不同子野面積參數(shù)對(duì)胃癌靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃的影響研究

王繼平，楊志勇，呂文天，羅云蔓，楊國(guó)棟，徐 開，王 萍*

（1.長(zhǎng)江大學(xué)附屬黃岡市中心醫(yī)院放療科，湖北黃岡 438000；2.長(zhǎng)江大學(xué)附屬黃岡市中心醫(yī)院腫瘤科，湖北黃岡 438000）

0 引言

放療作為一種局部治療方法，可消滅可能殘留的亞臨床病灶，降低腫瘤復(fù)發(fā)的概率[1]。調(diào)強(qiáng)放療（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）現(xiàn)已基本取代三維適形放療（three-dimensional conformal radiation therapy，3D-CRT），因?yàn)槠淠軌蛳蚰繕?biāo)提供更適合靶區(qū)形狀的劑量分布，并且可以更好地保護(hù)正常器官[2]。通常物理師習(xí)慣采用物理優(yōu)化方法進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，這些方法包括對(duì)靶區(qū)設(shè)置限量環(huán)、對(duì)射野方向進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)子野數(shù)量和最小子野面積進(jìn)行優(yōu)化等。陳穎等[3]通過(guò)限量環(huán)個(gè)數(shù)聯(lián)合劑量-體積優(yōu)化對(duì)宮頸癌進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，獲得了一定的效果，同樣對(duì)胃癌靶區(qū)設(shè)置限量環(huán)也會(huì)起到優(yōu)化靶區(qū)的作用。盧曉光等[4]采用不同的布野方式對(duì)胃癌進(jìn)行IMRT計(jì)劃優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)好的布野方向在保證靶區(qū)劑量的同時(shí)更能有效減少正常組織受量。對(duì)于子野優(yōu)化，朱錦峰等[5]對(duì)睪丸精原細(xì)胞瘤采用直接子野優(yōu)化IMRT方法，比3D-CRT有明顯的劑量?jī)?yōu)勢(shì)。很多學(xué)者[6-8]對(duì)子野面積大小和子野總數(shù)在盆腔腫瘤中的優(yōu)化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)最小子野面積設(shè)置為7 cm×7 cm可滿足臨床劑量要求，同時(shí)有效減少子野總數(shù)和正常組織的照射劑量。子野面積參數(shù)優(yōu)化對(duì)于胸腹部腫瘤，特別是胃癌的影響鮮有研究報(bào)道。本研究擬采用不同子野面積參數(shù)進(jìn)行胃癌靜態(tài)IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)，試圖確定最佳的計(jì)劃優(yōu)化參數(shù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2021年1—5月在黃岡市中心醫(yī)院接受IMRT的胃癌患者10例，其中男性4例、女性6例，年齡37～68歲，中位年齡為51歲。所有患者均簽署放療知情同意書，同意靜態(tài)IMRT治療。

病例納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）患者行根治術(shù)后（R0），病理分期為T3-4或淋巴結(jié)陽(yáng)性（T3-4N+M0）者；（2）胃癌非根治性切除，有腫瘤殘存患者（R1或R2切除）；（3）患者KPS評(píng)分≥70分。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）局部區(qū)域復(fù)發(fā)的胃癌；（2）腫瘤發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，如肝轉(zhuǎn)移、腦轉(zhuǎn)移和骨轉(zhuǎn)移等；（3）拒絕接受放療的患者。

1.2 體位固定及CT影像采集

所有患者仰臥于多功能定位板上，雙手臂交叉于額前，平穩(wěn)呼吸，采用熱塑體模固定。在美國(guó)GE公司的多層螺旋CT上行增強(qiáng)定位掃描，掃描范圍為膈肌上5 cm至第4腰椎下緣，層厚5 mm、層間距5 mm。將得到的CT圖像數(shù)據(jù)通過(guò)Sanjiasoft網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)傳輸至我科Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)工作站。

1.3 靶區(qū)危及器官勾畫及劑量限制

所有患者由專業(yè)放療醫(yī)師根據(jù)《胃癌精準(zhǔn)放療規(guī)范和靶區(qū)勾畫指南》勾畫靶區(qū)和危及器官，靶區(qū)范圍包括腫瘤原發(fā)灶、吻合口和淋巴引流區(qū)，定義為臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV），并外擴(kuò)0.8 cm作為計(jì)劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）。危及器官包括左右側(cè)腎臟、脊髓、肝臟、小腸等。處方劑量PTV為4 500 cGy（180 cGy/f，25次），要求為95%的PTV接受4 500 cGy劑量。危及器官需滿足：雙腎Dmean≤18 Gy，V20＜30%；脊髓Dmax≤45 Gy；肝臟Dmean≤23 Gy，V10＜65%，V20＜50%，V30＜30%；小腸Dmax＜50 cGy，V20＜40%。

