等效均勻劑量優(yōu)化方法在前列腺癌患者放射治療中的應(yīng)用

王沛沛，顧宵寰，李金凱，曹遠東，王亭亭（通信作者）

江蘇省人民醫(yī)院放射治療中心 （江蘇南京 210029）

放射治療是治療前列腺癌患者的主要手段，治療技術(shù)從常規(guī)二維、三維適形放射治療（CRT）發(fā)展到調(diào)強放射治療（IMRT）、容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療（VMAT），在提高腫瘤劑量的同時降低了周圍正常組織受量。等效均勻劑量（EUD）最初是Niemierko提出的一種生物等效劑量[1-3]，其表示的是產(chǎn)生與不均勻照射相同的細胞存活所需要的均勻照射的劑量。

EUD是生物劑量的一種等效形式，其具有生物效應(yīng)上的意義，因此也稱為生物等效均勻劑量[4]。目前調(diào)強計劃多采用劑量-體積（DV）優(yōu)化法，每個約束條件只代表一個感興趣區(qū)的劑量體積直方圖（DVH）曲線上一個點的期望值，不能對整個曲線的每個點進行約束，而使用EUD代替DV約束，可能克服其局限性[5-6]。本研究分別采用DV和EUD優(yōu)化算法作為靶區(qū)的目標函數(shù)，對前列腺癌設(shè)計VMAT計劃，比較兩組不同優(yōu)化算法的優(yōu)化結(jié)果，從而評估EUD優(yōu)化算法在前列腺癌VMAT計劃優(yōu)化中的應(yīng)用價值，為臨床計劃設(shè)計提供參考，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院2018年9月至2019年6月收治的行前列腺癌術(shù)后輔助放射治療的20例患者，年齡54～80歲，中位年齡67.5歲。

患者均采取仰臥位，盆腔熱塑膜固定；定位前排空大小便，然后飲水800 ml，使膀胱充盈，并用膀胱測量儀定量分析；使用CT模擬定位系統(tǒng)（Siemens Sensation Open，德國）進行掃描，掃描范圍從腰1椎體上緣至坐骨結(jié)節(jié)下5 cm，層厚0.5 cm；獲得的CT圖像通過DICOM格式傳輸至醫(yī)科達醫(yī)師工作站 Monaco Sim（Version 5.1）。

由放射治療醫(yī)師勾畫靶區(qū)及危及器官（OARs）；參照ICRU 50號和62號報告及其他影像資料，勾畫計劃腫瘤靶區(qū)（PGTV）和計劃靶區(qū)（PTV），勾畫的OARs有直腸、膀胱及雙側(cè)股骨頭。

1.2 計劃設(shè)計

使用醫(yī)科達Monaco Sim（Version 5.1）三維治療計劃系統(tǒng)對20例患者分別采用DV和EUD優(yōu)化算法為目標函數(shù)的VMAT計劃，其他優(yōu)化條件均不變。VMAT的弧度范圍為200°～160°（起始角度為200°，順時針旋轉(zhuǎn)至160°，弧長為320°），順時針旋轉(zhuǎn)。處方劑量：PGTV給予74.25 Gy/33 F、2.25 Gy/F，PTV給予66 Gy/33 F、2.0 Gy/F，要求至少95%的靶區(qū)滿足處方劑量，V110%（靶區(qū)接受處方劑量的110%的體積）＜2%，靶區(qū)外無劑量熱點（高于110%處方劑量的區(qū)域）。OARs劑量限量要求：直腸V70＜15%（直腸受照70 Gy的體積百分比小于15，以此類推），V60＜25%，V50＜50%；膀胱V50＜50%；雙側(cè)股骨頭V30＜50%，V50＜5%。

1.3 計劃評價

每個計劃完成后，按照PGTV的V74.25=95%劑量歸一；利用DVH評價靶區(qū)劑量分布和OARs受量。

1.3.1 靶區(qū)評價參數(shù)

（1）靶區(qū)劑量評估：根據(jù)ICRU 83號報告[7]，比較D2%（2%靶區(qū)體積接受的劑量，為靶區(qū)的近似最大劑量）、D98%（98%靶區(qū)體積接受的劑量，為靶區(qū)的近似最小劑量）、D50%（50%靶區(qū)體積接受的劑量，近似于靶區(qū)的平均劑量）。（2）適形性指數(shù)（CI）：CI=（TVPTV/VPTV）/（VTVp/TVPTV），式中，TVPTV為靶區(qū)內(nèi)參考等劑量線包饒的體積，VPTV為靶區(qū)體積，VTVp為參考等劑量線包饒的區(qū)域體積，CI值越接近1說明靶區(qū)適形度越好。（3）均勻性指數(shù)（HI）：HI=（D2%-D98%）/Dp，式中，Dp為靶區(qū)的處方劑量，HI值越接近0表示靶區(qū)劑量均勻性越好。

