葛 雙 郗會(huì)珍 王 尋 葉書(shū)成* 馬 俊 陳長(zhǎng)建 朱培軍 楊君東 程淑媛

不同算法模型在宮頸癌根治術(shù)后固定野調(diào)強(qiáng)放射治療中劑量學(xué)分析

葛 雙①郗會(huì)珍①王 尋②葉書(shū)成①*馬 ?、訇愰L(zhǎng)建①朱培軍①楊君東①程淑媛①

目的：比較宮頸鱗癌根治術(shù)后患者在固定野調(diào)強(qiáng)放射治療(FF-IMRT)計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)采用各向異性分析算法(AAA)和筆形束卷積(PBC)算法的劑量學(xué)差異。方法：隨機(jī)選取10例術(shù)后接受放射治療的宮頸鱗癌患者的定位CT影像資料，分別采用Varian Eclipse放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)提供的AAA和PBC兩種劑量算法模型，對(duì)七野均分的同一調(diào)強(qiáng)計(jì)劃(IMRT)進(jìn)行劑量計(jì)算，并用電子射野影像裝置(EPID)進(jìn)行劑量驗(yàn)證，比較兩種算法模型的劑量-體積直方圖(DVH)圖上靶區(qū)、小腸、結(jié)腸、直腸、膀胱、股骨頭等危及器官(OARs)的吸收劑量與體積參數(shù)和機(jī)器跳數(shù)(MU)、驗(yàn)證結(jié)果γ通過(guò)率等參數(shù)的差異。結(jié)果：兩種算法模型得到靶區(qū)的平均劑量(Dmean)與最大劑量(Dmax)PBC算法略高于AAA，適形度指數(shù)(CI)和靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)(HI)的AAA結(jié)果均好于PBC算法，MU的AAA略高于PBC算法。小腸的V15、Dmean、50%的覆蓋體積受照的最小劑量(D50%)，結(jié)腸的Dmean、D50%，膀胱的V30、V40、V45、Dmean、D50%，左、右股骨頭的Dmean的AAA的結(jié)果均高于PBC算法；結(jié)腸的Dmax，直腸的Dmean、Dmax、D50%和V45的PBC算法略高于AAA。平均差異除直腸的V45和結(jié)腸的V40(21.38%，3.59%)較大外，其余參數(shù)的偏差在0.07%～1.70%之間，相同角度射野兩種算法的γ通過(guò)率結(jié)果均＞98%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-0.886，t=0.424，t=0.261，t=-1.426，t=0.284，t=-0.552，t=0；P＞0.05)。結(jié)論：在宮頸癌根治術(shù)后，七野調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃中兩種算法獲得的靶區(qū)和OARs的劑量學(xué)參數(shù)存在一定的差異，但均可滿足臨床要求，且劑量驗(yàn)證通過(guò)率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。兩種算法均可應(yīng)用于臨床，但在直腸保護(hù)、降低放射性直腸損傷發(fā)生率方面，AAA要好于PBC算法。

宮頸癌；各向異性分析算法；筆形束卷積算法；調(diào)強(qiáng)放射治療；劑量學(xué)；醫(yī)用直線加速器

宮頸癌是近年來(lái)發(fā)展中國(guó)家婦女中最常見(jiàn)的婦科惡性腫瘤，其中90%為鱗狀細(xì)胞癌，嚴(yán)重影響著患者的身心健康和生活質(zhì)量[1]。目前針對(duì)早期宮頸癌(IBIIA)的治療主要采用根治性子宮切除術(shù)及盆腔淋巴結(jié)清掃術(shù)的方法，為了降低復(fù)發(fā)的高危因素影響，行全盆腔輔助放射治療，以提高患者總的生存率[2-4]。

近年來(lái)，伴隨放射治療設(shè)備的不斷升級(jí)，調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)被廣泛應(yīng)用于宮頸癌放射治療中，與傳統(tǒng)放射治療相比，其能有效實(shí)施靶區(qū)處方劑量，同時(shí)降低周?chē)匾鞴俚氖苷談┝考鞍l(fā)生并發(fā)癥的可能性，但對(duì)靶區(qū)和危及器官(organ at risk，OARs)劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性有更高的要求[5]。計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性與臨床腫瘤放射治療效果和毒性反應(yīng)有著密切的關(guān)系，直接影響腫瘤控制概率(tumor control probability，TCP)以及正常組織并發(fā)癥概率(normal tissue complications probability，NTCP)。因此，針對(duì)相同優(yōu)化條件的放射治療計(jì)劃，在劑量計(jì)算時(shí)，選取不同的劑量算法模型，可能導(dǎo)致靶區(qū)及重要器官劑量分布計(jì)算結(jié)果的差異。國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)24報(bào)告[6]指出，5%的劑量誤差就會(huì)導(dǎo)致TCP的10%～20%的變化，而NTCP會(huì)有更大的變化[7]。

