胸中段食管癌容積調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃孔徑形狀控制器參數(shù)的優(yōu)化研究

凌 志, 葉 倩, 侯思聰, 袁 昕, 殷旭東

(揚(yáng)州大學(xué)附屬醫(yī)院, 1. 放療科, 2. 消化內(nèi)科, 江蘇 揚(yáng)州, 225000)

食管癌是原發(fā)于食管黏膜上皮的惡性腫瘤，對(duì)射線比較敏感，故放射治療(簡(jiǎn)稱放療)是食管癌有效的治療方式之一[1]。目前，容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療(VMAT)因其劑量學(xué)優(yōu)勢(shì)已被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于食管癌的治療中。VMAT在機(jī)架旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)使多葉準(zhǔn)直器(MLC)的照射野形狀復(fù)雜化來(lái)獲得所希望的靶區(qū)劑量分布[2]。照射野形狀的復(fù)雜化會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃的復(fù)雜性升高，增加劑量計(jì)算及驗(yàn)證過(guò)程的不確定性。為了限制計(jì)劃的復(fù)雜性，臨床推出了一種新工具——孔徑形狀控制器(ASC)。ASC是光子優(yōu)化算法中用于VMAT的葉片定序器中的新部件，可控制葉片結(jié)構(gòu)的大小及形狀，該工具按不同調(diào)制強(qiáng)度分為6個(gè)級(jí)別降低MLC孔徑的復(fù)雜度，減少由MLC過(guò)度調(diào)制引起的交付精度影響[3]。相關(guān)研究[2-4]報(bào)道，在鼻咽癌和口咽、前列腺部位的放療中, ASC可以通過(guò)不同的設(shè)置水平降低VMAT中MLC孔徑的復(fù)雜度，在不影響整體質(zhì)量的情況下降低放療計(jì)劃的復(fù)雜性和提高交付能力。目前，關(guān)于ASC在食管癌放療計(jì)劃中的應(yīng)用研究極少見(jiàn)。本研究以胸中段食管癌患者為研究對(duì)象，比較ASC各參數(shù)設(shè)置對(duì)VMAT計(jì)劃質(zhì)量、劑量學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)及危及器官(OAR)的影響，探討優(yōu)選的ASC參數(shù)設(shè)置，以提高放療質(zhì)量及劑量執(zhí)行精度，更好地保護(hù)OAR, 進(jìn)而改善患者預(yù)后。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取10例在揚(yáng)州大學(xué)附屬醫(yī)院放療科行VMAT計(jì)劃治療的胸中段食管癌患者作為研究對(duì)象，其中男6例，女4例，年齡50～81歲，中位年齡65.8歲。10例患者均經(jīng)病理確診為鱗狀細(xì)胞癌，臨床分期為cT2～3N+M0, 卡氏功能狀態(tài)(KPS)評(píng)分均>80分。

1.2 治療計(jì)劃參數(shù)設(shè)置

1.2.1 靶區(qū)勾畫(huà): 囑患者取仰臥位，雙手置于前額，予真空成型墊固定體位，給予CT掃描定位，層厚0.5 cm, 掃描范圍從環(huán)甲膜至肝臟下緣(包括食管、雙肺和淋巴結(jié)區(qū)域)，并將掃描所得的CT圖像傳輸至Eclipse系統(tǒng)。根據(jù)食管癌調(diào)強(qiáng)放療靶區(qū)及劑量設(shè)計(jì)指引，由放療科高年資副主任及以上醫(yī)師按照國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)(ICRU)83號(hào)報(bào)告勾畫(huà)靶區(qū)(包括腫瘤病灶區(qū)域及可能侵犯的區(qū)域)和OAR(包括雙肺、脊髓)。

1.2.2 處方劑量和基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置: 本研究中所有計(jì)劃均在Eclipse15.6治療計(jì)劃系統(tǒng)中完成。由于ASC不能用于調(diào)強(qiáng)放療或靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放療、三維適形調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃，本研究只設(shè)計(jì)了VMAT計(jì)劃。所有計(jì)劃均設(shè)置為單弧(179～181 °), 準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置為5 °, 最高劑量率為600 機(jī)器跳數(shù)(MU)/min。處方劑量為50 Gy, 2 Gy/次，共照射25次, 5次/周。計(jì)劃靶區(qū)(PTV)要求100%處方劑量(50 Gy)所包繞的體積≥95%PTV體積。OAR的限制劑量中，肺平均劑量(MLD)≤15 Gy, 雙肺接受20 Gy的體積百分比(V20)≤25%, 雙肺接受30 Gy的體積百分比(V30)≤20%, 脊髓最大劑量(Dmax)≤45 Gy。

