外輪廓邊界搜索參數對放療靶區和危及器官的劑量學影響

姚凱寧，王若曦，岳海振，王美嬌，王翰林，弓健，張藝寶，吳昊

北京大學腫瘤醫院暨北京市腫瘤防治研究所放療科，惡性腫瘤發病機制及轉化研究教育部重點實驗室，北京100142

前言

放射治療是腫瘤治療的重要手段之一［1］，隨著放療設備和技術的持續更新，現已進入精確放療的時代。影響精確放療的因素較多，其中貫穿整個治療流程的患者體位固定問題引起了國內外研究者的重視，尤其對于生理差異較大的頭頸部腫瘤。臨床實踐中，體位固定裝置應具備固定性強、精確性高、可重復性高、舒適度好等特征。常用的頭頸部體位固定裝置包括熱塑膜［2‐3］、發泡膠［4］和雙面膜固定系統［5‐7］。已有研究表明相對于其他固定方式，雙面膜固定系統具有操作簡便、固定效果和重復性較好等優勢［5］。

Ⅴarian公司Eclipse計劃系統在患者定位CT圖像導入時按照默認搜索策略自動生成外輪廓（Body），其他部分不參與整個劑量計算過程（CT 值設置為0 HU）。由碳纖維固定床板引入的外輪廓體積的變化對于射線衰減和劑量沉積影響較大［8‐10］，而對于雙面膜本身引入的體積差異對患者的劑量學影響尚未引起較多關注。Eclipse 計劃系統自動生成的外輪廓體積則取決于相關參數的設置，包括搜索范圍、搜索CT值閾值、平滑度等，臨床常采用默認設置或根據需要加以修改。常規熱塑膜體積小、厚度薄，采用常規參數設置，其對劑量計算的影響忽略不計［9］，而雙面膜體積較大且各部分密度略有差異，因此不同搜索參數下外輪廓的體積差異較大，對劑量計算的影響也相應增加。鑒于Eclipse 計劃系統對外輪廓搜索范圍的強依賴性和雙面膜本身的結構復雜性，加之搜索策略和參數設置的多樣化，本研究分析了采用雙面膜固定的腫瘤患者的外輪廓自動生成參數設置導致的體積差異對靶區和危及器官劑量學計算的影響，為醫學物理師在治療計劃方案制定前的外輪廓范圍界定提供必要參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

隨機選取25例采用雙面膜固定的全腦放療病例，采用Siemens 大孔徑CT 定位，靶區和危及器官的勾畫均由高年資醫師確認，計劃的設計和制定在Eclipse 計劃系統（15.5 版本）上完成，均采用6 MⅤ高能光子束，布野方式為左右兩個對穿野，劑量計算算法為Acuros XB 15.5。25例患者的處方劑量為30 Gy/10 次，本研究主要對比外輪廓的體積和劑量學差異以及計劃靶區（PTⅤ）、眼球、晶體、視神經等的劑量學差異。

1.2 外輪廓搜索

外輪廓搜索條件的更改基于原始CT 圖像，保證相同的搜索范圍、優化條件和正向劑量計算算法，同時每種計劃只改變一個搜索條件。Eclipse 中外輪廓搜索的默認參數如下：平滑度（Smoothing Level）為3，CT 值閾值（Ranger）為‐350 HU、后處理方法（Post Processing）全部選擇，默認搜索參數的計劃簡稱為Default 計劃。本研究分別改變平滑度、CT 值閾值和后處理方法，生成對比計劃。將平滑度分別設置為0、1、2、4（以下分別簡稱為DSL0、DSL1、DSL2和DSL4計劃）；CT 值設置為‐550 和‐750 HU（以下簡稱為HU‐550 和HU‐750 計劃）；后處理方法中主要探索不使用Disconnect 和Keep number of largest parts（1）（以下分別簡稱為NoDisconnect 和NoKeep 計劃），Disconnect指不連接外輪廓的各部分，Keep number of largest parts（1）指保留體積最大的一部分。以上8 種計劃分別與Default 計劃進行比較。部分計劃的外輪廓如圖1所示。對B～F 幾種不同搜索策略條件與默認設置A 的體積差異做對比和統計學分析。

圖1 不同類型計劃中外輪廓（綠線）的范圍Fig.1 Range of Body(green line)in different plans

1.3 劑量學比較

利用Eclipse 腳本應用程序編程接口（ESAPI）導出患者的劑量體積直方圖（DⅤH），統計外輪廓、PTⅤ和左右眼球的劑量學差異（D‐Ⅴalue）。計算公式如下：

其中，DRef代表參考計劃的劑量，DTest代表對比計劃的劑量。

體積差異的計算方式與劑量學相同。靶區比較參數包括劑量的最大值（Dmax）、平均值（Dmean）、最小值（Dmin）以及靶區95%體積的覆蓋劑量（D95%）；危及器官比較參數有劑量的Dmax和Dmean。統計各參數的均值、標準差和P值。

1.4 數據處理及統計學方法

采用SPSS 24.0 進行統計學分析，對每組數據進行正態性檢驗，數據符合正態分布，采用配對樣本T檢驗，反之采用相關樣本非參數檢驗，P＜0.05 表示差異具有統計學意義。數據圖表采用SigmaPlot 10.0軟件完成。

