柴林 王慧馳 王延虎 洪梅 常遠(yuǎn)

非小細(xì)胞肺癌約占所有類型肺癌患者中的80%～85%[1-2]，約65%以上的患者需要進(jìn)行不同類型的放射治療[3]。調(diào)強(qiáng)放射治療(Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT)能使處方劑量分布被“修整”的與靶區(qū)形狀幾乎一致，又可以很好的降低危及器官(Organs-At-Risk，ORA)的受量，在放射治療中發(fā)揮極為重要作用[4-7]。IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，是多種因素共同作用的結(jié)果，如子野個(gè)數(shù)、子野面積、子野寬度等[8-10]。因此，需要分析相關(guān)因素對(duì)IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，以更好的完成治療計(jì)劃設(shè)計(jì)。目前市場(chǎng)上有多種治療計(jì)劃系統(tǒng)(Treatment Planning System，TPS)，Monaco TPS是以腫瘤精確放療為目的，在保證劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性的同時(shí)，能夠更好的保護(hù)危及器官。本研究基于Monaco5.11 TPS分析IMRT計(jì)劃中最小子野面積、最小子野寬度改變對(duì)非小細(xì)胞肺癌劑量分布的影響。

資料與方法

一、一般資料

選取2020年1月～2020年12月期間在南京市胸科醫(yī)院進(jìn)行IMRT放射治療的25例非小細(xì)胞肺癌鱗癌患者。入選患者中男性為15例，女性為10例；所有患者年齡在45～70歲，均值(56±1.27)歲。

入選患者納入與排除標(biāo)準(zhǔn)：

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：①各種原因需要進(jìn)行手術(shù)后外照射；②各種原因需要進(jìn)行化療后外照射；③患者治療為完整的放射治療；④外照射劑量為60Gy/6周。(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：①有遠(yuǎn)處廣泛轉(zhuǎn)移；②五年內(nèi)有兩次及兩次以上放射治療；③有放射治療禁忌癥。

二、定位方法

所有患者仰臥，雙手舉過(guò)頭頂交叉放置，使用熱塑體模進(jìn)行體位固定。掃描范圍上界到上頸部，下界到上腹部(包括全肺)，掃描層厚設(shè)置為0.3 cm，患者均使用增強(qiáng)造影劑進(jìn)行造影。最后將所有定位CT圖像均通過(guò)數(shù)字成像和通信(Digital Imaging And Communication Of Medicine, DICOM)接口傳輸?shù)絋PS。

三、靶區(qū)及危及器官勾畫

靶區(qū)包括腫瘤靶體積(Gross Tumor Volume, GTV)和臨床靶體積(Clinical Target Volume, CTV)的勾畫，ORA包括全肺、心臟和脊髓[11]。靶區(qū)和ORA的勾畫均按照腫瘤放射治療協(xié)作組織(Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)0418指南進(jìn)行勾畫[12]。

四、處方劑量及劑量限量

采用Monaco5.11版本TPS進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，25例患者計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，在盡可能減少肺組織受到照射野照射的基礎(chǔ)上，都采用6個(gè)主野(上3下3個(gè))的布野方式。每位患者處方劑量均給予60 Gy，總次數(shù)為30次，每次2 Gy，每周進(jìn)行5次放射治療，X射線能量為6 MeV?；?5%體積的計(jì)劃靶區(qū)(Planning Target Volume，PTV)接受60 Gy以上的處方劑量，ORA劑量限量(見(jiàn)表1)。

五、優(yōu)化參數(shù)計(jì)劃設(shè)計(jì)

