兩種算法在宮頸癌術(shù)后調(diào)強放療中的劑量學(xué)比較研究*

吳建亭， 狄 慧， 施春明， 黃燦紅△， 儲開岳， 趙永亮

(1.南通市腫瘤醫(yī)院， 江蘇 南通 226361； 2.如皋市城西醫(yī)院， 江蘇 如皋 226500)

兩種算法在宮頸癌術(shù)后調(diào)強放療中的劑量學(xué)比較研究*

吳建亭1， 狄 慧2， 施春明1， 黃燦紅1△， 儲開岳1， 趙永亮1

(1.南通市腫瘤醫(yī)院， 江蘇 南通 226361； 2.如皋市城西醫(yī)院， 江蘇 如皋 226500)

目的: 比較蒙特卡羅算法與筒串卷積算法在宮頸癌術(shù)后調(diào)強放射治療中的劑量學(xué)差異。方法: 隨機選擇25例宮頸癌術(shù)后行調(diào)強放療患者，對同一治療計劃分別用兩種算法進行劑量計算，通過劑量體積直方圖的劑量體積參數(shù)比較兩者靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)差異。結(jié)果: 靶區(qū)D98、D2、D50、HI蒙特卡羅算法結(jié)果低于筒串卷積算法(P﹤0.05)；膀胱V30、V40，直腸V40、D50，股骨頭、盆骨V30、V40、D50，脊髓D2、D50蒙特卡羅算法結(jié)果低于筒串卷積算法；靶區(qū)CI、結(jié)腸V30、V40、D50蒙特卡羅算法結(jié)果高于筒串卷積算法，以上結(jié)果差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P﹤0.05)。結(jié)論: 宮頸癌術(shù)后調(diào)強放射治療，優(yōu)先選擇蒙特卡羅算法進行計劃設(shè)計，同時應(yīng)適當充盈膀胱，減少小腸、結(jié)腸卷入射野的體積；如果只能選用筒串卷積算法，應(yīng)適當增大最小子野面積，減少子野數(shù)量。

宮頸癌；蒙特卡羅算法；筒串卷積算法；調(diào)強放療；劑量學(xué)

宮頸癌是婦科最常見的惡性腫瘤，術(shù)后行放射治療是廣泛應(yīng)用的輔助治療方法。由于腫瘤自身生物學(xué)行為和所處位置的特殊，術(shù)后放射治療照射范圍廣，野內(nèi)危及器官多，傳統(tǒng)放療易導(dǎo)致諸多并發(fā)癥，影響患者的生活質(zhì)量[1-2]。調(diào)強放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)作為一種精確放射治療技術(shù)，通過調(diào)整多個照射野內(nèi)的強度分布，在提高腫瘤靶區(qū)受照劑量與適形度的同時，還可有效降低周圍正常組織的受照劑量。目前有多項研究證實宮頸癌放療中，調(diào)強放療比傳統(tǒng)放療具有明顯的劑量學(xué)優(yōu)勢[3]。在調(diào)強放射治療計劃優(yōu)化過程中，算法的不同直接影響到腫瘤靶區(qū)與正常組織的劑量分布。目前計劃系統(tǒng)的常用算法是筒串卷積算法(collapsed cone convolution, CCC)，雖然該算法計算精度較高，但在某些情況下和實際測量值仍然會有大于5%的誤差[4]。蒙特卡羅算法(monte carlo, MC)能精確地模擬粒子與人體相互作用及能量沉積過程，是目前公認的放療劑量計算“金標準”[5-6]。目前國內(nèi)大部分放療單位沒有配備MC算法計劃系統(tǒng)，關(guān)于這兩種算法比較的文獻少；宮頸癌在我國發(fā)病率高，且術(shù)后放療靶區(qū)一致性好，作為研究對象干擾因素少，能體現(xiàn)出算法的差異。本研究分析比較兩種算法在宮頸癌術(shù)后調(diào)強放療劑量計算中腫瘤靶區(qū)和危及器官的劑量學(xué)差異，以期為臨床治療提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

