計算網格大小對腦腫瘤立體定向放射治療劑量學的影響

劉力閩，陳馨薇，羅靜，康盛偉， 黎杰，王培，吳駿翔

1. 仁壽縣人民醫院 腫瘤科，四川 仁壽 620500；2. 四川省腫瘤醫院（研究所）/四川省癌癥防治中心/電子科技大學醫學院放射腫瘤學四川省重點實驗室，四川 成都 610041

引言

據統計，20%～40%的腫瘤患者會出現腦轉移瘤[1]。立體定向放射治療（Stereotactic Radiotherapy，SRT）單次高劑量、少分割次數、高等效生物劑量、靶區外劑量快速跌落等特點結合容積弧形調強放射治療技術（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）已廣泛地應用于腦腫瘤治療[2-4]。計劃系統在VMAT等調強技術的劑量計算過程中提供了多種劑量計算網格（Dose Calculation Grid Size，DCGS）的參數設置，計算網格越小結果越精確，但計算時間卻成倍增長[5-6]。目前，國內外很少有關于計算網格大小對腦腫瘤SRT物理劑量和生物劑量影響的研究，需要確定一個最優的計算網格大小，在保證劑量計算精度、計劃質量的同時盡可能地提高優化效率。根據美國醫學物理學家學會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）的TG101報告[7]建議，SRT技術應使用0.2 cm或者更小的劑量計算網格，不建議使用0.3 cm或更大的計算網格。因此，本研究選取腦腫瘤患者應用SRT技術，比較0.1、0.2和0.3 cm計算網格對VMAT計劃質量和優化效率的影響，為VMAT進行腦腫瘤SRT選擇合適的計算網格提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 患者資料

選擇2020年1月至2020年10月本院收治的腦轉移瘤患者10例（腫瘤位置：額葉4例、頂葉3例、顳葉3例），年齡48～66歲（≥55歲的6例），中位年齡51歲，男女各半，所有患者均無放療禁忌證。患者靶區體積為2.8～37.7 cm3（＜10 cm3的 4例，≥ 20 cm3的 4例），中位體積 15.2 cm3。

1.2 CT定位和靶區危及器官勾畫

患者采用仰臥位，頭部熱塑膜固定體位，采用Philips Brilliance TM CT BigBore4 16排大孔徑CT掃描機，掃描層厚0.3 cm。掃描后將患者CT數據傳送至美國MIM Software公司的MIM Maestro軟件由主管醫生勾畫計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）和危及器官（Organ at Risk，OAR）。OAR包括腦組織、腦干、眼球、晶體、視交叉、視神經以及垂體。

1.3 處方劑量和計劃設計

PTV處方劑量40 Gy，5次，8 Gy/次。計劃要求處方劑量，即40 Gy劑量線至少要覆蓋95%的靶區體積，靶區內Dmax＜125%處方劑量。采用美國瓦里安公司的Eclipse 11.0放射治療計劃系統，優化算法為PRO（Progressive Resolution Optimizer）11.0.31版本，劑量計算采用AAA（Anisotropic Analytical Algorithm）11.0.31版本。加速器采用瓦里安公司的Novalis TX，其中32對0.25 cm多葉光柵，28對0.50 cm多葉光柵。射線能量為6 MV X射線，均整器模式（Flattening Filter，FF），劑量率最大600 MU/min。計劃設計采用共面、VMAT、FF，3個全弧（弧1順時針181°～179°，弧2逆時針 179°～181°，弧 3 順時針 181°～179°）。分別選擇 0.1、0.2、0.3 cm計算網格（DCGS1、DCGS2和DCGS3組）進行VMAT設計，優化時3組PTV和OAR的條件一致。

1.4 計劃評價指標

靶區評估采用95% PTV體積的劑量D95、D50、適形度指數（Conformity Index，CI）[8]以及梯度指數（Gradient Index，GI ）[9]。CI=(TVPV)2/(TV×PV)，其中 TVPV為處方劑量所覆蓋的PTV的體積，TV為PTV的體積，PV為處方劑量線所覆蓋的總體積。GI定義為50%處方劑量所包裹的體積與處方劑量所包裹的體積之比。CI值越接近1表示適形度越高。GI值越小表示劑量跌落越快。OAR的評估指標包括腦組織的V5、V10、V15、V20、V25和平均劑量Dmean；腦干最大值Dmax；眼球Dmax；晶體Dmax；視交叉Dmax；視神經Dmax；垂體Dmax；另外，還統計3組計劃的機器跳數和優化時間。Vn＜m表示n Gy劑量所包裹的OAR的體積小于m%。

