子野權(quán)重優(yōu)化工具在頸部食管癌調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中的應(yīng)用

吳煜良，何松美，張 純，吳偉藝，崔順景，黃軍榮

(1.東莞市人民醫(yī)院放療科，廣東 東莞 523000；2東莞市人民醫(yī)院感染科，廣東 東莞 523000)

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子野權(quán)重優(yōu)化工具在頸部食管癌調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃中的應(yīng)用

吳煜良1，何松美2，張 純1，吳偉藝1，崔順景1，黃軍榮1

(1.東莞市人民醫(yī)院放療科，廣東 東莞 523000；2東莞市人民醫(yī)院感染科，廣東 東莞 523000)

目的 研究子野權(quán)重優(yōu)化(SWO)工具在CMS XiO治療計(jì)劃系統(tǒng)制定調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)計(jì)劃中的應(yīng)用。方法 選取10例頸部食管癌全程調(diào)強(qiáng)放療病例設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃，按常規(guī)設(shè)定好各種優(yōu)化參數(shù)，第一步使用靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方式進(jìn)行直接優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃(S-IMRT)，接著繼續(xù)進(jìn)行子野權(quán)重優(yōu)化(SWO)并生成新的SWO-IMRT計(jì)劃，比較子野權(quán)重優(yōu)化前后總跳數(shù)、總子野數(shù)，同時(shí)分析比較正常組織受照劑量的變化。結(jié)果 選取的10例頸部食管癌患者中，SWO-IMRT與S-IMRT兩者計(jì)劃的子野數(shù)分別比較，前者比后者減少約8.7%～23.5%(P<0.001)，同時(shí)比較兩者的總的機(jī)器跳數(shù)也都分別有不同程度減少，減少范圍在2.7%～6.6%(P<0.001)；脊髓、脊髓prv、口腔等正常組織的劑量都有所下降。結(jié)論 在使用CMS XiO治療計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行頸部食管癌全程IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，適當(dāng)運(yùn)用SWO工具，可以減少子野數(shù)和總機(jī)器跳數(shù)，縮短治療時(shí)間，減少機(jī)器磨損；同時(shí)也能降低正常組織劑量，從而降低正常組織的毒副反應(yīng)。

子野權(quán)重優(yōu)化; CMS XiO治療計(jì)劃系統(tǒng)；食管癌；調(diào)強(qiáng)放療

CMS XiO治療計(jì)劃系統(tǒng)在設(shè)計(jì)靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放療(intensity modulation radiated therapy ，IMRT)計(jì)劃時(shí)，通常是直接使用靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方式一步優(yōu)化生成S-IMRT計(jì)劃，現(xiàn)在還可以在此計(jì)劃的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行子野權(quán)重優(yōu)化(segment weight optimization, SWO)，并生成新的SWO-IMRT計(jì)劃[1]，本研究目標(biāo)在于選取頸部食管癌全程放療病例，從劑量學(xué)的角度比較2種方式的IMRT計(jì)劃：主要比較總子野數(shù)、機(jī)器跳數(shù)、脊髓、口腔的受照平均劑量。

1 材料與方法

選取10例頸部食管癌全程放療病例，在美國(guó)通用GE Hispeed定位CT上進(jìn)行3 mm薄層定位掃描。體位固定：仰臥位，頭頸部墊枕，頭后仰使下頜骨接近垂直于床面，頭頸肩熱成型膜固定。每例使用碘帕醇100 mL增強(qiáng)掃描。掃描范圍：眶下緣至劍突下緣。

靶區(qū)勾畫在FOCAL工作站上進(jìn)行。GTVT：以影像學(xué)(如食管造影、CT、PET-CT等)觀察到的原發(fā)腫瘤。GTVN：影像學(xué)觀察到的腫大淋巴結(jié)。CTV：GTVT上下各放3 cm的長(zhǎng)度的食管、GTVN和相應(yīng)的區(qū)域淋巴結(jié)。PTV：在CTV基礎(chǔ)上外放0.5 cm[2]。

處方劑量： 設(shè)GTV、GTVnd、CTV、PGTV、PGTVnd及PTV。PGTV給予66 Gy/30次；PGTVnd給予60 Gy/30次;PTV給予56 Gy/30次。主要危及器官：脊髓<4 000 cGy,脊髓prv<4 500 cGy,口腔平均劑量<5 000 cGy。治療計(jì)劃統(tǒng)一使用7野均分布野，射野的角度方向分別為0°、50°、100°、150°、200°、250°、300°。使用CMS XiO治療計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃。

