應(yīng)用射野角度和多目標(biāo)優(yōu)化提高肺癌放療計(jì)劃的執(zhí)行效率

李 娟，張海英，胡偉剛，韓 序，吳志強(qiáng)，陳元華

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療中心，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海200032

放療是治療肺癌的一個(gè)重要手段，在肺癌放療中，患者呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)肺癌靶區(qū)的位置和形狀有直接影響［1-2］。雖然在計(jì)劃靶體積（planning target volume，PTV）勾畫時(shí)已經(jīng)對(duì)腫瘤運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)償［3-4］，但患者實(shí)際接受的劑量仍無(wú)法與計(jì)劃系統(tǒng)給出的理論劑量分布完全一致［5］。治療分次內(nèi)規(guī)律的靶區(qū)運(yùn)動(dòng)主要影響靶區(qū)周圍正常組織所接受的實(shí)際劑量，并不會(huì)導(dǎo)致靶區(qū)的劑量覆蓋變差；而治療分次內(nèi)不規(guī)律的靶區(qū)運(yùn)動(dòng)不僅影響正常組織的實(shí)際受量，還會(huì)引起靶區(qū)劑量分布變差［6-7］。

臨床實(shí)踐中有多種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，除了增加腫瘤外放邊界之外，還有呼吸控制技術(shù)［8-10］和呼吸門控技術(shù)［11-12］。這些技術(shù)雖然可以在一定程度上降低腫瘤運(yùn)動(dòng)的影響，但也都有明顯的局限性。通過(guò)外放邊界的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是普遍采用的方案，它可以盡可能地保證靶區(qū)不會(huì)欠量，但受中低劑量照射的正常組織會(huì)相對(duì)增加，而且運(yùn)動(dòng)對(duì)危及器官劑量分布的影響依然存在。而呼吸控制和門控技術(shù)會(huì)增加患者的負(fù)擔(dān)，降低患者舒適度，明顯延長(zhǎng)治療時(shí)間和腫瘤運(yùn)動(dòng)作用時(shí)間，并且在臨床實(shí)踐中只能對(duì)極少數(shù)患者使用。

由于腫瘤運(yùn)動(dòng)對(duì)劑量精確性的不利影響會(huì)隨時(shí)間推移而逐漸累積，縮短運(yùn)動(dòng)作用的時(shí)間，靶區(qū)和正常組織實(shí)際接受劑量的不確定度均可相應(yīng)降低［13-14］，所以，提高計(jì)劃執(zhí)行效率亦是降低腫瘤運(yùn)動(dòng)影響的有效途徑。從計(jì)劃設(shè)計(jì)角度來(lái)看，在保證計(jì)劃質(zhì)量的前提下縮短患者單次治療時(shí)間，便可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。本研究旨在綜合使用射野角度優(yōu)化［15-18］和多目標(biāo)優(yōu)化［19-23］（beam angle and multicriteria optimization，BAMCO）技術(shù)，在保證計(jì)劃質(zhì)量的前提下，提高肺癌放療計(jì)劃的執(zhí)行效率，縮短加速器出束時(shí)間。

1 資料和方法

1.1 患者選取與靶區(qū)勾畫

本研究回顧性地研究了已經(jīng)在瓦里安Trilogy加速器上執(zhí)行過(guò)放療的10例肺癌患者。其中9例男性，1例女性，患者年齡46～79歲，中位年齡64.5歲。所有患者僅頭枕固定，雙臂上舉，兩掌重疊置于額頭。計(jì)劃CT上，臨床靶體積（clinical target volume，CTV）根據(jù)病理診斷來(lái)勾畫，PTV通過(guò)在CTV上均勻外放適當(dāng)邊界來(lái)確定。正常組織包括左肺、右肺、心臟和脊髓。10例患者中最大PTV體積1 146.9 cm3，最小PTV體積108.5 cm3，中位PTV體積402.9 cm3。臨床執(zhí)行的放療計(jì)劃在Pinncale計(jì)劃系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，所有計(jì)劃均達(dá)到以下要求：100%的處方劑量覆蓋至少95%PTV；PTV外的所有肺（雙肺減去PTV，即lung－PTV）接受＞5 Gy劑量的體積（V5）＜70%，接受＞20 Gy劑量的體積（V20）＜30%，平均劑量＜15 Gy；脊髓最大劑量＜45 Gy；心臟平均劑量＜30 Gy。

