螺旋斷層放射治療計(jì)劃系統(tǒng)中不同計(jì)算網(wǎng)格對肺癌立體定向放射治療的劑量學(xué)影響

杭霞瑜，姜萬榮，李益坤，胡 俊，張 琰，曹若琪，徐 楠，王 磊，周晉達(dá)，孫向東

（東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院放射治療科，南京 210002）

0 引言

1 資料和方法

1.1 臨床資料

選取2019 年3 月至2022 年12 月于我院初次接受放射治療的9 例NSCLC 患者，均經(jīng)病理證實(shí)，其中男性患者7 例、女性患者2 例，年齡40～73 歲，中位年齡56 歲，周圍型肺癌3 例、中央型肺癌6 例。9 例患者的靶區(qū)體積在13.30～75.53 cm3，其中4 例患者的病灶臨近危及器官（organ at risk，OAR），2 例患者的病灶緊貼患側(cè)氣管、主動脈和食管。

1.2 CT 掃描

9 例患者均經(jīng)過呼吸訓(xùn)練，采用仰臥位，雙手抱頭置于額前，用熱塑體膜固定，平靜呼吸下使用Philips CT 模擬機(jī)（Brilliance CT Big Bore）掃描定位，掃描范圍從環(huán)狀軟骨到肋膈角下緣，包含雙側(cè)肺?；颊哌M(jìn)行定位相3D CT 和全時相（10 個時相）的4D CT掃描，層間距和層厚均為3 mm。

1.3 圖像融合

CT 圖像掃描重建后經(jīng)DICOM 端口傳輸至Pinnacle 系統(tǒng)，將自由呼吸的3D CT 圖像作為主圖像（primary image），10 個時相的4D CT 圖像作為次圖像（secondary image）進(jìn)行圖像融合，所得影像序列經(jīng)勾畫靶區(qū)及正常組織后通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至HT 系統(tǒng)進(jìn)行CGS 計(jì)劃設(shè)計(jì)。

1.4 OAR 的勾畫和放射治療計(jì)劃的設(shè)計(jì)

醫(yī)生在定位相3D CT 肺窗下勾畫臨床腫瘤靶區(qū)（gross tumor volume，GTV），根據(jù)10 個不同呼吸時相的GTV 生成內(nèi)靶區(qū)（internal target volume，ITV），并在ITV 三維方向上各外擴(kuò)5 mm 生成計(jì)劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）。OAR 包括主動脈、氣管、脊髓、食管、心臟、雙肺等。處方劑量定義為：周圍型肺癌70 Gy/10f，即7 Gy/f；中央型肺癌60 Gy/10f，即6 Gy/f，并要求100%處方劑量覆蓋95%的靶體積。采用HT系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，計(jì)算方法為卷積迭代算法，射線類型為標(biāo)稱6 MV X 射線。9 例NSCLC 患者使用的鉛門寬度為2.5 cm、調(diào)制因子（modulation factor，MF）為2.0、螺距比為0.18，每例患者的治療計(jì)劃都按Fine、Normal 和Coarse 3 種不同CGS 進(jìn)行設(shè)計(jì)，因HT 系統(tǒng)可360°旋轉(zhuǎn)出束，為更好地保護(hù)危及器官，計(jì)劃設(shè)計(jì)時對健側(cè)肺作射束入射方向（directional）調(diào)整，以屏蔽部分射野。

1.5 點(diǎn)劑量驗(yàn)證

測量工具包括TomoPhantom 模體、TomoElectrometer 劑量儀以及Standard Imaging A1SL 指形電離室。建立劑量驗(yàn)證模型時，電離室放置于劑量跌落區(qū)，分別對3 種CGS 計(jì)劃的點(diǎn)劑量進(jìn)行驗(yàn)證。

1.6 觀察比較指標(biāo)

（1）靶區(qū)適形性指數(shù)（conformity index，CI）：CI=（VT，ref/VT）×（VT，ref/Vref），其中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 的取值范圍為0～1，CI=1 表示等劑量線面所包繞的區(qū)域與靶體積完全一致，CI=0時表示等劑量線面所包繞的所有區(qū)域與靶區(qū)沒有重疊，CI 越接近于1 說明靶區(qū)適形性越好。

（2）均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）：HI=D2-D98/D50，其中D2為包繞2% PTV 的最低劑量，D98為包繞98%PTV 的最低劑量，D50為包繞50%PTV 的最小劑量。HI 越接近于0 說明靶區(qū)均勻性越好。