CMS XiO治療計(jì)劃系統(tǒng)中S-IMRT與SWO-IMRT方式優(yōu)化的步驟比較：前面的步驟(CT定位、勾畫靶區(qū)、設(shè)置射野參數(shù))都是一樣，區(qū)別之處是SWO-IMRT計(jì)劃是在S-IMRT的基礎(chǔ)上進(jìn)一步使用SWO工具生成新的治療計(jì)劃。優(yōu)化方法：CMS XiO調(diào)強(qiáng)優(yōu)化主要是通過(guò)使用目標(biāo)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。目標(biāo)函數(shù)定義如下[1]：O=WI(DCurrent|DPrescribed)。其中W為Weight(權(quán)重)，DCurrent和DPrescribed分別表示某個(gè)小的體素中當(dāng)前計(jì)算出的劑量和處方劑量，P為冪指數(shù)。首先設(shè)定好目標(biāo)函數(shù)中靶體積的最大和最小值，危及器官的限量值，通過(guò)迭代優(yōu)化算法計(jì)算，不斷使計(jì)算的劑量分布與所要求的劑量分布的劑量差值達(dá)到最小，每次迭代都需要進(jìn)行一個(gè)梯度函數(shù)計(jì)算，之后在與原梯度方向上的值做比較，經(jīng)過(guò)設(shè)定的參數(shù)與次數(shù)搜索，找到該路徑上的可能的極小值[3-5]。根據(jù)以上的公式，可知道Weight和Power都是限定目標(biāo)重要性的系數(shù)，而調(diào)整Power系數(shù)的大小比Weight系數(shù)的影響大很多，兩者的影響可以考慮為大級(jí)別與小級(jí)別調(diào)整的關(guān)系。在臨床實(shí)際應(yīng)用中，Weight系數(shù)通常取值2.0～3.0，Power的系數(shù)取值在100～1 000。見(jiàn)圖1。

圖1 S-IMRT和SWO-IMRT的優(yōu)化步驟

調(diào)強(qiáng)優(yōu)化算法的目標(biāo)在于找到最佳權(quán)重的子野組合，即最佳的照射密度(表現(xiàn)為劑量通量圖)。CMS XiO在調(diào)強(qiáng)優(yōu)化過(guò)程中充分考慮到以下幾個(gè)因素：1)目標(biāo)函數(shù)收斂準(zhǔn)則和迭代次數(shù)，這2個(gè)參數(shù)是用戶自己定義的，就是控制優(yōu)化的停止條件，太大會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化時(shí)間長(zhǎng)，太短會(huì)令到優(yōu)化不能充分達(dá)到更好的效果，要選擇合適的值；2)散射范圍距離，該距離定義為X散線射貢獻(xiàn)量，即規(guī)定子野幾何邊界外某具體厘米處的劑量在優(yōu)化中仍然參與計(jì)算。通過(guò)增加該值可以探測(cè)到更多的劑量信息，但隨著信息量增多會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化時(shí)間增加；3)優(yōu)化范圍，該范圍參數(shù)設(shè)定主要考慮的因素包括靶區(qū)大小、靶區(qū)與鄰近正常組織之間的關(guān)系及半影大小，超過(guò)此范圍的子野將不參與調(diào)強(qiáng)優(yōu)化[5]。范圍過(guò)大將造成周邊正常組織劑量變高，范圍過(guò)小會(huì)使靶區(qū)邊緣劑量不足。SWO的原理：在S-IMRT優(yōu)化階段中會(huì)得到的劑量強(qiáng)度通量圖，利用這個(gè)劑量強(qiáng)度通量圖再結(jié)合優(yōu)化參數(shù)(具體參數(shù)包括：SWO計(jì)算網(wǎng)格大小、收斂準(zhǔn)則、最大迭代次數(shù)、逆向迭代次數(shù)以及子野最小跳數(shù)，見(jiàn)表1)重新優(yōu)化各子野的權(quán)重，通過(guò)SWO優(yōu)化后可以得到非等強(qiáng)度分割的強(qiáng)度等級(jí)，而這個(gè)等級(jí)可更接近目標(biāo)的強(qiáng)度等級(jí)。在SWO過(guò)程中小跳數(shù)(通常設(shè)定為<5 MU)的子野會(huì)被優(yōu)化除掉，剩余的子野繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。見(jiàn)表1。

