兩種迭代次數(shù)對鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃優(yōu)化影響的研究

湯幸妮　于長輝　賈海建

[摘要] 目的 研究Eclipse 10.0計(jì)劃系統(tǒng)中兩種不同迭代次數(shù)的設(shè)置對鼻咽癌調(diào)強(qiáng)計(jì)劃的影響。 方法 選取2013年12月～2014年12月17例鼻咽癌患者的調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，在原有計(jì)劃的基礎(chǔ)上，將優(yōu)化參數(shù)中迭代（Iteration）選項(xiàng)卡中的數(shù)值改為100命名為Plan1和500命名為Plan2，然后對兩個(gè)計(jì)劃重新計(jì)算。統(tǒng)計(jì)并比較其靶區(qū)的相關(guān)劑量學(xué)參數(shù)、危及器官（Organs at risk，OARs）的劑量學(xué)參數(shù)、機(jī)器總的跳數(shù)（Monitor unit，MU）。 結(jié)果 迭代次數(shù)對計(jì)劃腫瘤區(qū)（Plan gross tumor volume，PGTV）和計(jì)劃靶區(qū)（Plan target volume，PTV）中D95、D5及靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)（Homogeneity index，HI）的劑量影響較小，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；迭代次數(shù)增加一定程度上能降低危及器官的受量，如兩側(cè)腮腺V20、患側(cè)腮腺、兩側(cè)視神經(jīng)、健側(cè)眼球以及喉的平均劑量均有所下降，且差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；迭代次數(shù)增加，機(jī)器總跳數(shù)平均增加約100 MU，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。但是迭代次數(shù)增加，平均計(jì)算時(shí)間明顯增加，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05）。 結(jié)論 迭代次數(shù)的增加對靶區(qū)的影響比較小，但可以改善危及器官所受的劑量。考慮到計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間和工作效率，建議在使用Eclipse 10.0計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)采用500之內(nèi)的迭代次數(shù)，并且如果優(yōu)化結(jié)果已達(dá)到要求則可以盡早結(jié)束迭代。

[關(guān)鍵詞] 鼻咽癌；IMRT；迭代次數(shù)；計(jì)劃優(yōu)化

[中圖分類號] R739.63 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] B [文章編號] 1673-9701（2017）16-0069-05

[Abstract] Objective To study the effect of two kinds of dose iteration times on the intensity modulated plan for nasopharyngeal carcinoma（NPC） with Eclipse10.0 planning system. Methods 17 cases of nasopharyngeal carcinoma（NPC） IMRT plans were selected from December 2013 to December 2014. On the basis of the original plan， the optimization iteration times which were changed for 100 and 500 named Plan1 and Plan2， respectively， then the two kinds of plans were recalculated. The dosimetric parameters of the target area and organs at risk（OARs） as well as monitor units（MU） were compared. Results The iteration times had less effect on the D95， D5 and HI（Homogeneity index， HI） of the target area PGTV and PTV with no significant differences（P>0.05）； However， the increase of iteration times could reduce the dose of organs at risk（OAR）. For example： The V20 of the parotid gland on both sides， the average dose of the ipsilateral side parotid gland， optic nerve on both sides， the contralateral eye and the throat were decreased， and the differences were statistically significant（P<0.05）； The increase of iteration times increased about 100 MU in the total number of monitor units， but the differences were not statistically significant（P>0.05）. Even so， the increase of iteration times increased the optimization time， and the differences were statistically significant（P<0.05）. Conclusion The increase of iteration times has no much impact on the target area， while it can improve the dose of organs at risk. Considering the planning optimization time and work efficiency， it is recommended that the iterations should be chose within the 500 when using the Eclipse10.0 planning system. Furthermore， if the optimization results have already achieved the requirements， it can be ended as soon as possible.

[Key words] Nasopharyngeal carcinoma； IMRT； Iteration； Optimization

隨著現(xiàn)代放療進(jìn)入精確放療時(shí)代，調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。尤其對于鼻咽癌患者來說，由于其靶區(qū)附近危及器官較多，靶區(qū)復(fù)雜，調(diào)強(qiáng)技術(shù)成為鼻咽癌放射治療的首選技術(shù)[2]。近年來被廣泛運(yùn)用的Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)是瓦里安一體化云計(jì)算平臺計(jì)劃系統(tǒng)，能夠精確高效地完成三維適形計(jì)劃（3DCRT）、調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃（IMRT）、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃（VMAT）等計(jì)劃的設(shè)計(jì)。其對靶區(qū)勾畫、參數(shù)設(shè)置、劑量計(jì)算都十分方便，但對于該計(jì)劃參數(shù)設(shè)置的研究目前還很少。為能夠更好地運(yùn)用該套計(jì)劃系統(tǒng)，使得計(jì)劃最優(yōu)，如何對參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置成為重要的研究課題。在Eclipse10.0計(jì)劃系統(tǒng)中優(yōu)化參數(shù)迭代次數(shù)Iteration選項(xiàng)卡主要決定了計(jì)劃優(yōu)化的時(shí)間和優(yōu)化程度，其不同限制是否會對計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生一定影響，本文主要通過對劑量學(xué)差異的比較，研究不同的迭代次數(shù)對計(jì)劃的影響，現(xiàn)將初步研究結(jié)果報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 主要設(shè)備和儀器 美國Varian Trilogy加速器，配備120片多葉準(zhǔn)直器，6 MV X射線，Eclipse 10.0計(jì)劃系統(tǒng)，放療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)ARIA，Discovery RT 590多功能放療定位大孔徑CT。

