Monaco計劃系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)對非小細胞肺癌的劑量學影響

柴林 王慧馳 王延虎 洪梅 常遠

非小細胞肺癌約占所有類型肺癌患者中的80%～85%[1-2]，約65%以上的患者需要進行不同類型的放射治療[3]。調強放射治療(Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT)能使處方劑量分布被“修整”的與靶區(qū)形狀幾乎一致，又可以很好的降低危及器官(Organs-At-Risk，ORA)的受量，在放射治療中發(fā)揮極為重要作用[4-7]。IMRT計劃設計過程中，是多種因素共同作用的結果，如子野個數(shù)、子野面積、子野寬度等[8-10]。因此，需要分析相關因素對IMRT計劃設計結果的影響，以更好的完成治療計劃設計。目前市場上有多種治療計劃系統(tǒng)(Treatment Planning System，TPS)，Monaco TPS是以腫瘤精確放療為目的，在保證劑量計算的準確性的同時，能夠更好的保護危及器官。本研究基于Monaco5.11 TPS分析IMRT計劃中最小子野面積、最小子野寬度改變對非小細胞肺癌劑量分布的影響。

資料與方法

一、一般資料

選取2020年1月～2020年12月期間在南京市胸科醫(yī)院進行IMRT放射治療的25例非小細胞肺癌鱗癌患者。入選患者中男性為15例，女性為10例；所有患者年齡在45～70歲，均值(56±1.27)歲。

入選患者納入與排除標準：

(1)納入標準：①各種原因需要進行手術后外照射；②各種原因需要進行化療后外照射；③患者治療為完整的放射治療；④外照射劑量為60Gy/6周。(2)排除標準：①有遠處廣泛轉移；②五年內有兩次及兩次以上放射治療；③有放射治療禁忌癥。

二、定位方法

所有患者仰臥，雙手舉過頭頂交叉放置，使用熱塑體模進行體位固定。掃描范圍上界到上頸部，下界到上腹部(包括全肺)，掃描層厚設置為0.3 cm，患者均使用增強造影劑進行造影。最后將所有定位CT圖像均通過數(shù)字成像和通信(Digital Imaging And Communication Of Medicine, DICOM)接口傳輸?shù)絋PS。

三、靶區(qū)及危及器官勾畫

靶區(qū)包括腫瘤靶體積(Gross Tumor Volume, GTV)和臨床靶體積(Clinical Target Volume, CTV)的勾畫，ORA包括全肺、心臟和脊髓[11]。靶區(qū)和ORA的勾畫均按照腫瘤放射治療協(xié)作組織(Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)0418指南進行勾畫[12]。

四、處方劑量及劑量限量

采用Monaco5.11版本TPS進行計劃設計，25例患者計劃設計時，在盡可能減少肺組織受到照射野照射的基礎上，都采用6個主野(上3下3個)的布野方式。每位患者處方劑量均給予60 Gy，總次數(shù)為30次，每次2 Gy，每周進行5次放射治療，X射線能量為6 MeV?；?5%體積的計劃靶區(qū)(Planning Target Volume，PTV)接受60 Gy以上的處方劑量，ORA劑量限量(見表1)。

五、優(yōu)化參數(shù)計劃設計

IMRT計劃優(yōu)化方法：最小子野面積、最小子野寬度等2種優(yōu)化參數(shù)中，任意固定1個優(yōu)化參數(shù)，改變另外1個優(yōu)化參數(shù)對IMRT計劃進行重新優(yōu)化，分析優(yōu)化參數(shù)改變對IMRT計劃中PTV、ORA劑量分布及對機器總跳數(shù)的影響趨勢。由于在平時工作中IMRT治療計劃設計所使用最小子野面積最多的是3 cm2、最小子野寬度最多的是0.8 cm，因此，在本研究中對保持恒定的1個參數(shù)與臨床中使用頻率最高的情形保持一致。優(yōu)化過程：1)最小子野寬度設為0.8 cm，最小子野面積依次設置為1 cm2、2 cm2、3 cm2、5 cm2、8 cm2、10 cm2、12 cm2、15 cm2、18 cm2、20 cm2等數(shù)值，對IMRT計劃進行重新優(yōu)化；2)最小子野面積設為3 cm2，最小子野寬度為依次設置為0.5 cm、0.7 cm、0.8 cm、1.0 cm、1.2 cm、1.5 cm、1.8 cm、2.0 cm等數(shù)值，對IMRT計劃進行重新優(yōu)化。將不同優(yōu)化參數(shù)下，IMRT計劃中PTV、ORA受照劑量分布及機器總跳數(shù)等數(shù)據(jù)取平均值后進行數(shù)值分析。