1.2 BAMCO

將CT圖像、勾畫的所有結(jié)構(gòu)和放療計(jì)劃數(shù)據(jù)從Pinnacle導(dǎo)出到RayStation治療計(jì)劃系統(tǒng)中。在RayStation中執(zhí)行基于BAMCO的調(diào)強(qiáng)放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）計(jì)劃設(shè)計(jì)，射野數(shù)目與臨床計(jì)劃保持一致，每個(gè)射野的子野數(shù)控制在原來(lái)的50%左右。RayStation系統(tǒng)中已建好同一臺(tái)Trilogy加速器的劑量計(jì)算模型，兩套系統(tǒng)的劑量計(jì)算偏差＜1.5%［24］?；贐AMCO的IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖 1 基于BAMCO的IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)流程Fig. 1 The IMRT plan design procedure based on BAMCO

1.3 計(jì)劃對(duì)比分析

對(duì)10例患者的臨床計(jì)劃和BAMCO計(jì)劃的劑量分布和劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于PTV，比較分析二者的靶區(qū)劑量均勻性和劑量-靶區(qū)的適形度。劑量均勻性和適形度分別用均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）［25］和適形指數(shù)（conformity index，CI）［26］表示，HI越接近1表示靶區(qū)劑量均勻性越好，CI越接近1表示劑量-靶區(qū)適形度越好。HI和CI公式為：

其中Imax為PTV內(nèi)最大劑量，Imin為PTV內(nèi)最小劑量，VPTV為PTV體積，VI=100為100%等劑量線所包圍的體積。對(duì)于危及器官（organ at risk，OAR），比較脊髓的最大劑量、心臟的平均劑量、lung－PTV的平均劑量、V5和V20。并采用非參數(shù)檢驗(yàn)（Wilcoxon秩和檢驗(yàn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。另外，還對(duì)每例患者兩種計(jì)劃的總跳數(shù)進(jìn)行對(duì)比以評(píng)價(jià)計(jì)劃的執(zhí)行效率。

2 結(jié) 果

臨床計(jì)劃的平均子野數(shù)為33.5（30～40）個(gè)，BAMCO計(jì)劃的平均子野數(shù)為18.6（16～25）個(gè)，BAMCO計(jì)劃的實(shí)際子野數(shù)是對(duì)應(yīng)臨床計(jì)劃的0.40～0.84倍，10例肺癌患者的總子野數(shù)及總跳數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。從計(jì)劃執(zhí)行來(lái)看，相對(duì)于原來(lái)的臨床計(jì)劃，BAMCO計(jì)劃的總跳數(shù)有不同程度的減少，減少比例為1.1%～55.6%（31.1%±16.9%）。其中有90%的計(jì)劃跳數(shù)減少10%以上，50%的計(jì)劃跳數(shù)減少30%以上，30 %的計(jì)劃跳數(shù)減少40%以上。

表 1 BAMCO計(jì)劃和臨床計(jì)劃子野數(shù)和計(jì)劃總跳數(shù)對(duì)比Tab. 1 Comparison of segment number and machine units between BAMCO plan and clinical plan

BAMCO計(jì)劃設(shè)計(jì)不需要反復(fù)試錯(cuò)，一次MCO優(yōu)化可確定最優(yōu)計(jì)劃。所有BAMCO計(jì)劃都滿足100%處方劑量覆蓋至少95%PTV，臨床計(jì)劃和BAMCO計(jì)劃的PTV平均劑量之比為1.00±0.01。BAMCO計(jì)劃和臨床計(jì)劃各項(xiàng)指標(biāo)的Wilcoxon秩和檢驗(yàn)見(jiàn)表2，臨床計(jì)劃和BAMCO計(jì)劃的CI分別為0.85±0.07和0.83±0.09，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。兩種計(jì)劃的HI分別為1.38±0.31和1.13±0.04，BAMCO計(jì)劃的劑量均勻性更好。BAMCO計(jì)劃所有OAR的劑量學(xué)指標(biāo)都達(dá)到臨床要求。脊髓的最大劑量均小于45 Gy［（40.95±2.75）Gy］。Lung－PTV的V5均＜70%，V20＜30%，平均劑量＜15 Gy。心臟的平均劑量都在30 Gy以下。BAMCO計(jì)劃相比臨床計(jì)劃除了lung－PTV的V5略高之外，其余劑量學(xué)指標(biāo)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），而計(jì)劃總子野數(shù)和機(jī)器總跳數(shù)顯著減少（P＜0.05）。

圖2為一個(gè)典型患者（表1中的patient 8）的劑量分布和DVH對(duì)比圖。BAMCO計(jì)劃的PTV最大劑量略高于臨床計(jì)劃，心臟和脊髓的低劑量區(qū)比臨床計(jì)劃稍大，lung－PTV的DVH曲線差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。BAMCO計(jì)劃的所有劑量學(xué)指標(biāo)都符合臨床要求，計(jì)劃質(zhì)量與原臨床計(jì)劃相當(dāng)，但計(jì)劃總跳數(shù)相比于臨床計(jì)劃減少了36.76%。

