通量平滑度對肺癌放療物理劑量和生物劑量的影響

彭圣賢 龐 亞 劉 悅 王 東

(ThePracticalJournalofCancer,2023,38:0167～0171)

肺癌的發(fā)病率在全球居于首位，在我國也長期居于第一[1-2]。放射治療可以作為肺癌的一種重要治療手段。在調(diào)強放射治療優(yōu)化系統(tǒng)中，計劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)通過逆向優(yōu)化迭代重建算法產(chǎn)生射束(beamlet)的通量，即“最優(yōu)通量圖”。計劃復(fù)雜性可以描述為射束通量分布大小[3-4]。靶區(qū)和危及器官(organs at risk，OARs)越復(fù)雜的幾何形狀決定了更高的靶區(qū)適形度，并且越壓低OAR劑量，通量圖就越復(fù)雜；反之，對OAR劑量要求寬松，靶區(qū)適形度變差，通量復(fù)雜度就降低。在臨床工作中，一些復(fù)雜且苛刻的放療計劃會造成放療計劃系統(tǒng)運算時間長，執(zhí)行計劃的機器跳數(shù)增加，給機器帶來負(fù)擔(dān)。當(dāng)前多種計劃系統(tǒng)自帶通量平滑度選項[5]，因此本研究以肺癌放療為例，基于Eclipse系統(tǒng)，比較靶區(qū)和OAR的劑量學(xué)和放射生物學(xué)在不同通量平滑參數(shù)時的參數(shù)差異。

1 資料與方法

1.1 通量平滑度

在調(diào)強優(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通過逆向計劃優(yōu)化算法產(chǎn)生射束的通量。通量平滑分為兩個方向，一個方向與MLC運動相向，另一個方向與MLC運動垂直。其中與MLC運動相向平滑值可以大大影響葉片運動的復(fù)雜性并降低機器跳數(shù)MU；與MLC運動垂直的平滑則影響MLC 的“凹凸槽”效應(yīng)。通量平滑函數(shù)是優(yōu)化罰分函數(shù)的一部分。系統(tǒng)在優(yōu)化時不區(qū)分靶區(qū)和危及器官的罰分函數(shù)如(1)所示[6]。

式(1)中第四項為與通量平滑有關(guān)的罰分函數(shù)。

1.2 臨床資料

回顧性分析選取2019年6月至2019年12月在自貢市第一人民醫(yī)院腫瘤科治療的20例肺癌患者，使用碳纖維板、熱塑膜聯(lián)合枕頭固定患者，統(tǒng)一取仰臥位，在飛利浦CT模擬定位機下增強掃描。由副主任醫(yī)師按照ICRU83報告靶區(qū)和左右肺、心臟、脊髓等OAR。

1.3 計劃設(shè)計

對每個患者制定6組逆向調(diào)強計劃，第一組計劃使用默認(rèn)的通量平滑值Smooth 40 30，即與MLC平行方向為40，與MLC垂直的方向平滑為30。本研究危及器官權(quán)重設(shè)定位100，依據(jù)通量平滑值與危及器官目標(biāo)函數(shù)最大權(quán)重百分比制定其他五組逆向調(diào)強計劃。其他五組依次為Smooth 0 0、Smooth 20 10、Smooth 60 50、Smooth 80 70、Smooth 100 100。每個患者6組計劃均是設(shè)計固定野調(diào)強(fixed field Intensity Modulated Radiotherapy，ff-IMRT)，射線均為6MV X射線，處方劑量均為66 Gy/33F。各組計劃優(yōu)化條件一致，計劃系統(tǒng)為Eclipse v13.6，在Varian Trilogy加速器上治療。

1.4 計劃評估

1.4.1 劑量學(xué)參數(shù) 從放療計劃的劑量-體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)來獲取放療計劃PTV和OAR的評估指標(biāo)和各參數(shù)計算，參考國際輻射單位與測量委員會83號報告[7]。靶區(qū)的評估指標(biāo)為：D2、平均劑量Dmean、D98，其中D2、D98分別為包圍PTV體積2%、98%的最低劑量；均勻性指數(shù)(homogeneity index， HI)定義為HI=(D2-D98)/Dmean，HI值越小，則PTV劑量越均勻。適形度指數(shù)(conformity index，CI)定義為CI=(VT,r/VT)×(VT,r/Vr)，其中VT為PTV體積，VT,r為處方劑量所包繞的PTV體積，Vr為處方劑量所包繞的總體積，CI值上限為1，越大說明靶區(qū)越適形。各危及器官的劑量參數(shù)為肺V5、V20、V30；心臟V30、V40、Dmean，脊髓Dmax。此外，評估各計劃的機器跳數(shù)(monitor unit,MU)。

1.4.2 放射生物學(xué)參數(shù) 腫瘤控制概率(tumor control probability,TCP)和正常組織并發(fā)癥概率(normal tissue complication probability,NTCP)采用文獻的放射生物學(xué)模型[8]。等效均勻劑量(equivalent uniform dose,EUD)函數(shù)用于評價某一解剖結(jié)構(gòu)受到不均勻劑量照射的生物學(xué)效應(yīng)，如式(2)所示。該公式適用于腫瘤和正常組織。

式(2)中，N為靶區(qū)或者正常組織內(nèi)總的體素個數(shù)，di為第i個體素的點劑量，a為不同組織的體積特性參數(shù)?；贓UD，TCP可以定義為式(3)[9-11]：

式(3)中，TCD50為腫瘤控制率為50%的劑量，γ50為腫瘤控制概率為50%時劑量響應(yīng)曲線的斜率，為無量綱參數(shù)?；贓UD，對于正常組織，NTCP可以定義為式(4)：