1.5 統計學分析

采用SPSS 23.0對本研究中3組計劃的劑量學參數進行配對t檢驗分析，數據以±s表示。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 PTV和OAR劑量學比較

3組PTV和OAR劑量參數結果列于表1。3組計劃得到的靶區D95和D50參數的差異無統計學意義（P＞0.05）。DCGS1組得到的CI優于DCGS3組，差異有統計學意義（t=-2.34，P＜0.05）。DCGS1組得到的 GI優于 DCGS2和DCGS3兩組相比，分別下降了6.31%和13.45%，差異有統計學意義（t=-8.57、-6.03，P＜0.05）。圖1為3組計劃在橫截面的劑量分布圖，其中圖1a、1b、1c分別是0.1、0.2、0.3 cm計算網格，劑量線從1500 cGy至5000 cGy，結合3組計劃得到的GI可知隨著計算網格的減少，靶區外的劑量跌落更加陡峭。3組計劃在腦干、眼球、晶體、視神經和視交叉等OAR的差異無統計學意義（P＞0.05）。正常腦組織的劑量學參數，隨著計算網格的降低而降低，其中 DCGS1組與 DCGS3組相比，V5、V10、V15、V20、V25和Dmean分別下降了3.11%、2.85%、1.25%、0.60%、0.33%以及 0.45 Gy，差異有統計學意義（t=-7.50、-5.60、-5.11、-5.62、-6.55、-9.16，P＜0.05）；與DCGS2組相比，V5、V10、V15、V20、V25和Dmean分別下降了1.44%、1.23%、0.52%、0.25%、0.14%以及0.20 Gy，差異有統計學意義（t=-7.66、-7.16、-4.83、-5.48、-8.15、-11.76，P＜0.05）。

表1 10例患者3組PTV和OAR劑量參數結果（±s）

表1 10例患者3組PTV和OAR劑量參數結果（±s）

注：a與DCGS1組相比，P＜0.05；b與DCGS2組相比，P＜0.05。

計劃PTV 腦干Dmax/Gy 眼球Dmax/Gy D95/Gy D50/Gy CI GI DCGS1 40.06±0.04 44.56±0.49 0.88±0.04 3.86±1.05 17.10±8.39 6.20±2.77 DCGS2 40.05±0.04 44.63±0.49 0.89±0.04 4.12±1.13a 16.52±7.98 6.35±2.99 DCGS3 40.07±0.04 44.55±0.49 0.89±0.03a 4.46±1.32ab 16.50±7.87 6.38±3.29計劃 腦組織V5/% V10/% V15/% V20/% V25/% Dmean/Gy DCGS1 50.70±18.59 21.40±11.11 9.27±6.02 4.85±2.88 3.19±1.88 6.84±2.33 DCGS2 52.14±18.68a 22.63±11.56a 9.79±6.29a 5.10±2.98a 3.33±1.92a 7.04±2.37a DCGS3 53.81±18.77ab 24.25±12.41ab 10.52±6.58ab 5.45±3.14ab 3.52±1.99ab 7.29±2.43ab計劃 晶體Dmax/Gy 視神經Dmax/Gy 視交叉Dmax/Gy 垂體Dmax/Gy 加速器跳數/MU 劑量計算時間/min DCGS1 3.51±1.64 5.79±3.33 5.73±3.58 6.19±3.85 4054.9±409.7 46.85±0.94 DCGS2 3.51±1.57 5.68±3.40 5.74±3.45 6.48±4.11 4103.4±364.3 12.29±0.69a DCGS3 3.61±1.70 6.09±3.88 6.08±3.89 6.67±4.30a 4113.3±352.1 5.36±0.30ab

圖1 3組計劃的橫截面劑量分布圖

2.2 機器跳數和劑量計算時間比較

3組計劃得到的機器跳數差異無統計學意義（P＞0.05）。DCGS1、DCGS2和DCGS3組的劑量計算時間分別為46.85、12.29和5.36 min。隨著計算網格的增加，劑量計算時間顯著降低，DCGS3組與DCGS2組和DCGS1組相比，計算時間分別降低了56.39%和88.56%，差異有統計學意義（t=10.71、51.00，P＜0.05）。