IMRT計(jì)劃優(yōu)化方法：最小子野面積、最小子野寬度等2種優(yōu)化參數(shù)中，任意固定1個(gè)優(yōu)化參數(shù)，改變另外1個(gè)優(yōu)化參數(shù)對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化，分析優(yōu)化參數(shù)改變對(duì)IMRT計(jì)劃中PTV、ORA劑量分布及對(duì)機(jī)器總跳數(shù)的影響趨勢(shì)。由于在平時(shí)工作中IMRT治療計(jì)劃設(shè)計(jì)所使用最小子野面積最多的是3 cm2、最小子野寬度最多的是0.8 cm，因此，在本研究中對(duì)保持恒定的1個(gè)參數(shù)與臨床中使用頻率最高的情形保持一致。優(yōu)化過(guò)程：1)最小子野寬度設(shè)為0.8 cm，最小子野面積依次設(shè)置為1 cm2、2 cm2、3 cm2、5 cm2、8 cm2、10 cm2、12 cm2、15 cm2、18 cm2、20 cm2等數(shù)值，對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化；2)最小子野面積設(shè)為3 cm2，最小子野寬度為依次設(shè)置為0.5 cm、0.7 cm、0.8 cm、1.0 cm、1.2 cm、1.5 cm、1.8 cm、2.0 cm等數(shù)值，對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化。將不同優(yōu)化參數(shù)下，IMRT計(jì)劃中PTV、ORA受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)等數(shù)據(jù)取平均值后進(jìn)行數(shù)值分析。

六、計(jì)劃評(píng)估指標(biāo)

分析不同優(yōu)化參數(shù)中劑量-體積直方圖(Dose-Volume Histogram，DVH)，當(dāng)靶區(qū)95%體積符合處方劑量的情況下，觀察PTV和ORA的受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)。PTV評(píng)價(jià)參數(shù)包括適形指數(shù)(Conformal Index，CI)和均勻指數(shù)(Homogeneity Index，HI)，CI越接近1代表靶區(qū)劑量適形度越好、 HI越小，代表靶區(qū)劑量均勻性越好[13-14]，ORA評(píng)價(jià)參數(shù)包括：全肺V5、V20、V30、V40和肺平均劑量(Mean Dose，Dmean)、心臟V30、V40和心臟平均劑量(Mean Dose，Dmean)及脊髓最大劑量(Max Dose，Dmax)，機(jī)器參數(shù)：機(jī)器總跳數(shù)。

HI計(jì)算方法如公式(1)所示[15]。

HI=(D2-D98)/D處方

(1)

其中，D2為DVH劑量曲線上2%靶體積所接受的照射劑量，近似為靶體積的“最大劑量”，D98為DVH劑量曲線上98%靶體積所接受的照射劑量，近似為靶體積的“最小劑量”，D處方為靶區(qū)的處方劑量。

CI計(jì)算方法如公式(2)所示[16]：

(2)

其中，Vp代表靶區(qū)體積、Vp,r為參考劑量線所包圍的靶體積、Vr為參考劑量線包圍的所有體積。

七、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件，對(duì)最小子野面積、最小子野寬度等優(yōu)化參數(shù)改變后IMRT計(jì)劃計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行配對(duì)LSD-t檢驗(yàn)，計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示(x±s)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[17]。

結(jié) 果

一、最小子野寬度不變，改變最小子野面積情況比較

IMRT計(jì)劃中固定最小子野寬度為0.8 cm，通過(guò)改變最小子野面積(范圍1～20 cm2)對(duì)IMRT計(jì)劃重新優(yōu)化，觀察優(yōu)化后IMRT計(jì)劃中PTV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)HI和CI、ORA受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)的變化趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)2種參數(shù)改變對(duì)IMRT計(jì)劃中PTV、ORA受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)的影響，因此在本研究中將最小子野面積為1 cm2時(shí)，IMRT計(jì)劃對(duì)應(yīng)的PTV、ORA受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)結(jié)果的平均值作為基準(zhǔn)值，將其它參數(shù)值對(duì)IMRT計(jì)劃重新優(yōu)化后得到結(jié)果的平均值與其進(jìn)行對(duì)比分析。

