不同治療計劃系統在宮頸癌調強放射治療中的劑量學比較

楊健，劉穎，王勝利，張勇，許新明，王靜，楊紅霞，董俊峰，劉丹

1滄州市人民醫院放療科，河北 滄州 061000

2黃驊開發區博愛醫院普外科，河北 滄州 061100

3河北醫科大學第四醫院放療科，石家莊 050011

近年來調強放射治療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）已逐漸成為宮頸癌放療的常用方法[1-3]。與常規放療及普通三維適形放療相比，IMRT技術提高了靶區劑量，同時可以更好地保護正常組織[4-6]。目前已有多家商用計劃系統可以完成IMRT計劃的制訂，其使用的優化算法、葉片排序算法和劑量計算方法各不相同。因此，不同的計劃系統優化的計劃質量之間會有一定的差異，研究其差異對臨床使用具有重要的指導意義。本研究比較了3種治療計劃系統制訂宮頸癌IMRT的計劃質量，有助于臨床確定更加適合的制訂宮頸癌治療計劃的商用計劃系統，現報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選擇2014年5月在滄州市人民醫院放療科接受IMRT的宮頸癌根治術后患者10例。年齡60～74歲，中位年齡67歲；國際婦產科聯盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）分期：ⅠB期7例，ⅡA期3例；術后病理為中-低分化鱗狀細胞癌。本研究經醫院倫理委員會審批通過，所有患者均對本研究知情并簽署知情同意書。

1.2 體位固定及CT 模擬定位

患者于計算機斷層掃描（CT）定位前1.5 h飲水500 ml，以保證膀胱充盈。采用仰臥位，雙臂上抬交叉置于額頂，熱塑體膜配合體部固定板固定體位。采用西門子SOMATOM Sensation Open大孔徑（80 cm）CT機進行盆腔定位增強掃描，層厚及層間距均為3 mm，掃描范圍從膈頂至坐骨結節下緣5 cm。

1.3 靶區及危及器官的勾畫

根據美國腫瘤放射治療協作組（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）勾畫指南[7]，大體腫瘤體積（gross tumor volume，GTV）包括宮頸局部腫瘤；臨床靶體積（clinical target volume，CTV）上界為第4腰椎體下緣，下界為閉孔下緣，包括原發灶、陰道殘端和盆腔淋巴結引流區；CTV前后外擴0.5 cm，左右外擴0.7 cm，上下外擴1.0 cm為計劃靶體積（planning target volume，PTV）；危及器官包括脊髓、小腸、直腸、膀胱、左右股骨頭。

1.4 治療計劃設計

針對10例宮頸癌患者，分別使用3種商用治療計劃系統制訂30個IMRT計劃。使用的商用計劃系統分別為：Pinnacle 9.2計劃系統（飛利浦）、Oncentra 4.3計劃系統（核通）及Eclipse 10.0計劃系統（瓦里安）。IMRT計劃均采用7個共面射野，6MV X 線照射，射野角度分別為 210°、260°、310°、0°、50°、100°、150°。IMRT計劃全部在瓦里安23EX直線加速器中完成。PTV處方劑量為50.4 Gy/28 f。IMRT計劃要求靶區劑量分布滿足PTV D95%（95%的靶體積的受照劑量）≥50.4 Gy。各危及器官劑量體積限定條件分別為脊髓＜45 Gy，小腸V3（0接受30 Gy劑量照射的小腸體積占小腸總體積百分比）＜50%，直腸V40＜50%、V50＜20%，膀胱V40＜50%、V50＜20%，左右股骨頭V50＜5%。為避免因計劃設計者經驗水平不同而對研究結果造成影響，所有計劃均由1位臨床工作經驗超過10年的資深物理師進行設計。

1.5 計劃評估方法

評估均勻性指數（homogeneity index，HI）和適形指數（conformal index，CI），HI=（D5-D95）/Dmean[8]，CI=（VPTV，ref/VPTV）×（VPTV，ref/Vref）[9]。其中，D5%和 D95%分別為5%和95%靶區的受照射劑量，Dmean為靶區平均受照射劑量；VPTV，ref為處方劑量覆蓋的PTV體積，VPTV為PTV體積，Vref為處方劑量包繞的體積。比較 PTV、CTV 的最大劑量（Dmax）、最小劑量（Dmin）、平均劑量（Dmean）以及 D100%、D98%、D95%、D90%、D50%、D2%、110%處方劑量覆蓋的體積占靶體積百分比（V110%）、V105%、V100%、V95%、V90%。

