基于Monaco計劃系統的最小子野面積設置值對宮頸癌調強放療計劃的影響

劉 娜，張明軍，2，吳翠娥，費振樂，劉苓苓，李兵兵，李 潔

2020年全球癌癥統計報告顯示宮頸癌在全球女性的發病率和病死率中均排第四位，在宮頸癌的治療中，放療在局部控制率和生存率等方面均取得療效[1-2]。在宮頸癌的治療中，調強放射治療(intensity modulated radiation therapy, IMRT)相比于3D適形放射治療(three-dimensional conformal radiotherapy,3D-CRT)有更好的劑量學優勢，不僅可以使靶區劑量分布合理、降低正常器官受照劑量，而且可以減輕腸道術后毒性反應[3-4]。IMRT通過逆向計劃進行調節優化，可以達到最佳劑量分布[5]。但是靜態調強計劃會使得子野數目增多，子野形狀復雜，機器跳數增多，延長治療時間從而降低放療計劃準確性，影響患者預后狀況[6]。該研究旨在探討基于Monaco計劃系統宮頸癌靜態調強放療計劃最小子野面積(the minimum segment area，MSA)的優化設計。

1 材料與方法

1.1 病例資料選取2020年4月—2021年3月在中國科學院合肥腫瘤醫院放療中心宮頸癌患者10例，年齡37～75(54.2±16.3)歲，病理診斷均為鱗癌。根據國際婦產科聯合會FIGO分期標準，其中IA期2例，ⅡA期2例，ⅡB期2例，ⅢB期2例，ⅢC期2例。

1.2 CT定位及靶區勾畫患者定位前膀胱充盈，取仰臥位，雙手舉起抱于頭頂環繞并保持至定位結束，用熱塑膜快速覆蓋體表，等待成形后，用飛利浦大孔徑CT進行掃描定位，掃描參數為：電壓120 kV,曝光325 mAs,層厚5 mm,掃描范圍為腰1椎體上緣至坐骨結節下2 cm，然后導入Monaco 5.11計劃系統，根據國際輻射單位與測量委員會(international commission on radiation units & measurements，ICRU)83號規范進行靶區勾畫，勾出臨床靶區(clinical target volume,CTV)，均勻外放0.5 cm形成計劃靶區(planning target volume, PTV)，使用AccuContour 3.0軟件進行危及器官(organs at risk，OAR)的自動勾畫，危及器官包括膀胱、直腸、小腸、雙側股骨頭和脊髓[7]。勾畫完成后采用Monaco 5.11計劃系統設計放療計劃。

1.3 計劃設計選用Monaco 5.11放療計劃系統中的靜態調強治療方式，處方劑量為50 Gy/25次，固定5個射野角度分別為180°、252°、324°、36°和108°。最小機器跳數為4 MU, 每個計劃的最大子野個數為250個，最小子野寬度為1 cm，通量平滑度選擇Medium，MSA分別為1、2、4、10、20、50、80和100 cm2，每個患者均得到8個放療計劃，除MSA不同外，其余優化目標和約束條件與MSA為2 cm2的計劃保持一致。以MSA為2 cm2的放療計劃為對照組，比較其他MSA設置值的放療計劃。

1.4 計劃評估

1.4.1靶區評估 根據劑量體積直方圖的參數評估放療計劃的靶區分布，評估參數包括腫瘤靶區V47.5、V55、D98%、D2%、D50%,以及均勻性指數 (homogeneity index，HI)和適形性指數(conformity index，CI)。根據ICRU 83號規范定義，V47.5是指達到47.5 Gy(95%的處方劑量)的體積占靶區體積的百分比，V55是指達到55 Gy(110%的處方劑量)的體積占靶區體積的百分比。其中HI和CI計算公式為： HI=(D2%-D98%)/D50%；CI=(VTref/VT)×(VTref/Vref)。其中,D2%為2%的PTV受到的照射劑量，D98%為98%的PTV受到的照射劑量，中位劑量D50%為50%的PTV受到的照射劑量。VT為PTV體積，VTref為參考等劑量線所覆蓋的靶區體積，Vref為參考等劑量線所覆蓋的體積。