1.4 治療計(jì)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化

采用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)IMRT計(jì)劃設(shè)計(jì)，所有計(jì)劃均布置7野照射，角度分別為15°、45°、80°、180°、280°、310°、345°。設(shè)置子野數(shù)目為50個(gè)，最小子野機(jī)器跳數(shù)為7 MU，最小子野面積分別選擇4、7、10、15、20、25、30、35、40和50 cm2，選擇合適的目標(biāo)函數(shù)，使用直接機(jī)器子野優(yōu)化（direct machine parameter optimization，DMPO）方法進(jìn)行逆向優(yōu)化，每例患者共得到10個(gè)計(jì)劃。選擇最小子野面積4 cm2作為對(duì)照組，設(shè)置靶區(qū)PTV目標(biāo)函數(shù)，Min Dose（最小劑量）為4 500 cGy，Max Dose（最大劑量）為4 900 cGy，Uniform Dose（平均劑量）為4 900 cGy，Min DVH（最小劑量體積）設(shè)置95%的體積劑量為4 540 cGy。危及器官目標(biāo)函數(shù)包括左右腎臟設(shè)置Max DVH（最大劑量體積），劑量參數(shù)為V20＜30%，V25＜20%；脊髓設(shè)置Max Dose函數(shù)，Dmax≤4 000 cGy；肝臟設(shè)置2個(gè)Max DVH目標(biāo)函數(shù)限制，V20＜45%，V30＜25%；小腸設(shè)置Max Dose和Max DVH函數(shù)，分別為Dmax＜4 900 cGy，V20＜30%。然后進(jìn)行逆向優(yōu)化，將得到的結(jié)果進(jìn)行劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）評(píng)估，若不滿足臨床要求，重新調(diào)整目標(biāo)函數(shù)和權(quán)重值進(jìn)行再次優(yōu)化計(jì)算，直至得到符合臨床要求的IMRT計(jì)劃。將最小子野面積4 cm2的計(jì)劃進(jìn)行拷貝，只修改最小子野面積，不改變其他優(yōu)化約束條件，依次獲得其他不同最小子野面積下的9個(gè)實(shí)驗(yàn)組IMRT計(jì)劃。

1.5 計(jì)劃評(píng)估與比較

通過(guò)DVH分別對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的劑量學(xué)差異進(jìn)行比較。比較參數(shù)包括計(jì)劃總子野數(shù)、機(jī)器跳數(shù)，靶區(qū)Dmax、Dmin、Dmean，劑量均勻度指數(shù)（homogeneity index，HI）和適形度指數(shù)（conformity index，CI）；危及器官比較參數(shù)包括左、右腎臟的Dmean和V20，肝臟、脊髓和小腸的Dmean、V10、V20、V30。其中HI值越小，靶區(qū)內(nèi)劑量分布越均勻；CI值范圍為0～1，CI越接近1，說(shuō)明靶區(qū)適形度越好[9]。靶區(qū)HI、CI計(jì)算公式如下：

式中，Dmax、Dmean和Dmin分別為2%、50%和98%的靶區(qū)體積所接受的照射劑量；VTref為靶區(qū)內(nèi)處方劑量所覆蓋的體積；VT為PTV體積；Vref為患者接受處方劑量的總體積[10]。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果行方差分析，以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，組間兩兩比較采用U檢驗(yàn)，P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DVH比較

最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)和其他不同子野面積的IMRT計(jì)劃的DVH比較如圖1所示。從圖1中可以看出，4 cm2vs 7 cm2和4 cm2vs 10 cm2的DVH的實(shí)線和虛線幾乎重合，說(shuō)明這3種不同最小子野面積可以得到幾乎一樣質(zhì)量的計(jì)劃。最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)，靶區(qū)DVH曲線與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)的曲線相比更陡峭，肝臟、小腸和左腎的曲線略低。最小子野面積設(shè)置為20 cm2時(shí)，靶區(qū)DVH曲線與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)的曲線幾乎一致，肝臟和左腎的曲線略低，但脊髓的曲線略偏高。當(dāng)最小子野面積分別設(shè)置為25、30、35、40和50 cm2時(shí)，所得靶區(qū)DVH曲線略遜于最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)，除了脊髓的曲線高于最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)，其他差異不明顯。

圖1 最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)（實(shí)線所示）和其他不同子野面積（虛線所示）IMRT計(jì)劃的DVH比較

