等效均勻劑量優(yōu)化法在宮頸癌調(diào)強放療中的應用

方美芳 蔡漢飛 徐露 曹露

·臨床研究·

等效均勻劑量優(yōu)化法在宮頸癌調(diào)強放療中的應用

方美芳 蔡漢飛 徐露 曹露

目的探討宮頸癌調(diào)強放射治療計劃設計中等效均勻劑量優(yōu)化法對危及器官保護方面的應用價值。方法隨機選取20例宮頸癌放療患者作為研究對象。采用劑量-體積與等效均勻劑量兩種優(yōu)化方法設計調(diào)強放療計劃。劑量-體積組（DV組）：危及器官（包括直腸、膀胱、股骨頭、小腸）采用劑量或劑量-體積的物理目標函數(shù)進行優(yōu)化；等效均勻劑量組（EUD組）：危及器官改用等效均勻劑量目標函數(shù)進行優(yōu)化。通過劑量參數(shù)比較兩組優(yōu)化方法的劑量學差異。結果兩組患者的計劃靶區(qū)的劑量對比，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；但EUD組危及器官的劑量較低，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。結論等效均勻劑量優(yōu)化法能較好地降低危及器官的受照劑量，對降低宮頸癌放療并發(fā)癥具有臨床意義。

等效均勻劑量；宮頸癌；調(diào)強放射治療

調(diào)強放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）的目標旨在提高腫瘤靶區(qū)照射劑量的同時降低周圍重要器官照射劑量，在宮頸癌放射治療中得以廣泛應用[1]。IMRT計劃設計采用的是劑量或者劑量-體積（dose-volume，DV）優(yōu)化法，其只能對劑量體積曲線上的單個或幾個點進行劑量約束，而EUD（equivalent uniform dose，EUD）優(yōu)化法則能夠對劑量體積曲線上所有點進行劑量約束[2]。且多篇文獻報道EUD優(yōu)化法能夠保持靶區(qū)適形度不變，降低危及器官（organ at risk，OAR）的照射劑量[3-5]，但在腹部腫瘤IMRT中應用較少，本研究旨在比較兩種優(yōu)化方法在宮頸癌調(diào)強放療計劃設計中對OAR的優(yōu)劣，評估EUD優(yōu)化法在危及OAR中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機選取2016年1—11月宮頸癌放射治療患者20例作為研究對象，患者年齡42～75歲。平均年齡為（60.65±9.64）歲；病理類型為鱗癌，所有患者均無宮頸癌手術史，無放療禁忌證。按FIGO分期Ⅱb期3例，Ⅲb期17例。放療方案為IMRT聯(lián)合腔內(nèi)放療，IMRT劑量為48.6 Gy/27次，腔內(nèi)治療A點總劑量30～ 36 Gy。

1.2 方法

1.2.1 EUD的定義 Niemierko最先提出的EUD是一種生物等效劑量[6]，定義為：如果組織接收的均勻劑量照射與不均勻劑量照射產(chǎn)生同樣的放射生物學效應，該均勻劑量定義為不均勻劑量的等效均勻劑量。等效均勻劑量的廣義計算公式為

該公式適用于腫瘤組織和正常組織。其中N是組織的總體素數(shù)目；Di是第i個體素的劑量，a是組織的生物學特征參數(shù)，用來描述劑量體積效應。a的取值在-∞～20之間。用于腫瘤組織時要求a＜1，a值越大，表示EUD值受到劑量冷點影響越?。挥糜诓⑿驼＝M織時要求a=1；用于串型正常組織時要求a＞1，a值越小，表示EUD值受到劑量熱點的影響越小。

1.2.2 CT模擬及靶區(qū)定義 患者均采用仰臥位熱塑體模固定，雙手臂交疊放于前額，模擬定位掃描范圍由膈頂至坐骨結節(jié)下緣5 cm，掃描層厚5 mm。由醫(yī)師勾畫計劃靶體積（plan target volume，PTV）與危及器官，靶區(qū)處方劑量定義為95%的PTV接受的最低劑量。危及器官包括膀胱、直腸、股骨頭和小腸。