1.4.2危及器官評估 危及器官評估包括直腸V50(表示直腸接受50 Gy的照射區域占直腸總體積的百分比)、直腸平均劑量Dmean、膀胱V50(表示膀胱接受50 Gy的照射區域占膀胱總體積的百分比)、膀胱平均劑量Dmean、小腸平均劑量Dmean、L-V40及R-V40(分別表示左、右側股骨頭接受40 Gy的照射區域占該側股骨頭體積的百分比)和脊髓接受的最大劑量Dmax。

1.4.3機器跳數和子野數目評估 評估內容包括各個治療計劃的后臺文件中所生成的機器跳數和子野數目，記錄后進行統計學分析。

1.5 統計學處理采用SPSS 22.0軟件對數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用Tamhane′s T2檢驗(基于t檢驗的保守成對比較檢驗)進行事后多重比較，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量分布10例宮頸癌患者的全部靜態調強計劃的劑量靶區覆蓋率均超過95%。隨著MSA依次增大，V47.5總體呈減少趨勢，V47.5在各個MSA數值間差異有統計學意義(P<0.001)；D98%變化不大，D98%在各個MSA數值間的差異無統計學意義；V55、D2%和D50%總體均呈增加趨勢，每個參數在各個MSA數值間差異有統計學意義(P<0.001)。V55和D2%的增大表明靶區內的熱點在增加。隨著MSA依次增大，HI總體增大，均勻性變差，HI在各個MSA數值間的差異有統計學意義(P<0.001)；CI總體減小，適形性變差，CI在各個MSA數值間的差異有統計學意義(P<0.05)。進一步研究，其余7個計劃與對照組進行事后比較，所得各個參數結果見表1。由表1可知，與對照組相比，靶區V47.5在MSA為80 cm2(P<0.05)和100 cm2(P<0.01)的計劃中均減少；V55在MSA為50 cm2(P<0.01)、80 cm2(P<0.001)和100 cm2(P<0.001)的計劃中均增加；D2%在MSA為50 cm2(P<0.05)、80 cm2(P<0.05)和100 cm2(P<0.05)的計劃中均增加；D50%在MSA為50 cm2(P<0.05)和80 cm2(P<0.05)的計劃中均增加；D98%在其余7個計劃中變化均很小，差異無統計學意義；HI在50 cm2(P<0.05)、80 cm2(P<0.05)和100 cm2(P<0.01)的計劃中均增大；CI在不斷減小，但差異無統計學意義。

表1 宮頸癌患者IMRT計劃在MSA下的靶區劑量分布

2.2 危及器官受量隨著MSA依次增大，10例宮頸癌患者靜態調強計劃中的直腸V50、直腸Dmean、膀胱V50、膀胱Dmean、L-V40和R-V40總體均呈先減少后增加的趨勢，每個參數在各個MSA數值間的差異都有統計學意義(P<0.001)。脊髓Dmax隨著MSA增大呈現先減少后增加趨勢，脊髓Dmax在各個MSA數值間的差異有統計學意義(P<0.05)。小腸Dmean隨MSA變化不大，各個MSA數值間差異無統計學意義。進一步研究，將其余7個計劃與對照組的計劃進行事后比較，所得各個參數結果見表2。由表2可知，隨著MSA增大，與對照組相比，直腸V50在MSA為50 cm2(P<0.01)、80 cm2(P<0.001)和100 cm2(P<0.001)的計劃中均有不同程度增加，差異有統計學意義；直腸Dmean在MSA為80 cm2(P<0.01)和100 cm2(P<0.05)的計劃中均增加；膀胱V50在MSA為80 cm2(P<0.01)和100 cm2(P<0.01)的計劃中均增加；膀胱Dmean在MSA為80 cm2(P<0.01)和100 cm2(P<0.01)的計劃中均增加；脊髓Dmax總體隨MSA增大而增加，但差異無統計學意義；L-V40和R-V40在MSA為100 cm2(P<0.05和P<0.01)的計劃中均增加。

表2 宮頸癌患者IMRT計劃在MSA下的危及器官受量

2.3 機器跳數和子野數目的變化趨勢隨著MSA依次增大，10例宮頸癌患者靜態調強計劃中的機器跳數和子野數目總體均呈減少趨勢，每個參數在各個MSA數值間的差異有統計學意義(P<0.001)。見圖1。