1.2.3 ASC參數(shù)及優(yōu)化設(shè)置: ASC參數(shù)調(diào)制分為Off、Very Low、Low、Moderate、High、Very High這6個(gè)級(jí)別，按以上6組ASC參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化并生成治療計(jì)劃，分別設(shè)為Off、VL組、L組、M組、H組和VH組。制作各計(jì)劃時(shí)，同一病例均使用相同的PTV及OAR優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，只變更ASC參數(shù)設(shè)置，不變更優(yōu)化參數(shù)等。每次使用不同的ASC設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，均清除先前存在的MLC位置，并使用相同劑量-體積直方圖(DVH)標(biāo)準(zhǔn)重新啟動(dòng)優(yōu)化。所有患者的DVH對(duì)PTV95%體積滿足的處方劑量進(jìn)行歸一。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.2 計(jì)劃劑量學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo): ① PTV劑量參數(shù)，包括Dmax、平均劑量(Dmean)、均勻性指數(shù)(HI)和適形性指數(shù)(CI)。Dmax用2%體積所受劑量(D2)表示。CI范圍為0～1, 越接近1說(shuō)明靶區(qū)適形度越好,CI=(Vt,ref)2÷(Vt×Vref),Vt,ref為參考等劑量曲面(取95%的劑量線)所包含的靶區(qū)體積,Vref為參考等劑量曲面(取95%的劑量線)包含的身體區(qū)域體積,Vt為靶區(qū)體積。HI用于評(píng)估靶區(qū)范圍內(nèi)的劑量異質(zhì)性,HI越接近于0時(shí)，表明劑量分布越均勻,HI=(D2%-D98%)÷D50%, 其中Dx%表示x%的靶區(qū)體積所受到的照射劑量。② OAR評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括肺Dmax、MLD、肺受照劑量(V20、V30), 其中Vx指雙側(cè)肺接受的MLD≥xGy的體積占全肺的百分比; 脊髓Dmax, 脊髓Dmean; MU/min為每分鐘加速器輸出的跳數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié) 果

2.1 DVH和PTV劑量比較

不同ASC參數(shù)調(diào)制下, PTV的DVH曲線在51 Gy以下區(qū)域無(wú)顯著差異，在51～57 Gy區(qū)域差異較大，提示不同ASC參數(shù)設(shè)置對(duì)于PTV較大劑量區(qū)域存在一定程度影響; 右肺、左肺的DVH曲線顯示, 6種ASC參數(shù)調(diào)制結(jié)果之間相差較大，其中Very High參數(shù)的平均DVH最高, Off參數(shù)最低，說(shuō)明ASC參數(shù)為高調(diào)制水平時(shí)，對(duì)肺的保護(hù)有所下降; 脊髓的DVH曲線顯示，另5種ASC參數(shù)調(diào)制的結(jié)果與Off參數(shù)相差較小，提示ASC參數(shù)調(diào)制對(duì)脊髓無(wú)明顯影響。見(jiàn)圖1。

根據(jù)S-W檢驗(yàn)結(jié)果，以O(shè)ff組數(shù)據(jù)為參考，對(duì)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布(P>0.05)的2組行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，反之則行相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)。L組治療計(jì)劃的CI為(0.832±0.024), 與Off組治療計(jì)劃的CI(0.816±0.038)比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.946,P=0.016); VL組、M組、H組、VH組治療計(jì)劃的CI與Off組比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。L組治療計(jì)劃的HI為(0.106±0.020), 與Off組治療計(jì)劃的HI(0.121±0.021)比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-4.813,P=0.001); VL組、M組、H組、VH組治療計(jì)劃的HI與Off組比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表1。

表1 6組治療計(jì)劃的靶區(qū)適形度和均勻性比較

6組治療計(jì)劃的PTV的Dmax、Dmean數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, VL組、L組、M組、H組、VH組的PTVDmean與Off組比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05); 6組治療計(jì)劃的PTVDmax比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表2。由此提示, PTVDmean在除Off以外的不同ASC參數(shù)調(diào)制時(shí)均有所升高，但參數(shù)調(diào)制水平并不與各參數(shù)對(duì)應(yīng)治療計(jì)劃的PTVDmean呈正相關(guān)。

圖1 不同孔徑形狀控制器參數(shù)下治療計(jì)劃的劑量-體積直方圖

表2 6組治療計(jì)劃的計(jì)劃靶區(qū)Dmax和Dmean比較

2.2 OAR評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

6組治療計(jì)劃的肺和脊髓的Dmean均服從正態(tài)分布，另5組數(shù)據(jù)相對(duì)Off組數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示, VL組、L組、M組、H組、VH組放療計(jì)劃均基本可滿足所有OAR限量要求。VL組、L組、M組、H組、VH組肺和脊髓的Dmean均高于Off組，提示ASC參數(shù)調(diào)制不利于降低OAR平均受量。H組、L組、VL組的肺Dmean和VH組、M組的脊髓Dmean與Off組比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05); H組、VL組的脊髓Dmax與Off組比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。VL組、L組、M組、H組、VH組的肺Dmax、V20、V30與Off組比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表3、表4。

