同一射野角度不同優(yōu)化方式對中央型肺癌調(diào)強適形放射治療計劃的影響

劉凌湘 陳照輝 黃賢海 易蘭

廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院腫瘤科 511400

放療是肺癌治療的常見手段，其中，調(diào)強適形放射治療（intensity modulated radiotherapy，IMRT）是目前常用的一種放療技術，其采用一系列不同射野從不同方向照射靶區(qū)，通過調(diào)整射野內(nèi)強度分布，使高劑量區(qū)適形于靶區(qū)，并在一定程度上避開靶區(qū)周圍的正常組織。對于中央型肺癌，由于其主要發(fā)生在段支氣管至主支氣管[1]，靶區(qū)趨近縱隔而使周圍正常組織如脊髓、食管、心臟等不可避免地受到照射，進行IMRT 計劃設計時，需要選擇合適的射野方向和射野數(shù)目，其中射野方向的選擇是關鍵。目前，臨床上普遍仍采用物理師根據(jù)經(jīng)驗給出的射野方向，射野大小也普遍采用鉛門自動跟隨適形于整個靶區(qū)。這樣對部分中央型肺癌來說，可能某一個或某幾個射野有部分位置需穿過較多的正常肺組織才能到達靶區(qū)，增加了正常肺組織的照射劑量。為了達到更好地保護正常肺組織的目的，我們在參考相關文獻[2～5]的基礎上，選取6 例中央型肺癌患者，根據(jù)靶區(qū)分布情況和靶區(qū)邊緣到皮膚表面的距離，遵循射野以最短路徑到達靶區(qū)（即穿過肺部最小）的原則，采用鎖鉛門[2-3]和添加虛擬“Block”[4-5]的方法對所給定的射野方向進行一定的優(yōu)化處理，探討給定射野方向進一步優(yōu)化對腫瘤靶區(qū)和危及器官劑量分布的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2017 年11 月至2019 年10 月在廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院接受IMRT 的6 例中央型肺癌患者的臨床資料，其中，男性5 例、女性1 例，中位年齡64（53～73）歲。6 例患者中，小細胞肺癌1 例（局限期）、非小細胞肺癌5 例（鱗癌3 例：2 例Ⅲb 期、1 例Ⅳ期；腺癌2 例：均為Ⅳ期）。納入標準：①靶區(qū)分布處于居中偏右位置；②可順利完成整個放療計劃。排除標準：①靶區(qū)分布處于居中偏左或其他位置；②由于各種原因未能完成放療計劃。所有患者治療前均簽署了知情同意書。本研究符合《赫爾辛基宣言》的原則。

1.2 靶區(qū)和危及器官的勾畫

患者取仰臥位，手臂上舉抱頭，用真空袋固定，采用荷蘭Philips 公司Brillance Big Bore CT 于平靜呼吸狀態(tài)下行CT 平掃與增強掃描，掃描層厚、層間距均為5 mm，范圍從環(huán)狀軟骨至腎上腺水平。掃描后的圖像傳至美國Varian 公司Eclipse 10.0 三維治療計劃系統(tǒng)。由主治及副主任職稱的放療醫(yī)師在CT 圖像上勾畫靶區(qū)和危及器官，其中，大體腫瘤體積（gross tumor volume，GTV）為影像學可見肺部病灶和縱隔腫大淋巴結；臨床靶體積（clinical target volume，CTV）為GTV 外一定范圍和區(qū)域的淋巴結，包括腫瘤潛在侵犯的范圍；計劃靶體積（planning target volume，PTV）包括計劃大體腫瘤體積（planning gross target volume，PGTV）和計劃臨床靶體積（planning clinical target volume，PCTV），PGTV 基于GTV 向各方向均勻外擴5 mm，PCTV 則基于CTV 向各方向均勻外擴5 mm；危及器官包括肺、脊髓、心臟、食管。