圖1 MSA對宮頸癌患者放療計劃的機器跳數和子野數目的影響A：機器跳數；B：子野數目

3 討論

本研究基于Monaco計劃系統，通過設置不同MSA值來研究此參數對靜態調強計劃的影響。結果表明，MSA設置值對靶區劑量分布、危及器官受量、機器跳數和子野數目都會產生影響。當MSA在1～20 cm2的范圍內，與對照組相比，靶區V47.5、V55、D2%、D98%、D50%、HI和CI變化不大，危及器官變化也不大。當MSA從50 cm2開始，與對照組相比，靶區V55明顯增加，表明靶區內熱點增多，落在靶區外的劑量增加。當MSA在80和100 cm2的范圍內，與對照組相比，直腸V50、直腸Dmean、膀胱V50和膀胱Dmean均增加，差異有統計學意義。直腸V50在MSA為50 cm2時增加較快，比對照組增加了105.12%，差異有統計學意義；而L-V40和R-V40在MSA為100 cm2時增加較快，差異有統計學意義。與對照組相比，小腸Dmean隨MSA增大而增加，在100 cm2達到最大值，但差異無統計學意義，可能是因為小腸在靶區中體積較少。脊髓Dmax在MSA為80 cm2時有最大值，比對照組增加了20.68%，但差異無統計學意義，原因可能是在CT斷層上靶區穿過的脊髓體積并不多，射束穿過靶區時經過脊髓的范圍較小。隨著MSA依次增大，機器跳數和子野數目在不斷減少，在10 cm2和20 cm2的計劃中，機器跳數相比于對照組分別減少14.66%、21.99%，而子野數目相比于對照組分別減少32.65%、57.39%，隨著MSA進一步增大，機器跳數和子野數目進一步減少，在100 cm2的計劃中達到最小值。

與3D-CRT相比，IMRT具有劑量學優勢，并且可以在確保臨床療效的同時顯著降低急性毒性反應的發生率[8]。孫海濤 等[9]在Pinnacle39.10計劃系統的宮頸癌固定七野的自動靜態調強計劃設計中研究表明,MSA在14～50 cm2范圍內可在滿足臨床要求的同時減少子野數目和機器跳數，結果與本文有一點差異，可能是由于在不同的放療計劃系統中運行的算法不同。由于腫瘤發生的部位不同，可能會對MSA的設置有一定影響，Ayala et al[10]在脊柱立體定向放射外科研究中認為子野數目為5、MSA為4 cm2的參數設置可以提高計劃質量、輸送效率和計劃劑量精確性；伍海瓊[11]在頸段及胸上段食管癌的子野參數研究中認為，當腫瘤毗鄰危及器官時，MSA和最小機器跳數分別選擇3 cm2、5 MU較好，當腫瘤離危及器官較遠時，可以適當提高MSA和最小機器跳數，這些研究結果均證明了MSA的參數設置對于放療計劃的優化十分重要。機器跳數增多不僅會直接導致治療時間延長，增加靶區劑量的不確定性，而且會增加周圍正常組織低劑量輻射，會使二次輻射誘發惡性腫瘤風險變高。該研究中機器跳數有一個明顯下降趨勢，但是由于兼顧其他方面不能選擇最小值，這在一定程度上沒有將機器跳數的優勢發揮徹底。文獻[12-14]報告，延長光束照射時間將會造成輻射泄露，可能會導致正常組織最多能夠接收規定劑量的20%，因此盡量選擇低一點跳數對計劃優化是有益的。遲子峰 等[15]認為，在臨床可以接受的放療計劃設計中，子野數目應控制在80個以內，這樣可以減少調強放療計劃驗證時間，這與本研究結果相符合——較少的子野數目可以減少子野的形狀變化，減少葉片移動時產生射線泄露，提高放療精準性。

綜上所述，合理增大MSA，保證MSA在10～20 cm2范圍內，可以在滿足宮頸癌靜態調強計劃的靶區劑量分布和危及器官受量的同時減少機器跳數和子野數目，有效減少治療時間，提高放療計劃精確性，減少正常組織的毒副反應。