2.2 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)和機(jī)器跳數(shù)比較

不同最小子野面積IMRT計(jì)劃間靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果見表1。由表1可知，最小子野面積設(shè)置為4~20 cm2時(shí)，CI值較高，平均值均≥0.97，HI值較小且≤0.054，各組之間HI和CI值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），表明在此范圍內(nèi)靶區(qū)適形度和均勻度較佳，且子野面積參數(shù)對(duì)CI和HI值影響不大；總子野數(shù)隨最小子野面積增加而逐漸減小，從48.40±0.89下降到37.63±1.21，機(jī)器跳數(shù)也從（434±27）MU下降到（340±28）MU，最小子野面積設(shè)置為7~20 cm2時(shí)與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。最小子野面積設(shè)置為25~40 cm2時(shí)，靶區(qū)CI平均值均≤0.95，與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；總子野數(shù)從34.47±1.33下降到30.85±1.01，機(jī)器跳數(shù)也從（322±26）MU下降到（301±20）MU，與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。雖然最小子野面積參數(shù)在25~40 cm2范圍增大時(shí)，總子野數(shù)和機(jī)器跳數(shù)減少了，但靶區(qū)的適形度和均勻度變差了，在臨床上并非最優(yōu)選擇。當(dāng)最小子野面積設(shè)置為50 cm2時(shí)，總子野數(shù)和機(jī)器跳數(shù)迅速降低至（22.11±0.08）和（278±18）MU，與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），但靶區(qū)CI值降為0.89±0.05，表明靶區(qū)適形度較差，臨床上一般不予采納。

表1 不同最小子野面積IMRT計(jì)劃間靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較（xˉ±s）

2.3 危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

由表2~5可知，小腸Dmean在最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)最小，為（1 011.90±158.23）cGy，在20 cm2時(shí)次之，為（1 013.92±152.71）cGy。小腸V10、V20和V30在最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)最小，分別為（34.78±10.92）%、（25.08±8.94）%和（8.46±4.53）%，與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。最小子野面積設(shè)置為4~20 cm2時(shí)，各組脊髓Dmean相差不大，為（1 129.44±199.57）~（1 133.83±225.37）cGy，且在最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)最小。最小子野面積設(shè)置為25~40 cm2時(shí)，脊髓Dmean變大，均大于最小子野面積設(shè)置為50 cm2時(shí)。脊髓V10、V20和V30在最小子野面積設(shè)置為7~50 cm2時(shí)變化不明顯，與最小子野面積設(shè)置為4 cm2時(shí)相比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。肝臟在最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)，Dmean、V10和V20均最小，分別為（1 144.00±299.86）cGy、（45.77±23.91）%和（25.68±7.59）%，V30較小，為（3.55±0.81）%。左右側(cè)腎臟的Dmean和V20在最小子野面積設(shè)置為25~35 cm2時(shí)均相對(duì)較小，左側(cè)腎臟的Dmean分別為（907.55±87.46）、（907.51±88.21）和（907.90±88.19）cGy，V20分別為（10.29±4.32）%、（10.29±4.30）%和（10.27±3.98）%；右側(cè)腎臟的Dmean分別為（945.07±103.77）、（945.04±103.82）和（945.11±103.90）cGy，V20分別為（9.85±3.77）%、（9.85±3.69）%和（9.89±3.72）%，各參數(shù)值變化幅度較小。

表2 不同最小子野面積IMRT計(jì)劃間小腸劑量學(xué)參數(shù)的比較（xˉ±s）

3 討論

IMRT與3D-CRT技術(shù)相比，在治療計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)使用大量小面積子野，提高了計(jì)劃質(zhì)量，但同時(shí)也增加了計(jì)劃質(zhì)量保證的難度[6]。計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置的最小子野面積過(guò)小，會(huì)增加總子野數(shù)量，同時(shí)機(jī)器跳數(shù)也會(huì)增加。Zwahlen等[11]和Ruben等[12]認(rèn)為計(jì)劃總子野數(shù)過(guò)多和機(jī)器跳數(shù)增加，會(huì)使多葉準(zhǔn)直器葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)間和受照時(shí)間延長(zhǎng)，增加患者暴露在射線環(huán)境中的時(shí)間。如何合理選擇最小子野面積、減少計(jì)劃總子野數(shù)量一直是臨床中需要考慮的問題。曹彥坤等[13]采用DMPO方法設(shè)置劑量限制環(huán)和強(qiáng)度級(jí)等，在不影響原計(jì)劃質(zhì)量的前提下，可以有效減少食管癌IMRT計(jì)劃總子野數(shù)和MU數(shù)。Worthy等[14]對(duì)12例頭頸部腫瘤IMRT計(jì)劃采用DMPO，發(fā)現(xiàn)當(dāng)最小的子野面積≥8 cm2時(shí)，評(píng)估的劑量學(xué)指標(biāo)最優(yōu)，可以顯著改善計(jì)劃輸出效率。查元梓等[15]研究靜態(tài)IMRT計(jì)劃子野權(quán)重優(yōu)化對(duì)宮頸癌計(jì)劃設(shè)計(jì)的影響，結(jié)果顯示總子野數(shù)顯著減少26%～31%，總機(jī)器跳數(shù)降低5.1%～9.7%，直腸、膀胱和小腸等危及器官的劑量也有所降低?？傋右皵?shù)和總機(jī)器跳數(shù)的降低可以縮短治療時(shí)間，減少正常組織的受照射劑量，從而降低正常組織毒副反應(yīng)的發(fā)生概率，這也為腫瘤劑量的提高提供了可能。

