。3種ff-IMRT計劃PTV處方劑量分布均滿足臨床治療要求，D2%、D98%、HI按從優到劣排序為plan_1、plan_2、plan_3（P＜0.05），CI則反之（P＜0.05），Dmean、V100%差異無統計學意義（P＞0.05）。

表1 3種ff-IMRT計劃PTV劑量學參數比較

2.3 危及器官劑量學參數比較

3種ff-IMRT計劃危及器官的劑量學參數比較見表2。由表2可知，小腸、直腸、膀胱、股骨頭的V30，骨盆的V10、V20、V30按從優到劣排序為plan_3、plan_2、plan_1（P＜0.05）；plan_2、plan_3直腸、膀胱、股骨頭、骨盆的V45優于plan_1（P＜0.05），且plan_2與plan_3相比差異無統計學意義（P＞0.05）。

表2 3種ff-IMRT計劃危及器官劑量學參數比較單位：%

2.4 正常組織劑量學參數比較

3種ff-IMRT計劃正常組織的劑量學參數比較見表3。由表3可知，正常組織的V5、V10、V15、V20、V25、V30、V35按從優到劣排序為plan_3、plan_2、plan_1（P＜0.05）；plan_2、plan_3正常組織的V40優于plan_1（P＜0.05），且plan_2與plan_3相比差異無統計學意義（P＞0.05）。

表3 3種ff-IMRT計劃正常組織的劑量學參數比較單位：%

2.5 治療參數比較

3種ff-IMRT計劃的治療參數比較見表4。由表3可知，plan_2與plan_3的治療參數比較差異無統計學意義（P＞0.05），且劣于plan_1（P＜0.05）。

表4 3種ff-IMRT計劃的治療參數比較

3 討論

術后盆腔放療有利于提高早期宮頸癌患者腫瘤的局部控制率、延長其生存時間[12-13]。但放療在提高腫瘤治愈率和延長生存期的同時，也會導致靶區外正常組織不可避免地受到低劑量照射，從而增加了二次致癌風險[14-15]。因此，減小靶區外危及器官和正常組織低劑量照射范圍，從而盡可能提高治療增益比是設計宮頸癌放療計劃的研究重點之一。

減小低劑量照射范圍，可通過采取更先進的放療技術或優化放療計劃限量方式實現。關于放療技術對低劑量照射范圍影響的相關研究，多為宮頸癌放療中常用的ff-IMRT技術與容積旋轉調強放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術的對比研究。如蘇曉科等[16]的研究認為，VMAT技術小腸、膀胱的V30、V40、Dmean較ff-IMRT技術低。胡麗娟等[17]的研究顯示，VMAT技術膀胱的V30、V40，直腸的V30、V45，腸管的V30、V40、V45，脊髓的V20、V30、V35、Dmax均優于ff-IMRT技術。關于優化放療計劃限量方式，鮑志榮等[18]發現，限制髖骨和腰骶骨計劃可在滿足靶區臨床要求以及危及器官保護的基礎上，有效降低骨盆受量，更好地保護脊髓。筆者前期的一項研究表明，設置2個實際限量環可在靶區劑量覆蓋、危及器官和正常組織保護以及治療效率三者間達到平衡[8]。由此可見，設置限量環是優化設計ff-IMRT放療計劃的常用方法之一。

目前，主流商用計劃系統對于限量環的勾畫大多基于布爾運算或腳本語言實現[7，19]。前者在使用過程中存在需要大量重復的操作、運算過程耗時較長及所創建限量環尺寸受限（Monaco計劃系統結構外擴尺寸≤10 cm）等問題，不利于放療物理師提高工作效率和放療計劃對于距靶區較遠區域低劑量的約束；后者則要求放療物理師具備一定的編程語言基礎，技術門檻較高，不易推廣。Monaco計劃系統的Shrink Margin功能可使某結構遠離其上級結構指定距離（0～5 cm），故在患者外輪廓基礎上利用該功能可創建出遠離靶區指定距離的虛擬限量環。本研究基于此功能設計ff-IMRT計劃，并比較其與無限量環ff-IMRT計劃及基于布爾運算創建實際限量環的ff-IMRT計劃各項劑量學參數的差異。研究結果顯示，3種ff-IMRT計劃PTV處方劑量分布均滿足臨床治療要求，但PTV的D2%、D98%、CI、HI，小腸、直腸、膀胱、股骨頭的V30，骨盆的V10、V20、V30，正常組織的V5、V10、V15、V20、V25、V30、V35及治療參數均存在統計學差異。分析3種ff-IMRT計劃上述劑量學參數表現出統計學差異的原因，可能是由于限量環的存在使PTV以外低劑量照射范圍減小所致。對于PTV而言，限量環擠壓等劑量線，在提高適形性的同時也導致D2%、HI稍微增大及D98%稍微減小，考慮到D2%、HI、D98%變化幅度不大且與劉茹佳等[20]報道的結果相當，故本研究認為該變化是可被接受的。對于危及器官和正常組織而言，多數劑量學參數因限量環的存在而較大幅度地減小，可見限量環在保護危及器官和正常組織上的正面作用。需要指出的是，3種ff-IMRT計劃小腸的V45并未表現出統計學差異，其原因可能是處方劑量所包繞的小腸體積與小腸體積之比較小，處方劑量線的變化對小腸的V45影響不大所致。另外，plan_2與plan_3直腸、膀胱、股骨頭、骨盆的V45、正常組織的V40亦未表現出統計學差異，可能是由于plan_2與plan_3限量環的重疊部分對等劑量線的約束范圍集中于高劑量區域且約束力度相同，而plan_3限量環的環形弧間距較plan_2的大且該部分限量環對等劑量線的約束范圍集中于低劑量區域所引起。對于治療參數而言，機器跳數、子野個數、出束時間均因限量環的存在而增多或延長，這可能與限量環約束范圍較廣，從而導致子野分割方式變復雜有關。考慮到plan_2與plan_3的出束時間差異不大且較plan_1僅分別增加2.3、2.8 min，而PTV、危及器官和正常組織劑量學參數因限量環的存在得到較大幅度的優化，因此本研究認為限量環對出束時間的影響是可被接受的。

綜上所述，采用Monaco計劃系統設計宮頸癌ff-IMRT計劃時，利用Shrink Margin功能可簡便地創建基于患者外輪廓的虛擬限量環。綜合比較各項參數，該虛擬限量環可實現優于無限量環及等同于甚至優于基于布爾運算創建實際限量環的功能。本研究中Shrink Margin的取值為計算網格（0.3 cm）的整數倍，且依據PTV外吸收劑量跌落梯度約為100 cGy/0.1 cm的日常工作經驗設置限量環目標函數中Shrink Margin、Maximum Dose及RMSDose Excess的值，并未詳細研究該目標函數中各參數其他取值方式對ff-IMRT計劃的影響，期待后續以此為研究方向展開進一步的研究。總之，利用Monaco計劃系統自帶的Shrink Margin功能，可以優化放療計劃并提高放療物理師設計放療計劃的效率，建議采用Monaco計劃系統設計宮頸癌ff-IMRT計劃時利用該功能創建基于患者外輪廓的虛擬限量環。