1.1.2 病例的選擇 選取院內(nèi)2013年12月～2014年12月經(jīng)同一位勾畫靶區(qū)醫(yī)生給予相同處方劑量進(jìn)行鼻咽癌調(diào)強(qiáng)放射治療的患者共17例，年齡27～81歲，中位年齡為55歲，其中男10例，女7例；分期為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳa和Ⅳb期的患者分別為1例、3例、5例、6例和2例。

1.2 方法和步驟

1.2.1 患者定位和圖像傳輸 輸入患者信息至電腦，患者在Discovery RT 590多功能放療定位大孔徑CT上采取仰臥位，頭過伸，下巴微抬，雙臂平放在身體兩側(cè)，用頭頸熱塑膜進(jìn)行固定，掃描層厚為2.5 mm，掃描范圍從顱頂?shù)綒夤芊植嫣帯呙璨杉膱D像通過瓦里安ARIA網(wǎng)絡(luò)傳至Eclipse 10.0 TPS放療計(jì)劃系統(tǒng)。

1.2.2 確定解剖結(jié)構(gòu)和處方劑量 由臨床醫(yī)生勾畫臨床靶區(qū)和危及器官，鼻咽部及上頸部靶區(qū)勾畫方法定義GTVnx（鼻咽部腫塊）、GTVnd（頸部淋巴結(jié)）、CTV1（高危臨床靶區(qū)）、CTV2（低危臨床靶區(qū)），根據(jù)實(shí)際頭部擺位誤差的情況將臨床靶區(qū)GTV和CTV上下、左右和前后統(tǒng)一外放0.3 cm分為計(jì)劃靶區(qū)PGTV和PTV，物理師在與臨床醫(yī)生溝通后將PTV和PGTV進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藁亍Ｌ幏絼┝繛镻GTV給予70 Gy，PTV1給予60 Gy，PTV2給予54 Gy，共33次，1次/d，治療5 d，休息2 d。具體靶區(qū)勾畫參見前文選[3-5]。

1.2.3 計(jì)劃設(shè)計(jì) 物理師使用Eclipse 10.0 TPS計(jì)劃系統(tǒng)對鼻咽癌患者進(jìn)行調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)，采用滑窗技術(shù)（Sliding window），布野方式為等分9野（0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°和320°），所用算法為AAA算法[6]，劑量限值參考RTOG0225進(jìn)行劑量限制。在既往的工作經(jīng)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)對于鼻咽癌患者根據(jù)其靶區(qū)的不同、計(jì)劃難易的不同，通常迭代次數(shù)在100次左右時(shí)計(jì)劃的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線基本達(dá)到坪區(qū)，因此將優(yōu)化時(shí)間Time統(tǒng)一設(shè)置為100，計(jì)劃Plan1中Iteration的值限定為100，計(jì)劃Plan2中Iteration的值限定為500，其他所有劑量限值完全一致，對兩個(gè)計(jì)劃分別計(jì)算，得到結(jié)果。

1.2.4 劑量學(xué)評估參數(shù) 根據(jù)劑量體積直方圖，評估計(jì)劃靶區(qū)劑量的均勻性指數(shù)HI（Homogeneity index，HI）[7-8]，HI =D5/D95。其中D5表示5%的靶體積所受劑量，D95表示95%的靶體積所受劑量，HI值越大說明計(jì)劃的劑量分布均勻性越差，HI值越接近1，則均勻性越好。

記錄危及器官部分：腦干、脊髓、晶體、視神經(jīng)、眼球、內(nèi)耳、顳葉、喉、下頜骨、舌、氣管和垂體的最大劑量及平均劑量；腮腺的V20、V40及平均劑量；以鼻咽病灶重心所在側(cè)為患側(cè)，對稱器官分別比較患側(cè)與健側(cè)。另外還有機(jī)器跳數(shù)（MU）和計(jì)劃計(jì)算時(shí)間。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