表3 不同最小子野面積IMRT計(jì)劃間脊髓劑量學(xué)參數(shù)的比較（xˉ±s）

表4 不同最小子野面積IMRT計(jì)劃間肝臟劑量學(xué)參數(shù)的比較（xˉ±s）

表5 不同最小子野面積IMRT計(jì)劃間腎臟劑量學(xué)參數(shù)的比較（xˉ±s）

本研究結(jié)果顯示，最小子野面積在4~50 cm2范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，所有IMRT計(jì)劃均能滿足臨床要求，機(jī)器跳數(shù)從（434±27）MU逐漸減少至（278±18）MU，總子野數(shù)從48.40±0.89降至22.11±0.08，靶區(qū)CI值從0.98±0.01下降至0.89±0.05，各危及器官的劑量學(xué)參數(shù)波動(dòng)較小。這與邱嶸等[6]對(duì)宮頸癌IMRT計(jì)劃設(shè)置最小子野面積為2~49 cm2時(shí)的劑量分布影響的研究結(jié)果一致。當(dāng)最小子野面積設(shè)置為4~20 cm2時(shí)，靶區(qū)HI平均值為0.048~0.054，均勻度較好；CI平均值均≥0.97，靶區(qū)適形度較佳。最小子野面積設(shè)置為25~40 cm2時(shí)，靶區(qū)CI和HI值基本不變，危及器官的劑量學(xué)參數(shù)比較亦無(wú)變化，總子野數(shù)和機(jī)器跳數(shù)也無(wú)明顯差異。綜合比較各組計(jì)劃，當(dāng)最小子野面積設(shè)置為15和20 cm2時(shí)，CI、HI平均值分別為0.97、0.051和0.98、0.054，靶區(qū)適形度和均勻度好。最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)，小腸和肝臟的Dmean、V10和V20，脊髓的Dmean以及左右側(cè)腎臟的Dmean和V20均略低于最小子野面積設(shè)置為20 cm2時(shí)，表明在危及器官劑量學(xué)比較方面，最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)放療計(jì)劃略占優(yōu)勢(shì)。最小子野面積設(shè)置為15和20 cm2時(shí)，總子野數(shù)分別減少至44.72±0.84和37.63±1.21，機(jī)器跳數(shù)分別減少至（383±35）和（340±28）MU，無(wú)疑在此方面，最小子野面積設(shè)置為20 cm2時(shí)的放療計(jì)劃優(yōu)于最小子野面積設(shè)置為15 cm2時(shí)。因?yàn)榭傋右皵?shù)和機(jī)器跳數(shù)的減少能縮短單次治療時(shí)間，提高技師的執(zhí)行效率，以臨床計(jì)劃質(zhì)量考慮，筆者建議最小子野面積參數(shù)設(shè)置為15 cm2時(shí)最佳，20 cm2時(shí)次之。

本研究采用Pinnacle39.10計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)最小子野面積設(shè)置對(duì)胃癌IMRT計(jì)劃質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)最小子野面積參數(shù)設(shè)置為15和20 cm2時(shí)，靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)參數(shù)較優(yōu)，機(jī)器跳數(shù)和總子野數(shù)也較少，因此建議在臨床計(jì)劃設(shè)計(jì)中，最小子野面積參數(shù)宜設(shè)置為15和20 cm2，以得到優(yōu)質(zhì)計(jì)劃方案，同時(shí)提高治療效率。本研究的不足之處是病種數(shù)量選擇有限，而且不同放療醫(yī)師勾畫靶區(qū)存在個(gè)體化差異，可能會(huì)對(duì)計(jì)劃評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生一定影響。另外，在最小子野面積參數(shù)的選擇上，梯度幅度選擇較大可能會(huì)忽視中間某個(gè)最優(yōu)值，是否在15~20 cm2范圍內(nèi)有更優(yōu)的最小子野面積不得而知。下一步工作中，將選擇更多的病例數(shù)，在15~20 cm2范圍內(nèi)以更小的遞增梯度繼續(xù)細(xì)化研究。