1.3.2 OARs評價參數(shù)

由于直腸、膀胱以及股骨頭的毒副反應(yīng)發(fā)生率與受照平均劑量、受照體積均有關(guān)，所以對3者的受照平均劑量Dmean以及不同劑量照射的體積百分比進行評價，評價指標具體為：直腸以及膀胱的Dmean、V70、V60、V50、V40；雙側(cè)股骨頭的Dmean、V30（因雙側(cè)股骨頭的V50受量均為0，所以在此不做評價）。

1.3.3 治療相關(guān)參數(shù)

控制點（CPs）、機器跳數(shù)（MU）。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件對兩組計劃方式的結(jié)果進行配對t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量學(xué)比較

兩組目標優(yōu)化算法的結(jié)果均能滿足靶區(qū)處方劑量要求。

PGTV 的 處 方 劑 量 為74.25 Gy，D98%、D2%、D50%3項數(shù)據(jù)越趨近于74.25 Gy越理想。表1結(jié)果顯示，Plan_DV與Plan_EUD計劃中PGTV的D2%、D98%、D50%差異非常小，Plan_DV的D98%、D50%分別低于Plan_EUD計劃組78.76 cGy、55.86 cGy，更接近靶區(qū)劑量，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.19、0.32）；Plan_DV 的D2%高于 Plan_EUD 計劃組73.45 Gy，更接近靶區(qū)劑量，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.49）；Plan_DV與Plan_EUD兩組計劃的CI和HI相近，Plan_DV組CI略好，Plan_EUD組HI略好，但差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.11、0.67）。

PTV 的處方劑量為66 Gy，D98%、D2%、D50%3者 Plan_DV組均優(yōu)于Plan_DV組。表2結(jié)果顯示，Plan_DV組的D98%為6 476.21 cGy，高于 Plan_EUD 組的6 457.20 cGy，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.01）；兩組計劃的D2%比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.4）；Plan_DV組的D50%為7 022.24 cGy，優(yōu)于Plan_EUD組的7 055.94 cGy，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.00）；兩組計劃的CI和HI相當，Plan_EUD組CI略好，兩組HI相同，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.69、0.17）。

表1 PGTV劑量學(xué)參數(shù)比較（）

表1 PGTV劑量學(xué)參數(shù)比較（）

參數(shù) Plan_DV Plan_EUD D98%（cGy） 7 400.83±54.56 7 479.59±105.36 D2%（cGy） 7 900.65±75.76 7 883.06±119.01 D50%（cGy） 7 641.54±69.41 7 697.94±100.69 CI 0.64±0.09 0.59±0.08 HI 0.07±0.01 0.05±0.01

表2 PTV劑量學(xué)參數(shù)比較（）

表2 PTV劑量學(xué)參數(shù)比較（）

注：與Plan_EUD比較，aP＜0.05

參數(shù) Plan_DV Plan_EUD D98%（cGy） 6 476.21±39.66a 6 457.20±26.51 D2%（cGy） 7 781.10±69.82 7 802.36±108.64 D50%（cGy） 7 022.24±130.22a 7 055.94±102.54 CI 0.85±0.03 0.86±0.03 HI 0.20±0.01 0.20±0.02

2.2 OARs劑量學(xué)比較

兩組計劃均能滿足所有OARs劑量限量要求，見表3。（1）直腸：Plan_DV組的Dmean和V40低于Plan_EUD組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.00、0.00）；Plan_EUD組的V70、V60、V50均低于Plan_DV組，其中V70差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.29），V60、V50差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.02、0.00）。（2）膀胱：Plan_DV 組的Dmean、V70、V50、V40均低于Plan_EUD組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.00、0.00、0.00、0.00）；Plan_EUD組的V60低于Plan_DV組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.00）。（3）左側(cè)股骨頭：兩組計劃的Dmean和V30相近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.21、0.28）。（4）右側(cè)股骨頭：兩組計劃的Dmean相近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.13）；Plan_DV組的V30低于Plan_EUD組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.02）。

2.3 治療相關(guān)參數(shù)比較

Plan_DV組的CPs少于Plan_EUD組，Plan_EUD組的MU少于Plan_DV組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.00、0.02），見表4。注：與Plan_EUD比較，aP＜0.05

