基于外輪廓的虛擬限量環(huán)在宮頸癌固定野調(diào)強(qiáng)放療中的應(yīng)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(yī)院腫瘤防治中心，湖北荊門 448000；2.荊門市第二人民醫(yī)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(shù)和放療是其重要的治療方法[1-4]。固定野調(diào)強(qiáng)放療（fixedfieldsintensity-modulated radiotherapy，ff-IMRT）技術(shù)能兼顧靶區(qū)劑量分布、危及器官和正常組織保護(hù)，被基層醫(yī)院普遍采用[5-6]。為了提高處方劑量的適形性并減小靶區(qū)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(shè)計放療計劃時通常設(shè)置若干個限量環(huán)并給予其權(quán)重較小的約束條件[7-8]。Monaco是常用的商用計劃系統(tǒng)之一，其Shrink Margin功能可使某結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離其上級結(jié)構(gòu)指定距離，在患者外輪廓的基礎(chǔ)上利用該功能可形成虛擬限量環(huán)，繼而達(dá)到與實(shí)際限量環(huán)類似的功能。因此，本研究通過比較無限量環(huán)計劃、基于實(shí)際限量環(huán)計劃和基于患者外輪廓的虛擬限量環(huán)計劃三者間的區(qū)別，探討基于患者外輪廓創(chuàng)建虛擬限量環(huán)的應(yīng)用價值，為放療物理師設(shè)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(yī)院放療科接受宮頸癌術(shù)后ff-IMRT的患者20例，年齡42～58歲，中位年齡52歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)國際婦產(chǎn)科聯(lián)盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，F(xiàn)IGO）的分期標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)：骨髓抑制患者（周圍血白細(xì)胞總數(shù)＜3×109/L，血小板總數(shù)＜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(fā)作期患者，嚴(yán)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(qiáng)CT圖像，掃描范圍為第二腰椎～坐骨結(jié)節(jié)下5 cm，掃描層厚0.5 cm。將CT圖像經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以DICOM格式傳輸至Monaco 5.11.03計劃系統(tǒng)進(jìn)行ff-IMRT計劃設(shè)計。

1.3 靶區(qū)和危及器官勾畫

由同一名臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的腫瘤醫(yī)師參考美國腫瘤放射治療協(xié)作組織（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）指南完成靶區(qū)和危及器官勾畫。臨床靶區(qū)（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(qū)（髂總、髂內(nèi)、髂外、骶前、閉孔淋巴引流區(qū)），計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）由CTV在三維方向上外擴(kuò)0.5～1.0cm得到。經(jīng)統(tǒng)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(shè)計方法

基于Elekta Precise加速器（含40對多葉準(zhǔn)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(tǒng)對20例患者分別設(shè)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(zhǔn)直器角度均為0°[11]。3種計劃劑量率均為600MU/min，計算網(wǎng)格為0.3 cm，采用蒙特卡羅算法（Monte Carlo algorithm，MCA），子野個數(shù)限值為100，最小子野面積為2 cm2，最小機(jī)器跳數(shù)為5 MU，處方劑量均為4 500 cGy/25f。