隨機選取2015年8月至2015年12月在我院接受術(shù)后調(diào)強放射治療的宮頸癌患者共25例作為研究對象。患者年齡35～70歲，中位年齡56歲。病理類型：鱗癌21例，腺癌3例，未分化小細胞癌1例。腫瘤分期為：Ⅰb1期5例，Ⅰb2期8例，Ⅱa1期10例，Ⅱa2期2例。手術(shù)方式均為廣泛子宮切除+盆腔淋巴結(jié)清掃術(shù)；病理提示陰道切緣及宮旁切緣均為陰性，髂總淋巴結(jié)均無轉(zhuǎn)移；無放療禁忌癥，所有患者均采用盆腔外照射治療。

1.2 方法

1.2.1 CT定位 患者均采用仰臥位，熱塑體膜固定，定位前排空直腸，口服造影劑1小時后行CT模擬定位，掃描范圍從腰1椎體上緣至恥骨聯(lián)合下緣5cm，層厚5mm。掃描結(jié)束后將圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)结t(yī)科達公司Monaco 5.1計劃系統(tǒng)。

1.2.2 靶區(qū)及危及器官定義 為避免人為誤差，所有患者靶區(qū)和危及器官均由同一位婦瘤放療專業(yè)副主任醫(yī)師根據(jù)國際輻射單位與測量委員會(international commission on radiation units and measurements, ICRU)83號報告進行勾畫[7]。臨床靶區(qū)(clinical target volume, CTV)包括陰道上段1/2及殘端、宮旁及陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區(qū)，范圍上界為腰4～5椎體間，下界達閉孔下緣，CTV各方向均勻外放8mm形成計劃靶區(qū)(planning target volume, PTV)。危及器官(organ at risk, OAR)包括脊髓、小腸、結(jié)腸、直腸、膀胱、雙側(cè)股骨頭、盆骨等。

1.2.3 計劃設(shè)計 物理師在Monaco 5.1上根據(jù)醫(yī)生確認后的靶區(qū)采用7野均分的布野方法及MC算法進行計劃設(shè)計。處方劑量：45Gy，1.8Gy/次，分25次完成；危及器官限量：小腸、結(jié)腸、盆骨、直腸、膀胱V40≤50%，股骨頭V50≤5%，脊髓D2≤45Gy[8]。將完成的符合臨床要求的調(diào)強計劃，在保持所有計劃參數(shù)(射野方向、能量、多頁光柵葉片位置、劑量率等)不變的情況下，傳輸?shù)絉aystation計劃系統(tǒng)上采用CCC算法重新進行劑量計算。所有計劃處方劑量均歸一為D95=45Gy。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié) 果

2.1 靶區(qū)劑量學(xué)比較

兩組計劃均能滿足處方劑量覆蓋95%靶區(qū)的臨床要求。本研究根據(jù)ICRU 83號報告選取的靶區(qū)劑量學(xué)指標D98、D2、D50、HI，MC算法值均低于CCC算法，同時MC算法計劃的CI大于CCC算法，以上參數(shù)差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P﹤0.05)。見表1。

表1 兩種算法腫瘤靶區(qū)劑量學(xué)比較

2.2 危及器官的劑量學(xué)比較

對于OAR而言，膀胱V30、V40，直腸V40、D50，股骨頭、盆骨V30、V40、D50，脊髓D2、D50MC算法結(jié)果低于CCC算法；結(jié)腸V30、V40、D50MC算法結(jié)果高于CCC算法，以上結(jié)果差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P﹤0.05)。膀胱D50，直腸V30，小腸V30、V40、D50等結(jié)果差異均不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P﹥0.05)。見表2。

表2 兩種算法危及器官劑量學(xué)比較

3 討 論

本組患者均行廣泛子宮+盆腔淋巴結(jié)清掃術(shù)，放療范圍包括陰道殘端、盆腔、盆腔淋巴引流區(qū)。術(shù)后盆腔解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，腸管進入髂淋巴引流區(qū)，使得在野內(nèi)受照體積增大，極易產(chǎn)生嚴重的不良反應(yīng)。國內(nèi)外大量研究證實調(diào)強放射治療在宮頸癌治療中有顯著的劑量學(xué)優(yōu)勢：能有效提高腫瘤靶區(qū)劑量均勻性和適形度，減少周圍正常組織受照劑量，從而提高腫瘤局控率，減少胃腸道、泌尿系統(tǒng)不良反應(yīng)，提高患者生活質(zhì)量[9-14]。