1.2.3 治療計劃設計 使用Pinnacle3V9.8 TPS計劃系統(tǒng)，采用Siemens Artiste 6MV X線，使用直接機器參數(shù)優(yōu)化（direct machine parameter optimization，DMPO）算法設計相同的共面五野（252°，324°，36°，108°，180°）放療計劃，Pinnacle3優(yōu)化模型有劑量體積條件約束和EUD條件約束，優(yōu)化條件由物理師設置。DV組采用物理約束條件包括最小劑量、最大劑量、最小劑量體積、最大劑量體積與均勻劑量設計放療計劃；EUD組在劑量體積組的基礎上將危及器官（直腸、膀胱、股骨頭和小腸）劑量約束條件改用Max EUD約束條件，危及器官a取1，權重取1～5。為保證計劃評估的一致性，要求PTV的100%處方劑量的體積達到95%，PTV的110%處方劑量的體積＜10%，危及器官劑量采用劑量體積（VD，即接受某一照射劑量的體積，如V10表示接受10 Gy照射劑量的體積）和平均劑量（Dmean）進行評估，膀胱與直腸V45＜60%，股骨頭V50＜5%，V40＜50%，小腸V40＜40%，最大點劑量小于53 Gy。

靶區(qū)受照劑量采用D95%、均勻性指數(shù)和適形度指數(shù)進行評估。D95%即處方劑量，為95%靶區(qū)體積接受的劑量。均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）參考ICRU83報告[7]建議，公式為

其中D2%是2%靶區(qū)體積接受的劑量，近似為靶區(qū)的最大劑量；D98%是98%靶區(qū)體積接受的劑量，近似為靶區(qū)的最小劑量；D50%是50%靶區(qū)體積接受的劑量，近似為靶區(qū)的平均劑量。HI取值從0～1，HI值越小說明靶區(qū)內(nèi)均勻性越好。

適形度指數(shù)（conformity index，CI）[8]，用來描述處方劑量包繞的體積形狀和大小與腫瘤靶區(qū)的符合程度，公式為

其中VR-T為處方劑量包繞的靶區(qū)體積，這里選用95%處方劑量包含的PTV體積，VR表示處方劑量包繞的體積，這里選用95%處方劑量覆蓋的總體積，VT表示靶區(qū)的體積。CI取值是0～1，CI數(shù)值越大表示靶區(qū)適形度越好。

1.3 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用配對樣本t檢驗比較兩組調(diào)強計劃的PTV劑量與危及器官的劑量差異。

2 結果

兩組調(diào)強計劃結果，見表1與表2。由表1可以看出，兩組計劃PTV劑量的D95%、CI以及HI對比，差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），表明兩組優(yōu)化方法對PTV的劑量與適形度沒有明顯影響。表2中DV組直腸、膀胱、股骨頭和小腸的照射劑量均高于EUD組，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），說明EUD優(yōu)化法能更好地保護靶區(qū)周圍的危及器官。圖1某例患者兩組優(yōu)化法比較，兩組PTV的DVH曲線近似重合，EUD組計劃中危及器官的DVH曲線左移。

表1 兩種治療計劃PTV劑量比較（±s）

表1 兩種治療計劃PTV劑量比較（±s）

D95%（Gy） 48.89±0.079 48.90±0.070 0.123 CI 0.721±0.027 0.719±0.029 0.267 HI 0.093±0.007 7 0.092±0.008 1 0.079

表2 兩種治療計劃危及器官劑量比較（±s）

表2 兩種治療計劃危及器官劑量比較（±s）

膀胱V45 42.31±5.13 41.24±6.06 0.006 V40 69.59±7.73 67.67±7.63 0.002 Dmean（Gy） 44.21±2.68 43.45±2.85 0.004直腸V45 57.98±7.12 54.62±6.14 0.007 V40 87.45±5.12 83.18±6.66 0.005 Dmean（Gy） 45.77±1.93 44.18±2.79 0.001小腸V45 7.48±1.77 6.56±1.66 0.018 V40 12.83±3.07 10.58±2.94 0.001 Dmean（Gy） 15.20±2.99 14.49±2.64 0.031左側股骨頭V45 19.43±6.25 16.21±7.33 0.004 V40 30.53±7.87 26.60±9.64 0.001 Dmean（Gy） 31.77±4.92 30.50±4.91 0.026右側股骨頭V45 22.96±5.95 19.51±7.35 0.004 V40 34.14±7.56 30.78±8.76 0.005 Dmean（Gy） 34.23±2.60 32.46±3.15 0.005