plan_1為無限量環(huán)ff-IMRT計劃。plan_2為基于布爾運(yùn)算創(chuàng)建2個實(shí)際限量環(huán)，其環(huán)形弧間距（環(huán)外徑與內(nèi)徑之差）均為0.6 cm。其中第1個實(shí)際限量環(huán)遠(yuǎn)離PTV 0.6 cm，目標(biāo)函數(shù)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(shí)際限量環(huán)遠(yuǎn)離PTV 1.2cm，目標(biāo)函數(shù)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(chuàng)建2個虛擬限量環(huán)，第1個虛擬限量環(huán)目標(biāo)函數(shù)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(huán)目標(biāo)函數(shù)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(huán)的最大劑量；RMS Dose Excess表示限量環(huán)最大劑量的均方根，其取值在2～1 500 cGy范圍內(nèi)變化，值越小，限量環(huán)約束力度越大；Shrink Margin的值為限量環(huán)遠(yuǎn)離PTV的距離，不同的取值對應(yīng)限量環(huán)不同的約束范圍。3種ff-IMRT計劃除上述限量環(huán)限制條件不同之外，其他目標(biāo)函數(shù)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(xué)參數(shù)：最大劑量D2%、平均劑量Dmean、最小劑量D98%、靶區(qū)覆蓋率V100%（4 500 cGy劑量包繞的PTV體積與PTV體積之比）、靶區(qū)適形性指數(shù)（conformity index，CI）、靶區(qū)均勻性指數(shù)（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(qū)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(qū)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(shù)Vx（V10、V20、V30、V45），并 評 估3種ff-IMRT計劃的治療參數(shù)，包括機(jī)器跳數(shù)、子野個數(shù)、出束時間（包括機(jī)架轉(zhuǎn)動時間）。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法

基于SPSS20.0軟件完成計量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析，分析計量數(shù)據(jù)前均行正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)。若計量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布且方差齊，多組間數(shù)據(jù)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(yàn)；反之，則采用Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)和Dunnett’s T3檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)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(yōu)到劣排序?yàn)閜lan_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(xué)參數(shù)比較

3種ff-IMRT計劃PTV劑量學(xué)參數(shù)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(yōu)到劣排序?yàn)閜lan_1、plan_2、plan_3（P＜0.05），CI則反之（P＜0.05），Dmean、V100%差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 3種ff-IMRT計劃PTV劑量學(xué)參數(shù)比較

2.3 危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

3種ff-IMRT計劃危及器官的劑量學(xué)參數(shù)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(yōu)到劣排序?yàn)閜lan_3、plan_2、plan_1（P＜0.05）；plan_2、plan_3直腸、膀胱、股骨頭、骨盆的V45優(yōu)于plan_1（P＜0.05），且plan_2與plan_3相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 3種ff-IMRT計劃危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較單位：%

2.4 正常組織劑量學(xué)參數(shù)比較

3種ff-IMRT計劃正常組織的劑量學(xué)參數(shù)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(yōu)到劣排序?yàn)閜lan_3、plan_2、plan_1（P＜0.05）；plan_2、plan_3正常組織的V40優(yōu)于plan_1（P＜0.05），且plan_2與plan_3相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表3 3種ff-IMRT計劃正常組織的劑量學(xué)參數(shù)比較單位：%

2.5 治療參數(shù)比較

3種ff-IMRT計劃的治療參數(shù)比較見表4。由表3可知，plan_2與plan_3的治療參數(shù)比較差異無統(tǒng)計學(xué)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(shù)比較

3 討論

術(shù)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(dǎo)致靶區(qū)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(fēng)險[14-15]。因此，減小靶區(qū)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(shè)計宮頸癌放療計劃的研究重點(diǎn)之一。

減小低劑量照射范圍，可通過采取更先進(jìn)的放療技術(shù)或優(yōu)化放療計劃限量方式實(shí)現(xiàn)。關(guān)于放療技術(shù)對低劑量照射范圍影響的相關(guān)研究，多為宮頸癌放療中常用的ff-IMRT技術(shù)與容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術(shù)的對比研究。如蘇曉科等[16]的研究認(rèn)為，VMAT技術(shù)小腸、膀胱的V30、V40、Dmean較ff-IMRT技術(shù)低。胡麗娟等[17]的研究顯示，VMAT技術(shù)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(yōu)于ff-IMRT技術(shù)。關(guān)于優(yōu)化放療計劃限量方式，鮑志榮等[18]發(fā)現(xiàn)，限制髖骨和腰骶骨計劃可在滿足靶區(qū)臨床要求以及危及器官保護(hù)的基礎(chǔ)上，有效降低骨盆受量，更好地保護(hù)脊髓。筆者前期的一項(xiàng)研究表明，設(shè)置2個實(shí)際限量環(huán)可在靶區(qū)劑量覆蓋、危及器官和正常組織保護(hù)以及治療效率三者間達(dá)到平衡[8]。由此可見，設(shè)置限量環(huán)是優(yōu)化設(shè)計ff-IMRT放療計劃的常用方法之一。