式(4)中，TD50為正常組織5年出現(xiàn)50%并發(fā)癥概率的耐受劑量。γ50為正常組并發(fā)癥概率為50%時劑量響應(yīng)曲線的斜率。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS v22.0軟件進行統(tǒng)計處理，經(jīng)檢驗符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，對照組Smooth 40 30與其他組采用配對t檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 劑量學(xué)參數(shù)結(jié)果

圖1所示是某個病例通量平滑為6組計劃的靶區(qū)劑量分布圖。表1所示是6組通量平滑靶區(qū)PTV的劑量學(xué)參數(shù)。與對照組Smooth 40 30相比，Smooth 0 0、Smooth 20 10通量組的D2有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)；所有組CI和D98均有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)；Smooth 0 0、Smooth 100 100通量組的Dmean有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)；Smooth 100 100通量組的HI有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)。從表2中OAR劑量學(xué)看出，通量平滑值在Smooth 40 30以上，OAR受量增加。與Smooth 40 30相比，只有Smooth 100 100危及器官受量指標(biāo)有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)，其他大部分指標(biāo)無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。

表1 靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較

表2 危及器官劑量學(xué)參數(shù)比較

注：a為Smooth 0 0;b為Smooth 20 10;c為Smooth 40 30;d為Smooth 60 50;e為Smooth 80 70;f為Smooth 100 100。圖1 六組計劃的靶區(qū)劑量分布圖

圖2是機器跳數(shù)(MU)的平均值隨通量平滑變化的趨勢圖。與Smooth 40 30相比，其他通量平滑組MU均有統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)。從圖中看出，隨著通量平滑值，MU顯著減小。

圖2 MU隨通量變化

2.2 放射生物學(xué)參數(shù)結(jié)果

在Eclipse計劃系統(tǒng)中以0.1 Gy為間隔導(dǎo)出txt格式的DVH圖，利用Matlab程序[12]計算TCP和NTCP。對于PTV，TCD50=36.5，γ50=0.72，a=-13，α/β=10，危及器官肺TD50=24.5，γ50=2，a=3，α/β=3；心臟TD50=50，γ50=3，a=3，α/β=2；脊髓TD50=66.5，γ50=4，a=13，α/β=2。計算所需的相關(guān)參數(shù)來自參考文獻[13-15]。

圖3所示為PTV靶區(qū) TCP平均值，正常肺，脊髓和心臟的NTCP平均值隨通量平滑變化圖。與Smooth 40 30通量組相比，其他通量組TCP均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；正常肺NTCP除Smooth 0 0，Smooth 20 10外、其他通量組有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。脊髓和心臟的NTCP無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。

3 討論

以往的報道多數(shù)是僅針對劑量學(xué)依據(jù)[16-18]，少數(shù)以生物劑量為依據(jù)報道[19]。本研究結(jié)合物理劑量和生物劑量評估肺癌放療計劃通量平滑值的影響。

本研究參考部分文獻[20-21]，選取不同的通量平滑值，以劑量學(xué)和典放射生物學(xué)參數(shù)為依據(jù)，選出最佳的通量平滑值。早期有學(xué)者[20]報道了Eclispe系統(tǒng)通量平滑對前列腺癌和頭頸部腫瘤放療計劃的影響，發(fā)現(xiàn)通量平滑值對葉片因子、劑量學(xué)參數(shù)有影響。Broderick等[22]報道了通量平滑可以降低機器跳數(shù)和危及器官的劑量，Matuszak[23]和Giorgia[24]報道了通量平滑值的增加對劑量投照的準(zhǔn)確性有影響。如今成熟的商用計劃系統(tǒng)自帶了通量平滑[5,17-18]，Elipcse計劃系統(tǒng)的通量平滑值范圍從0～1000，本研究參考其他文獻選取兩個方向通量范圍為0～100。通量平滑值越大，機器跳數(shù)越小，機器跳數(shù)增加反映了計劃的復(fù)雜性變大。賈曉斌等[17]報道了不同通量平滑值下頭頸部腫瘤放療劑量學(xué)影響，結(jié)論是通量平滑太大，靶區(qū)覆蓋率會受影響并且危及器官劑量提高，這與本研究結(jié)論一致，本研究OAR在Smooth 60 50及以上時，OAR受量增加。潘香等[18]比較了Monaco計劃系統(tǒng)低、中、高3種通量平滑在左側(cè)乳腺調(diào)強放療中的劑量學(xué)，通量平滑度增加會減少機器跳數(shù)，這些結(jié)論與本研究基本一致。機器跳數(shù)MU在Smooth 40 30及以下時，MU較高，給臨床工作帶來負(fù)擔(dān)。

早期，有許多計算放射生物學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型和工具[12,25]，Gay等[12]提供了Matlab程序用于計算TCP和NTCP，本研究采用其推薦的程序基于EUD模型計算肺癌的TCP和NTCP 。TCP及NTCP與通量平滑值的變化趨勢基本穩(wěn)定，因此，通量平滑值變化對放射生物學(xué)參數(shù)影響不大。此外，由圖1看出Smooth 100 100時OAR受量較高，靶區(qū)均勻性較差，臨床實用性較差，因此本研究沒有考慮Smooth 100 100以上的通量平滑值。

基于臨床需求和硬件條件，考慮劑量學(xué)和放射生物學(xué)參數(shù)及機器跳數(shù)，在肺癌固定野調(diào)強放療計劃中建議選取通量平滑值為Smooth 60 50。