運(yùn)用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用配對t檢驗(yàn)方法，比較Plan1與Plan2 兩組計(jì)劃中機(jī)器跳數(shù)（MU）、靶區(qū)、正常組織劑量數(shù)值差異。并使用皮爾遜相關(guān)性（Pearson）分析，當(dāng)P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組靶區(qū)劑量比較

Plan1與Plan2兩組計(jì)劃中靶區(qū)PGTV和PTV1中D95、D5的劑量及HI比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。見表1。

2.2 兩組腮腺低劑量比較

比較Plan1與Plan2兩組計(jì)劃中腮腺劑量V20（20 Gy劑量所占腮腺體積百分比）、V40（40 Gy所占腮腺體積百分比）和腮腺平均劑量Dmean。其中患側(cè)腮腺的V20在Plan1和Plan2中分別為（89.22±5.42）%和（83.85±6.50）%，其體積減少，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.12，P<0.001）；而其平均劑量分別為（3578.70±128.92）cGy和（3548.36±138.14）cGy，劑量減少，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.98，P<0.05）；而健側(cè)腮腺的V20在Plan1和Plan2中分別為（92.39±4.77）%和（88.80±5.15）%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=6.65，P<0.001）；說明當(dāng)?shù)螖?shù)增加，腮腺低劑量部分體積有所減少，且患側(cè)的腮腺平均劑量也有所減少。見表2。

2.3 兩組危及器官劑量比較

比較Plan1與Plan2兩組計(jì)劃中危及器官受量情況，發(fā)現(xiàn)對于除脊髓外的危及器官來說所受最大量并無明顯差異，脊髓的最大劑量分別為（4274.66±210.73）cGy和（4307.02±204.88）cGy，其隨迭代次數(shù)增加，所受最大劑量也增加，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-2.47，P<0.05）；兩側(cè)視神經(jīng)、健側(cè)眼球以及喉的平均劑量均有所減少，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分別為（3369.71±1752.09）cGy和（3177.39±1645.79）cGy（t=2.37，P<0.05）、（3297.31±1424.65）cGy和（3125.71±1300.31）cGy（t=3.74，P<0.05）、（1018.40±313.99）cGy和（963.46±292.25）cGy（t=3.55，P<0.05）、（4928.01±355.51）cGy和（4905.49±355.38）cGy（t=2.69，P<0.05）。其余各項(xiàng)均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）。見表3。

2.4 兩組機(jī)器跳數(shù)（MU）和計(jì)算時(shí)間比較

比較Plan1與Plan2兩組計(jì)劃中的機(jī)器跳數(shù)（MU），如圖1所示，Plan2比Plan1的機(jī)器總跳數(shù)平均增加約100 MU，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。另外，Plan2計(jì)劃組的計(jì)劃計(jì)算平均時(shí)間約為35 min，Plan1計(jì)劃組的計(jì)劃計(jì)算平均時(shí)間約為10 min，兩組比較有明顯差異（P<0.05），見圖2。

3 討論

鼻咽癌同步放化療治療已經(jīng)成為根治的標(biāo)準(zhǔn)，局部控制療效好，長期生活質(zhì)量的改善是目前研究的熱點(diǎn)。在鼻咽癌放療中，調(diào)強(qiáng)放射治療手段因其局控率，劑量分布較傳統(tǒng)的適形放療有著明顯的優(yōu)勢，所以在目前是主要治療手段[9-10]。

鼻咽癌周圍所涉及的危及器官較多，靶區(qū)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃時(shí)需要考慮較多因素。Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)的各項(xiàng)異性分析算法（AAA）是目前使用較為廣泛的計(jì)劃優(yōu)化算法之一，是一種三維筆形束卷積迭代算法[11-12]，其對于散射射線的修正較為準(zhǔn)確，選擇AAA算法有利于計(jì)算的精確度。在楊海燕等[13]研究中，AAA算法和PBC算法在靶區(qū)中的差異不大，而在危及器官中的劑量差異較大，這是由于AAA算法考慮了原射線、電子污染和散射的影響[14]。Llacer J等[15]認(rèn)為調(diào)強(qiáng)優(yōu)化中的退化性質(zhì)對確定優(yōu)化的迭代次數(shù)和初始強(qiáng)度有指導(dǎo)意義。根據(jù)其論述，調(diào)強(qiáng)優(yōu)化過程中迭代次數(shù)過少會出現(xiàn)退化現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果無法滿足目標(biāo)函數(shù)的要求，而當(dāng)?shù)螖?shù)大到一定值時(shí)，計(jì)劃已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)，繼續(xù)計(jì)算不但計(jì)劃結(jié)果得不到進(jìn)一步的優(yōu)化，反而出現(xiàn)低特征值的高頻部分[16]，不利于治療計(jì)劃的實(shí)施，優(yōu)化的質(zhì)量下降。莊建發(fā)等[17]也對迭代次數(shù)進(jìn)行過一定研究，其研究所得的數(shù)據(jù)中迭代次數(shù)的增加對于危及器官，如脊髓、腦干和腮腺的影響可以忽略不計(jì)。然而，本研究結(jié)論與其所得數(shù)據(jù)結(jié)果有所不同，從上述的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，迭代次數(shù)的增加對靶區(qū)的劑量并沒有影響，而對危及器官的影響較為顯著，其差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。究其原因認(rèn)為主要是計(jì)劃系統(tǒng)不同計(jì)算方法不同，其受到退化性質(zhì)的影響也有所不同，所以計(jì)算結(jié)果不同。莊建發(fā)等[17]采用CMSXIO 4.64計(jì)劃系統(tǒng)為卷積疊加算法，而Varian Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)采用各項(xiàng)同異性算法。