1.3 治療計劃的設計

采用Eclipse 10.0 三維治療計劃系統(tǒng)進行IMRT計劃設計。采用9 野均分、去掉穿健側肺（左肺）的2 個射野的布野方法（射野方向為200°、240°、280°、320°、0°、40°、160°），對所給定的射野方向，部分射野根據(jù)靶區(qū)分布和靶區(qū)邊緣到皮膚表面的距離，遵循穿過肺部最小的原則分別進行鎖鉛門設計（F-plan）和添加虛擬的“Block” （B-plan）設計（圖1），其余射野鉛門自動跟隨適形于整個靶區(qū)。其中，F(xiàn)-plan 主要進行240°、280°、40° 3 個角度的鎖鉛門設計，圖1A 為40°射野方向的鎖鉛門設計，該處靶區(qū)分布傾向于右側，與右側相比，靶區(qū)邊緣距左側皮膚表面距離較遠，該射野在此處如果采用鉛門自動跟隨，則入射路徑長，需穿過左肺才能到達靶區(qū)，因此設計時對該部分采用了鎖鉛門設計，縮回Y1 方向處的部分鉛門。同理，240°和280°射野方向也是如此設計，在靶區(qū)上半段縮回Y2 方向處的部分鉛門，這樣，靶區(qū)上半段參與照射的射野方向包括200°、320°、0°、40°、160°，下半段參與照射的射野方向包括200°、240°、280°、320°、0°、160°。B-plan 所添加虛擬的“Block”的射野方向與F-plan 相同，在接近皮膚表面射野入射路徑處添加虛擬的“Block” （圖1B）。腫瘤靶區(qū)和危及器官劑量優(yōu)化的優(yōu)先順序依次為靶區(qū)、脊髓、肺、食管、心臟；B-plan 中所添加虛擬的“Block”的優(yōu)化權重僅次于靶區(qū)，限量“Block”≤5～10 Gy。

1.4 處方劑量的要求

PGTV 的處方劑量為6020 cGy /28 次（215 cGy/次），PCTV 的處方劑量為5040 cGy /28 次（180 cGy/次）。要求至少95%的PTV 接受處方劑量以上的劑量，PTV 內(nèi)大于處方劑量110%的體積不超過1%。危及器官的劑量約束條件：雙肺的V5≤60%～65%、V10≤50%、V20≤25%～35%、V30≤20%、雙肺的肺平均劑量（mean lung dose，MLD）≤20 Gy（其中，Vx指接受x Gy 劑量照射的體積占總體積的百分比）；脊髓的最大劑量（maximum dose，Dmax）＜45 Gy；食管的Dmax＜60 Gy；心臟的V30≤40%、V40≤30%。

1.5 計劃評估

觀察劑量-體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）和CT 各層面的劑量分布可直觀地得出靶區(qū)和危及器官的劑量體積分布情況。靶區(qū)的評估參數(shù)包括V95%、V100%、V105%（Vx%指接受x%處方劑量照射的體積占總體積的百分比）、D50、D95（Dx指x%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量）、平均劑量（mean dose，Dmean）、靶區(qū)均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）、適形度指數(shù)（conformity index，CI）[6]和總的機器跳數(shù)。HI=（D2?D98）/D處方，其中D2指DVH 上2%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量，近似于“最大劑量”；D98指DVH 上98%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量，近似于“最小劑量”。HI 越小，劑量均勻性越好。CI=（VT,ref/VT）×（VT,ref/Vref），其中，VT為靶體積；VT,ref為參考等劑量線所包繞的靶體積；Vref為參考等劑量線所包繞的所有區(qū)域體積。CI 范圍為0～1（數(shù)值越接近1，表示適形度越好）。

危及器官的評估參數(shù)包括雙肺的V5、V10、V13、V15、V20、V25、V30、V40和MLD；心臟的V30、V40；脊髓的Dmax；正常組織（指靶區(qū)所在層面、外輪廓減去靶區(qū)外擴1 mm的所有正常組織）的V5、V10、V20、V30、V40、Dmean。食管由于嚴格限制其Dmax＜60 Gy 或V60≤1%，這里不作評估。

1.6 統(tǒng)計學方法

采用SPSS20.0 軟件進行統(tǒng)計學分析。經(jīng)Shapiro-Wilk 檢驗，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以±s表示，經(jīng)Levene's 方差齊性檢驗，方差齊的條件下，2 種治療計劃之間的劑量學差異比較采用配對t檢驗。P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 2 種治療計劃的靶區(qū)劑量比較