最小子野面積參數(shù)的改變，對(duì)IMRT計(jì)劃重新優(yōu)化結(jié)果與1 cm2時(shí)IMRT計(jì)劃結(jié)果，進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示：1)肺V5變化范圍在(+0.1±0.06)%～(+0.3±0.21)%，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)、肺V20變化在最小子野面積為1～2 cm2范圍內(nèi)時(shí)，呈現(xiàn)出快速增加，在2 cm2達(dá)到最大值(+0.8±0.12)%，在最小子野面積為2～3 cm2范圍內(nèi)呈現(xiàn)出快速降低，在3 cm2達(dá)到最小值(-1.21±0.2)%，最小子野面積在3～20 cm2范圍內(nèi)變化，肺V20變化范圍在(-0.98±0.52)%～(-0.77±0.39)%，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。肺V30變化范圍在(-0.37±0.11)%～(-0.33±0.04)%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)、V40變化范圍在(-0.14±0.18)%～(-0.42±0.08)%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)、肺Dmean變化范圍在(-0.5±0.37) Gy～(+0.5±0.21) Gy，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；2)隨著最小子野面積的改變，心臟V30變化范圍在(+0.53±0.23)%～(+2.72±0.49)%，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，心臟V40變化范圍在(+0.22±0.21)%～(+0.87±0.05)%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)、心臟Dmean變化范圍在(-0.67±0.16) Gy～(+0.61±0.05) Gy，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；3)最小子野面積改變對(duì)脊髓Dmax影響比較小,變化范圍在(-0.05±0.41) Gy～(+0.26±0.67) Gy，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；4)PTV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中，CI數(shù)值逐漸減小、HI數(shù)值逐漸增大，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；5)機(jī)器參數(shù)：機(jī)器總跳數(shù)顯著下降，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。當(dāng)最小子野面積大于15 cm2時(shí)，PTV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中HI和CI，肺V5、V20、V30、V40、肺Dmean，心臟V40、Dmean及脊髓Dmax劑量分布變化不明顯(見(jiàn)圖1)。

圖1 基于最小子野面積1 cm2-PTV、ORA及機(jī)器總MU變化趨勢(shì)圖

二、最小子野面積不變，改變最小子野寬度情況比較

IMRT計(jì)劃中固定最小子野面積為3 cm2，通過(guò)改變最小子野寬度(范圍0.5～2.0 cm)對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化，觀察優(yōu)化后IMRT計(jì)劃中PTV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中的HI和CI、ORA受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)的變化趨勢(shì)。最小子野寬度為0.5 cm時(shí)，IMRT計(jì)劃對(duì)應(yīng)的PTV、ORA受照劑量分布及機(jī)器總跳數(shù)結(jié)果的平均值作為基準(zhǔn)值，將其它數(shù)值對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行重新優(yōu)化得到結(jié)果的平均值與其進(jìn)行對(duì)比分析。

最小子野寬度參數(shù)的改變，對(duì)IMRT計(jì)劃重新優(yōu)化結(jié)果與0.5 cm時(shí)IMRT計(jì)劃結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示：1)肺V5變化范圍在(-0.07±0.09)%～(+1.39±0.35)%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)、V40變化范圍在(+0.29±0.14)%～(+1.09±0.65)%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)、肺V20變化范圍在(-1.11±0.24)%～(-0.67±0.47)%，在最小子野寬度為0.8 cm時(shí)，V20受照劑量分布為最小，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)、肺V30變化范圍在(+1±0.17)%～(+1.57±0.15)%，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)、最小子野寬度變化對(duì)肺Dmean受照劑量分布影響較小，變化范圍在(-0.22±0.05) Gy～(+0.12±0.04) Gy，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；2)最小子野寬度改變，對(duì)心臟V30和Dmean受照劑量分布影響比較大，心臟V30變化范圍在(-0.28±0.73)%～(+3.77±2.01)%，在最小子野寬度為0.8 cm時(shí)，V30受照劑量分布為最小，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)、心臟Dmean變化范圍在(+1.0±0.57) Gy～(+2.15±1.28) Gy，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，心臟V40變化范圍在-0.01%～(+1.35±1.07)%，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；3)脊髓Dmax變化范圍在(-0.62±0.11) Gy～(+1.15±0.82) Gy范圍內(nèi)波動(dòng)，在最小子野寬度為0.8 cm時(shí)，脊髓受照劑量最大值為最小，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；4)PTV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中CI數(shù)值逐漸減小、HI數(shù)值逐漸增大，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；5)機(jī)器參數(shù)：機(jī)器總跳數(shù)顯著下降，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)(見(jiàn)圖2)。