對于危及器官，評價正常組織受照指數（healthy tissue coverage index，HCO），HCO=100×（1-VPTV95%/V95%）[10]。其中，VPTV95%為95%處方劑量包繞的PTV體積，V95%為95%處方劑量包繞的體積。比較左右股骨頭的Dmean和V50，小腸的Dmean及V30，直腸的 Dmean及 V40、V45、V50，膀胱的 Dmean及 V30、V35、V40、V45、V50。比較3組計劃的實施效率，統計機器跳數和子野數。

1.6 統計學方法

采用SPSS 18.0軟件對數據進行統計分析，計量資料以均數±標準差（±s）表示，多組間比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用q檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量分布

使用3種商用治療計劃系統設計的IMRT計劃均歸一為95%PTV達到處方劑量。結果顯示，3種計劃系統制訂的IMRT計劃中PTV的Dmin、Dmax、Dmean及CTV的Dmax、Dmean比較，差異均有統計學意義（F=6.003、29.875、88.041、24.310、96.843，P＜0.05）；PTV的D98%、D90%、D50%、D2%、V110%、V105%比較，差異均有統計學意義（F=19.098、34.198、83.064、84.547、13.839、117.560，P＜0.05）；CTV 的 D98%、D90%、D50%、D2%、V110%、V105%比較，差異均有統計學意義（F=26.315、76.696、93.661、88.558、15.200、105.371，P＜0.05）。3種計劃系統制訂的IMRT計劃的HI、CI、HCO比較，差異均有統計學意義（F=112.323、52.893、17.637，P＜0.01）。與 Pinnacle和Oncentra系統相比，Eclipse系統計算的PTV的Dmean、D50在確保達到處方劑量要求的前提下均較低，且其計劃的HI、CI、CHO均較低，差異均有統計學意義（P＜0.05）。Pinnacle系統和Oncentra系統制訂的 IMRT 計劃中 PTV 的 Dmean、D50、HI、CI和HCO比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。（表1、表2）

表1 3種計劃系統制訂的IMRT計劃中靶區劑量的比較

2.2 危及器官劑量分布

3種計劃系統制訂的IMRT計劃的左股骨頭V50，直腸 V40、V45、V50、Dmean，膀胱 V30、V35、V40、V45及小腸Dmax比較，差異均有統計學意義（F=3.421、7.461、9.186、5.909、11.070、10.962、15.571、14.098、4.158、5.910，P＜0.05）。Pinnacle系統和Eclipse系統計算的直腸 V40、V45、V50、Dmean均低于 Oncentra系統計算的結果，差異均有統計學意義（P＜0.05），且Pinnacle系統計算的數值均最小。Pinnacle系統和Eclipse系統計算的膀胱 V30、V35、V40均低于 Oncentra系統計算的結果，差異均有統計學意義（P＜0.05），且Pinnacle系統計算的數值均最??；Oncentra系統計算的膀胱V45高于Pinnacle系統計算的結果，差異有統計學意義（P＜0.05）；3種計劃系統計算的膀胱V50和Dmean比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。3種計劃系統計算的小腸V30比較，差異無統計學意義（P＞0.05），其中Pinnacle系統計算的結果最大；3種計劃系統計算的小腸Dmax比較，差異有統計學意義（P＜0.05），其中Eclipse系統計算的結果最小。（表3）

表2 3種計劃系統制訂的IMRT計劃的HI、CI、HCO比較

表3 3種計劃系統制訂的IMRT計劃中危及器官劑量的比較

2.3 實施效率評價

Pinnacle和Oncentra系統IMRT計劃使用的是step and shoot技術，Eclipse系統使用的是sliding window技術，sliding window技術的實施效率不能以子野數和機器跳數作為衡量指標。Pinnacle系統的機器跳數為（811.300±100.581）個，明顯少于Oncentra系統的（945.549±65.001）個，差異有統計學意義（t=4.444，P＜0.01）；Pinnacle系統和Oncentra系統的子野數分別為（49.000±1.054）個和（47.800±1.135）個，差異無統計學意義（P＞0.05）。

