Eclipse 系統(tǒng)中通量平滑對單發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤調(diào)強(qiáng)放療的劑量學(xué)影響研究

吳 哲，龐 亞

（1.自貢市第一人民醫(yī)院腫瘤科，四川自貢643000；2.自貢市第一人民醫(yī)院護(hù)理部，四川自貢643000）

0 引言

癌癥晚期患者往往伴隨著遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，20%～40%的患者發(fā)生腦轉(zhuǎn)移[1]。放療作為腦轉(zhuǎn)移瘤的一種重要治療技術(shù)被廣泛報(bào)道[2-4]。近年來隨著調(diào)強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放療（intensity modulated radiotherapy，IMRT）利用不同強(qiáng)度的筆形束實(shí)現(xiàn)了腫瘤靶區(qū)和鄰近重要組織分別接受不同劑量照射，通過逆向優(yōu)化算法有效提高了腫瘤控制率和最大限度減少周圍正常組織的損傷，因而被廣泛應(yīng)用于各類腫瘤的治療[5-7]。多葉準(zhǔn)直器（multi-leaf collimator，MLC）是實(shí)現(xiàn)IMRT 的重要手段，它的位置由葉片運(yùn)動(dòng)計(jì)算器（leaf motion calculator，LMC）創(chuàng)建，且創(chuàng)建時(shí)考慮了MLC 上的物理和機(jī)械約束，例如葉片透射率、最大葉片速度、葉片邊緣形狀等。在調(diào)強(qiáng)優(yōu)化系統(tǒng)中，治療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）通過逆向優(yōu)化迭代重建算法產(chǎn)生射束的通量，即最優(yōu)通量圖。計(jì)劃復(fù)雜性可以描述為射束通量分布大小[8]。靶區(qū)和危及器官（organs at risk，OAR）幾何形狀越復(fù)雜，靶區(qū)適形度要求越高，OAR 劑量壓制越嚴(yán)格，通量圖就越復(fù)雜；反之，靶區(qū)適形度變差，OAR 劑量壓制松懈，通量復(fù)雜度降低，從而提高子野分解效率。在實(shí)際臨床工作中，復(fù)雜程度高的計(jì)劃會給系統(tǒng)造成困難，導(dǎo)致機(jī)器跳數(shù)增加，給臨床工作帶來負(fù)荷。當(dāng)前大多數(shù)TPS 內(nèi)置了多種通量平滑度選項(xiàng)[9]，本研究基于Eclipse 系統(tǒng)比較不同的通量平滑參數(shù)在單發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤IMRT中的劑量學(xué)差異，旨在選取最優(yōu)的通量平滑參數(shù)，為臨床提供參考。

1 通量平滑概念

在調(diào)強(qiáng)優(yōu)化系統(tǒng)中，當(dāng)設(shè)定射野方向和定義靶區(qū)以及OAR 的限制參數(shù)后，TPS 通過逆向優(yōu)化算法產(chǎn)生射束的通量。Eclipse 系統(tǒng)中，最佳通量平滑是劑量體積優(yōu)化的一部分內(nèi)容，包括與MLC 運(yùn)動(dòng)方向平行的X方向通量平滑和與MLC 運(yùn)動(dòng)方向垂直的Y方向通量平滑。其中，X方向平滑值可以大大影響葉片運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性并降低機(jī)器跳數(shù)；Y方向的平滑值則影響MLC 的“凹凸槽”效應(yīng)。在每次優(yōu)化迭代中應(yīng)用平滑，通過在罰分目標(biāo)函數(shù)中添加2 個(gè)與平滑度相關(guān)的計(jì)劃目標(biāo)值，從而解決相鄰的通量值之間的差異。罰分目標(biāo)函數(shù)[10]如下：