表 2 BAMCO計(jì)劃與臨床計(jì)劃的劑量學(xué)和執(zhí)行參數(shù)對(duì)比Tab. 2 The dosimetry and delivery parameters comparison between BAMCO plan and clinical plan

圖 2 典型患者（病例8）的劑量分布和DVH對(duì)比Fig. 2 Dose distribution and DVH comparisons of a typical patient (patient 8)

3 討 論

較長(zhǎng)的計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間對(duì)患者實(shí)際接受劑量的精確性有不利影響，患者單次治療時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，治療分次內(nèi)的腫瘤運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致劑量不確定度隨時(shí)間的推移而增加。但是，提高計(jì)劃執(zhí)行效率不能以犧牲計(jì)劃質(zhì)量為代價(jià)，計(jì)劃質(zhì)量必須要滿足臨床要求。傳統(tǒng)計(jì)劃設(shè)計(jì)為使計(jì)劃的每個(gè)細(xì)節(jié)都達(dá)到臨床要求，需要很高的調(diào)制強(qiáng)度和很長(zhǎng)的計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間。單從劑量分布來(lái)講，各項(xiàng)要求的紙面數(shù)據(jù)雖已達(dá)標(biāo)，但計(jì)劃質(zhì)量會(huì)被治療分次內(nèi)患者焦慮情緒所引起的體位變化和呼吸運(yùn)動(dòng)引起的靶區(qū)不確定度所弱化。

BAMCO計(jì)劃中射野優(yōu)化所確定的射野是所有組合中的最佳選擇，MCO獲得的計(jì)劃是臨床上的最佳妥協(xié)。BAMCO計(jì)劃設(shè)計(jì)難度比傳統(tǒng)方法更小，當(dāng)射野數(shù)和每個(gè)野的子野數(shù)相同時(shí)，BAMCO計(jì)劃質(zhì)量會(huì)好于傳統(tǒng)計(jì)劃，對(duì)子野數(shù)加以限制，便可在保證計(jì)劃質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯绿岣哂?jì)劃執(zhí)行效率。本研究擬將BAMCO的子野數(shù)限制為原臨床計(jì)劃的50%，由于計(jì)劃難度不同，實(shí)際子野數(shù)為臨床計(jì)劃的0.40～0.84倍。研究結(jié)果顯示，除了lung－PTV的V5略高之外，子野更少的BAMCO計(jì)劃與原臨床計(jì)劃相比無(wú)論是靶區(qū)劑量還是正常組織受量差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但BAMCO計(jì)劃總跳數(shù)更少。而臨床計(jì)劃和BAMCO的本質(zhì)都是靜態(tài)調(diào)強(qiáng)，計(jì)劃跳數(shù)的多少直接反應(yīng)機(jī)器出束時(shí)間長(zhǎng)短。所以單就出束時(shí)間而言，BAMCO計(jì)劃效率更高，有50%的計(jì)劃可以將出束時(shí)間縮短30%以上，10%的計(jì)劃可縮短高達(dá)50%。簡(jiǎn)而言之，BAMCO計(jì)劃在保證計(jì)劃質(zhì)量的前提下可以有效縮短腫瘤運(yùn)動(dòng)的作用時(shí)間和降低其他不確定性因素發(fā)生的概率。

相較于傳統(tǒng)計(jì)劃方式，BAMCO確有進(jìn)一步提升計(jì)劃質(zhì)量的潛力。然而，若追求計(jì)劃的每個(gè)指標(biāo)都達(dá)到極致，就不能對(duì)子野數(shù)目施加嚴(yán)格限制，在這種情況下，計(jì)劃執(zhí)行效率相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)劃并不會(huì)有明顯改善。適度減少子野數(shù)，在保證計(jì)劃質(zhì)量的同時(shí)提升計(jì)劃執(zhí)行效率，既可降低患者實(shí)際接受劑量的不確定度，又能在一定程度上增加單日治療患者的總數(shù)，這比苛求劑量分布的微弱提高更有現(xiàn)實(shí)意義。

需要指出的是，該研究所選取的患者靶區(qū)普遍較小，計(jì)劃執(zhí)行效率提升空間較大。對(duì)于那些在頭腳方向很長(zhǎng)，各個(gè)層面面積很大，形狀極不規(guī)則的靶區(qū)而言，嚴(yán)格限制BAMCO子野數(shù)會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃難度增加和計(jì)劃質(zhì)量下降。這種情況下需要放松子野數(shù)限制，降低計(jì)劃設(shè)計(jì)難度，在優(yōu)先保證計(jì)劃質(zhì)量的前提下適度提高計(jì)劃執(zhí)行效率。