六、計劃評估指標

分析不同優(yōu)化參數(shù)中劑量-體積直方圖(Dose-Volume Histogram，DVH)，當靶區(qū)95%體積符合處方劑量的情況下，觀察PTV和ORA的受照劑量分布及機器總跳數(shù)。PTV評價參數(shù)包括適形指數(shù)(Conformal Index，CI)和均勻指數(shù)(Homogeneity Index，HI)，CI越接近1代表靶區(qū)劑量適形度越好、 HI越小，代表靶區(qū)劑量均勻性越好[13-14]，ORA評價參數(shù)包括：全肺V5、V20、V30、V40和肺平均劑量(Mean Dose，Dmean)、心臟V30、V40和心臟平均劑量(Mean Dose，Dmean)及脊髓最大劑量(Max Dose，Dmax)，機器參數(shù)：機器總跳數(shù)。

HI計算方法如公式(1)所示[15]。

HI=(D2-D98)/D處方

(1)

其中，D2為DVH劑量曲線上2%靶體積所接受的照射劑量，近似為靶體積的“最大劑量”，D98為DVH劑量曲線上98%靶體積所接受的照射劑量，近似為靶體積的“最小劑量”，D處方為靶區(qū)的處方劑量。

CI計算方法如公式(2)所示[16]：

(2)

其中，Vp代表靶區(qū)體積、Vp,r為參考劑量線所包圍的靶體積、Vr為參考劑量線包圍的所有體積。

七、統(tǒng)計學處理

采用SPSS 23.0統(tǒng)計學分析軟件，對最小子野面積、最小子野寬度等優(yōu)化參數(shù)改變后IMRT計劃計算結果進行數(shù)據(jù)處理，并進行配對LSD-t檢驗，計算數(shù)據(jù)結果采用均數(shù)±標準差表示(x±s)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義[17]。

結 果

一、最小子野寬度不變，改變最小子野面積情況比較

IMRT計劃中固定最小子野寬度為0.8 cm，通過改變最小子野面積(范圍1～20 cm2)對IMRT計劃重新優(yōu)化，觀察優(yōu)化后IMRT計劃中PTV統(tǒng)計指標HI和CI、ORA受照劑量分布及機器總跳數(shù)的變化趨勢。本實驗主要是針對2種參數(shù)改變對IMRT計劃中PTV、ORA受照劑量分布及機器總跳數(shù)的影響，因此在本研究中將最小子野面積為1 cm2時，IMRT計劃對應的PTV、ORA受照劑量分布及機器總跳數(shù)結果的平均值作為基準值，將其它參數(shù)值對IMRT計劃重新優(yōu)化后得到結果的平均值與其進行對比分析。

最小子野面積參數(shù)的改變，對IMRT計劃重新優(yōu)化結果與1 cm2時IMRT計劃結果，進行比較分析，結果顯示：1)肺V5變化范圍在(+0.1±0.06)%～(+0.3±0.21)%，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)、肺V20變化在最小子野面積為1～2 cm2范圍內時，呈現(xiàn)出快速增加，在2 cm2達到最大值(+0.8±0.12)%，在最小子野面積為2～3 cm2范圍內呈現(xiàn)出快速降低，在3 cm2達到最小值(-1.21±0.2)%，最小子野面積在3～20 cm2范圍內變化，肺V20變化范圍在(-0.98±0.52)%～(-0.77±0.39)%，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。肺V30變化范圍在(-0.37±0.11)%～(-0.33±0.04)%，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)、V40變化范圍在(-0.14±0.18)%～(-0.42±0.08)%，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)、肺Dmean變化范圍在(-0.5±0.37) Gy～(+0.5±0.21) Gy，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；2)隨著最小子野面積的改變，心臟V30變化范圍在(+0.53±0.23)%～(+2.72±0.49)%，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，心臟V40變化范圍在(+0.22±0.21)%～(+0.87±0.05)%，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)、心臟Dmean變化范圍在(-0.67±0.16) Gy～(+0.61±0.05) Gy，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；3)最小子野面積改變對脊髓Dmax影響比較小,變化范圍在(-0.05±0.41) Gy～(+0.26±0.67) Gy，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；4)PTV統(tǒng)計指標中，CI數(shù)值逐漸減小、HI數(shù)值逐漸增大，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；5)機器參數(shù)：機器總跳數(shù)顯著下降，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。當最小子野面積大于15 cm2時，PTV統(tǒng)計指標中HI和CI，肺V5、V20、V30、V40、肺Dmean，心臟V40、Dmean及脊髓Dmax劑量分布變化不明顯(見圖1)。

