Plan IQ 和Monaco 優(yōu)化乳腺癌改良根治術(shù)后放射治療計劃的劑量學研究

胡項英（通信作者），羅翼，冼紹波，梁增健

柳州市中醫(yī)醫(yī)院腫瘤科放療室 （廣西柳州 545000）

乳腺癌是女性的常見惡性腫瘤之一，全球乳腺癌發(fā)病率自20世紀70年代末開始一直呈上升趨勢。手術(shù)、化療、放射治療以及內(nèi)分泌治療和生物治療等多學科的綜合應用提高了乳腺癌的局部控制率[1]。目前，乳腺癌術(shù)后改良根治術(shù)是國內(nèi)的主要手術(shù)方式，能顯著提高乳腺癌的局部控制率和患者的生存率[2-3]。乳腺癌改良根治術(shù)實施輔助放射治療時，照射的靶區(qū)范圍主要包括胸壁和鎖骨上、下淋巴結(jié)區(qū)[4]。傳統(tǒng)的乳腺癌放射治療多使用三維適形放射治療（three dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT）或正向調(diào)強技術(shù)。3D-CRT 在保證療效的同時，增加了患側(cè)肺和心臟的受量，可能會導致患者肺功能和心臟功能下降，從而降低生命質(zhì)量。隨著放射治療技術(shù)的發(fā)展，采用靜態(tài)、動態(tài)調(diào)強方式逆向計劃的靜態(tài)調(diào)強（static intensity modulated radiotherapy，IMRT）和 動 態(tài) 滑 窗 調(diào) 強（dynamic intensity modulated radiotherapy，DMLC）技術(shù)廣泛運用于乳腺癌患者的治療中[3-4]，不僅能得到較好的靶區(qū)劑量均勻性和較高的適形度，也能較好地保護心臟、肺、脊髓等危及器官組織。但是，隨著對靶區(qū)覆蓋度和危及器官保護要求的增加，一種基于容積弧形調(diào)強（volume arc intensity modulated radiotherapy，VMAT）的新技術(shù)應運而生。作為一種劑量率不斷變化的動態(tài)調(diào)強技術(shù)，VMAT 已經(jīng)在頭頸部腫瘤[5]、盆腔腫瘤[6-7]和胸部腫瘤[8]患者的治療中體現(xiàn)出了很大的優(yōu)勢。

Plan IQ 是Sun Nuclear 公司近兩年推出的計劃預測和評估軟件，根據(jù)射線的物理性質(zhì)預測靶區(qū)劑量和危及器官受量的范圍關(guān)系，評估計劃質(zhì)量，從而達到提高優(yōu)化計劃速度和質(zhì)量的目的。本研究的目的是研究分析Monaco 計劃系統(tǒng)設(shè)計乳腺癌改良根治術(shù)放射治療DMLC 計劃和VMAT 計劃的劑量學特性，并與乳腺癌的3D-CRT 計劃進行劑量學比較，歸納得到DMLC、VMAT、3D-CRT 3種放射治療技術(shù)的劑量學特點，并利用Plan IQ 軟件技術(shù)預測和評估乳腺癌改良根治術(shù)放射治療計劃質(zhì)量水平和難易程度。目前，國內(nèi)還很少有用Monaco 計劃系統(tǒng)研究探討乳腺癌改良根治術(shù)后胸壁和鎖骨上及腋窩淋巴結(jié)等預防區(qū)照射的相關(guān)劑量學問題，本研究結(jié)合Plan IQ 和Monaco 計劃系統(tǒng)，從最新的動態(tài)調(diào)強和容積調(diào)強技術(shù)方面探討乳腺癌改良根治術(shù)后放射治療的相關(guān)劑量學問題，從而為物理師和臨床醫(yī)師優(yōu)化放射治療計劃提供指導。

1 材料與方法

1.1 儀器與設(shè)備

Sun Nuclear 公 司 的Plan IQ 軟 件 和ARCCheck 三 維 矩陣驗證系統(tǒng)，放射治療專用飛利浦32排螺旋CT，醫(yī)科達公司網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Mosaiq，醫(yī)師工作站，放射治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）Monaco5.11.01和飛利浦計劃系統(tǒng)Pinnacle9.8，醫(yī)用直線加速器 Synergy，配備 40對多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC），葉片寬度為10 mm。

