基于TCP和NTCP模型的鼻咽癌放療的比較分析

陳海，楊麟，劉曉東，文婷

廣州軍區(qū)總醫(yī)院 放療科，廣東 廣州510010

基于TCP和NTCP模型的鼻咽癌放療的比較分析

陳海，楊麟，劉曉東，文婷

廣州軍區(qū)總醫(yī)院 放療科，廣東 廣州510010

目的通過作者編程實(shí)現(xiàn)腫瘤控制概率（TCP）和正常組織并發(fā)癥概率（NTCP）模型的數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)鼻咽癌放療的比較分析。方法選擇2006～2008年40例行放射治療的病人的治療方案，利用Matlab分別計(jì)算TCP和NTCP，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果常規(guī)放療和適形放療的TCP統(tǒng)計(jì)結(jié)果無差異，而在NTCP計(jì)算結(jié)果中，常規(guī)放療的腦干以及腮腺的NTCP要高于適形放療，尤以腮腺更為顯著。結(jié)論TCP和NTCP模型都能有效評估放射治療計(jì)劃的效果。

放射治療；鼻咽癌；腫瘤控制概率（TCP）；正常組織并發(fā)癥概率（NTCP）

一些放射生物學(xué)基礎(chǔ)模型，如腫瘤控制概率（Tumor Control Probability，TCP）模型和正常組織并發(fā)癥概率（Normal Tissue Complication Probability，NTCP）模型目前已被有效引入放射治療領(lǐng)域，用來評估放療計(jì)劃的有效性。本文旨在運(yùn)用這兩種模型來分析我院目前常用的鼻咽癌放療計(jì)劃。

1 材料和方法

1.1 基本資料

在我院 2006～2008 年放療病案中隨機(jī)選擇 40 例鼻咽癌放療病例，其中男性 29 例，女性 11 例，所有病人的化療方案以及其他藥物治療方案近似。其中常規(guī)放療方案的病人都是通過獲取病人的最近CT影像資料來模擬放療方案，具體常規(guī)放療計(jì)劃和三維放療計(jì)劃的靶區(qū)以及關(guān)鍵組織的勾畫在許多文獻(xiàn)中有詳盡描述[1]。病人基本信息及放療信息描述如表1。

表1 病人基本資料

1.2 TCP和NTCP模型

本 文 采 用 Niemierko 等 提 出 的 基 于 等 效 均 勻 劑 量（Equivalent Uniform Dose，EUD）的參數(shù)化 TCP 和 NTCP 模型[2]，分別為式 (1)、(2)：

其中， TD50表示能控制 50% 的腫瘤的照射劑量值， TD50表示某種正常組織經(jīng)照射后一段時(shí)間內(nèi)有 50% 發(fā)生并發(fā)癥的劑量值，而 EUD 為式 (3)。

其中，vi和 Di表示某一體積 vi受到劑量 Di的照射，而 a 和 γ則為控制參數(shù)，可以從臨床數(shù)據(jù)擬合而來。本模型能較好地符合經(jīng)典放射生物學(xué)理論并具有相對簡單的表達(dá)式，從而便于臨床數(shù)據(jù)擬合和計(jì)算機(jī)輔助分析。本文使用的一些參數(shù)值如表2。

表2 正常組織參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

參照文獻(xiàn)[3]，我們采用 Matlab R2009a 編程來實(shí)現(xiàn)上述模型的數(shù)值計(jì)算及圖形顯示，計(jì)算數(shù)據(jù)如表3。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析由 SPSS17.0 來完成。三維適形放療計(jì)劃由 CMS 公司FOCUS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

表3 TCP和NTCP統(tǒng)計(jì)

CRT ：常規(guī)放療 ；3DCRT ：三維適形放療。

2 結(jié)果

所有 40例病人都采用常規(guī)分割放療，即每天劑量為1.8～2.0Gy，每周 5 次。常規(guī)放療和三維適形放療的總劑量無差異，因此可以排除總劑量對模型計(jì)算的影響。在 TCP計(jì)算結(jié)果中，雖然 CRT 和 3DCRT 比較無差異，但從標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果來看，CRT 的總劑量的不均勻性要高于 3DCRT，說明受正常組織并發(fā)癥的限制，常規(guī)放療的劑量有時(shí)難以達(dá)到理想的目標(biāo)劑量。在 NTCP 的計(jì)算結(jié)果中，對于腦干的傷害，3DCRT 要優(yōu)于 CRT，不過，由于在常規(guī)放療過程中也考慮到對腦干的保護(hù)，因此，腦干的 NTCP 在 CRT和 3DCRT 結(jié)果中顯示二者的均值的差別不是太大。對于晶體，CRT 和 3DCRT 都作了嚴(yán)密的保護(hù)，其所受劑量均很低，NTCP 的計(jì)算基本無意義。而在 CRT 中，腮腺基本沒有受到保護(hù)，其 NTCP 必然是比較高的 ；相反，在 3DCRT 中，由于有多方向入射角，使得腮腺所受的射線總量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 CRT，從而其 NTCP 值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 CRT。

