基于Monaco計劃系統(tǒng)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(tǒng)計報告顯示宮頸癌在全球女性的發(fā)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(yōu)勢，不僅可以使靶區(qū)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(jié)優(yōu)化，可以達到最佳劑量分布[5]。但是靜態(tài)調強計劃會使得子野數(shù)目增多，子野形狀復雜，機器跳數(shù)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(tǒng)宮頸癌靜態(tài)調強放療計劃最小子野面積(the minimum segment area，MSA)的優(yōu)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(yī)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(jù)國際婦產(chǎn)科聯(lián)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(qū)勾畫患者定位前膀胱充盈，取仰臥位，雙手舉起抱于頭頂環(huán)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(shù)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(jié)下2 cm，然后導入Monaco 5.11計劃系統(tǒng)，根據(jù)國際輻射單位與測量委員會(international commission on radiation units & measurements，ICRU)83號規(guī)范進行靶區(qū)勾畫，勾出臨床靶區(qū)(clinical target volume,CTV)，均勻外放0.5 cm形成計劃靶區(qū)(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(tǒng)設計放療計劃。

1.3 計劃設計選用Monaco 5.11放療計劃系統(tǒng)中的靜態(tài)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(shù)為4 MU, 每個計劃的最大子野個數(shù)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(yōu)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(qū)評估 根據(jù)劑量體積直方圖的參數(shù)評估放療計劃的靶區(qū)分布，評估參數(shù)包括腫瘤靶區(qū)V47.5、V55、D98%、D2%、D50%,以及均勻性指數(shù) (homogeneity index，HI)和適形性指數(shù)(conformity index，CI)。根據(jù)ICRU 83號規(guī)范定義，V47.5是指達到47.5 Gy(95%的處方劑量)的體積占靶區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(shù)和子野數(shù)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(shù)和子野數(shù)目，記錄后進行統(tǒng)計學分析。

1.5 統(tǒng)計學處理采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)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(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 靶區(qū)劑量分布10例宮頸癌患者的全部靜態(tài)調強計劃的劑量靶區(qū)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(shù)值間差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)；D98%變化不大，D98%在各個MSA數(shù)值間的差異無統(tǒng)計學意義；V55、D2%和D50%總體均呈增加趨勢，每個參數(shù)在各個MSA數(shù)值間差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。V55和D2%的增大表明靶區(qū)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(shù)值間的差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)；CI總體減小，適形性變差，CI在各個MSA數(shù)值間的差異有統(tǒng)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(shù)結果見表1。由表1可知，與對照組相比，靶區(qū)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(tǒng)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(tǒng)計學意義。

表1 宮頸癌患者IMRT計劃在MSA下的靶區(qū)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(tài)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(shù)在各個MSA數(shù)值間的差異都有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。脊髓Dmax隨著MSA增大呈現(xiàn)先減少后增加趨勢，脊髓Dmax在各個MSA數(shù)值間的差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。小腸Dmean隨MSA變化不大，各個MSA數(shù)值間差異無統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)和子野數(shù)目的變化趨勢隨著MSA依次增大，10例宮頸癌患者靜態(tài)調強計劃中的機器跳數(shù)和子野數(shù)目總體均呈減少趨勢，每個參數(shù)在各個MSA數(shù)值間的差異有統(tǒng)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(shù)和子野數(shù)目的影響A：機器跳數(shù)；B：子野數(shù)目

3 討論

本研究基于Monaco計劃系統(tǒng)，通過設置不同MSA值來研究此參數(shù)對靜態(tài)調強計劃的影響。結果表明，MSA設置值對靶區(qū)劑量分布、危及器官受量、機器跳數(shù)和子野數(shù)目都會產(chǎn)生影響。當MSA在1～20 cm2的范圍內，與對照組相比，靶區(qū)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(qū)V55明顯增加，表明靶區(qū)內熱點增多，落在靶區(qū)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(tǒng)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(tǒng)計學意義；而L-V40和R-V40在MSA為100 cm2時增加較快，差異有統(tǒng)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(tǒng)計學意義，可能是因為小腸在靶區(qū)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(tǒng)計學意義，原因可能是在CT斷層上靶區(qū)穿過的脊髓體積并不多，射束穿過靶區(qū)時經(jīng)過脊髓的范圍較小。隨著MSA依次增大，機器跳數(shù)和子野數(shù)目在不斷減少，在10 cm2和20 cm2的計劃中，機器跳數(shù)相比于對照組分別減少14.66%、21.99%，而子野數(shù)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(shù)和子野數(shù)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(yōu)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(fā)生率[8]。孫海濤 等[9]在Pinnacle39.10計劃系統(tǒng)的宮頸癌固定七野的自動靜態(tài)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(shù)目和機器跳數(shù)，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(tǒng)中運行的算法不同。由于腫瘤發(fā)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(shù)目為5、MSA為4 cm2的參數(shù)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(shù)研究中認為，當腫瘤毗鄰危及器官時，MSA和最小機器跳數(shù)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(shù)，這些研究結果均證明了MSA的參數(shù)設置對于放療計劃的優(yōu)化十分重要。機器跳數(shù)增多不僅會直接導致治療時間延長，增加靶區(qū)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(fā)惡性腫瘤風險變高。該研究中機器跳數(shù)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(shù)的優(yōu)勢發(fā)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(guī)定劑量的20%，因此盡量選擇低一點跳數(shù)對計劃優(yōu)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(shù)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(shù)目可以減少子野的形狀變化，減少葉片移動時產(chǎn)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(tài)調強計劃的靶區(qū)劑量分布和危及器官受量的同時減少機器跳數(shù)和子野數(shù)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。