1.2 一般資料

選取2017年6月至2018年6月我院收治的乳腺癌改良根治術(shù)后患者10例，其中左、右乳腺癌各5例，中位年齡50歲，均在我院原西門子Primus 加速器上接受過3D-CRT。

1.3 定位方法

患者采取仰臥及兩側(cè)上肢抬至頭頂交叉放置的治療體位進行擺位固定和CT 掃描，采用我院自制的有一定傾斜角度的乳腺托架固定，使用大小合適的頭枕，且頭枕位置固定。在CT 模擬定位機下進行平靜呼吸CT 掃描，掃描層厚5 mm，掃描范圍包括整個患側(cè)乳腺和上下界外放5 cm 左右的距離，獲得CT 影像后通過配套網(wǎng)絡(luò)傳輸至治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS） 中。

1.4 靶區(qū)和危及器官勾畫

所有靶區(qū)均由我院兩名放射治療副主任醫(yī)師參照美國腫瘤放射治療協(xié)作組織（radiation therapy oncology group，RTOG）和乳腺癌放射治療計劃圖譜在Pinnacle9.8系統(tǒng)上勾畫完成。臨床靶區(qū)1（clinical target volume 1，CTV1）定義為胸壁區(qū)域，CTV2 定義為腋窩及鎖骨上相關(guān)預防照射區(qū)域。計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）由CTV1、CTV2在三維方向上外擴得到，前界在皮膚表面下3 mm，其他方向上各擴5 mm，實際勾畫過程中根據(jù)腫瘤分期及部位進行適當調(diào)整。危及器官包括患側(cè)肺、健側(cè)肺、全肺、心臟、脊髓、周圍軟組織。每例患者的靶區(qū)、危及器官及CT 影像以Dicom 格式傳至Monaco 計劃系統(tǒng)。

1.5 計劃設(shè)計

3D-CRT 計劃是患者實際實施治療的計劃，使用Pinnacle9.8系統(tǒng)三維治療計劃設(shè)計，主要是乳腺胸壁2個切線野，加上切線野方向上4個子野的正向調(diào)強；鎖骨上和腋窩淋巴結(jié)預防區(qū)主要用345°和165°或者15°和205°2個對穿野照射；另外，對每例患者使用Monaco 計劃系統(tǒng)設(shè)計DMLC 和VMAT 兩種計劃，均選用醫(yī)科達醫(yī)用直線加速器 Synergy 6 MV X 線，計算網(wǎng)格3 mm，設(shè)置相同的射野中心點，采用相同的優(yōu)化函數(shù)和算法進行優(yōu)化。DMLC 計劃采用7 野照射，先確定好等中心的位置，起始野分別在胸壁靶區(qū)內(nèi)外側(cè)界的切線上，而后依次向中間選取相差 10°的 4 個野，加上1個垂直胸壁靶區(qū)的射野共7個照射野。VMAT 計劃則運用2個半弧，當病灶位于左側(cè)時， 順時針從305°至125°，再反轉(zhuǎn)至305°；當病灶位于右側(cè)，則逆時針從55°至235°，再反轉(zhuǎn)至55°。具體射野角度在執(zhí)行過程中會根據(jù)靶區(qū)形狀不同稍微不同。

3種計劃設(shè)計中的靶區(qū)處方劑量均為50 Gy/25 F，約束條件參照ICRU83號報告[9]，根據(jù)患者實際情況，DMLC和VMAT 計劃在以下兩種情況下進行優(yōu)化計劃：（1）PTV V95≥95%（95%的處方劑量應包含不少于 95%的靶體積），患側(cè)肺 V20≤30%，V30≤ 20% ，健側(cè)肺V5≤5%，脊髓最大量（Dmax）≤30 Gy，心臟 V30≤10% ；（2）PTV V100≥95%（100%的處方劑量應包含不少于 95%的靶體積），患側(cè)肺 V20≤35%，全肺V20≤20%，V30≤15%，脊髓最大量（Dmax）≤30 Gy，心臟 V30≤10% 。其中，Vx表示某危及器官受≥x Gy 劑量的輻照體積占總體積的百分比，Vx越大則受照劑量越大。