目前，主流商用計劃系統(tǒng)對于限量環(huán)的勾畫大多基于布爾運(yùn)算或腳本語言實(shí)現(xiàn)[7，19]。前者在使用過程中存在需要大量重復(fù)的操作、運(yùn)算過程耗時較長及所創(chuàng)建限量環(huán)尺寸受限（Monaco計劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外擴(kuò)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(qū)較遠(yuǎn)區(qū)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(chǔ)，技術(shù)門檻較高，不易推廣。Monaco計劃系統(tǒng)的Shrink Margin功能可使某結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離其上級結(jié)構(gòu)指定距離（0～5 cm），故在患者外輪廓基礎(chǔ)上利用該功能可創(chuàng)建出遠(yuǎn)離靶區(qū)指定距離的虛擬限量環(huán)。本研究基于此功能設(shè)計ff-IMRT計劃，并比較其與無限量環(huán)ff-IMRT計劃及基于布爾運(yùn)算創(chuàng)建實(shí)際限量環(huán)的ff-IMRT計劃各項(xiàng)劑量學(xué)參數(shù)的差異。研究結(jié)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(shù)均存在統(tǒng)計學(xué)差異。分析3種ff-IMRT計劃上述劑量學(xué)參數(shù)表現(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)差異的原因，可能是由于限量環(huán)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(huán)擠壓等劑量線，在提高適形性的同時也導(dǎo)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(jié)果相當(dāng)，故本研究認(rèn)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(shù)劑量學(xué)參數(shù)因限量環(huán)的存在而較大幅度地減小，可見限量環(huán)在保護(hù)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(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)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(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)差異，可能是由于plan_2與plan_3限量環(huán)的重疊部分對等劑量線的約束范圍集中于高劑量區(qū)域且約束力度相同，而plan_3限量環(huán)的環(huán)形弧間距較plan_2的大且該部分限量環(huán)對等劑量線的約束范圍集中于低劑量區(qū)域所引起。對于治療參數(shù)而言，機(jī)器跳數(shù)、子野個數(shù)、出束時間均因限量環(huán)的存在而增多或延長，這可能與限量環(huán)約束范圍較廣，從而導(dǎo)致子野分割方式變復(fù)雜有關(guān)?？紤]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(xué)參數(shù)因限量環(huán)的存在得到較大幅度的優(yōu)化，因此本研究認(rèn)為限量環(huán)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(tǒng)設(shè)計宮頸癌ff-IMRT計劃時，利用Shrink Margin功能可簡便地創(chuàng)建基于患者外輪廓的虛擬限量環(huán)。綜合比較各項(xiàng)參數(shù)，該虛擬限量環(huán)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于無限量環(huán)及等同于甚至優(yōu)于基于布爾運(yùn)算創(chuàng)建實(shí)際限量環(huán)的功能。本研究中Shrink Margin的取值為計算網(wǎng)格（0.3 cm）的整數(shù)倍，且依據(jù)PTV外吸收劑量跌落梯度約為100 cGy/0.1 cm的日常工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)置限量環(huán)目標(biāo)函數(shù)中Shrink Margin、Maximum Dose及RMSDose Excess的值，并未詳細(xì)研究該目標(biāo)函數(shù)中各參數(shù)其他取值方式對ff-IMRT計劃的影響，期待后續(xù)以此為研究方向展開進(jìn)一步的研究。總之，利用Monaco計劃系統(tǒng)自帶的Shrink Margin功能，可以優(yōu)化放療計劃并提高放療物理師設(shè)計放療計劃的效率，建議采用Monaco計劃系統(tǒng)設(shè)計宮頸癌ff-IMRT計劃時利用該功能創(chuàng)建基于患者外輪廓的虛擬限量環(huán)。