陳祥，單國平，邵凱南，李玉成，楊一威，李浦，王彬冰，周劍良

1.南華大學核科學技術(shù)學院，湖南衡陽421001；2.浙江省腫瘤醫(yī)院放射物理室，浙江杭州310022

前言

肺癌是臨床常見的惡性腫瘤之一，我國肺癌發(fā)病率和病死率均居惡性腫瘤首位，約85%的患者為非小細胞肺癌（NSCLC）［1-2］。早期NSCLC首選手術(shù)治療，但對于無法耐受手術(shù)或不愿意接受手術(shù)的患者，放療則是重要的局部治療手段［3］。立體定向放射治療（SBRT）常用于NSCLC治療，其特點是靶區(qū)劑量梯度陡峭、邊緣劑量跌落迅速，能夠?qū)⒏吣苌渚€聚焦于靶區(qū)的同時，最大程度降低周圍危及器官的劑量［4-6］。SBRT通常分次數(shù)較少、單次劑量較大、具有很高的生物等效劑量，因此需要準確計算劑量分布［7-9］。國內(nèi)外有文獻報道計算網(wǎng)格大小會影響劑量計算的準確性和劑量分布［10］，但是對于NSCLC患者SBRT計劃設(shè)計時不同劑量網(wǎng)格分辨率對劑量計算的影響，相關(guān)文獻報道較少。因此，本研究旨在定量分析劑量網(wǎng)格分辨率對NSCLC患者SBRT計劃最終劑量分布的影響，為臨床應(yīng)用提供一定的劑量學參考依據(jù)，指導臨床選用合適的劑量網(wǎng)格分辨率進行NSCLC患者SBRT計劃設(shè)計。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

隨機選取浙江省腫瘤醫(yī)院2017年5～12月接受RapidArc-SBRT根治性放療的NSCLC患者10例。其中，男6例，女4例；年齡31～88歲，中位年齡72.5歲。所有患者均經(jīng)病理檢查確診，無縱膈淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，左側(cè)肺癌4例，右側(cè)肺癌6例，腫瘤形狀近似圓形，腫瘤體積4.06～77.64 cm3，平均（28.24±21.68）cm3，此前均未接受過胸部放射治療。

1.2 CT模擬定位

患者取仰臥位，采用熱塑體膜（6例）或真空負壓袋（4例）固定，在平靜呼吸下使用飛利浦32排大孔徑CT模擬定位機（Philips,BrillianceTM Big Bore CT，荷蘭）對患者進行全時相（10個時相）四維CT增強掃描，掃描范圍從下頜到全胸廓的所有區(qū)域，掃描層厚3 mm。CT掃描圖像以DICOM格式經(jīng)局域網(wǎng)傳輸?shù)絉ayStation v4.5.1三維治療計劃系統(tǒng)中，由臨床醫(yī)生勾畫靶區(qū)。

1.3 靶區(qū)勾畫與處方設(shè)定

根據(jù)ICRU 62號和83號報告［11-12］，在肺窗下勾畫10個不同呼吸時相的腫瘤靶區(qū)并生成內(nèi)靶區(qū)（ITV），再將ITV在三維方向上各外擴5 mm生成計劃靶區(qū)（PTV），并勾畫左側(cè)肺、右側(cè)肺、胸壁、食管、氣管樹、心臟、主動脈、脊髓等危及器官，處方劑量統(tǒng)一為50 Gy/5 f，要求至少覆蓋95%PTV體積。

1.4 計劃設(shè)計

使用RayStation治療計劃系統(tǒng)分別為10例患者設(shè)計RapidArc-SBRT治療計劃。利用計劃系統(tǒng)提供的“Dual Arc”功能生成順時針和逆時針方向的對偶弧［13］，左側(cè)肺患者使用330°～180°的對偶弧，右側(cè)肺患者使用182°～30°的對偶弧，機架角度間隔2°、準直器角度10°、X線能量6 MV、劑量網(wǎng)格分辨率0.20 cm，按目標函數(shù)進行逆向運算，采用CC卷積疊加算法，單次優(yōu)化迭代60次，經(jīng)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，獲得符合臨床要求、醫(yī)生滿意的治療計劃。復(fù)制此計劃，將劑量網(wǎng)格分辨率分別修改為0.40、0.30、0.25、0.15、0.10 cm計算最終劑量分布，每例患者獲得6種不同的計劃，對結(jié)果進行分析比較。

1.5 計劃評價參數(shù)