圖1 某宮頸癌患者計劃靶區(qū)和危及器官兩種優(yōu)化方法的劑量體積直方圖

3 討論

EUD優(yōu)化法在IMRT中的運用越來越廣泛，因其能夠優(yōu)化劑量體積曲線上的每個體素，從而最大限度地降低OAR的劑量[9-10]，在劑量條件滿足參數(shù)設定的情況下，系統(tǒng)仍然會繼續(xù)優(yōu)化以找到最優(yōu)解；而DV優(yōu)化法只針對參數(shù)設定的點劑量或者劑量體積進行優(yōu)化，當該點的劑量值或者劑量體積滿足參數(shù)設定的要求時，這個點劑量或劑量體積對優(yōu)化目標函數(shù)的影響就很小，對于沒有設定的點劑量或劑量體積，系統(tǒng)不會優(yōu)化。EUD優(yōu)化的逆向調(diào)強計劃可以在靶區(qū)劑量分布不變情況下，明顯降低OAR以及正常組織的照射劑量[11]，對于放療并發(fā)癥發(fā)生的降低以及患者生活質量的提高有很大意義。

EUD優(yōu)化能簡化IMRT計劃的限制條件，每個OAR只需要設定一個Max EUD值，它的限制參數(shù)只有一個a值；然而DV優(yōu)化的IMRT計劃每個OAR需要設置最大劑量點和多個劑量體積等限制條件才能達到類似的臨床要求。有文獻報道[2]對單個OAR使用多個物理約束條件來限制器官的劑量，得到OAR的劑量分布與EUD優(yōu)化法沒有明顯差異，但限定條件的增加使計劃設計的時間明顯增加，且需要有經(jīng)驗的物理師才能靈活應用。EUD表示的是劑量-效應關系[3]，它與放射治療的生物學效應相聯(lián)系，可以反映出腫瘤控制概率（TCP）及正常組織并發(fā)癥概率（NTCP）的大小，該文獻采用生物學計算模型對EUD優(yōu)化進行放射生物學評估認為EUD優(yōu)化能夠保持TCP不變的同時降低NTCP。

姚升宇等報道是使用EUD優(yōu)化法能提高腫瘤靶區(qū)劑量的均勻性[12]。筆者隨機選擇兩個宮頸癌計劃，嘗試將靶區(qū)的劑量體積約束條件改為單獨Min EUD約束條件進行優(yōu)化，但是PTV劑量明顯不足，靶區(qū)均勻性大大降低，腫瘤靶區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大片高劑量區(qū)域，同時也增加了OAR的照射劑量。我們還將靶區(qū)的約束條件采用劑量體積與Min EUD約束條件同時進行優(yōu)化，靶區(qū)與危及器官劑量均能滿足臨床要求，因此 EUD優(yōu)化法可能不宜單獨應用于腫瘤靶區(qū)劑量約束。

綜上所述，EUD優(yōu)化法能更好地降低正常組織和OAR的受照劑量，對降低放療并發(fā)癥有重要的臨床意義。EUD優(yōu)化法參數(shù)設置簡單，能有效節(jié)省計劃設計時間，更容易地獲得臨床可執(zhí)行的調(diào)強放療計劃，值得在調(diào)強放療計劃設計中廣泛采用。

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Application of Equivalent Uniform Dose in Planning Optimization of Intensity Modulated Radiotherapy for Cervical Cancer

FANG Meifang CAI Hanfei XU Lu CAO Lu Department of Radiotherapy,The First Affiliated Hospital of Bengbu Medical College, Bengbu Anhui 233004, China

ObjectiveTo explore the application value of uniform dose treatment plan optimization method for the protection of organs in the design of equivalent intensity modulated radiation for cervical cancer.Methods20 patients with cervical cancer who

radiotherapy were randomly selected, and two IMRT methods, dose volume and equivalent dose, were used to design IMRT plan. Dose volume group (DV group): the organs (including rectum, bladder, femoral head and small intestine) were optimized by dose or dose volume physical objective function; The equivalent uniform dose group (EUD group): the organ of danger was optimized by equivalent uniform dose objective function. Dosimetric differences between the two optimized methods were compared by dose parameters.ResultsThere was no significant difference in the target dose between the two groups (P> 0.05);But the dose that endanger the organ of EUD group was lower, the difference was statistically significant (P< 0.05).ConclusionThe dose to organ at risk can be better reduced through optimization with equivalent uniform dose group objectives, which is quite helpful to reduce the occurrence rate of radiotherapy complications for cervical cancer.

equivalent uniform dose; cervical cancer; intensity modulated radiation therapy

R737

A

1674-9308（2017）27-0042-03

10.3969/j.issn.1674-9308.2017.27.022

蚌埠市級科技創(chuàng)新指導類項目（20160309）

蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院放療科，安徽 蚌埠 233004