本研究探討了各向異性分析算法(anisotropic analytical algorithm，AAA)和筆形束卷積(pencil beam convolution，PBC)算法在10例宮頸鱗癌患者根治術(shù)后七野FF-IMRT計(jì)劃中靶區(qū)和OARs的劑量學(xué)差異，并采用電子射野影像裝置(EPID)劑量學(xué)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)兩種算法的γ通過(guò)率進(jìn)行測(cè)量，為臨床實(shí)踐提供劑量學(xué)參考和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 病例材料

選取2016年4月至2017年1月在濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤放療科接受放射治療的10例宮頸鱗癌根治術(shù)患者的CT影像資料，患者年齡34～76歲，平均年齡50.1歲。按國(guó)際婦產(chǎn)科協(xié)會(huì)(FIGO)分期，10例患者ⅠB1期3例，ⅠB2期3例，ⅡA期4例。手術(shù)方式均為廣泛子宮、雙附件切除和盆腔淋巴結(jié)清掃術(shù)。術(shù)后病理為中、低分化鱗狀細(xì)胞癌，存在高危因素，需行全盆腔放射治療。

1.2 儀器設(shè)備

醫(yī)用電子直線加速器(美國(guó) 瓦里安Ix)、大孔徑CT模擬定位機(jī)(荷蘭 飛利浦Brilliance)、電子射野影像裝置(EPID)和Varian Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)。

1.3 定位CT圖像采集

所有患者均采用仰臥位，腹盆腔體模固定，雙手抱肘(右手在上，左手在下)置于額頭，通過(guò)三維定位激光來(lái)確保患者的正中位、水平位與CT定位床板平行。囑咐患者在CT模擬機(jī)定位前排盡小便，口服800～1000 ml溫開(kāi)水，開(kāi)始憋尿以保證中等程度的膀胱充盈，1 h后開(kāi)始掃描采集CT圖像。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用Philips Brilliance大孔徑CT模擬定位機(jī)，CT掃描同時(shí)靜脈注射碘海醇90 ml進(jìn)行影像對(duì)比增強(qiáng)，注射速率2.5～3.0 ml/s。CT掃描的層厚和間隔均為5 mm，范圍自腰2椎體上緣至坐骨結(jié)節(jié)下5 cm，獲得的CT圖像傳輸至Varian Eclipse放射治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)。

1.4 靶體積及OARs的勾畫(huà)和處方劑量

將采集的CT圖像在TPS計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行三維重建處理后，根據(jù)美國(guó)放射治療腫瘤學(xué)組(RTOG)宮頸癌術(shù)后靶區(qū)勾畫(huà)指南和ICRU 83號(hào)報(bào)告[8]勾畫(huà)靶區(qū)、膀胱、直腸、小腸等OARs。臨床腫瘤靶體積(clinical target volume，CTV)包括陰道上段1/2及殘端、陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區(qū)域(髂內(nèi)外、骶前、閉孔淋巴結(jié)、髂總淋巴結(jié))。將CTV邊界在三維上均勻外擴(kuò)5～10 mm得到計(jì)劃靶體積(planning target volume，PTV)，同時(shí)需要勾畫(huà)的OARs包括膀胱、小腸、結(jié)腸、直腸及雙側(cè)股骨頭。處方劑量滿足95%PTV接受4500 cGy，分25次，每次180 cGy。

1.5 計(jì)劃設(shè)計(jì)

在TPS計(jì)劃系統(tǒng)中對(duì)10例患者均采取固定射野逆向調(diào)強(qiáng)(FF-IMRT)方式制定治療計(jì)劃，照射方式為七野等中心照射，入射角分別為0°、51°、102°、153°、204°、255°和306°。