圖1 基于最小子野面積1 cm2-PTV、ORA及機器總MU變化趨勢圖

二、最小子野面積不變，改變最小子野寬度情況比較

IMRT計劃中固定最小子野面積為3 cm2，通過改變最小子野寬度(范圍0.5～2.0 cm)對IMRT計劃進行重新優(yōu)化，觀察優(yōu)化后IMRT計劃中PTV統(tǒng)計指標中的HI和CI、ORA受照劑量分布及機器總跳數(shù)的變化趨勢。最小子野寬度為0.5 cm時，IMRT計劃對應的PTV、ORA受照劑量分布及機器總跳數(shù)結果的平均值作為基準值，將其它數(shù)值對IMRT計劃進行重新優(yōu)化得到結果的平均值與其進行對比分析。

最小子野寬度參數(shù)的改變，對IMRT計劃重新優(yōu)化結果與0.5 cm時IMRT計劃結果進行比較分析，結果顯示：1)肺V5變化范圍在(-0.07±0.09)%～(+1.39±0.35)%，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)、V40變化范圍在(+0.29±0.14)%～(+1.09±0.65)%，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)、肺V20變化范圍在(-1.11±0.24)%～(-0.67±0.47)%，在最小子野寬度為0.8 cm時，V20受照劑量分布為最小，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)、肺V30變化范圍在(+1±0.17)%～(+1.57±0.15)%，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)、最小子野寬度變化對肺Dmean受照劑量分布影響較小，變化范圍在(-0.22±0.05) Gy～(+0.12±0.04) Gy，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；2)最小子野寬度改變，對心臟V30和Dmean受照劑量分布影響比較大，心臟V30變化范圍在(-0.28±0.73)%～(+3.77±2.01)%，在最小子野寬度為0.8 cm時，V30受照劑量分布為最小，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)、心臟Dmean變化范圍在(+1.0±0.57) Gy～(+2.15±1.28) Gy，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，心臟V40變化范圍在-0.01%～(+1.35±1.07)%，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；3)脊髓Dmax變化范圍在(-0.62±0.11) Gy～(+1.15±0.82) Gy范圍內波動，在最小子野寬度為0.8 cm時，脊髓受照劑量最大值為最小，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；4)PTV統(tǒng)計指標中CI數(shù)值逐漸減小、HI數(shù)值逐漸增大，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；5)機器參數(shù)：機器總跳數(shù)顯著下降，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)(見圖2)。