表3 6組治療計(jì)劃的OAR劑量學(xué)指標(biāo)比較

表4 6組治療計(jì)劃的肺劑量學(xué)相關(guān)指標(biāo)比較

2.3 MU和ACM比較

6組ASC參數(shù)調(diào)制生成的治療計(jì)劃的MU和ACM見(jiàn)圖2。VL組、L組、M組、H組、VH組的MU均低于Off組。各組MU經(jīng)S-W檢驗(yàn)顯示，除VH組、H組外，其他組均服從正態(tài)分布，以O(shè)ff組為參考，分別行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)或相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)。VH組(Z=-2.803,P=0.005)、H組(Z=-2.701,P=0.007)、M組(t=-5.049,P=0.001)、L組(t=-4.478,P=0.002)、VL(t=-4.798,P=0.001)的MU與Off組比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。ASC參數(shù)調(diào)制水平與ACM呈負(fù)相關(guān)，各組數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，行配對(duì)t檢驗(yàn)示差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(VL組、L組、M組、H組、VH組的t分別為9.863、16.070、15.700、14.578、17.681,P<0.001), 表明ASC參數(shù)調(diào)制水平的增高與射野形狀復(fù)雜度的降低呈正相關(guān)，并可提高計(jì)劃的劑量交付精度。

ACM: 孔徑形狀復(fù)雜性指數(shù); MU: 機(jī)器跳數(shù)。圖2 6組治療計(jì)劃的ACM和MU比較

3 討 論

食管癌是中國(guó)常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤之一，多數(shù)患者確診時(shí)已為中晚期，預(yù)后較差，發(fā)病率及病死率均較高。放療是食管癌重要的治療手段之一，能顯著提高食管腫瘤局部控制率和患者總生存率，且毒副作用小，已被廣泛應(yīng)用于臨床[6]。調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)使針對(duì)食管癌的精準(zhǔn)放療得到了飛躍發(fā)展，其不僅可保證靶區(qū)照射劑量，而且可最大限度地保護(hù)周邊OAR[7]。VMAT能夠提高腫瘤的受照劑量并降低OAR的受照劑量，實(shí)現(xiàn)高度共形的劑量分布，還能通過(guò)改變機(jī)架轉(zhuǎn)速、劑量率和MLC位置縮短治療時(shí)間[8-9]。在VMAT治療計(jì)劃中，計(jì)劃復(fù)雜性與劑量交付精度之間的關(guān)系已被廣泛研究與討論。VMAT在機(jī)架旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)MLC使射野形狀復(fù)雜化來(lái)獲得靶區(qū)內(nèi)更好的劑量分布[2], 但這會(huì)形成非常陡峭的劑量梯度，且產(chǎn)生密集的MLC調(diào)制(大量小MLC亞場(chǎng))以及增加MU。大量小MLC亞場(chǎng)所致的復(fù)雜性會(huì)導(dǎo)致劑量計(jì)算中的重大誤差，并增加劑量驗(yàn)證過(guò)程的額外不確定性[10-12]。

射野復(fù)雜性較高的治療計(jì)劃在劑量計(jì)算過(guò)程中MLC位置精度誤差較大，且在不規(guī)則小射野區(qū)域精度誤差更大，導(dǎo)致實(shí)際交付劑量與治療計(jì)劃預(yù)期目標(biāo)相差較大[13-18]。相關(guān)研究[19-21]報(bào)道，由于劑量算法的計(jì)算精度不同, MLC形成的小尺寸不規(guī)則照射野的劑量計(jì)算偏差較大，從而影響到劑量交付精度，提示其對(duì)劑量算法的計(jì)算精度的依賴性較強(qiáng)。鑒于此, ASC作為一種新工具被引入VMAT計(jì)劃方案中，其可通過(guò)設(shè)置不同參數(shù)水平，在優(yōu)化期間降低不規(guī)則射野形狀及數(shù)目來(lái)限制計(jì)劃復(fù)雜性，規(guī)避調(diào)制過(guò)程中由射野復(fù)雜性引發(fā)的劑量精度問(wèn)題。