6 例患者的PGTV 和PCTV 分別為（241.84±148.21） cm3和（581.79±233.47） cm3。圖2、3 為其中1 例患者的靶區(qū)劑量分布圖和DVH。結合圖3 和表1 可知，2 種治療計劃的靶區(qū)覆蓋率基本符合臨床要求（V95%均＞99%，V100%均在95%左右），且均具有較好的靶區(qū)適形度和劑量均勻性（CI 接近0.78，HI 接近0.09）。由表1 可知，2 種治療計劃的PGTV 和PCTV 的各參數(shù)的差異均無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05），但B-plan的PGTV 的高劑量區(qū)（D2、D50）略低于F-plan，低劑量區(qū)（D95、D98）略高于F-plan；另外，2 種治療計劃的總的機器跳數(shù)相近，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

2.2 2 種治療計劃的危及器官受照劑量比較

表 1 中央型肺癌調(diào)強適形放射治療中2 種治療計劃的靶區(qū)覆蓋結果的比較（n=6， ±s）Table 1 Comparison of target coverage between the two plan types of intensity modulated radiotherapy in central lung cancer(n=6, ±s)

表 1 中央型肺癌調(diào)強適形放射治療中2 種治療計劃的靶區(qū)覆蓋結果的比較（n=6， ±s）Table 1 Comparison of target coverage between the two plan types of intensity modulated radiotherapy in central lung cancer(n=6, ±s)

注：F-plan 為鎖鉛門設計；B-plan 為添加虛擬的“Block”設計；PGTV 為計劃大體腫瘤體積；Dmean 為平均劑量；Dx 為x%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量；Vx%為接受x%處方劑量照射的體積占總體積的百分比；CI 為適形度指數(shù)；HI 為均勻性指數(shù)；PCTV 為計劃臨床靶體積

評估參數(shù) F-plan B-plan t值 P值PGTV Dmean（cGy） 6245.55±27.55 6244.48±32.84 0.244 0.817 D2（cGy） 6464.21±46.10 6458.18±53.75 1.228 0.274 D50（cGy） 6258.60±28.25 6255.79±33.04 0.427 0.687 D95（cGy） 6023.78±21.96 6028.10±27.41 ?0.738 0.494 D98（cGy） 5939.17±39.43 5944.32±43.07 ?0.603 0.573 V95%（%） 99.84±0.23 99.78±0.42 0.745 0.490 V100%（%） 95.21±1.04 95.38±1.37 ?0.503 0.636 V105%（%） 28.04±11.22 27.72±11.79 0.151 0.886 CI 0.780±0.045 0.778±0.048 0.237 0.822 HI 0.087±0.010 0.088±0.008 ?1.000 0.363 PCTV Dmean（cGy） 5784.35±173.08 5784.60±171.99 ?0.049 0.963 V95%（%） 99.35±0.33 99.29±0.30 0.626 0.559 V100%（%） 96.05±0.98 95.45±1.27 1.863 0.122 V105%（%） 78.46±14.42 78.62±12.83 ?0.204 0.846機器跳數(shù) 1106.67±111.28 1142.50±71.88 ?1.383 0.225

6 例患者雙肺的體積為（3374.70±990.20）cm3、脊髓在三維方向上距靶區(qū)的最近距離為（1.45±0.61）cm。由表2 可知，2 種治療計劃的危及器官受照劑量基本滿足臨床的限量要求，其中，B-plan的雙肺的MLD、V5、V25、V30、V40和正常組織的Dmean、V5、V40普遍高于F-plan，且差異均有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05）；對于心臟和脊髓的受照劑量，2 種治療計劃的差異均無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05），但B-plan 的心臟受照劑量（V30、V40）高于F-plan，脊髓的受照劑量（Dmax）卻低于F-plan。

