調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中兩種不同子野生成算法的對(duì)比研究

【作 者】曾錦清，周凌宏

南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州，510515

在調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）的計(jì)劃設(shè)計(jì)中，是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)去產(chǎn)生各個(gè)大照射野的光通量分布，然后再根據(jù)光通分布去優(yōu)化生成若干個(gè)調(diào)強(qiáng)子野，以達(dá)到最終使計(jì)劃的劑量分布線跟照射靶區(qū)更加適型。目前，放療計(jì)劃系統(tǒng)中是通過(guò)“兩步法”[1,2]和“一步法”[3]這兩種優(yōu)化算法，去實(shí)現(xiàn)大野的光通分布生成和完成調(diào)強(qiáng)子野的最終轉(zhuǎn)化?！皟刹椒ā笔菍?duì)調(diào)強(qiáng)子野的生成分為兩個(gè)獨(dú)立的步驟來(lái)實(shí)施：（1）根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，采用特定的調(diào)強(qiáng)優(yōu)化算法（模擬退火[4]、遺傳算法[5]和共軛梯度[6]等）計(jì)算并產(chǎn)生各個(gè)大照射野的光通強(qiáng)度分布，并最終完成計(jì)劃的優(yōu)化過(guò)程；（2）根據(jù)靜態(tài)的光通分布，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為若干個(gè)調(diào)強(qiáng)子野。而“一步法”則是對(duì)上述的子野生成過(guò)程合并為一步完成，即是在調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的自動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光通分布的生成和調(diào)強(qiáng)子野的轉(zhuǎn)化，并根據(jù)轉(zhuǎn)換成子野后的劑量分布結(jié)果再進(jìn)一步優(yōu)化下一次迭代計(jì)算中的光通分布。有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[7，8]，在頭頸部腫瘤的IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)中，使用“一步法”的DMPO模塊[3]能夠明顯減少子野的生成數(shù)量和總MU數(shù)，從而縮短了整個(gè)治療的時(shí)間，而且計(jì)劃的結(jié)果較以前的方法（兩步法）更好。本研究分別選取頭頸部、胸腹部腫瘤的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，分別用“一步法”和“兩步法”進(jìn)行計(jì)劃的設(shè)計(jì)，通過(guò)比較相關(guān)結(jié)果，以驗(yàn)證“一步法”在調(diào)強(qiáng)優(yōu)化中的優(yōu)勢(shì)。

1 材料與方法

在“Pinnacle 8.0”放療計(jì)劃系統(tǒng)的平臺(tái)上，選取鼻咽癌（NPC）、食道癌及前列腺癌的腫瘤病例各1例，對(duì)此三例腫瘤靶區(qū)分別設(shè)置7野角度均分的共面調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃，射野中心置放于靠近靶區(qū)PTV的中心位置。7個(gè)大野的角度分別是0o、51o、103o、154o、206o、257o、309o，對(duì)每一例腫瘤靶區(qū)分別使用“一步法”[3]和“兩步法”[1-2]去優(yōu)化生成最終的調(diào)強(qiáng)子野，如此相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)不同的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，以進(jìn)行比較評(píng)估。

“兩步法”和“一步法”的具體實(shí)施步驟可用圖1所示的流程圖來(lái)表示：

圖1 “二步法”調(diào)強(qiáng)優(yōu)化Fig.1 “two-step”method for IMRT optimization

圖2 “一步法”調(diào)強(qiáng)優(yōu)化Fig.2 “one-step”method for IMRT optimization

2 結(jié)果

所選取的三例腫瘤放療計(jì)劃中，鼻咽癌（NPC）的處方劑量是：GTV－6990cGY（30次，233cGY/次），CTV－6390cGY（30次，213cGY/次），PTV－4890cGY（30次，166cGY/次）；食道癌處方劑量：GTV－6600cGY（22次，300cGY/次），CTV－5000cGY（22次，227cGY/次），PTV－3960cGY（22次，180cGY/次）；前列腺癌處方劑量：GTV－6990cGY（30次，233cGY/次），CTV－6000cGY（30次，200cGY/次），PTV－5000cGY（30次，167cGY/次）。其中通過(guò)“兩步法”對(duì)鼻咽癌進(jìn)行調(diào)強(qiáng)優(yōu)化后所生成的子野總數(shù)是169，用“一步法”所生成的子野總數(shù)為80，食道癌的“兩步法”子野生成數(shù)為114，“一步法”生成子野數(shù)為70，前列腺癌“兩步法”子野數(shù)123，“一步法”子野數(shù)為70，如下表1所示。

表1 “兩步法”與“一步法”生成子野數(shù)Tab.1 The number of MLC segments generated by “one-step”and “twostep”methods

圖3 鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃DVH圖Fig.3 DVH figure for NPC IMRT

圖4 食道癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃DVH圖Fig.4 DVH figure for Esophageal cancer IMRT plan

圖5 前列腺癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃DVH圖Fig.5 DVH figure for prostate cancer IMRT Plan

在圖3、圖4和圖5所示的DVH圖中，實(shí)線曲線部分表示用“兩步法”優(yōu)化生成子野后，計(jì)算積分劑量分布后的結(jié)果，虛線部分是“一步法”生成子野算法的劑量分布累積直方圖。通過(guò)圖形中的直觀對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，“一步法”劑量分布結(jié)果總體要比“兩步法”的更好，前者的危及正常組織受照劑量總體上偏低，且肉眼靶區(qū)（GTV）、臨床靶區(qū)（CTV）、計(jì)劃靶區(qū)（PTV）的吸收劑量總體更高。結(jié)合表1的結(jié)果可以看出，一步法更大大減少了子野的生成數(shù)量。

3 討論

傳統(tǒng)的“兩步法”是在調(diào)強(qiáng)優(yōu)化過(guò)程結(jié)束后，將產(chǎn)生的射野光通量分布轉(zhuǎn)化為最終的MLC子野。而“一步法”則是把射野光通量的產(chǎn)生跟MLC子野的轉(zhuǎn)化這兩步都合，并在逆向調(diào)強(qiáng)優(yōu)化的過(guò)程中來(lái)完成。本文在Pinnacle計(jì)劃系統(tǒng)上設(shè)計(jì)三個(gè)不同部位放療靶區(qū)的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，分別通過(guò)“兩步法”與“一步法”去優(yōu)化生成MLC子野，最終結(jié)果表明，使用“一步法”的DMPO模塊確實(shí)能夠大大減少用“兩步法”生成的一些多余調(diào)強(qiáng)子野，且會(huì)使最終的劑量分布結(jié)果更趨于理想化。

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