3 討論

近一段時(shí)間以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的飛速發(fā)展，腫瘤放射治療計(jì)劃已經(jīng)逐步成熟和完善。放 療 技術(shù)從常規(guī)放療 發(fā) 展 到 如 今 的 調(diào) 強(qiáng)放療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），射線劑量計(jì)算越來越精確，腫瘤定位精度越來越高，射線對正常組織和器官的傷害也越來越小，對病人各個(gè)部位的受照劑量的控制也越來越容易，從而使得放療計(jì)劃逐步向個(gè)體最優(yōu)化方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)基于生物學(xué)意義上的放療最優(yōu)化，放射生物學(xué)模型便越來越引起研究者們的重視。這些模型中，基于 EUD的腫瘤控制概率（TCP）和正常組織并發(fā)癥概率（NTCP）模型獲得了較廣泛的應(yīng)用，該模型由 Niemierko 等人在 1999 年提出[2]，隨后逐步得到完善和發(fā)展[4]。由于射線與生物細(xì)胞或分子相互作用的不確定性，幾乎所有的模型均以隨機(jī)概率分布的形式來表達(dá)，這種模型比較復(fù)雜，必須利用計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)值計(jì)算；另一方面，模型中帶有許多參數(shù)，這些參數(shù)必須通過各種相關(guān)的臨床或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)來擬合。顯然，數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確越完備，則模型越精確。Emami以及 Michael等人經(jīng)過不斷的研究，逐步建立起了比較完備的各種正常組織或器官的參數(shù)[5-6]，本文中所采用的參數(shù)便是基于他們的研究成果。從目前的應(yīng)用來看，基于放射生物學(xué)模型的放療計(jì)劃評估顯示出了較好實(shí)際效果[7-9]，不過，相對放射治療而言，放射生物學(xué)模型在臨床的應(yīng)用還處于早期實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。其對放療計(jì)劃的評估還比較粗糙：首先，模型的應(yīng)用一般是假設(shè)腫瘤或正常組織內(nèi)部是均勻的；其次，模型的應(yīng)用大都基于放療計(jì)劃輸出的劑量體積直方圖（DVH）[8]，缺少各種結(jié)構(gòu)的空間信息 ；另外，模型的參數(shù)選擇還是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)，個(gè)體化特性缺失。在這三種不足中，前兩種都可以將放射生物學(xué)模型與治療計(jì)劃系統(tǒng)整合起來來解決，而第三種則相對復(fù)雜：病人個(gè)體的解剖信息可以通過各種影像技術(shù)來獲取，而各種組織和器官的生物學(xué)信息則很難通過簡單和無損的方式獲得。如何利用現(xiàn)有的醫(yī)療檢查、檢驗(yàn)設(shè)備來建立個(gè)體化的放射生物學(xué)模型參數(shù)，將是放射生物學(xué)模型在放射治療臨床上得到充分應(yīng)用的首要問題。

4 結(jié)論

當(dāng)前較成熟的腫瘤放療 TCP 和 NTCP 模型能在一定程度上指導(dǎo)放療計(jì)劃設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)基于生物學(xué)意義上的放療優(yōu)化。不過由于模型參數(shù)較復(fù)雜，且許多參數(shù)還是人為設(shè)定的，這樣使得此類模型的臨床應(yīng)用受到很大限制，還需要大量的臨床數(shù)據(jù)來修正和完善。

[1]劉曉清,羅偉,劉孟忠,等．1093例初治鼻咽癌的療效和預(yù)后分析[J]．中華放射腫瘤學(xué)雜志,2008,17(2):81-86．

[2]Niemierko A, Goitein M． Modeling of normal tissue response to radiation: the critical volume model [J]． Int． J． Radiat． Oncol．Biol． Phys,1993,25(1):135-145．

[3]Hiram A． Gay a, Andrzej Niemierko． A free program for calculating EUD-based NTCP and TCP in external beam radiotherapy [J]．Physica Medica,2007,23:11-125．

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[5]Emami B, Lyman J, Brown A, et al． Tolerance of normal tissue to therapeutic irradiation [J]． Int． J． Radiat． Oncol． Biol． Phys．, 1991,21(1):109-122．

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Comparative Analysis of Nasopharyngeal Carcinoma (NPC) Radiotherapy Based on TCP and NTCP Model

CHEN Hai, YANG Lin, LIU Xiaodong, WEN Ting
Radiotherapy Department, General Hospital of Guangzhou Military, Guangzhou Guangdong 510000, China

ObjectiveTCP and NTCP models were computed through computer programming and used for comparative analysis of nasopharyngeal carcinoma (NPC) radiotherapy.MethodsTCP and NTCP models were computed with Matlab. The treatment plans of 40 NPC patients treated by radiotherapy during 2006 and 2008 were selected and their TCP and NTCP were computed and analyzed.ResultsThe statistic results of TCP were no difference between conventional radiotherapy and 3D conformal radiotherapy, while the results of NTCP of brainstem and parotid were significant difference between the two techniques, especially the results of parotid.ConclusionTCP and NTCP model can be used to evaluate the radiotherapy plan effectively.

radiotherapy; nasopharyngeal carcinoma (NPC); tumor control probability (TCP); normal tissue complication probability (NTCP)

R815

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.015

1674-1633(2011)01-0051-02

2010-09-09

2010-10-22

作者郵箱：jcmoney@163．com