本研究中，選用的迭代次數(shù)分別為100次（Plan1）和500次（Plan2），原因是在使用Eclipse10.0計(jì)劃系統(tǒng)制作鼻咽癌計(jì)劃時(shí)，由于靶區(qū)的不同，其計(jì)劃的難易程度也不同，計(jì)劃的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化曲線達(dá)到坪區(qū)所需的迭代次數(shù)也不同。根據(jù)既往的經(jīng)驗(yàn)，其計(jì)劃優(yōu)化的迭代次數(shù)為100時(shí)可以基本保證達(dá)到優(yōu)化平衡，即DVH圖中靶區(qū)和危及器官的受量值基本穩(wěn)定；而在莊建發(fā)等[17]的研究中，迭代次數(shù)達(dá)到300時(shí)與100時(shí)的計(jì)劃差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），因此選擇了更高的迭代次數(shù)500與迭代次數(shù)為100時(shí)的計(jì)劃進(jìn)行比較。本研究中，迭代次數(shù)為500次時(shí)（Plan2）相較于100次（Plan1）的計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)從危及器官所受最大劑量來說，除脊髓所受的最大劑量有所增加外，其他危及器官差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），脊髓的最大劑量增加，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-2.47，P<0.05），但是部分危及器官的受量明顯降低，患側(cè)視神經(jīng)、健側(cè)視神經(jīng)、健側(cè)眼球、患側(cè)的腮腺和喉的平均劑量分別降低，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.37、3.74、3.55、2.98和2.69，P<0.05）。另外，由于在目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化中腮腺的劑量限制條件為V30小于50%，因此選取腮腺的低劑量區(qū)V20與高劑量區(qū)V40進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)患側(cè)腮腺的V20，Plan2相較于Plan1降低，健側(cè)腮腺的V20，Plan2相較于Plan1降低，差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.12和6.65，P<0.001），由此，我們猜想迭代次數(shù)的增加主要通過降低危及器官的低劑量部分的照射體積來降低其平均劑量。由于Eclipse10.0采取的是滑窗技術(shù)（sliding window），因此不存在子野數(shù)目的多少，但是比較兩組計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)，Plan2比Plan1平均增加約100MU，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。但是，統(tǒng)計(jì)兩組的計(jì)劃計(jì)算平均時(shí)間，Plan2比Plan1平均增加25 min左右，有統(tǒng)計(jì)學(xué)明顯差異。

楊瑞杰等[18]指出迭代次數(shù)過多會出現(xiàn)低特征值的高頻部分，不利于治療計(jì)劃的實(shí)施，需要對其進(jìn)行濾波處理，并且計(jì)劃優(yōu)化時(shí)間增加，降低了工作效率。然而各項(xiàng)研究表明，調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃優(yōu)化的迭代次數(shù)過少時(shí)會出現(xiàn)退化現(xiàn)象[19]，因此迭代次數(shù)應(yīng)該有一個(gè)最優(yōu)值，而在Eclipse10.0計(jì)劃系統(tǒng)中優(yōu)化次數(shù)為100時(shí)雖然已經(jīng)達(dá)到優(yōu)化平衡，但并不是最優(yōu)，從兩組計(jì)劃對比可知，迭代次數(shù)為500的計(jì)劃仍然優(yōu)于迭代次數(shù)為100的計(jì)劃，更有利于危及器官的保護(hù)。然而，迭代次數(shù)增加勢必會增加計(jì)劃優(yōu)化的時(shí)間，因此，考慮到計(jì)劃優(yōu)化的結(jié)果以及工作的效率[20]，我們認(rèn)為應(yīng)該選擇500之內(nèi)的迭代次數(shù)，在保證計(jì)劃優(yōu)化達(dá)到平衡的前提下，可以盡早結(jié)束優(yōu)化，這樣既可以減少優(yōu)化時(shí)間，也提高工作效率[21]。

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（收稿日期：2016-11-16）