式中，ωi為權(quán)重因子；Di為點(diǎn)i的計(jì)算劑量；Pi為第i個(gè)體素的處方劑量；dj，i為第j個(gè)射束上點(diǎn)i的劑量；xj為通量圖上第j個(gè)射束權(quán)重。式（1）后半部分是與通量平滑相關(guān)的函數(shù)，ωk為通量強(qiáng)度中相鄰射束在X、Y方向的平滑權(quán)重值，取值范圍0～1 000；xk為優(yōu)化通量中當(dāng)前射束的強(qiáng)度值。

2 資料和方法

2.1 臨床資料

隨機(jī)選取2019 年9 月至2020 年3 月在我院腫瘤科治療的20 例單發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤患者的臨床資料，其中，男、女各10 例，年齡48～72 歲（中位年齡62.5 歲）。腫瘤原發(fā)灶均經(jīng)病理證實(shí)，腦部轉(zhuǎn)移病灶均經(jīng)MRI證實(shí)。KPS 評分均在70 分以上。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審批通過。

2.2 CT 模擬定位

使用熱塑膜及專用碳纖維板和枕頭固定患者，統(tǒng)一取仰臥位，在CT 模擬定位機(jī)（Philips Precedence 16）下增強(qiáng)掃描，CT 掃描層厚3 mm，掃描范圍為顱頂?shù)降? 頸椎。獲得CT 影像后，通過專用網(wǎng)絡(luò)傳輸至Varian Eclipse 放療計(jì)劃工作站。在TPS 上對CT圖像與MRI 圖像進(jìn)行融合，其中MRI 圖像由Philips Achieva 1.5T MRI 掃描獲得，再由高年資醫(yī)生進(jìn)行靶區(qū)和OAR 的勾畫。

2.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

基于Eclipse v13.6 計(jì)劃系統(tǒng)和Varian Trilogy 加速器，為每個(gè)患者制訂6 組逆向IMRT 計(jì)劃，第一組（對照組）計(jì)劃使用默認(rèn)的通量平滑值X=40、Y=30，其他5 組X、Y依次為X=0、Y=0，X=20、Y=15，X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150。其他5 組計(jì)劃均是只改變X、Y方向的通量平滑值，其他優(yōu)化條件均不變。每個(gè)患者6 組計(jì)劃均是設(shè)計(jì)固定野調(diào)強(qiáng)放療（fixed field IMRT，ff-IMRT），射線質(zhì)均為6 MV X 射線，射野中心位置相同，劑量計(jì)算均選擇各向異性分析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA），網(wǎng)格大小2.5 mm，劑量率統(tǒng)一為500 MU/min，采用60 對MLC。所有計(jì)劃采用7 野，即0°、45°、95°、240°、270°、300°、330°。處方劑量均為60 Gy/30f。限制條件如下：95%靶區(qū)體積達(dá)到處方劑量，靶區(qū)劑量最大值高于110%的處方劑量體積不超過1%。

2.4 計(jì)劃評估

參考ICRU 83 號報(bào)告，根據(jù)劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）來評價(jià)靶區(qū)和OAR 的劑量學(xué)參數(shù)[11]。靶區(qū)的劑量學(xué)參數(shù)包括：D2、D98、平均劑量Dmean，其中D2、D98分別為包圍靶區(qū)體積2%、98%的最小劑量；均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）定義如下：

式中，D50為包圍靶區(qū)體積50%的最小劑量。HI 值越接近0，表明靶區(qū)的均勻度越好。適形性指數(shù)（conformity index，CI）定義如下：

式中，VT，ref為95%處方劑量所覆蓋的靶區(qū)體積；VT為靶區(qū)體積；Vref為95%處方劑量所覆蓋的總體積。CI 值越接近1，說明靶區(qū)的適形度越好。各OAR 的劑量學(xué)參數(shù)為腦干Dmax、視神經(jīng)Dmax、視交叉Dmax、晶體Dmax、眼球Dmax。此外，評估各計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)以及各計(jì)劃的Gamma 通過率。

2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，若檢驗(yàn)符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，對照組與其他組靶區(qū)和OAR 的劑量學(xué)參數(shù)比較采用配對t檢驗(yàn)，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果