1.5.1 靶區(qū)劑量參數(shù) 根據(jù)ICRU 83號報告［12］，比較接近最大劑量（D2%）（Dx%表示x%PTV體積接受的劑量）、平均劑量（Dmean）、接近最小劑量（D98%）、靶區(qū)均勻性指數(shù)（HI）、靶區(qū)適形度指數(shù)（CI）。HI=(D2%-D98%)/D50%，HI取值為0～1，HI值越小表明靶區(qū)劑量分布越均勻；CI=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref)，其中，VT,ref為參考等劑量線面所包圍的靶區(qū)體積，VT為靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量線面所包圍的所有區(qū)域的體積，CI取值為0～1，CI值越接近1說明靶區(qū)適形度越好。

1.5.2 危及器官劑量參數(shù) 根據(jù)AAPM TG101號報告［14］，比較全肺：V10（%）、V12.5（cc）、V13.5（cc）和 V20（%）；胸壁：V30（cc）、V50（cc）和Dmax；食管、心臟、脊髓、主動脈、氣管樹：Dmax。其中，Vx（%）表示該器官受到xGy及以上劑量的相對體積，Vx（cc）表示該器官受到xGy及以上劑量的絕對體積。

1.6 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 22.0統(tǒng)計學軟件對6種計劃所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理，計量資料用均數(shù)±標準差表示，采用配對t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量參數(shù)比較

與對照組0.20 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃相比較，0.40、0.30、0.25、0.15、0.10 cm劑量網(wǎng)格分辨率計算得到的計劃PTV的Dmean、D2%、CI均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；HI除0.15 cm組以外，均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；D98%除0.30 cm組以外，均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），如表1所示。

表1 6種劑量網(wǎng)格分辨率RapidArc-SBRT計劃的靶區(qū)劑量學比較(±s)Tab.1 Dosimetric comparison of target areas among 6 RapidArc-SBRT plans with different dose grid resolutions(Mean±SD)

表1 6種劑量網(wǎng)格分辨率RapidArc-SBRT計劃的靶區(qū)劑量學比較(±s)Tab.1 Dosimetric comparison of target areas among 6 RapidArc-SBRT plans with different dose grid resolutions(Mean±SD)

SBRT:Stereotactic body radiotherapy;PTV:Planning target volume;HI:Homogeneity index;CI:Conformity index;Compared with plan with dose grid resolution of 0.20 cm,*P＜0.05

PTV Dose grid resolution/cm 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.40 Dmean/cGy 5 773.50±91.39*5 793.00±91.34*5 815.80±90.76 5 860.20±103.78*5 901.80±95.44*6 017.30±125.90*D98%/cGy 4 850.60±98.50 4 842.00±88.68 4 840.40±89.83 4 823.90±80.76 4 810.70±64.34*4 812.10±65.76 D2%/cGy 6 621.80±195.90*6 651.80±193.68*6 682.30±189.85 6 736.70±204.69*6 806.90±212.93*6 961.00±214.86*HI 0.31±0.04*0.31±0.04 0.32±0.03 0.32±0.03*0.34±0.04*0.35±0.03*CI 0.90±0.02*0.89±0.03*0.88±0.03 0.86±0.03*0.84±0.04*0.79±0.05*

此外，將0.10 cm劑量網(wǎng)格分辨率組計劃與0.15 cm組計劃相比較，除D98%以外，Dmean、D2%、HI和CI均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），如表2所示。

表2 0.10與0.15 cm劑量網(wǎng)格分辨率RapidArc-SBRT計劃的靶區(qū)劑量學比較(±s)Tab.2 Dosimetric comparison of PTV between RapidArc-SBRT plan with dose grid resolutions of 0.10 and 0.15 cm(Mean±SD)

表2 0.10與0.15 cm劑量網(wǎng)格分辨率RapidArc-SBRT計劃的靶區(qū)劑量學比較(±s)Tab.2 Dosimetric comparison of PTV between RapidArc-SBRT plan with dose grid resolutions of 0.10 and 0.15 cm(Mean±SD)

PTV P value D98%/cGy Dmean/cGy D2%/cGy HI CI Dose grid resolution/cm 0.10 4 850.60±98.50 5 773.50±91.39 6 621.80±195.90 0.31±0.04 0.90±0.02 0.15 4 842.00±88.68 5 793.00±91.34 6 651.80±193.68 0.31±0.04 0.89±0.03 0.29 0.02 0.01 0.00 0.01

2.2 危及器官劑量參數(shù)比較

與對照組0.20 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃相比較，用0.40、0.30、0.25 cm劑量網(wǎng)格分辨率計算得到的計劃全肺V10、V20、V12.5和V13.5都高于0.20 cm組，且均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；胸壁V30、V50和Dmax均高于0.20 cm組，但除0.40、0.30 cm組Dmax和0.40 cm組V30以外，均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；除0.25 cm組主動脈Dmax、0.30 cm 組心臟Dmax、0.30 cm 組主動脈Dmax和0.40 cm組氣管樹Dmax以外，食管、心臟、脊髓、主動脈、氣管樹的Dmax與0.20 cm組相比較均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），如表3所示。