3 討論

SRT技術是腦腫瘤的主要治療手段之一[10-11]。SRT技術是通過單次或少次（1～5次）給予靶區大劑量照射（6～30 Gy），為了最小化OAR的不良反應，需要嚴格控制靶區外的劑量跌落。因此，相比于常規放療，SRT技術需要更加準確的劑量傳遞[7]。Dempsey等[12]通過理論和試驗均證明了離散空間劑量計算網格在調強放療劑量計算時會產生誤差，應在計劃優化時選擇合適的劑量計算網格。在劑量計算中，使用不同的網格大小將會對劑量計算的準確性產生不同的影響，還會對劑量分布產生不同程度的影響。目前，國內外已有學者發布了關于計算網格對肺癌[13]、頭頸部腫瘤[14]、宮頸癌[15]等部位計劃的劑量學影響研究，而少有關于計算網格大小對腦腫瘤SRT劑量學影響的研究。隨著腦腫瘤SRT技術在臨床應用越來越廣泛，更加需要如何選擇計算網格的相關劑量學研究，以便為臨床使用提供數據參考。基于此，本研究按照AAPM TG101報告[7]中推薦的SRT技術應使用不大于0.3 cm的計算網格進行劑量計算，比較了0.1、0.2、0.3 cm計算網格大小對腦腫瘤SRT劑量學參數和優化效率的影響，結果表明0.1 cm的計算網格在劑量梯度和正常腦組織保護上更具有優勢，而0.3 cm計算網格在優化效率上更具優勢。

改變劑量計算網格的大小會對劑量分布、計算精度和計算時間產生不同程度的影響[16-18]。烏曉禮等[16]的研究中使用PTW-VeriSoft調強驗證軟件得到計劃驗證通過率隨著計算網格的減少而增加，0.3、0.4和0.5 cm計算網格時的計劃通過率分別為96.7%、94.5%和91.7%。Chung等[5]研究表明使用0.15 cm和0.2 cm計算網格時的處方劑量相差2.3%，而與0.4 cm相比差異達到5.6%。本研究得到的結果表明改變劑量計算網格大小可對靶區外的劑量分布產生影響，這可能與SBRT技術靶區體積小、靶區外劑量跌落陡峭有關，計算網格的減少會最小化劑量梯度和體積平均效應的影響[19-20]。本研究中，靶區的GI值隨著計算網格的增加而增加，計算網格0.3 cm與0.2 cm 和0.1 cm相比分別增加了0.34和0.60（P＜0.05）。本研究中計算網格的改變對OAR的劑量體積影響較大，特別是正常腦組織。腦轉移SRT治療的放射性腦壞死的風險與腫瘤的位置、體積、處方劑量、腦組織的劑量學參數以及病理等因素有關，在計劃設計中應嚴格控制腦組織的受照劑量。而隨著計算網格的增加，腦組織的V5、V10、V15、V20、V25和 Dmean也隨之增加，計算網格0.1 cm與0.2 cm和0.3 cm相比分別減少了1.44%、1.23%、0.52%、0.25%、0.14%及0.20 Gy，3.11%、2.85%、1.25%、0.60%、0.33%以及0.45 Gy（P＜0.05）；而計算網格的改變對OAR最大值的影響較小，3組計算網格得到的腦干、眼球、晶體、視神經和視交叉等OAR的最大值的差異均無統計學意義（P＞0.05）。計算網格的減少不僅可以增加計劃的精確性，還可以減少正常腦組織的受照劑量，這一結果為在腦腫瘤SRT中更好的保護正常腦組織提供了一種新的方法。

隨著計算網格的減小，計算結果更加精確，但是卻會顯著提高劑量計算的時間，降低優化效率，特別是控制點較多的VMAT計劃，需要在計算精度和計算效率之間平衡[21-22]。Mittauer等[17]研究發現，劑量計算時間隨著計算網格的增加而減少，0.4 cm和0.3 cm網格的計劃時間與0.2 cm相比分別減少了84.4%和69.8%。本研究中計算網格0.1、0.2和0.3 cm的劑量計算時間分別是46.85、12.29和5.36 min，0.1 cm計算網格的計算時間分別是0.2 和0.3 cm的3.81和8.74倍。0.1 cm計算網格與0.2和0.3 cm相比雖然可以提高計劃質量，但是卻明顯降低優化效率，對于患者治療壓力較大的醫院，該計算網格并不適合在臨床應用。計算網格大小既影響劑量計算速度，也影響計算精度，需要根據實際情況在計劃質量和優化效率之間合理選擇。另外，本研究目前只比較了3種計算網格對于腦腫瘤SRT劑量分布和優化效率的影響，而對驗證通過率的比較，需要進一步研究。

4 結論

綜合考慮計劃質量和優化效率，建議使用0.2 cm計算網格用于腦腫瘤的SRT技術，在滿足劑量計算精度的同時也能保證優化效率。3組計劃中，0.1 cm計算網格的計劃質量最好，但優化時間較長，若只考慮計劃質量則建議使用該計算網格。