3 討論

在肺癌的放療中，限制劑量的正常組織包括肺、脊髓、食管和心臟。其中，放射性肺損傷是肺癌患者放療時最主要的劑量限制因素[7]，發(fā)生功能性肺損傷的概率取決于所受到照射的體積?，F(xiàn)有研究結果顯示，全肺V20為放射性肺損傷最佳的獨立預測因子[7-11]、V30為獨立預測因子[7]；全肺低劑量受照體積（V5、V10、V13）[8,11-12]、全肺MLD[10]和全肺體積[13]是有效預測因子。其次，脊髓是僅次于肺的主要危及器官，是肺癌患者放療時主要的劑量限制因素，放療后不良反應主要與患者接受的最大劑量有關，常規(guī)照射時脊髓受照劑量不應＞45 Gy。食管、心臟位于身體中線附近，對于中央型肺癌，在給定射野方向時很難將它們完全避開，因此，放射性食管損傷[14]和心臟損傷[1]同樣是其放療的并發(fā)癥之一。其中，放射性食管損傷的發(fā)生概率與最大受照劑量的關系密切，最大受照劑量（≥60 Gy）及最大受照劑量體積所處的解剖位置對食管3～5級毒性反應具有較大的預測價值[14]。而放射性心臟損傷的發(fā)生率及程度則與受照總劑量、受照體積相關[1,15]：受照總劑量＜30 Gy 時，極少引起心臟損傷，受照總劑量＞40 Gy 時，隨受照劑量的增加，放射性心臟損傷的發(fā)生率增高；同時，受照心臟體積越大，放射性心臟損傷的發(fā)生率越高，＞65%的心臟體積受照時，放射性心臟損傷的發(fā)生率明顯升高。

表 2 中央型肺癌調(diào)強適形放射治療中2 種治療計劃的危及器官受照劑量的比較（n=6， ±s）Table 2 Dosimetric comparison of organs at risk between the two treatment plans types of intensity modulated radiotherapy in central lung cancer (n=6, ±s)

表 2 中央型肺癌調(diào)強適形放射治療中2 種治療計劃的危及器官受照劑量的比較（n=6， ±s）Table 2 Dosimetric comparison of organs at risk between the two treatment plans types of intensity modulated radiotherapy in central lung cancer (n=6, ±s)

注：F-plan 為鎖鉛門設計；B-plan 為添加虛擬的“Block”設計；MLD 為肺平均劑量；Vx 為接受x Gy 劑量照射的體積占總體積的百分比；Dmax 為最大劑量；Dmean 為平均劑量

評估參數(shù) F-plan B-plan t值 P值雙肺MLD（cGy） 1546.45±152.98 1572.13±148.08 ?5.951 0.002 V5（%） 60.66±5.34 62.58±5.91 ?6.370 0.001 V10（%） 44.79±3.14 44.73±2.82 0.129 0.902 V13（%） 39.12±2.93 38.87±2.76 0.527 0.621 V15（%） 35.89±2.79 35.91±2.62 ?0.069 0.948 V20（%） 29.12±2.15 29.46±1.76 ?1.835 0.126 V25（%） 23.79±2.20 24.33±1.83 ?2.601 0.048 V30（%） 19.59±2.71 20.14±2.43 ?2.912 0.033 V40（%） 12.70±2.79 13.38±2.78 ?5.949 0.002心臟V30（%） 14.67±5.82 17.21±10.42 ?0.937 0.392 V40（%） 9.42±4.19 11.70±8.04 ?1.120 0.314脊髓Dmax（cGy） 4128.73±254.72 4112.12±304.66 0.377 0.722正常組織Dmean（cGy） 1209.37±466.66 1246.63±485.12 ?3.363 0.020 V5（%） 54.87±22.60 58.46±24.31 ?4.584 0.006 V10（%） 40.61±17.30 40.95±17.99 ?0.383 0.717 V20（%） 24.42±10.44 24.45±10.43 ?0.112 0.915 V30（%） 13.84±5.46 14.04±5.43 ?0.977 0.374 V40（%） 5.89±2.63 6.38±2.67 ?3.300 0.021