圖1 為某個(gè)病例6 組計(jì)劃的靶區(qū)劑量分布圖。表1 為6 組計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較，表2 為每組計(jì)劃與對照組的配對t檢驗(yàn)結(jié)果。與對照組相比，X=0、Y=0 和X=20、Y=15 計(jì)劃組的D2有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），所有組的D98均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），X=0、Y=0 和X=200、Y=150 計(jì)劃組的Dmean有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），所有組的CI 均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05），X=100、Y=80 和X=200、Y=150 計(jì)劃組的HI 有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）。從表1 中可以看出，隨著X、Y方向通量平滑值在默認(rèn)值的基礎(chǔ)上增加，CI 和HI 逐漸變差。

圖1 某個(gè)病例6 組計(jì)劃的靶區(qū)劑量分布圖

表1 6 組計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較

表3 為6 組計(jì)劃的OAR 劑量學(xué)參數(shù)比較，表4為每組計(jì)劃與對照組的配對t檢驗(yàn)結(jié)果。與對照組相比，所有計(jì)劃組的腦干Dmax、視神經(jīng)Dmax、眼球Dmax均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。對照組的晶體Dmax低于X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150 計(jì)劃組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），對照組的視交叉Dmax低于X=100、Y=80，X=200、Y=150 計(jì)劃組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

表2 對照組X=40、Y=30 與其他通量平滑組靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)配對t 檢驗(yàn)結(jié)果（P 值）

表3 6 組計(jì)劃的OAR 劑量學(xué)參數(shù)比較單位：cGy

表4 對照組X=40、Y=30 與其他通量平滑組OAR 劑量學(xué)參數(shù)配對t 檢驗(yàn)結(jié)果（P 值）

3.2 機(jī)器跳數(shù)

20 例單發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤患者X=0、Y=0，X=20、Y=15，X=40、Y=30，X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)分別為（1 112.50±564.02）、（1 030.00±494.73）、（792.80±324.76）、（599.50±208.16）、（574.10±197.07）、（552.00±176.92）MU，對照組與其他組相比，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）。

3.3 Gamma 通過率

在加速器上對放療計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證并利用PTW Seven29TM[12]測量相應(yīng)的劑量分布，運(yùn)用PTW Veri Soft v7.1 軟件分析計(jì)劃驗(yàn)證Gamma 通過率（如圖2 所示），設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)為3%/3 mm[13]。從圖2 可以看出，Gamma通過率隨通量平滑值增加而增長。

圖2 Gamma 通過率隨通量平滑值變化曲線

4 討論

Eclipse 計(jì)劃系統(tǒng)作為當(dāng)前主流的TPS 之一，在設(shè)計(jì)IMRT 計(jì)劃時(shí)，可以設(shè)置的參數(shù)很多，如靶區(qū)、OAR 劑量目標(biāo)值及優(yōu)選度、等效均勻劑量值、正常組織目標(biāo)（normal tissue objective，NTO）值、網(wǎng)格分辨力、通量平滑值等，參數(shù)的設(shè)置直接影響放療計(jì)劃的質(zhì)量。如何在特定的病例中選擇最優(yōu)的優(yōu)化參數(shù)對臨床有重要意義，且需要臨床劑量學(xué)參數(shù)評估作為支撐。