表1 S-IMRT與SWO-IMRT優(yōu)化控制參數(shù)

以上進(jìn)程完成后，計(jì)劃系統(tǒng)將優(yōu)化完成的通量圖轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行的多葉光柵(MLC)可執(zhí)行序列[6]，轉(zhuǎn)換過(guò)程中將采用等分的強(qiáng)度等級(jí)，優(yōu)化后的強(qiáng)度等級(jí)與等強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)換比較見(jiàn)圖2，從圖中可以得知，采用等強(qiáng)度等級(jí)劃分的方式會(huì)造成部分信息的丟失[1,5]。

圖2 等分割強(qiáng)度等級(jí)過(guò)程信息丟失情況

2 結(jié)果

選取的10例頸部食管癌患者中，SWO-IMRT與S-IMRT兩者計(jì)劃的子野數(shù)分別比較，前者比后者減少約8.7%～23.5%(P<0.001)；同時(shí)比較兩者的總的機(jī)器跳數(shù)也都分別有不同程度減少，減少范圍在2.7%～6.6%(P<0.001)；脊髓、脊髓prv、口腔等正常組織的劑量都有所下降，其中脊髓平均劑量下降約12%～21%(P<0.001)，脊髓prv平均劑量下降約16%～21%(P<0.001)，口腔平均劑量下降約5%～11%(P<0.001)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、3。

表2 10例頸部食管癌患者配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果

3 討論

IMRT可以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃靶區(qū)周圍正常組織受高劑量輻射體積會(huì)明顯減少，從而明顯提高計(jì)劃靶區(qū)的受量，提高腫瘤控制率和(或)降低危及器官并發(fā)癥的發(fā)生率[7]。在使用靜態(tài)調(diào)強(qiáng)方式設(shè)計(jì)頸部食管癌IMRT計(jì)劃時(shí),直接優(yōu)化后劑量通量圖轉(zhuǎn)換為MLC序列的過(guò)程中，由于強(qiáng)度等級(jí)越高得到劑量分布越好，可是劑量強(qiáng)度等級(jí)越高子野數(shù)也越多，導(dǎo)致治療時(shí)間增加，因此需要合理選擇強(qiáng)度等級(jí)[6]，利用SWO工具可以再次優(yōu)化S-IMRT計(jì)劃，生成不均勻分強(qiáng)度等級(jí)的SWO-IMRT計(jì)劃，該計(jì)劃的劑量分布更加接近目標(biāo)設(shè)定的理想劑量。

表3 10例頸部食管癌患者的放療相關(guān)指標(biāo)

經(jīng)過(guò)多個(gè)病例應(yīng)用得知SWO-IMRT計(jì)劃也有其不足：1)計(jì)劃的全局熱點(diǎn)會(huì)有所升高，大約50～200 cGy；2)在子野數(shù)較少的S-IMRT計(jì)劃中，再次優(yōu)化后得到的SWO計(jì)劃優(yōu)勢(shì)不明顯。

我們?cè)谖磥?lái)應(yīng)結(jié)合MRI、PET-CT等多種醫(yī)學(xué)影像技術(shù)確定靶區(qū)，充分利用SWO方式，盡可能降低正常組織的劑量，減少治療時(shí)間，在醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)下實(shí)施體位更精確的IMRT。本次應(yīng)用研究?jī)H以10例頸部食管癌全程IMRT為例，重點(diǎn)討論SWO工具的應(yīng)用方法，在其他常見(jiàn)腫瘤的計(jì)劃設(shè)計(jì)中，該工具也應(yīng)該發(fā)揮出很大的治療優(yōu)勢(shì)[1,5]。

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東莞市醫(yī)療衛(wèi)生科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：20131051010111)

吳煜良(1981-)，男，主管技師，主要從事放射物理與放療技術(shù)的研究。E-mail：dgwyl@qq.com

張純(1962-)，男，主任醫(yī)師，主要從事腫瘤放療工作。E-mail：zhangchundg@163.com

10.3969/j.issn.1673-5412.2016.05.017

R735.1；R730.55

B

1673-5412(2016)05-0428-04

2015-11-23)