SCAGGION A等[4]使用ASC工具對(duì)先前治療的10個(gè)前列腺和10個(gè)口咽部平面進(jìn)行重新優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)ASC優(yōu)化后的方案MU減少，且MLC調(diào)制的特點(diǎn)是形狀更大且不那么復(fù)雜，計(jì)劃的復(fù)雜性降低。KAMIMA T等[2]創(chuàng)建鼻咽癌VMAT計(jì)劃時(shí)，將計(jì)劃分為極高、高、中、低、極低和關(guān)閉設(shè)置，分析PTV和OAR的調(diào)制復(fù)雜性分?jǐn)?shù)和劑量學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)各VMAT計(jì)劃之間無(wú)顯著劑量學(xué)差異，且ASC可根據(jù)不同設(shè)置水平降低MLC孔徑復(fù)雜度從而降低計(jì)劃復(fù)雜度。研究[5]顯示，在直腸癌術(shù)前VMAT計(jì)劃中，提高ASC參數(shù)調(diào)制水平可有效降低ACM, 對(duì)靶區(qū)的平均DVH影響較小，有利于提高治療計(jì)劃的劑量交付精度。此外，降低VMAT計(jì)劃的復(fù)雜性還具有許多重要優(yōu)點(diǎn)，包括改善計(jì)劃的可交付性和減少治療時(shí)間[21]。

相關(guān)研究[22]表明, IMRT和VMAT均能滿足胸中段食管癌的臨床治療需求，但VMAT的靶區(qū)HI與CI更優(yōu)，且其對(duì)肺、脊髓、心臟的保護(hù)效果也優(yōu)于IMRT。本研究應(yīng)用Eclipse治療計(jì)劃系統(tǒng)的ASC工具設(shè)置不同參數(shù)調(diào)制水平來(lái)調(diào)節(jié)胸中段食管癌VMAT計(jì)劃中照射野形狀的復(fù)雜度，并比較不同ASC參數(shù)對(duì)計(jì)劃質(zhì)量的影響。本研究結(jié)果顯示: ① ASC調(diào)制參數(shù)水平的增高可有效降低射野復(fù)雜性即降低ACM, 從而有利于提高VMAT治療計(jì)劃的劑量交付精度。② ASC參數(shù)調(diào)制對(duì)于PTV的高劑量區(qū)域DVH影響較大。L組的靶區(qū)CI、HI相較于Off組具有顯著優(yōu)勢(shì)，且另5組的PTVDmean與Off組比較均有顯著差異，而6組治療計(jì)劃的PTVDmax均無(wú)顯著差異。由此說(shuō)明，Low參數(shù)調(diào)制水平能夠在保證靶區(qū)劑量學(xué)要求的前提下，一定程度上降低計(jì)劃復(fù)雜度并提高計(jì)劃質(zhì)量，而其余4種ASC參數(shù)對(duì)于計(jì)劃質(zhì)量無(wú)提高作用。③ 在OAR方面, VL組、L組、H組的肺Dmean顯著高于Off組, VL組、L組、M組、H組、VH組的肺Dmax、V20、V30與Off組無(wú)顯著差異; M組、VH組的脊髓Dmean顯著高于Off組, VL組、H組的脊髓Dmax顯著高于Off組。由此提示, ASC參數(shù)調(diào)制不利于OAR復(fù)雜劑量的分布。食管癌放療過(guò)程中放療劑量的增加往往會(huì)導(dǎo)致放射性肺炎的發(fā)生率顯著升高[23-24]。目前，研究[25-27]認(rèn)為肺V20/MLD可作為放射性肺炎的預(yù)測(cè)因子。GRAHAM M V等[28]報(bào)道，肺癌患者肺V20與放射性肺炎的發(fā)生密切相關(guān)。本研究中，各組肺V20無(wú)顯著差異，提示ASC參數(shù)調(diào)制不會(huì)升高放射性肺炎的發(fā)病率; L組的脊髓Dmean和Dmax均與Off組無(wú)顯著差異，而另4組的脊髓的Dmean或Dmax顯著高于Off組，不利于脊髓劑量分布的調(diào)制。④ 相較于Off參數(shù)，另5種ASC參數(shù)可不同程度顯著降低MU。MCGARRY C K等[29]報(bào)道, VMAT治療計(jì)劃中照射野形狀的復(fù)雜程度越低, MU越小，與本研究結(jié)果相符。MU降低具有減少治療時(shí)間和減少全身散布劑量的雙重益處[8-9]。研究[30-33]報(bào)道, MU增加會(huì)在一定程度上升高二次致癌的概率，而MU降低可一定程度上降低風(fēng)險(xiǎn)及改善安全性。

綜上所述，設(shè)置胸中段食管癌患者的VMAT治療計(jì)劃時(shí)，本研究推薦選擇較低的調(diào)制參數(shù)Low, 可在保證PTV和OAR劑量學(xué)要求的前提下，提高PTV的CI、HI, 并一定程度降低ACM和MU, 從而保障治療計(jì)劃的劑量交付精度。本研究不足之處在于納入的胸中段食管癌形狀較為簡(jiǎn)單，未來(lái)還需繼續(xù)探索ASC參數(shù)在食管癌復(fù)雜治療計(jì)劃中的表現(xiàn)及其與患者治療效果和生存質(zhì)量的相關(guān)性。