(1)優(yōu)化限制條件的設(shè)置：處方劑量均設(shè)定為4500 cGy，要求95%PTV接受4500 cGy，5%PTV接受4700 cGy。

(2)計(jì)劃優(yōu)先(Priority)順序：為CTV＞PTV＞直腸＞膀胱＞小腸和結(jié)腸＞股骨頭(膀胱D50%＜4500 cGy，直腸V45＜50%，小腸和結(jié)腸Dmax＜4800 cGy，雙側(cè)股骨頭D40%＜1800 cGy)。射線質(zhì)選取VARIAN ix直線加速器提供的6 MV的X射線，劑量率設(shè)置為400 MU/min。對(duì)同一個(gè)計(jì)劃，設(shè)置相同的優(yōu)化和歸一參數(shù)，選取AAA和PBC兩種劑量算法模型分別進(jìn)行劑量計(jì)算。

1.6 劑量驗(yàn)證

在TPS中通過(guò)Portal Dosimetry模塊對(duì)兩種劑量算法的放射治療計(jì)劃分別生成劑量驗(yàn)證計(jì)劃(Verification Plan)，射野角度全部歸零，將其傳輸?shù)絍ARIAN加速器配備的電子射野影像裝置(EPID)進(jìn)行二維劑量學(xué)驗(yàn)證。Gamma分析中設(shè)置約束條件限值為：劑量容度(Dose Tolerance)為3%，距離偏差(DTA)＜3 mm，以感興趣區(qū)域內(nèi)γ值＜1為通過(guò)，要求通過(guò)率好于95%，即為測(cè)量結(jié)果與計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果一致。

1.7 計(jì)劃評(píng)估及劑量學(xué)評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)指標(biāo)的參數(shù)通過(guò)靶區(qū)和OARs的劑量-體積直方圖(DVH)進(jìn)行比較，參數(shù)包括最小劑量(Dmin)、最大劑量(Dmax)、平均劑量(Dmean)、95%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量(D95%)、靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)、適形度指數(shù)(conformity index，CI)，小腸、結(jié)腸、直腸和膀胱的受照射劑量分別＞15 Gy、30 Gy、40 Gy和45 Gy的體積占危及器官總體積的百分比(V15、V30、V40和V45)，50%的覆蓋體積受照的最小劑量(D50%)，左、右股骨頭5%的覆蓋體積受照的最小劑量(D5%)，其HI計(jì)算為公式1：

而CI計(jì)算為公式2：

式中D2%為2%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量，D98%為98%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量，D50%為50%的PTV覆蓋體積受照的最小劑量，VTV95%為95%等劑量線所包繞的PTV的體積，VTV為PTV的總體積，V95%為95%等劑量線所包繞的總體積。HI值越小，劑量跌落區(qū)越陡，靶區(qū)內(nèi)劑量變化梯度越小，表示靶區(qū)劑量分布均勻性越好；CI值范圍是0～1，值越大，表示適形度越好。正常組織的分析指標(biāo)是受到特定劑量水平照射的體積百分比，越接近于1，表示靶區(qū)劑量分布的適形度越好。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)結(jié)果采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)得到的兩種劑量算法模型的各劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果采用配對(duì)t檢驗(yàn)分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；平均偏差(DP)為兩種算法平均值的差值與AAA平均值的百分比。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)及MU的差異

CTV和PTV的Dmean與Dmax的PBC算法均略高于AAA，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-6.621，t=-4.061；P＜0.05)，平均差異最大為0.96%，Dmin差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.986，t=1.523；P＞0.05)，PTV的95%覆蓋體積受照的D95%差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.623，P＞0.05)，AAA的CI和HI均好于PBC算法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.552，t=-14.036；P＜0.05)；MU的AAA(1580±99.03)略高于PBC算法(1563±97.04)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=7.373，P＜0.05)，見(jiàn)表1。