（3）OAR 的劑量學(xué)參數(shù)：氣管、食管、脊髓和主動脈的Dmax、Dmean；全肺和患側(cè)肺的V5、V20、V30和Dmean，健側(cè)肺的V5、Dmax；心臟V10、V30、V40、Dmax和Dmean。

長江天鵝洲白鱀豚國家級自然保護(hù)區(qū)于 1992年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)建立，轄長江89 km石首江段和天鵝洲故道，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣直接關(guān)系到生活于其中的保護(hù)動物如白鱀豚（Lipotes vexillifer）和江豚（Neophocaena asiaeorientalis）等棲息環(huán)境的好壞，進(jìn)而影響其種群的正常繁衍和維系。本研究以湖北石首長江天鵝洲白鱀豚國家級自然保護(hù)區(qū)附近長江河段（89 km）為研究對象，采用多元統(tǒng)計(jì)方法，研究該河段浮游動植物群落結(jié)構(gòu)及季節(jié)變化，探討浮游動植物之間的相互關(guān)系，為該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與研究工作提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

（4）點(diǎn)劑量驗(yàn)證通過率：Error%=（MD-CD）/CD，其中MD 為測量值，CD 為計(jì)算值，Error%為所得百分相對誤差（要求在±3%以內(nèi)），數(shù)值越接近于0，代表誤差越低，通過率越高。

（5）治療時間、機(jī)器出束量和Sinograms 圖。其中Sinograms 是HT 系統(tǒng)射束強(qiáng)度分布圖，其色階深度代表該子野射線強(qiáng)度，色階分布越均勻表示治療計(jì)劃越簡單，機(jī)器執(zhí)行效率越高。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，由于3 組檢測數(shù)據(jù)樣本數(shù)相同且其差值均呈現(xiàn)非正態(tài)分布，故進(jìn)行多配對樣本Friedman 非參數(shù)檢驗(yàn)、事后多重比較，P<0.05 表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 HI 和CI 比較結(jié)果

對于HI，3 種CGS 計(jì)劃中Fine 與Coarse 計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），F(xiàn)ine 與Normal 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；對于CI，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=16.222，P<0.05），F(xiàn)ine 與Normal 計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），詳見表1。

表1 3 種CGS 計(jì)劃中PTV 的HI 和CI 比較結(jié)果（）

表1 3 種CGS 計(jì)劃中PTV 的HI 和CI 比較結(jié)果（）

2.2 部分OAR 的劑量學(xué)參數(shù)比較結(jié)果

3 種CGS 計(jì)劃OAR Dmax、Dmean的比較結(jié)果詳見表2、3。結(jié)果表明，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃心臟Dmax、Dmean比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），而Fine 與Normal計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；Fine 與Coarse 計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃食管Dmax比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），F(xiàn)ine與Coarse 計(jì)劃食管Dmean比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=10.800，P<0.05），而Fine 與Normal 計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；3 種CGS 計(jì)劃間主動脈Dmax比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；3 種CGS 計(jì)劃間的主動脈Dmean，脊髓Dmax、Dmean比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表2 3 種CGS 計(jì)劃OAR Dmax、Dmean 的比較結(jié)果（）

表2 3 種CGS 計(jì)劃OAR Dmax、Dmean 的比較結(jié)果（）

表3 OAR 劑量配對比較結(jié)果（P 值）

3 種CGS 計(jì)劃心臟V10、V30、V40比較結(jié)果詳見表4、5?？梢? 種CGS 計(jì)劃心臟V40比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃心臟V10、V30比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），F(xiàn)ine 與Normal計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表4 3 種CGS 計(jì)劃心臟V10、V30、V40 的比較結(jié)果（）

表4 3 種CGS 計(jì)劃心臟V10、V30、V40 的比較結(jié)果（）

表5 心臟V10、V30 配對比較結(jié)果（P 值）

2.3 肺組織受照劑量比較結(jié)果

3 種CGS 計(jì)劃全肺和患側(cè)肺V5、V20、V30、Dmean比較結(jié)果詳見表6、7。全肺和患側(cè)肺V5、V20、V30和Dmean比較，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），F(xiàn)ine 與Normal 計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表6 全肺和患側(cè)肺V5、V20、V30 和Dmean 比較結(jié)果（）

表6 全肺和患側(cè)肺V5、V20、V30 和Dmean 比較結(jié)果（）

表7 全肺和患側(cè)肺V5、V20、V30 配對比較結(jié)果（）

表7 全肺和患側(cè)肺V5、V20、V30 配對比較結(jié)果（）

健側(cè)肺V5和Dmax的對比結(jié)果詳見表8。結(jié)果顯示，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），F(xiàn)ine 與Normal 計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表8 健側(cè)肺的V5 和Dmax 比較結(jié)果（P 值）