圖2 基于最小子野寬度0.5 cm-PTV、ORA及機(jī)器總MU變化趨勢(shì)圖

討 論

本文主要研究基于Monaco5.11的TPS參數(shù)優(yōu)化中最小子野面積、最小子野寬度對(duì)非小細(xì)胞肺癌患者的劑量分布影響趨勢(shì)。系統(tǒng)分析了2種參數(shù)對(duì)IMRT計(jì)劃中PTV、ORA受照劑量學(xué)分布，及機(jī)器總跳數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：1)IMRT計(jì)劃中任意優(yōu)化參數(shù)改變，PTV統(tǒng)計(jì)指標(biāo)中，CI逐漸減小、HI逐漸增大，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，HI越大、CI越小，說(shuō)明PTV劑量均勻性越差，而患者治療過(guò)程中身體雜散劑量隨PTV劑量均勻性變差而增加，致使增加患者二次致癌的風(fēng)險(xiǎn)[18]。洪潮[19]等的研究認(rèn)為，患者在放射治療過(guò)程中接受低劑量照射增加，會(huì)導(dǎo)致正常組織所接受的低劑量體積隨之增加，進(jìn)而增加了患者二次致癌的可能性。2)任意改變一個(gè)優(yōu)化參數(shù)，對(duì)肺V20劑量分布影響較大，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，相比于最小子野面子為1 cm2或最小子野寬度為0.5 cm時(shí)，其它參數(shù)下對(duì)應(yīng)的肺V20受照劑量分布整體呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，且在最小子野面積為3 cm2或最小子野寬度為0.8 cm時(shí)，肺V20受照劑量分布最低；3)2種參數(shù)改變，對(duì)肺V40和心臟V40劑量分布變化率影響較小，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)；4)肺V5、肺Dmean及心臟V30劑量分布變化在最小子野面積改變時(shí)較為明顯，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；肺V30、心臟Dmean劑量分布在最小子野寬度改變時(shí)較為明顯，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，且對(duì)肺V5、肺V30、肺Dmean、心臟V30、心臟Dmean劑量分布影響，最小子野寬度大于最小子野面積，而患者發(fā)生放射性肺炎與肺V5、V20、V30、肺Dmean受照劑量分布有一定的關(guān)系[20-22]，因此，對(duì)于肺功能不好的患者，盡量通過(guò)改變最小子野面積來(lái)對(duì)IMRT計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化。張飛[23]等研究發(fā)現(xiàn)，全肺V5、V20、肺Dmean等指標(biāo)，均與2級(jí)以上放射性肺炎的發(fā)生顯著相關(guān)，其中與V20最相關(guān)[24]。5)對(duì)于脊髓受到最大照射劑量分布的影響，最小子野寬度大于最小子野面積，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)；6)IMRT計(jì)劃中優(yōu)化參數(shù)對(duì)機(jī)器總跳數(shù)影響較大，且隨優(yōu)化參數(shù)的增加而顯著減小，機(jī)器總跳數(shù)減少對(duì)提高患者在放射治療過(guò)程中的治療精度有一定的幫助，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。Zwahlen D.R.[25]等的研究認(rèn)為，在放射治療過(guò)程中，機(jī)器總跳數(shù)越多，加速器對(duì)跳數(shù)的使用率越低，患者治療時(shí)間就越長(zhǎng)，隨著治療時(shí)間的增加，患者一方面舒適度降低，另一方面由于患者體內(nèi)器官的活動(dòng)加快，使得放射治療治療精度降低，生物效也會(huì)有一定的降低[26-28]。此外，Monaco治療計(jì)劃系統(tǒng)在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置的優(yōu)化參數(shù)還包括統(tǒng)計(jì)不確定度、通量平滑度、優(yōu)化模式及能量等，經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)改變對(duì)放射治療計(jì)劃優(yōu)化后ORA中的肺受照劑量分布影響較小。王璐[29]等的研究發(fā)現(xiàn)，不同統(tǒng)計(jì)學(xué)不確定度(Statistical Uncertainty，SU)，對(duì)于肺癌立體定向放射治療計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化后的ORA劑量分布及PTV的CI 受到影響較小。吳凡[30]等的研究發(fā)現(xiàn)，通量平滑度參數(shù)在胸中上段食管癌計(jì)劃優(yōu)化后的劑量學(xué)差異比較發(fā)現(xiàn)，通量平滑度改變對(duì)放射治療計(jì)劃中ORA中的肺受照劑量分布影響較小。謝紅亮[31]等的研究發(fā)現(xiàn),Monaco治療計(jì)劃系統(tǒng)中Pareto和Constrained兩種優(yōu)化模式在對(duì)放射治療計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化后的PTV劑量、HI、CI和ORA受照射量分布差異不明顯。蘇世達(dá)[32]、梁惠[33]等的研究發(fā)現(xiàn)，不同光子射線能量模式下(6MV、10MV、非均整射線6FFF和10FFF)對(duì)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示光子能量改變對(duì)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃質(zhì)量的影響略小。而本論文主要研究Monaco5.11的TPS優(yōu)化參數(shù)改變對(duì)IMRT計(jì)劃優(yōu)化后PTV、ORA受照劑量學(xué)分布及機(jī)器總跳數(shù)影響趨勢(shì)。因此，本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)Monaco5.11的TPS優(yōu)化參數(shù)中最小子野面積、最小子野寬度改變對(duì)非小細(xì)胞肺癌患者劑量分布的影響趨勢(shì)進(jìn)行研究。