本研究針對同一宮頸癌術(shù)后調(diào)強放射治療計劃，采用兩種不同的算法進行劑量計算，結(jié)果在靶區(qū)和危及器官上得到的劑量分布有差異。MC算法的適形指數(shù)為0.80±0.01，均勻性指數(shù)為0.12±0.01；CCC算法的適形指數(shù)為0.78±0.01，均勻性指數(shù)為0.13±0.01，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義，這表明MC計劃的適形度優(yōu)于CCC計劃，且靶區(qū)內(nèi)劑量分布更均勻，同時MC計劃的最大劑量、最小劑量、中位劑量值均小于CCC計劃，說明CCC算法高估了靶區(qū)劑量。對于密度較為均勻的危及器官如股骨頭、盆骨V30、V40、D50，脊髓D2、D50兩者結(jié)果差異也有統(tǒng)計學(xué)意義，CCC算法也高估了此類OAR劑量。直腸因腸壁較厚及排空后處于閉合狀態(tài)，腸壁間隙小，整體密度較為均勻，本研究中CCC算法高于MC算法，V40、D50結(jié)果差異有統(tǒng)計學(xué)意義，同時直腸與PTV有部分重疊，在計劃優(yōu)化過程中將這部分直腸視為靶區(qū)，給予了處方劑量照射，30Gy照射區(qū)域幾乎包括全部直腸，所以V30兩者比較差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義。膀胱與靶區(qū)也有少部分重疊，但膀胱充盈后體積較大，且密度比較均勻，本研究結(jié)果膀胱V30、V40差異有統(tǒng)計學(xué)意義且CCC算法高于MC算法， D50有同樣的趨勢但不具有統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)腸的劑量學(xué)指標有統(tǒng)計學(xué)差異，CCC算法低估了結(jié)腸受量；小腸的劑量學(xué)指標雖然差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，但與結(jié)腸一樣，MC算法的數(shù)值高于CCC算法。分析原因，可能與腸腔密度不均勻有關(guān)：當射線從低密度介質(zhì)進入高密度介質(zhì)時在界面存在側(cè)向電子失衡現(xiàn)象，在高密度介質(zhì)區(qū)域存在二次建成現(xiàn)象，射野面積越小、介質(zhì)密度越低、射線能量越高則此現(xiàn)象越明顯[15-16]。CCC算法作為一種三維數(shù)學(xué)模型，雖然考慮了不均勻界面?zhèn)认螂娮邮Ш鈫栴}，但在側(cè)向電子失衡的低密度區(qū)域，對原射線的計算精度不夠，計算值低于此類區(qū)域的實際測量值。在本研究中，腸腔內(nèi)密度低，射線在腸壁內(nèi)存在二次建成效應(yīng)，通過CCC算法進行劑量計算，在腸腔內(nèi)低密度區(qū)的劑量要小于MC算法。在IMRT計劃中，會有較多的射野及大量的子野，宮頸癌術(shù)后放療照射野內(nèi)有大量的腸管及腸系膜等低密度區(qū)域，小面積子野的大量存在會使得上述側(cè)向電子失衡及二次建成效應(yīng)放大。因此使用CCC算法進行此類治療計劃設(shè)計時，應(yīng)適當減少子野數(shù)及增大最小子野面積，降低上述效應(yīng)對計劃精度的影響。廖雄飛等[17]通過比較筆形束算法與蒙特卡羅算法，也得出了類似的結(jié)論。

需要在此說明的是，在MC算法的應(yīng)用中，使用對介質(zhì)的吸收劑量還是對水的吸收劑量還存在一定的爭議，有研究顯示兩者之間有差異[18-19]。因本研究涉及兩種放療計劃系統(tǒng)，且計劃系統(tǒng)建模時采用的數(shù)據(jù)均由三維水箱在水中測得，為了便于研究順利進行，MC計算時采用的是對水的吸收劑量。