1.6 計劃評估

本研究主要比較DMLC和VMAT兩種計劃的劑量體積直方圖（Dose volume histogram，DVH）并評估兩種計劃在醫(yī)科達直線加速器的治療出束時間T。PTV：評估靶區(qū)的最大劑量、最小劑量、平均劑量（Dmean）、適形性指數(shù)（conformability index，CI）以及均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）。CI=（VT，ref/VT）×（VT，ref/Vref），其中VT，ref 為參考等劑量面所包繞的靶區(qū)體積，Vref 為參考等劑量面所包繞的所有區(qū)域的體積，VT為靶體積，參考等劑量面取 95% 的處方劑量線[10]；CI 越接近1，說明靶區(qū)的適形度越好。HI＝1+（D5-D95）/Dmean，其中D5、D95分別表示5%、95%體積的靶區(qū)所接受的照射劑量，HI 越接近1，表明PTV 內(nèi)部劑量分布越均勻[11]。危及器官：主要評估健側(cè)肺、患側(cè)肺、全肺、心臟、脊髓等的相關(guān)劑量體積參數(shù)Vx、Dmean，脊髓的最大劑量用D1（1%體積所受劑量）表示。

2 結(jié)果

從靶區(qū)的角度看，與3D-CRT 計劃相比，Monaco 計劃系統(tǒng)優(yōu)化的DMLC 和VMAT 計劃在靶區(qū)的覆蓋、均勻性和適形性上有絕對優(yōu)勢，圖1是左右乳腺DMLC 計劃和VMAT計劃的處方劑量覆蓋V50Gy 滿足95%對應的DVH 圖。從圖中的DVH 和表1、表2中靶區(qū)劑量分布可以看出,與3D-CRT相比，7野DMLC 和VMAT 計劃在很大程度上提高了靶區(qū)劑量均勻性和適形性，且對危及器官的保護較好，脊髓Dmax＜30 Gy，心臟V30＜5%；在靶區(qū)劑量覆蓋基本相同的情況下（表1～2），考慮危及器官受量（表3～4），7野DMLC計劃可以獲得更加良好的靶區(qū)劑量分布，高量V110值較低，HI 值較低，尤其是對肺、心臟等危及器官保護較好；而VMAT 計劃CI 值較高，具有更好的適形性，且計劃執(zhí)行時間相對較短。

表1 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V50 Gy滿足95%時靶區(qū)劑量分布情況（±s）

表1 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V50 Gy滿足95%時靶區(qū)劑量分布情況（±s）

項目 PTV（%） HI CI V107 V110右肺型 DMLC 95.88±0.78 1.06±0.01 0.78±0.01 4.12±2.52 0.01±0.01 VMAT 95.91±0.71 1.07±0.01 0.82±0.02 5.26±4.59 0.05±0.07左肺型 DMLC 95.90±0.67 1.06±0.01 0.79±0.01 5.02±2.90 0.03±0.03 VMAT 95.73±0.59 1.07±0.00 0.82±0.03 4.56±1.95 0.03±0.03

表2 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V47.5 Gy滿足95%時靶區(qū)劑量分布情況（%，±s）

表2 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V47.5 Gy滿足95%時靶區(qū)劑量分布情況（%，±s）

項目 PTV1 PTV2 CTV1 CTV2右肺型 DMLC 96.82±0.58 96.89±2.35 98.03±1.68 99.25±0.98 VMAT 95.82±1.05 96.15±1.58 98.23±1.11 99.23±0.79 3D-CRT 94.97±3.34 83.93±4.09左肺型 DMLC 96.52±2.03 97.26±1.84 97.99±0.47 99.63±0.70 VMAT 96.73±0.85 98.37±1.70 96.97±1.10 99.87±0.24 3D-CRT 94.85±1.20 82.95±4.24

圖1 左右乳腺癌型DMLC 計劃和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V50 Gy滿足95%的DVH 圖