表3 OARs劑量學(xué)參數(shù)比較（）

表3 OARs劑量學(xué)參數(shù)比較（）

注：與Plan_EUD比較，aP＜0.05

OARs Plan_DV Plan_EUD直腸Dmean（cGy） 3 927.98±328.19a 3 941.61±333.41 V70（%） 4.77±2.60 3.85±2.04 V60（%） 21.31±3.22a 19.18±3.12 V50（%） 35.65±4.17a 34.34±4.21 V40（%） 49.18±5.39a 49.19±5.91膀胱Dmean（cGy） 2 391.25±435.98a 2 501.74±408.63 V70（%） 4.05±2.29a 4.72±2.39 V60（%） 13.23±3.73a 13.07±3.69 V50（%） 17.81±4.87a 18.46±4.19 V40（%） 22.67±5.91a 23.94±5.42左側(cè)股骨頭Dmean（cGy） 2 144.74±307.7 2 144.34±266.17 V30（%） 11.14±7.59 11.38±6.68右側(cè)股骨頭Dmean（cGy） 2 056.75±347.9 2 135.9±248.64 V30（%） 10.89±9.37a 11.77±7.59

表4 兩組計劃治療相關(guān)參數(shù)比較（）

表4 兩組計劃治療相關(guān)參數(shù)比較（）

參數(shù) Plan_DV Plan_EUD CPs 132.70±14.24a 146.70±19.69 MU 1 006.21±128.93a 851.42±87.19

3 討論

EUD是一種生物等效形式，在放射治療計劃設(shè)計和優(yōu)化中的價值日益受到廣泛關(guān)注。國內(nèi)外多項研究顯示，基于EUD優(yōu)化的IMRT計劃可以在保證靶區(qū)劑量的同時，有效降低OARs的受量[8-11]。Monaco治療計劃系統(tǒng)采用蒙特卡洛計算算法，為靶區(qū)提供了基于EUD和基于DV的兩組優(yōu)化方式。本研究分別采用兩組靶區(qū)優(yōu)化方式為20例前列腺癌患者設(shè)計VMAT計劃，并對兩組計劃的劑量學(xué)參數(shù)和效率參數(shù)進行了對比，為臨床前列腺癌計劃設(shè)計提供參考。

本研究結(jié)果顯示，兩組靶區(qū)優(yōu)化方式的結(jié)果均能滿足臨床使用。前列腺鄰近的重要OARs為直腸和膀胱，特別是直腸，因此與放射治療相關(guān)的放射反應(yīng)主要為直腸和泌尿系統(tǒng)反應(yīng)，這也是前列腺癌患者放射治療后生命質(zhì)量降低的主要原因。多項研究表明，前列腺癌放射治療中直腸并發(fā)癥與受照劑量和體積有明確的關(guān)系[12-13]。有研究顯示，25%直腸體積照射劑量≤70 Gy時，直腸2級及2級以上的晚期并發(fā)癥可控制在16%以內(nèi)[14-15]。Fiorino等[16]研究為直腸2級RBL提供了有效的劑量-體積參數(shù)預(yù)測：接受50 Gy、60 Gy和70 Gy的直腸體積分別在60%、45%和25%以下。本研究結(jié)果顯示，直腸受量的V70、V60、V503項Plan_EUD組均低于Plan_DV組，對直腸有更好的保護，進一步降低了直腸并發(fā)癥的發(fā)生率。

前列腺的位置變化還受膀胱充盈狀態(tài)的影響，定位前，使膀胱充盈，并用膀胱測量儀定量，在保護膀胱的同時盡量保證前列腺的位置固定。Boersma等[17]總結(jié)大量文獻后得出30%膀胱照射50～65 Gy 或20%膀胱照射65～75 Gy 則泌尿系統(tǒng)的并發(fā)癥可控制在5%～10%。本研究中兩組計劃膀胱受量均較低，完全滿足膀胱的劑量限制要求。兩組比較，Plan_EUD組膀胱的V60較低，其他對比參數(shù)Plan_DV組受量較低。

兩組計劃的治療參數(shù)比較，Plan_EUD組明顯降低了MU，平均降低了約15%，明顯縮短了治療時間并減少了加速器的損耗，提高了靶區(qū)的生物效應(yīng)和機器的治療效率。

綜上所述，基于DV和EUD優(yōu)化算法作為靶區(qū)的目標函數(shù)的前列腺癌VMAT計劃均能滿足靶區(qū)處方劑量和OARs的劑量限制要求。Plan_EUD組腫瘤靶區(qū)的均勻性更好，對于直腸的保護更有優(yōu)勢，且Plan_EUD組MU明顯較低，加速器執(zhí)行更加高效。