綜上所述，臨床工作中兼顧PTV及ORA劑量學(xué)計(jì)算精度與工作效率，Monaco5.11的TPS對(duì)非小細(xì)胞肺癌患者進(jìn)行IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)最小子野面積在3～5 cm2、最小子野寬度在0.7～0.8 cm范圍內(nèi)取值時(shí)最為合理。上述研究表明，在滿足臨床劑量學(xué)要求的基礎(chǔ)上，IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)中最小子野面積在3～5 cm2、最小子野寬度在0.7～0.8 cm范圍內(nèi)取值時(shí)，一方面對(duì)降低患者放射性肺炎發(fā)生概率效果較為顯著；另一方面可減少患者的放射治療時(shí)間，進(jìn)而減少了患者在高強(qiáng)度射線下的暴露時(shí)間，以及增強(qiáng)了對(duì)機(jī)器MU的利用率和減少了對(duì)放射治療設(shè)備的耗損率，對(duì)患者進(jìn)行臨床治療有很好的參考借鑒意義，可作為非小細(xì)胞肺癌患者放射治療的IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)參考。此外，最小子野寬度改變對(duì)ORA受照劑量分布影響大于最下子野面積改變，放療過(guò)程中對(duì)于ORA劑量限制比較嚴(yán)格的患者，在臨床實(shí)踐中IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)需要特別考慮。由于在本文中，這2個(gè)參數(shù)是對(duì)非小細(xì)胞肺癌的IMRT計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，但具體對(duì)IMRT計(jì)劃驗(yàn)證需要進(jìn)一步的研究。此外，本文結(jié)果對(duì)于其它部位的腫瘤患者是否支持還需進(jìn)一步研究。