2 結果

2.1 外輪廓體積與劑量學評價指標差異

不同搜索策略條件對外輪廓體積和Dmean、Dmax等評價指標差異的箱體圖分析如圖2所示，其中HU‐750 的體積差異乘以0.2 后再進行分析。由圖2可知，相對于默認搜索方式，平滑度參數對外輪廓體積、Dmean、Dmax等差異呈負相關趨勢，提示外輪廓的搜索方式宜選取較小的平滑度；HU 閾值的絕對值與上述差異呈正相關趨勢，提示宜選取絕對值較大的閾值設置；NoKeep 參數對外輪廓體積和Dmean的差異影響 較 小。除NoDisconnect 和NoKeep 的Dmax以及NoDisconnect的Dmean外，各類計劃中外輪廓體積與劑量學參數的差異均有統計學意義（P＜0.05），如表1所示。

圖2 不同搜索策略條件下外輪廓體積和劑量學指標差異Fig.2 Differences in the volume and dosimetric indexes of Body under different search strategies

表1 8種計劃類型中外輪廓體積和劑量變化及靶區和眼球的劑量變化的P值統計Tab.1 P values of changes in the dose and volume of Body and the changes in dose of PTV and eyeballs in 8 plans

2.2 靶區和危及器官的劑量學評價指標差異

不同搜索策略下引入的外輪廓體積差異對PTⅤ關鍵劑量學評價指標的影響見圖3。平滑參數DSL與PTⅤ的Dmax、Dmean和D95%均呈負相關趨勢，且均具有顯著的統計學意義（P＜0.05），與外輪廓的劑量學影響較為一致，而對Dmin的影響沒有統計學意義。CT值閾值設置除Dmin之外的評價指標差異呈正相關趨勢，除NoDisconnect計劃中Dmean和D95%外，NoDisconnect和NoKeep兩個參數對PTⅤ其他評價指標的差異有統計學意義但影響較小。對于左右眼球的Dmax，搜索策略引入的外輪廓體積差異對其影響較小，與布野方向外輪廓的微小變化相關性很大（圖4）。

圖3 不同搜索策略條件下PTV劑量學指標差異Fig.3 Differences in PTV dosimetric indexes under different search strategies

圖4 不同搜索策略條件下左右眼球的劑量學指標差異Fig.4 Differences in dosimetric indexes of left and right eyeballs under different search strategies

3 討論

目前已知影響放療計劃劑量的因素較多，包括體位固定裝置、靶區和危及器官的勾畫［11‐12］、加速器機械參數的設置、優化算法［13‐14］、數據建模等。現有研究表明，體位固定裝置不同，引起射束劑量的衰減存在差異，進而影響靶區劑量，但對于外輪廓變化引入的劑量學影響未做有效探討［9］。本研究通過對比雙面膜固定時治療計劃系統外輪廓搜索策略所引入的外輪廓體積變化對劑量計算的影響，從理論計算方面進行了定量分析，重點關注在整個放療流程中較易忽略且影響整個放療精度的環節，以適應新的固定裝置臨床應用中面臨的劑量精度評價問題。

本研究結果表明，搜索策略的平滑度參數對各評價指標的影響呈負相關，表明平滑度較低的情況下生成的外輪廓更接近結構較為復雜的雙面膜固定方式的實際結構情況。對于HU 限制的設置，本研究表明HU 值絕對值較小時引入的劑量學變化較小，該結論與已有研究中HU 值對劑量計算的影響一致［15‐16］。Disconnect 和Keep number of largest parts（1）兩個搜索參數對全腦放療的靶區和危及器官評價指標的影響較小。此外，危及器官的劑量限值要考慮射線敏感性，例如頭頸部的危及器官相對較多且對劑量較為敏感，所以臨床計劃是否可行必須要考慮危及器官的劑量［17‐20］，這些器官的放療劑量應格外注意。本研究發現危及器官的劑量變化不明顯，這可能是由于全腦病例涉及的危及器官較少且處方劑量較小。考慮到雙面膜的體積較大且對劑量有一定影響，因此建議外輪廓搜索時應適當包含雙面膜的各部分結構。

由于頭部解剖結構的特殊性，內部有許多空腔且與外界相通，在搜索外輪廓時會出現外輪廓從鼻孔和外耳道位置深入人體內部的情況，這與搜索條件平滑度密切相關。在臨床中通常采取將其修回鼻尖和外耳道的外側，本研究對此也進行了適當的修改。

4 結論

Eclipse 計劃系統所提供的搜索策略中，平滑度、HU 閾值對全腦放療病例的劑量學計算結果影響較大，而后處理方法影響較小。針對雙面膜固定病例外輪廓界定的特殊情況，本研究建議平滑度為1，HU閾值為‐550 HU。但本研究屬于純理論計算的對比性研究，僅對放療相關工作人員在治療計劃制定階段起到提示性和參考性質的作用，至于以上搜索參數如何優化配置更能接近臨床實際，需要研究者進一步設計合理的實驗，獲取劑量方面的參考數據，從而定量和定性分析并確定雙面膜固定病例的外輪廓搜索策略。