在兩種靶區(qū)劑量覆蓋情況下危及器官受量比較見表3～4。從危及器官受量方面分析：（1）3D-CRT 計劃雖然在危及器官受量方面較低，尤其是肺的受量很低，但是由于三維計劃特點的限制，其靶區(qū)劑量覆蓋只是在CTV 不滿足95%的情況下得到的危及器官受量；（2）在臨床要求允許的情況下，無論是左肺型還是右肺型的計劃，DMLC 計劃肺受量的各項指標都比VMAT 計劃的值低，其他危及器官心臟和脊髓的受量也較低，因此在相同靶區(qū)劑量要求的情況下，Monaco 計劃系統(tǒng)計算的7野DMLC 計劃較好，對患者的保護較好；（3）兩種不同靶區(qū)劑量覆蓋下，左肺型計劃比右肺型的計劃算出的肺V5受量值較低，而V20和V30較高，即左肺型患者在肺損傷方面較右肺型患者稍大。

表3 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V47.5 Gy滿足95%時危及器官肺劑量分布情況（±s）

表3 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V47.5 Gy滿足95%時危及器官肺劑量分布情況（±s）

項目 V5（%） V20（%） V30（%） 平均值（cm3）右肺型 3D-CRT 38.01±5.52 24.37±0.63 20.40±0.80 1 217.06±35.06 DMLC 56.23±4.75 28.02±1.78 21.80±2.27 1 511.34±105.81 VMAT 62.08±2.22 31.04±0.71 22.66±0.45 1 622.50±14.89左肺型 3D-CRT 41.25±5.42 23.80±5.72 19.54±5.26 1 203.18±249.64 DMLC 63.40±4.42 28.49±3.75 21.79±4.02 1 560.68±168.22 VMAT 69.63±11.31 28.96±6.50 20.65±5.24 1 587.92±292.44

Plan IQ 預測值方面分析：圖2為各靶區(qū)劑量、危及器官受量實例和Plan IQ 預測值的比較圖，圖中帶有箭頭的曲線是Monaco 計劃系統(tǒng)計算的實例結(jié)果，而4種有顏色的曲線區(qū)塊是Plan IQ 預測值，在一定的靶區(qū)劑量下，首先是黑色曲線區(qū)塊表示某一正常危及器官受量很容易達到這個范圍內(nèi)，深灰色曲線區(qū)塊表示有一定的難度，淺灰色曲線區(qū)塊是很難達到的要求范圍，白色表示基本不可能達到這個要求；從圖2中的4個小圖可以看出，實際計算的靶區(qū)劑量和各危及器官受量已經(jīng)基本達到極限，很難再繼續(xù)優(yōu)化，另外一方面證實在一定的靶區(qū)處方劑量要求下，Plan IQ 軟件可以很好地預測各危及器官受量，從而為臨床醫(yī)師提供指導，提高效率。

表4 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V50 Gy滿足95%時危及器官肺劑量分布情況（±s）

表4 DMLC 和VMAT 計劃的處方劑量覆蓋V50 Gy滿足95%時危及器官肺劑量分布情況（±s）

項目 左肺型 右肺型DMLC VMAT DMLC VMAT單肺 V5（%） 64.22±7.77 66.62±7.88 70.52±7.19 85.98±6.01 V20（%） 33.82±1.60 36.04±4.40 33.30±3.08 34.27±7.42 V30（%） 27.36±1.41 26.52±2.53 26.37±3.31 24.88±6.60 平均值（cm3） 1 807.98±91.15 1 834.08±160.27 1 806.18±141.66 1 920.48±308.25全肺 V5（%） 33.31±1.90 36.39±2.93 42.21±5.17 53.12±4.01 V20（%） 15.54±1.59 16.41±1.84 19.06±1.46 19.61±4.05 V30（%） 12.56±1.37 12.14±1.36 15.17±1.65 14.30±3.59 平均值（cm3） 962.80±54.08 1 001.88±75.13 1 109.12±67.15 1 210.18±174.74

3 討論

與其他腫瘤相比，乳腺癌術(shù)后照射區(qū)域較廣、靶區(qū)分散，形狀較不規(guī)則，且胸部的重要器官較多。放射治療是乳腺癌患者術(shù)后的主要治療方式。近年來，調(diào)強技術(shù)發(fā)展日趨成熟，DMLC 和VMAT 是目前兩種主流的放射治療技術(shù)，兩者在乳腺癌的治療中雖有較多研究[12-19]，但應用Plan IQ預測評估和Monaco 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計乳腺癌術(shù)后計劃的應用研究較少。