3 討論

目前，多種商用治療計劃系統均可設計制訂IMRT計劃。不同的計劃系統使用不同的優化方法可能導致計劃質量存在差異，比較其計劃質量可為臨床選擇合適的治療計劃系統提供依據。本研究選擇了滄州市人民醫院常用的3種治療計劃系統，針對10例宮頸癌患者制訂了30個IMRT治療計劃，優化結果均能滿足臨床標準要求。本研究結果顯示，3種商用治療計劃系統各有優勢，與Pinnacle和Oncentra系統相比，Eclipse系統計算的PTV的Dmean、D50在確保達到處方劑量要求的前提下均較低，且其計劃的HI、CI、HCO均較低，差異均有統計學意義（P＜0.05），說明Eclipse系統在靶區劑量分布方面更具優勢。Pinnacle系統和Eclipse系統計算的直腸 V40、V45、V50、Dmean均低于 Oncentra系統計算的結果（P＜0.05），且Pinnacle系統計算的數值均最小；Pinnacle系統和Eclipse系統計算的膀胱V30、V35、V40均低于Oncentra系統計算的結果（P＜0.05），且Pinnacle系統計算的數值均最小，說明Pinnacle系統計算的直腸和膀胱受量最低。3種計劃系統計算的小腸Dmax比較，差異有統計學意義（P＜0.05），其中Eclipse系統計算的結果最小，說明Eclipse系統計算的小腸受量最低。遲子鋒等[11]使用4種商用治療計劃系統制訂前列腺癌的IMRT計劃，采用蒙特卡羅方法評估計劃質量，結果顯示Pinnacle和Eclipse系統更適用于前列腺癌IMRT計劃的設計。楊金磊等[12]針對20例肺癌患者分別使用Monaco和Pinnacle計劃系統制訂了容積旋轉調強計劃，比較兩種計劃的計劃質量、實施效率和劑量驗證精度，結果顯示Pinnacle計劃系統在肺組織的保護和計劃執行方面具有明顯的優勢，Monaco計劃系統在靶區劑量分布、心臟受量和劑量驗證方面具有優勢。王佳舟等[13]使用Pinnacle和Eclipse計劃系統計算了不同幾何形狀、體積、層數以及CT掃描層厚條件下感興趣區的體積，比較了兩種計劃系統對感興趣區體積計算的差異，結果顯示感興趣區的層數和幾何體的大小與體積計算的差異呈顯著線性相關。

本研究中Pinnacle和Oncentra治療計劃系統使用的算法都屬于卷積算法，是在卷積模型的基礎上分別作了進一步的完善。卷積算法是三維的數學模型，不但考慮計算點所在平面內不均勻組織的厚度因子，還考慮所在平面及相鄰層面不均勻組織散射對該點劑量的影響，并且考慮r電子側向失衡問題，因此它在計算非均勻組織及其交界面的劑量時精確度比以往常用的筆形束算法高。但是，該算法尚存在一些問題，例如在兩種組織界面該算法雖然考慮了電子側向失衡問題，但在電子側向失衡的低密度區域，它對原射線的計算精確度降低[14]。Eclipse系統的各向異性分析算法也是三維數學模型，是三維的筆型束卷積疊加算法，它的模型建立考慮了原射線、電子線污染以及準直器散射的影響，對不均勻介質中的劑量計算與卷積模型類似，考慮計算點所在平面內不均勻組織厚度因子，以及所在平面及相鄰層面不均勻組織散射對該點劑量的影響，并考慮了電子側向失衡問題[15-16]。由此可見，兩個模型具有很多共同點，使用這兩種模型都能夠得到精確的計算結果，但由于算法間的差異，計算結果不完全相同。

綜上所述，就宮頸癌IMRT計劃而言，在直腸和膀胱受量達到臨床要求的前提下，Eclipse系統更具優勢；當計劃的難點在于降低直腸和膀胱受量時，Pinnacle系統更具優勢；當需要提高靶區內低劑量區的劑量時，優先考慮使用Oncentra系統；當需要降低小腸受量時，優先考慮Eclipse系統。