綜上，設計中央型肺癌的IMRT 計劃時，不僅需要考慮肺和脊髓的受量，還必須兼顧食管和心臟的受量[8]。目前臨床上常用的布野方法傾向于射野集中于前后方向，強調(diào)雙肺的受量，忽略靶區(qū)的適形度和均勻性及其他危及器官的受量。喻冰琪等[16]提出了平衡參數(shù)控制下的IMRT 的概念，既強調(diào)靶區(qū)劑量和靶區(qū)劑量適形度，又平衡了各主要危及器官的受照劑量，在這種情況下，可以考慮增加一個斜野（近似水平野）[17]來分擔中央型肺癌前后方向射野的調(diào)制壓力。射野方向和射野數(shù)目作為IMRT計劃的主要參數(shù)，二者相輔相成，郝龍英等[18]比較了5 野、7 野、9 野動態(tài)調(diào)強的肺癌劑量分布，得出5 野就可以滿足臨床劑量要求，但對于脊髓、食管、心臟的保護而言，7 野或9 野更有優(yōu)勢。本研究選取的6 例中央型肺癌患者，依據(jù)上述布野原則，在給定射野的基礎上，部分射野經(jīng)過鎖鉛門或添加虛擬的“Block”設計優(yōu)化處理后，靶區(qū)同一部位至少有5 個方向的射野進行照射，保證了靶區(qū)的適形度，改善了脊髓和心臟的受照劑量。2 種治療計劃所得到的靶區(qū)劑量覆蓋率高、適形度好（CI接近0.78），同時由于各射野方向間距較大，靶區(qū)劑量均勻性好（HI 接近0.09）。在保證雙肺限量符合臨床要求的情況下，脊髓Dmax均控制在＜45 Gy，心臟受量也遠低于臨床限量要求。這樣就很好地達到了“平衡參數(shù)控制下的IMRT 的概念”的要求。本研究中2 種治療計劃下所得到的靶區(qū)劑量分布大同小異，HI、CI 和總的機器跳數(shù)相近，各參數(shù)的差異無統(tǒng)計學意義，但B-plan 的PGTV 的高劑量區(qū)（D2、D50）略低于F-plan，低劑量區(qū)（D95、D98）略高于F-plan。這可能是因為B-plan 靶區(qū)每一部位參與照射的射野數(shù)多于F-plan，增加了計劃的調(diào)控能力。2 種治療計劃下雙肺的V5、V30基本符合臨床要求，MLD、V10、V20完全符合臨床要求，但B-plan 的MLD、V5、V25、V30、V40普遍高于F-plan，且差異有統(tǒng)計學意義。這可能是因為盡管B-plan 進行了“Block”的劑量限制，但所有射野仍穿過肺部照射至靶區(qū)，同一部位參與照射的射野數(shù)多于F-plan，導致低劑量區(qū)分布廣、高劑量區(qū)向靶區(qū)集中。同時B-plan 有更多的射野穿過心臟，在限制肺和脊髓受量的情況下，照射劑量向縱隔前后方向集中，導致心臟受照劑量高于F-plan；脊髓則由于有更多的射野分擔照射，極易達到臨床高劑量限量要求，2 種治療計劃下的脊髓Dmax均＜45 Gy。

鎖鉛門和添加虛擬的“Block”的方法是放射治療計劃設計時的一種輔助手段，在降低正常肺組織受照劑量特別是低劑量方面具有很大優(yōu)勢[2-5]。本研究從射野方向的確定出發(fā)，采用鎖鉛門和添加虛擬“Block”的2 種優(yōu)化處理方法來探討部分射野方向優(yōu)化對中央型肺癌IMRT 劑量學分布的影響，發(fā)現(xiàn)二者均能獲得較好地靶區(qū)劑量學分布，在危及器官保護方面二者各有優(yōu)缺點；在實際臨床應用中可以根據(jù)個體差異、靶區(qū)分布有選擇地使用這2 種優(yōu)化方法，對于分布不太明顯的靶區(qū)，可以二者結合使用。

利益沖突本研究由署名作者按以下貢獻聲明獨立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻聲明劉凌湘負責研究方案的設計、部分調(diào)強計劃的設計、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、論文的撰寫與修訂；陳照輝、黃賢海、易蘭負責部分調(diào)強計劃的設計、數(shù)據(jù)的采集。