與對照組0.20 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃相比較，用0.10和0.15 cm劑量網(wǎng)格分辨率計算得到的計劃全肺V10、V20、V12.5和V13.5要低于0.20 cm組，除0.15 cm組V20和V13.5以外，均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；胸壁、食管、心臟、脊髓、主動脈的評價參數(shù)與0.20 cm組相比較均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；氣管樹Dmax0.15cm組有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）、0.10 cm組無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），如表4所示。

此外將0.10 cm劑量網(wǎng)格分辨率組計劃與0.15 cm劑量網(wǎng)格分辨率組計劃相比較，全肺V10、V20、V12.5和V13.5，以及脊髓Dmax有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），其它評價參數(shù)均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），如表4所示。

3 討論

本研究針對同一患者，在約束函數(shù)、子野個數(shù)及形狀等其它條件完全一致的情況下，使用0.40、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10 cm 6種不同的劑量網(wǎng)格分辨率計算得到6個RapidArc-SBRT計劃，結(jié)果表明，劑量網(wǎng)格分辨率的大小會影響劑量計算的準確性和劑量分布。

國外學者采用特殊人體模型，對不同劑量網(wǎng)格分辨率計算得到的計劃進行劑量測量；國內(nèi)學者選取不同病例，對多種劑量網(wǎng)格分辨率計算得到的計劃進行評估和驗證，均證明劑量網(wǎng)格分辨率對治療計劃劑量分布存在影響［15-19］。Chung等［15］提出計劃系統(tǒng)在實際劑量計算時計算點個數(shù)有限，其它點的劑量是通過插值得到的。網(wǎng)格插值計算會產(chǎn)生劑量誤差和位置誤差，每個網(wǎng)格體中心點劑量代表該立方體的劑量，網(wǎng)格劃分越小相鄰格體間劑量梯度變化越呈線性，從而插值計算的結(jié)果越準確；反之可能偏離線性，計算誤差就越大。王文婷［20］提出劑量梯度大的區(qū)域劑量網(wǎng)格分辨率改變對計算精度影響較大，插值計算時容易產(chǎn)生劑量計算偏差。本研究結(jié)果表明，在滿足處方劑量至少覆蓋95%PTV體積的條件下，隨著劑量網(wǎng)格分辨率的減小，靶區(qū)D2%、Dmean

隨之減小，D98%隨之增大，靶區(qū)適形度和靶區(qū)劑量分布越來越好。0.40 cm劑量網(wǎng)格分辨率組D2%與Dmean分別比0.10 cm組要高3.40、2.44 Gy，這可能是由于RapidArc-SBRT調(diào)強射野內(nèi)靶區(qū)劑量梯度陡峭、邊緣劑量跌落迅速，加之靶區(qū)體積較小，插值計算時劑量網(wǎng)格分辨率稍有變化即可造成PTV較大的劑量學改變。在危及器官受量方面，使用0.20 cm或更小的劑量網(wǎng)格分辨率進行劑量計算，劑量準確性較高，這和Ong等［10］與Kan等［21］研究結(jié)果一致；使用0.20 cm以上劑量網(wǎng)格分辨率進行劑量計算，危及器官受量會存在明顯差異。與0.20 cm劑量網(wǎng)格分辨率組計劃相比較，小于0.20 cm（0.10和0.15 cm）組計劃全肺受照劑量存在差異（P＜0.05），但V10和V20變化在0.08% 以內(nèi)，V12.5和V13.5變化約2 cc，胸壁、食管、心臟、脊髓、主動脈、氣管樹等的受照劑量無明顯差異（P＞0.05）；大于0.20 cm（0.25、0.30和0.40 cm）組計劃全肺、胸壁、食管、心臟、脊髓、主動脈、氣管樹等的相關(guān)劑量學參數(shù)均存在差異（P＜0.05）。特別是對于受量接近限量值的危及器官，采用較大的劑量網(wǎng)格分辨率進行計算，結(jié)果會超出劑量限制值。這與AAPM TG101號報告［14］建議的SBRT使用0.20 cm或更小的各向同性網(wǎng)格，不鼓勵使用大于0.30 cm的網(wǎng)格一致。基于此點建議，本研究又將0.10 cm劑量網(wǎng)格分辨率組計劃與0.15 cm劑量網(wǎng)格分辨率組計劃進行比較，僅全肺V10、V20、V12.5、V13.5和脊髓Dmax存在差異，其它危及器官評價參數(shù)均無統(tǒng)計學意義。因此我們猜測劑量網(wǎng)格分辨率或許對點劑量影響較小，對體積劑量影響較大。