通量平滑值是影響放療計(jì)劃質(zhì)量的參數(shù)之一。早期國外學(xué)者Armoogum[14]報(bào)道了Eclispe 系統(tǒng)通量平滑對前列腺癌和頭頸部腫瘤放療計(jì)劃的影響，發(fā)現(xiàn)通量平滑值對機(jī)器跳數(shù)因子、葉片對展寬、總機(jī)器跳數(shù)、HI、CI 等參數(shù)均有不同程度的影響。Broderick 等[15]報(bào)道了通量平滑可以降低正常組織劑量和機(jī)器跳數(shù)，Matuszak 等[16]和Giorgia等[10]報(bào)道了通量平滑值的增加對劑量投照的準(zhǔn)確性有影響。國內(nèi)相關(guān)的研究很少，因此本文以單發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤為例進(jìn)行劑量學(xué)研究報(bào)道。當(dāng)前多種商用TPS內(nèi)置通量平滑[9，17-18]，Elipcse 計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)置的X、Y通量平滑值范圍為0～1 000，本研究選取的X方向的范圍為0～200，Y方向的范圍為0～150。針對同一患者，在約束函數(shù)、子野個(gè)數(shù)及形狀等其他條件完全一致的情況下，先使用默認(rèn)的通量平滑值X=40、Y=30制訂計(jì)劃，再只改變X、Y方向的通量平滑值，其他條件保持不變制訂其他5 組計(jì)劃X=0、Y=0，X=20、Y=15，X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150，每組計(jì)劃均與默認(rèn)的通量平滑值X=40、Y=30 對比。結(jié)果表明，通量平滑值對靶區(qū)和OAR 劑量分布均有影響。隨著通量平滑值在默認(rèn)值X=40、Y=30 的基礎(chǔ)上增加，靶區(qū)HI、CI 變差，機(jī)器跳數(shù)減少，除X=80、Y=60 組的HI 外，其他參數(shù)的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，計(jì)劃復(fù)雜性降低。復(fù)雜程度高的計(jì)劃反映了機(jī)器跳數(shù)的增加[8]。本研究中通量平滑值在默認(rèn)值及更小時(shí)，靶區(qū)HI 差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，CI 表現(xiàn)更好，且有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；腦干Dmax、視神經(jīng)Dmax、視交叉Dmax較低，但無顯著差異。在X=100、Y=80 及以上時(shí)，晶體Dmax和眼球Dmax較高。隨著通量平滑值的增加，機(jī)器跳數(shù)從（1 112.50±564.02）MU 降到（552.00±176.92）MU。國內(nèi)學(xué)者吳凡等[17]比較了Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)高、中、低3組通量平滑值在胸中上段食管癌容積弧形IMRT 中的劑量學(xué)參數(shù)，表明通量平滑值增加會減少機(jī)器跳數(shù)，高組的機(jī)器跳數(shù)與中組和低組相比分別減少了11.9%和25.2%，這些結(jié)論與本研究基本一致。國外學(xué)者M(jìn)anigandan 等[18]以5 個(gè)宮頸癌病例為例，在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)改變不同的X、Y方向的通量平滑值，計(jì)算靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)以及機(jī)器跳數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著通量平滑值增加，總機(jī)器跳數(shù)減少，計(jì)劃質(zhì)量降低，這與本研究的結(jié)論一致。此外，本研究中Gamma 通過率隨通量平滑值增加而增長，這與Manigandan 等[18]的研究結(jié)論一致。由圖1 可以看出，通量平滑值為X=80、Y=60以上時(shí)，靶區(qū)適形度逐漸變差，X=200、Y=150 時(shí)靶區(qū)欠量較為嚴(yán)重，臨床實(shí)用性較差，因此本研究沒有考慮X=200、Y=150 以上的通量平滑值。

綜上所述，在單發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤放療計(jì)劃中，通量平滑值為X=40、Y=30 及以下時(shí)，靶區(qū)的適形度和均勻度較其他高通量平滑組好，OAR 的劑量也更低，但是機(jī)器跳數(shù)的增加降低了治療的效率。通量平滑值為X=40、Y=30 以上時(shí)計(jì)劃的復(fù)雜性雖然降低，但是靶區(qū)和OAR 等的劑量學(xué)表現(xiàn)較差。綜合考慮臨床需求和治療效率的平衡，建議X=40、Y=30 為最佳通量平滑值。當(dāng)然，本文并未進(jìn)一步比較及分析通量平滑值對機(jī)器跳數(shù)因子、葉片對展寬的影響，將在后期開展相關(guān)研究。