圖2 基于最小子野寬度0.5 cm-PTV、ORA及機器總MU變化趨勢圖

討 論

本文主要研究基于Monaco5.11的TPS參數(shù)優(yōu)化中最小子野面積、最小子野寬度對非小細胞肺癌患者的劑量分布影響趨勢。系統(tǒng)分析了2種參數(shù)對IMRT計劃中PTV、ORA受照劑量學分布，及機器總跳數(shù)的影響。研究結果表明：1)IMRT計劃中任意優(yōu)化參數(shù)改變，PTV統(tǒng)計指標中，CI逐漸減小、HI逐漸增大，具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，HI越大、CI越小，說明PTV劑量均勻性越差，而患者治療過程中身體雜散劑量隨PTV劑量均勻性變差而增加，致使增加患者二次致癌的風險[18]。洪潮[19]等的研究認為，患者在放射治療過程中接受低劑量照射增加，會導致正常組織所接受的低劑量體積隨之增加，進而增加了患者二次致癌的可能性。2)任意改變一個優(yōu)化參數(shù)，對肺V20劑量分布影響較大，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，相比于最小子野面子為1 cm2或最小子野寬度為0.5 cm時，其它參數(shù)下對應的肺V20受照劑量分布整體呈現(xiàn)出降低趨勢，且在最小子野面積為3 cm2或最小子野寬度為0.8 cm時，肺V20受照劑量分布最低；3)2種參數(shù)改變，對肺V40和心臟V40劑量分布變化率影響較小，差異無統(tǒng)計學差異(P>0.05)；4)肺V5、肺Dmean及心臟V30劑量分布變化在最小子野面積改變時較為明顯，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；肺V30、心臟Dmean劑量分布在最小子野寬度改變時較為明顯，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，且對肺V5、肺V30、肺Dmean、心臟V30、心臟Dmean劑量分布影響，最小子野寬度大于最小子野面積，而患者發(fā)生放射性肺炎與肺V5、V20、V30、肺Dmean受照劑量分布有一定的關系[20-22]，因此，對于肺功能不好的患者，盡量通過改變最小子野面積來對IMRT計劃進行優(yōu)化。張飛[23]等研究發(fā)現(xiàn)，全肺V5、V20、肺Dmean等指標，均與2級以上放射性肺炎的發(fā)生顯著相關，其中與V20最相關[24]。5)對于脊髓受到最大照射劑量分布的影響，最小子野寬度大于最小子野面積，差異無統(tǒng)計學差異(P>0.05)；6)IMRT計劃中優(yōu)化參數(shù)對機器總跳數(shù)影響較大，且隨優(yōu)化參數(shù)的增加而顯著減小，機器總跳數(shù)減少對提高患者在放射治療過程中的治療精度有一定的幫助，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。Zwahlen D.R.[25]等的研究認為，在放射治療過程中，機器總跳數(shù)越多，加速器對跳數(shù)的使用率越低，患者治療時間就越長，隨著治療時間的增加，患者一方面舒適度降低，另一方面由于患者體內器官的活動加快，使得放射治療治療精度降低，生物效也會有一定的降低[26-28]。此外，Monaco治療計劃系統(tǒng)在計劃設計時，需要設置的優(yōu)化參數(shù)還包括統(tǒng)計不確定度、通量平滑度、優(yōu)化模式及能量等，經相關研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)改變對放射治療計劃優(yōu)化后ORA中的肺受照劑量分布影響較小。王璐[29]等的研究發(fā)現(xiàn)，不同統(tǒng)計學不確定度(Statistical Uncertainty，SU)，對于肺癌立體定向放射治療計劃進行優(yōu)化后的ORA劑量分布及PTV的CI 受到影響較小。吳凡[30]等的研究發(fā)現(xiàn)，通量平滑度參數(shù)在胸中上段食管癌計劃優(yōu)化后的劑量學差異比較發(fā)現(xiàn)，通量平滑度改變對放射治療計劃中ORA中的肺受照劑量分布影響較小。謝紅亮[31]等的研究發(fā)現(xiàn),Monaco治療計劃系統(tǒng)中Pareto和Constrained兩種優(yōu)化模式在對放射治療計劃進行優(yōu)化后的PTV劑量、HI、CI和ORA受照射量分布差異不明顯。蘇世達[32]、梁惠[33]等的研究發(fā)現(xiàn)，不同光子射線能量模式下(6MV、10MV、非均整射線6FFF和10FFF)對調強計劃進行優(yōu)化，結果顯示光子能量改變對調強計劃質量的影響略小。而本論文主要研究Monaco5.11的TPS優(yōu)化參數(shù)改變對IMRT計劃優(yōu)化后PTV、ORA受照劑量學分布及機器總跳數(shù)影響趨勢。因此，本實驗主要針對Monaco5.11的TPS優(yōu)化參數(shù)中最小子野面積、最小子野寬度改變對非小細胞肺癌患者劑量分布的影響趨勢進行研究。

綜上所述，臨床工作中兼顧PTV及ORA劑量學計算精度與工作效率，Monaco5.11的TPS對非小細胞肺癌患者進行IMRT計劃設計時，發(fā)現(xiàn)最小子野面積在3～5 cm2、最小子野寬度在0.7～0.8 cm范圍內取值時最為合理。上述研究表明，在滿足臨床劑量學要求的基礎上，IMRT計劃設計優(yōu)化參數(shù)中最小子野面積在3～5 cm2、最小子野寬度在0.7～0.8 cm范圍內取值時，一方面對降低患者放射性肺炎發(fā)生概率效果較為顯著；另一方面可減少患者的放射治療時間，進而減少了患者在高強度射線下的暴露時間，以及增強了對機器MU的利用率和減少了對放射治療設備的耗損率，對患者進行臨床治療有很好的參考借鑒意義，可作為非小細胞肺癌患者放射治療的IMRT計劃設計參考。此外，最小子野寬度改變對ORA受照劑量分布影響大于最下子野面積改變，放療過程中對于ORA劑量限制比較嚴格的患者，在臨床實踐中IMRT計劃設計時需要特別考慮。由于在本文中，這2個參數(shù)是對非小細胞肺癌的IMRT計劃進行優(yōu)化，但具體對IMRT計劃驗證需要進一步的研究。此外，本文結果對于其它部位的腫瘤患者是否支持還需進一步研究。