2.4 點(diǎn)劑量驗(yàn)證通過率比較結(jié)果

3 種CGS 計(jì)劃的點(diǎn)劑量驗(yàn)證通過率比較結(jié)果詳見表9。結(jié)果顯示，F(xiàn)ine、Normal、Coarse 計(jì)劃的點(diǎn)劑量驗(yàn)證通過率分別約為0.96%、1.50%、1.77%，均在標(biāo)準(zhǔn)誤差內(nèi)。相比之下，采用Fine 計(jì)劃的測量劑量較Normal 和Coarse 計(jì)劃更接近HT 治療計(jì)劃系統(tǒng)的計(jì)算劑量，通過率較Normal 和Coarse 計(jì)劃高。

表9 3 種CGS 計(jì)劃的點(diǎn)劑量驗(yàn)證通過率比較結(jié)果

2.5 治療時間和機(jī)器出束量比較結(jié)果

3 種CGS 計(jì)劃的治療時間和機(jī)器出束量比較結(jié)果詳見表10。結(jié)果可見，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P 均=0.001），F(xiàn)ine 與Normal計(jì)劃、Normal 與Coarse 計(jì)劃比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表10 3 種CGS 計(jì)劃的治療時間和機(jī)器出束量比較結(jié)果（）

表10 3 種CGS 計(jì)劃的治療時間和機(jī)器出束量比較結(jié)果（）

2.6 Sinograms 圖比較結(jié)果

Sinograms 圖是旋轉(zhuǎn)圈數(shù)（或床的位置）與機(jī)架角度的函數(shù)所表示的射線強(qiáng)度，是連續(xù)螺旋照射中多葉準(zhǔn)直器打開時間的模式，其橫軸代表機(jī)架角度方向觀，縱軸代表機(jī)架旋轉(zhuǎn)數(shù)（或床位置方向觀）。通過對本研究中Fine、Normal、Coarse 3 種CGS 計(jì)劃的Sinograms 圖（如圖1 所示）進(jìn)行分析，可得Fine 計(jì)劃正弦圖子野色階較為均勻，Coarse 計(jì)劃存在極深和極淺的色階區(qū)域，Normal 計(jì)劃則介于二者之間，體現(xiàn)了機(jī)器在計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度上Fine 計(jì)劃最簡單，Coarse 計(jì)劃最復(fù)雜。

圖1 3 種CGS 計(jì)劃的Sinograms 圖

3 討論

CGS 是HT 治療計(jì)劃系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的設(shè)置參數(shù)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者報(bào)道了計(jì)劃系統(tǒng)中不同CGS對放射治療劑量的影響。郭栓栓等[7]比較了網(wǎng)格精度對不同部位腫瘤治療計(jì)劃的影響，美國醫(yī)學(xué)物理協(xié)會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）對IMRT-SBRT 使用的CGS 大小給出了建議[8]，而Huang 等[9]則分析了肺癌SBRT 計(jì)劃中算法和網(wǎng)格對劑量學(xué)的影響，上述研究結(jié)論均證實(shí)了不同CGS 設(shè)置對治療計(jì)劃及劑量學(xué)會產(chǎn)生影響。理論上CGS 越小，計(jì)算精度則越高，對于陡峭的劑量梯度則需要較小的CGS。有研究發(fā)現(xiàn)使用1 mm 的CGS能明顯改善劑量計(jì)算精度[10]，Kan 等[11]推薦在肺癌患者的SBRT 計(jì)劃中使用1 mm 的CGS。