2.2 OARs劑量學(xué)參數(shù)的差異

小腸的V15、Dmean和D50%的AAA結(jié)果高于PBC算法，平均偏差分別為0.64%、0.81%與1.24%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.56，t=2.576，t=2.78；P＜0.05)；V30和V40差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.274，t=-0.079；P＞0.05)；結(jié)腸的Dmean和D50%的AAA結(jié)果略高于PBC算法，平均偏差為0.6%和1.2%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.61，t=2.413；P＜0.05)；Dmax的PBC算法略高于AAA，平均偏差為0.84%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-3.34，P＜0.05)；V15、V30和V40差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.142，t=-0.796，t=-2.069；P＞0.05)；直腸的Dmean、Dmax、D50%和V45的PBC算法結(jié)果均高于AAA，其中除V45平均偏差較大為21.38%外，其余分別為1.05%、0.88%和0.97%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-4.77，t=-3.201，t=-3.383，t=-4.427；P＜0.05)；膀胱的V30、V40、V45、Dmean和D50%的AAA算法結(jié)果略高于PBC算法，平均偏差最大為1.54%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0，t=0.001，t=0.024，t=0，t=0；P＜0.05)；Dmax差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-0.75，P＞0.05)；左、右股骨頭的Dmean的AAA結(jié)果略高于PBC算法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=8.343，t=6.591；P＜0.05)；Dmax與D5%差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.665，t=0.821，t=1.98，t=2.232；P＞0.05)，見(jiàn)表2。

表1 AAA與PBC算法靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)的差異(±s)

表1 AAA與PBC算法靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)的差異(±s)

表2 兩種算法OARs劑量學(xué)參數(shù)的差異(±s)

表2 兩種算法OARs劑量學(xué)參數(shù)的差異(±s)

表3 不同角度7射野兩種算法通過(guò)率的差異

2.3 EPID劑量驗(yàn)證通過(guò)率的差異

采取相同角度單一射野驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行比較，7個(gè)射野兩種算法各自的γ通過(guò)率結(jié)果均＞98%，平均差異非常小，兩種算法總的通過(guò)率為99.16%和99.17%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-0.886，t=0.424，t=0.261，t=-1.426，t=0.284，t=-0.552，t=0；P＞0.05)，見(jiàn)表3。

3 討論

放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中不同的劑量算法其計(jì)算原理不同，PBC和AAA均是基于模型的算法，模型建立的準(zhǔn)確性將直接影響到劑量計(jì)算的精度[9]。PBC算法是一維能量非局部沉積算法，是基于筆形束核的卷積模型，采用了快速傅立葉變換，深度方向和側(cè)向電子密度修正在卷積過(guò)程中不考慮，因此對(duì)光子穿過(guò)不同電子密度組織時(shí)的二次建成效應(yīng)體現(xiàn)較弱，但基本可以滿足劑量計(jì)算準(zhǔn)確性的要求[10-11]；AAA模型的建立考慮了原射線、電子線污染以及散射線的影響，是三維的PBC疊加算法[12-15]。對(duì)于側(cè)向不均勻組織進(jìn)行了等效電子密度的修正，在不均勻介質(zhì)中的劑量計(jì)算更準(zhǔn)確，也更接近于測(cè)量值[16]。

對(duì)于AAA與PBC算法的劑量學(xué)對(duì)比的研究國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，主要集中于肺癌、鼻咽癌等部位的劑量學(xué)差異。Fogliata等[17]和張富利等[18]提出肺癌PBC算法和AAA的HI及CI無(wú)差異，但是肺的指標(biāo)差異顯著，AAA計(jì)算結(jié)果受呼吸影響的幅度小于PBC算法，因此采用AAA更好。張先穩(wěn)等[19]報(bào)道，鼻咽癌AAA與PBC算法相比，靶區(qū)的HI及CI的Dmean更有優(yōu)勢(shì)，腦干、脊髓、晶體以及視神經(jīng)的最大劑量值均更低。結(jié)果均顯示出在低密度區(qū)域或空腔部位AAA精度好于PBC算法，但針對(duì)兩種算法模型在宮頸癌術(shù)后患者治療計(jì)劃方面的劑量學(xué)差異研究不多。

宮頸癌術(shù)后患者解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靶區(qū)體積大，周?chē)陌螂?、小腸、直腸等OARs緊密包繞靶區(qū)，極易受到過(guò)量照射，因此有必要開(kāi)展AAA與PBC算法針對(duì)宮頸癌術(shù)后患者劑量學(xué)差異的研究，探討較優(yōu)的劑量算法。