圖2 各靶區(qū)劑量、危及器官受量實例和Plan IQ 預測值的比較圖

本研究結(jié)果表明，DMLC 和VMAT 兩種放射治療技術(shù)均能滿足臨床處方要求，但劑量學上存在一定的差異。7野DMLC 計劃在保證靶區(qū)處方劑量的同時可以獲得較低HI 值，高量也較低，尤其是肺、心臟等危及器官受量較低。從表3、表4中可以看出計算結(jié)果與何亞男等[15]和賀先桃等[16]的研究結(jié)果有所不同，主要由3種原因引起：（1）本研究是將鎖骨上腫瘤靶區(qū)和乳腺胸壁靶區(qū)劑量分開單獨計算的，而其他研究是將這兩個靶區(qū)合在一起計算的；（2）我院是中醫(yī)醫(yī)院，一般來治療的患者病情較晚期，腫瘤靶區(qū)較大，故正常危及器官的受量也較大；（3）本計劃設(shè)計是在臨床靶區(qū)外擴3 mm 的計劃靶區(qū)計算的數(shù)據(jù)，這是考慮擺位誤差為保證靶區(qū)不脫靶，而何亞男等[15]和賀先桃等[16]是直接在臨床靶區(qū)上設(shè)計的計劃，靶區(qū)體積較小，正常危及器官的受量就更低。VMAT 計劃CI 值較高，具有更好的適形性，計劃計算和執(zhí)行時間相對較短。這是因為DMLC 主要是在切線野或接近切線野方向上布野，在犧牲靶區(qū)適形性的情況下（CI 較差），得到較低的危及器官受量。而VMAT 計劃在本研究中沒有明顯的優(yōu)勢，可能與我院的加速器光柵的寬度和運動速度有關(guān)，從而限制VMAT 技術(shù)的發(fā)揮。

本研究中，Plan IQ 能預測評估計劃中靶區(qū)和危及器官受量，Plan IQ 的原理是導入醫(yī)師勾畫靶區(qū)和危及器官的CT圖像，給靶區(qū)一定處方劑量的6 MV 的X 線照射，靶區(qū)周圍組織的受量是以每厘米下降1 000 cGy 的輻射量向外均勻的擴散，因此，Plan IQ 在預測靶區(qū)和危及器官受量時只是考慮射線在人體組織中輻射的物理性質(zhì)。而實際計劃在優(yōu)化過程中會綜合考慮射線性質(zhì)、直線加速器和光柵的性能以及其他正常危及器官的相互制約性質(zhì)等，所以Plan IQ 預測的靶區(qū)劑量和危及器官受量在總體上是最理想化的結(jié)果，而實際用Monaco 計劃系統(tǒng)優(yōu)化的計劃中有的危及器官的受量不能很好地符合預測值，但能準確地預測各靶區(qū)劑量和危及器官受量范圍和難易程度，而且可以預測各危及器官之間的制約關(guān)系，當需要某一危及器官受量在某個固定值，其他危及器官的受量也會相應改變。如本研究中，當心臟或脊髓的受量限制較嚴時，肺的受量就會越難達到理想的預測值。

綜上所述，在使用Monaco 計劃系統(tǒng)設(shè)計乳腺癌改良根治術(shù)放射治療計劃時，7野DMLC 和VMAT 兩種調(diào)強計劃均能滿足臨床要求，如果對肺等危及器官要求較嚴格時，推薦使用7野DMLC 技術(shù)，以獲得更好的靶區(qū)劑量分布和較低的危及器官受量；在對肺的V5不作要求的情況下，則推薦VMAT 計劃，可以得到較低的危及器官受量和較好的均勻性以及較短的計劃執(zhí)行時間，提高效率。而Plan IQ 在乳腺癌計劃預測靶區(qū)劑量和危及器官受量以及計劃評估和優(yōu)化方面具有很好的臨床指導作用。