本研究選擇9 例NSCLC 患者，靶區(qū)體積在13.30～75.53 cm3，其中6 例屬中央型肺癌，4 例病灶臨近OAR，2 例病灶緊貼患側(cè)氣管、主動脈和食管，這對正常組織限量和計(jì)劃設(shè)計(jì)有著較高的要求。由于調(diào)強(qiáng)適形放射治療PTV 附近劑量跌落快，稍大的CGS會導(dǎo)致這些器官的計(jì)算誤差增加，這與國內(nèi)學(xué)者陳祥等[12]報(bào)道的CGS 對SBRT 的劑量學(xué)影響，靶區(qū)體積為4～78 cm3情況下建議使用2 mm 或更小的CGS結(jié)論相符。在HI 方面，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃、Normal與Coarse 計(jì)劃比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；在CI 方面，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），本研究結(jié)果與王君等[13]提出的CGS 對肺癌PTV 及OARs 劑量學(xué)影響的結(jié)論相一致，說明CGS越小，靶區(qū)劑量分布越均勻，適形性越高。對于OAR，心臟的Dmax、Dmean比較，F(xiàn)ine 與Coarse 計(jì)劃比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；脊髓因距離靶區(qū)較遠(yuǎn)，優(yōu)化中較易實(shí)現(xiàn)限度目標(biāo)值，導(dǎo)致3 種計(jì)劃Dmax、Dmean比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），Kim 等[14]的研究也有類似結(jié)論；Fine 和Coarse 計(jì)劃全肺和患側(cè)肺的V5、V20、V30和Dmean，健側(cè)肺的V5和Dmax，心臟的V30比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），使用Fine CGS 能減小肺部和心臟的低劑量照射體積，減少放射性肺炎和心包炎的發(fā)生。

對于點(diǎn)劑量驗(yàn)證通過率，本研究選取靶區(qū)外臨近組織部位點(diǎn)劑量區(qū)，以國際輻射學(xué)單位委員會（International Commission Radiological Units，ICRU）和AAPM 為參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果顯示Fine 計(jì)劃較Normal、Coarse 計(jì)劃有更高的點(diǎn)劑量通過率，這與Ong 等[6]的研究結(jié)果相一致，說明CGS 既影響劑量計(jì)算的精度又影響劑量的分布，網(wǎng)格越小、相鄰體素的劑量梯度越呈線性變化，其計(jì)算的精度越高；反之可能偏離線性，偏離越大計(jì)算誤差越大。臨床中，對于復(fù)雜、具有較小體積靶區(qū)或器官以及正常組織已處于臨界劑量的患者，應(yīng)盡可能使用小CGS 設(shè)置以獲取更為準(zhǔn)確的劑量分布，更有利于患者放射治療順利執(zhí)行并計(jì)劃預(yù)防不良反應(yīng)的發(fā)生。

對于治療時間和機(jī)器出束量2 項(xiàng)參數(shù)，F(xiàn)ine 計(jì)劃較Normal 和Coarse 計(jì)劃的數(shù)值均低。結(jié)合Sinograms 圖分析，圖中正弦圖陰影是由多個子野組成，色階越深的部分表示該子野出束量（通量）越大，子野的整體明暗色階分布體現(xiàn)了子野調(diào)制的復(fù)雜程度，色階越深表示該區(qū)域射束強(qiáng)度越大，越淺表示強(qiáng)度越小，色階分布越均勻表示治療計(jì)劃越簡單。本研究中Fine 計(jì)劃相較于Coarse 計(jì)劃，正弦圖子野色階較為均勻，子野銜接過渡自然，而Coarse 計(jì)劃整個正弦圖自上而下普遍存在極深和極淺的色階區(qū)域，說明Coarse 計(jì)劃下的子野調(diào)制相較于Fine 計(jì)劃復(fù)雜程度顯著提升，執(zhí)行效率相應(yīng)下降，治療時間和出束量也相應(yīng)提升，而Normal 計(jì)劃則介于二者之間。Fine計(jì)劃由于較容易達(dá)成優(yōu)化協(xié)議，無論計(jì)劃優(yōu)化時間以及機(jī)器實(shí)施參數(shù)均優(yōu)越于Normal、Coarse 計(jì)劃，加快了治療床運(yùn)行的速度，縮短了機(jī)架旋轉(zhuǎn)周期及患者實(shí)際治療時間，在降低計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算及治療設(shè)備實(shí)施復(fù)雜度的同時也減少了不確定性因素。

綜上所述，HT 治療計(jì)劃系統(tǒng)中不同CGS 的設(shè)置將影響放射治療劑量學(xué)計(jì)算的精確性，相比于Normal和Coarse 計(jì)劃，F(xiàn)ine 計(jì)劃能改善靶區(qū)的CI 和HI，降低正常組織受量，更好地保護(hù)OAR。因此，在NSCLC患者SBRT 中建議使用Fine CGS 進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)。

本研究對于不同CGS 下計(jì)劃及治療設(shè)備的復(fù)雜度分析目前僅停留在部分?jǐn)?shù)據(jù)和定性分析上，尚未精確定量分析數(shù)據(jù)。通過HT 系統(tǒng)算法和治療設(shè)備底層數(shù)據(jù)的途徑定量分析治療計(jì)劃的復(fù)雜程度，是未來更進(jìn)一步的研究方向。