表3 0.20,0.25,0.30和0.40 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃的危及器官劑量學比較(±s)Tab.3 Dosimetry comparison of organs-at-risk among plans with dose grid resolutions of 0.20,0.25,0.30 and 0.40 cm(Mean±SD)

表3 0.20,0.25,0.30和0.40 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃的危及器官劑量學比較(±s)Tab.3 Dosimetry comparison of organs-at-risk among plans with dose grid resolutions of 0.20,0.25,0.30 and 0.40 cm(Mean±SD)

Compared with plans with dose grid resolution of 0.20 cm,*P＜0.05

Dose grid resolution/cm Organs-at-risk Parameter Whole lung Chest wall Esophagus Heart Spinal cord Aorta Tracheal tree V10/%V20/%V12.5/cc V13.5/cc Dmax/cGy V30/cc V50/cc Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy 0.20 8.78±3.638.88±3.69*8.95±3.64*9.18±3.67*3.84±2.433.90±2.47*3.94±2.45*4.07±2.47*250.61±125.80253.24±126.30*255.57±125.44*261.29±124.87*230.85±121.79233.38±122.32*235.54±121.59*241.93±119.53*3 796.00±1 788.893 830.00±1 790.803 882.10±1 833.03*3 979.40±1 882.41*5.25±8.705.50±9.085.65±9.346.17±9.87*0.13±0.410.14±0.440.16±0.470.21±0.60 1 026.40±320.661 039.00±321.32*1 061.40±328.56*1 061.70±310.41*938.80±717.06954.90±729.42*925.90±708.39975.50±753.86*1 016.00±353.971 028.70±358.28*1 040.50±360.75*1 067.30±392.61*1 729.40±998.831 743.90±1 008.001 773.30±1 046.371 827.00±1 089.95*1 513.00±1 204.241 564.80±1 239.75*1 566.00±1 255.28*1 560.70±1 251.92 0.250.300.40

表4 0.10,0.15和0.20 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃的危及器官劑量學比較(±s)Tab.4 Dosimetry comparison of organs-at-risk among plans with dose grid resolutions of 0.10,0.15 and 0.20 cm(Mean±SD)

表4 0.10,0.15和0.20 cm劑量網(wǎng)格分辨率計劃的危及器官劑量學比較(±s)Tab.4 Dosimetry comparison of organs-at-risk among plans with dose grid resolutions of 0.10,0.15 and 0.20 cm(Mean±SD)

Compared with plan with dose grid resolution of 0.20 cm,*P＜0.05

Dose grid resolution/cm Organs-at-risk Parameter 0.150.20 0.10 P value 0.10 cm vs 0.15 cm Whole lung 8.70±3.70*8.73±3.66*8.78±3.630.01 3.80±2.45*3.82±2.453.84±2.430.02 248.18±126.93*249.36±126.69*250.61±125.800.01 228.50±122.82*229.63±122.67230.85±121.790.01 3 789.30±1 780.643 808.70±1 797.453 796.00±1 788.890.38 5.08±8.445.21±8.675.25±8.700.13 0.11±0.350.12±0.380.13±0.410.34 1 025.80±322.921 032.70±314.581 026.40±320.660.21 927.10±704.17925.50±707.46938.80±717.060.77 1 008.00±345.681 012.70±347.441 016.00±353.970.05 1 708.80±969.921 718.60±987.401 729.40±998.830.24 1 529.70±1 226.961 523.80±1 205.26*1 513.00±1 204.240.55 Chest wall Esophagus Heart Spinal cord Aorta Tracheal tree V10/%V20/%V12.5/cc V13.5/cc Dmax/cGy V30/cc V50/cc Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy

肺癌患者靶區(qū)周圍的危及器官較多，不恰當?shù)姆尾渴苷阵w積與受照劑量會引起放射性肺炎的發(fā)生，一旦靶區(qū)定位存在偏差，很可能引發(fā)放射性脊髓損傷、食管穿孔以及放射性心臟病等嚴重并發(fā)癥［22］。因此，需要較小的劑量網(wǎng)格分辨率來保證劑量計算的準確性。但是劑量網(wǎng)格分辨率越小，計劃系統(tǒng)計算時間就越長，影響計劃設(shè)計的效率。本文的研究初步認識了劑量網(wǎng)格分辨率對肺癌SBRT計劃的劑量學影響，在后續(xù)的研究中將探討劑量網(wǎng)格分辨率如何取值來平衡計劃設(shè)計效率和計算精度，并結(jié)合計劃的Gamma通過率做進一步的研究。

綜上所述，在設(shè)計NSCLC患者SBRT治療計劃時建議使用0.20 cm或更小的劑量網(wǎng)格分辨率。