此外，在臨床實踐過程中，計劃優(yōu)化計算時間也是算法選擇的影響因素之一。CCC算法優(yōu)化計算時間一般在10分鐘左右;而MC則要長很多，而根據(jù)蒙特卡羅的計算效率公式η=1/(σ2T)，σ2是方差，T是總CPU時間，它由模擬的粒子數(shù)決定，方差σ2與處理的粒子數(shù)成反比，可見想要獲得高精度的計算結(jié)果，其運算速度必然有所下降，在計劃設(shè)計過程中，MC的優(yōu)化計算時間一般在1小時左右，雖然計劃設(shè)計的效率低于CCC算法，但也在臨床可接受的范圍之內(nèi)。目前有多個研究表明，通過云計算技術(shù)可以大幅度地降低MC計算時間，最多可以在現(xiàn)在基礎(chǔ)上節(jié)約90%的優(yōu)化時間[20-22]。

綜上所述，宮頸癌術(shù)后調(diào)強放射治療，優(yōu)先選擇蒙特卡羅算法進行計劃設(shè)計，在滿足同樣處方劑量的要求下，不但提高了靶區(qū)適形度、均勻性，而且降低了正常組織的受照劑量，同時應(yīng)適當充盈膀胱，減少小腸、結(jié)腸卷入射野的體積；如果只能選用筒串卷積算法，應(yīng)適當增大最小子野面積，減少子野數(shù)量。

作者聲明：本文第一作者對于研究和撰寫的論文出現(xiàn)的不端行為承擔相應(yīng)責(zé)任。

利益沖突：本文全部作者均認同文章無相關(guān)利益沖突；

學(xué)術(shù)不端：本文在初審、返修及出版前均通過中國知網(wǎng)(CNKI)科技期刊學(xué)術(shù)不端文獻檢測系統(tǒng)學(xué)術(shù)不端檢測；

同行評議：經(jīng)同行專家雙盲外審，達到刊發(fā)要求。

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Dosimetric Study of Two Algorithms in Postoperative Intensity Modulated Radiotherapy for Cervical Carcinoma*

Wu Jianting1, Di Hui2, Shi Chunming1, et al

(1.NantongTumorHospital,Nantong226361,Jiangsu,China;2.RugaoChengxiHospital,Rugao226500,Jiangsu,China)

Objective: To compare the dosimetric difference between Monte Carlo (MC) and Collapsed Cone Convolution (CCC) in the application of postoperative intensity modulated radiotherapy for cervical carcinoma. Methods: Twenty-five cervical cancer patients who would accept postoperative intensity modulated radiotherapy were randomly selected. Radiation doses were calculated by two algorithms separately for the same treatment plan. Dose volume histogram parameters were used to evaluate the dosimetric difference between MC and CCC in PTV as well as in organs at risk(OAR). Results: D98、D2、D50、HI of PTV in MC plans were lower than those in CCC plans respectively with significant difference(P<0.05). V30,V40of Bladder, V40, D50of rectal, V30, V40, D50of femoral and pelvis, D2, D50of spinal cord in MC plans were significantly lower than those in CCC plans (P<0.05), and CI of PTV, V30、V40、D50of colon were significantly higher in MC plans than those in CCC plans (P<0.05). Conclusion: MC is the priority option for postoperative intensity modulated radiation therapy in cervical cancer patients. Besides, the bladder should be filled to decrease the involved parts of small intestine and colon in designed fields. If the CCC were the only option, the minimal area should be expanded and the segment numbers should be reduced.

Cervical Carcinoma; Monte Carlo; Collapsed Cone Convolution; Intensity Modulated Radiation Therapy; Dosimetry

2016- 09- 12

2016- 11- 10

*南通市科技項目(編號：qyz15016)

吳建亭(1981-)，男，主管技師，研究方向：腫瘤放射治療計劃設(shè)計，質(zhì)量控制。

△黃燦紅，副主任醫(yī)師，E-mail: huanghc1975@163.com

R737.33；R730.55

A

10.3969/j.issn.1674- 0904.2017.01.008