本研究結(jié)果表明，兩種算法模型得到的靶區(qū)的Dmean、Dmax，小腸的V15、Dmean、D50%，結(jié)腸的Dmean、D50%，膀胱的V30、V40、V45、Dmean、D50%，左、右股骨頭的Dmean，結(jié)腸的Dmax，直腸的Dmean、Dmax、D50%、V45等劑量學(xué)參數(shù)PBC算法與AAA結(jié)果相差不大，平均偏差均＜2%，其原因是由于宮頸癌根治術(shù)后靶區(qū)位于盆腔較深區(qū)域，與周?chē)M織密度相差不大，造成組織間劑量跌落效應(yīng)變小，AAA的優(yōu)勢(shì)不明顯；直腸的V45和結(jié)腸的V45平均差異較大，分別為21.38%和3.59%，PBC算法明顯高于AAA，主要原因是直腸的大部分和結(jié)腸的一部分是包含到靶區(qū)內(nèi)，造成PBC算法趨向于過(guò)高估計(jì)靶區(qū)內(nèi)低密度組織的吸收劑量，與譚麗娜等[12]的報(bào)道一致。靶區(qū)的CI和HI的AAA結(jié)果要略優(yōu)于PBC算法；MU的AAA略高于PBC算法1.08%，兩者計(jì)劃實(shí)施的時(shí)間相差不大。電子射野影像裝置(EPID)的驗(yàn)證實(shí)際測(cè)量結(jié)果與兩種算法的計(jì)算結(jié)果γ通過(guò)率均＞98%，相差不明顯，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

綜上所述，在宮頸癌根治術(shù)后調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃中兩種算法獲得的靶區(qū)和OARs的劑量學(xué)參數(shù)差異不大，并且劑量驗(yàn)證通過(guò)率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。兩種算法均可以應(yīng)用于臨床，但在降低放射性直腸損傷毒性，保護(hù)直腸方面，AAA要好于PBC算法。

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Dosimetric analysis of different algorithms model in fixed field IMRT after radical operation of cervical squamous carcinoma

GE Shuang, CHI Hui-zhen, WANG Xun, et al

Objective:To compare the dosimetric difference of patients with cervical squamous carcinoma in application of fixed-fields IMRT(FF-IMRT) between anisotropic analytical algorithm(AAA) and pencil beam convolution(PBC)algorithm.Methods:The location CT images of 10 patients with cervical squamous carcinoma who

radiotherapy post-operation were randomly selected in the research. Each IMRT that was averaged by seven-fields was calculated by AAA and PBC, respectively, that were provided by varian eclipse TPS. And the electronic portal imaging device (EPID)was applied to verify the dosage. The adsorbed dose, volume parameter, MU, the passing rate of γon series of organ at risks (OARs), that included of target region, small intestine, colon, rectum, bladder and femoral head, on the dosevolume histogram (DVH) of the two algorithm model were compared.Results:Dmeanand Dmaxof the target region of PBC algorithms were slightly higher than those of AAA algorithms, while CI and HI of AAA algorithms were better than that of PBC algorithm, and the MU of AAA was slightly higher than that of PBC algorithm. For V15, Dmean, D50%of small intestine, Dmean, D50%of colon, V30, V40, V45, Dmean, D50%of bladder, Dmeanof double femoral head, all of results of AAA are higher than that of PBC algorithm. Dmax of colon, Dmean, Dmax, D50%and V45of rectal of PBC algorithms were slightly higher than that of AAA. The average differences of most of parameters were between 0.07% and 1.70% except V45(21.38%) of rectum and V40(3.59%)of colon. The pass rates of γ of the two algorithms at same field were higher than 98%, and the difference between them were not statistically significant (t=-0.886, t=0.424, t=0.261, t=-1.426, t=0.284,t=-0.552, t=0, P＞0.05).Conclusion:There are some differences in the dosimetric parameters of the target region and OARs which are obtained from two algorithms in seven fields FF-IMRT of post radical operation of cervical squamous carcinoma, but all of them can meet the clinical requirements and the difference of the pass rate of dose verification is not statistically significant. Therefore, both of algorithms can be used in clinical practice. However, in these aspects of protecting rectum and reducing the incidence of radioactive rectal injury, AAA is better than PBC algorithm.

Cervical squamous carcinoma; Anisotropic analytical algorithm; Pencil beam convolution algorithm;Intensity modulated radiotherapy; Dosimetry; Medical linear accelerator

Department of Tumor Radiotherapy, Affiliated Hospital of Jining Medical University,Jining 272000, China.

1672-8270(2017)11-0034-06

R814.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.0010

葛雙,男,(1989- ),碩士，物理師。濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤放療科，研究方向：腫瘤放射治療物理學(xué)。

①濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院腫瘤放療科 山東 濟(jì)寧 272000

②濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心 山東 濟(jì)寧 272000

*通訊作者：18678766862@163.com

China Medical Equipment,2017,14(11):34-39.

2017-07-05