食管癌自適應(yīng)放療不同累加方法對危及器官受照劑量的差異比較

許曉燕，王沛沛，李金凱，昌志剛，顧宵寰，鞠孟陽，葛小林，孫新臣

1. 江蘇省人民醫(yī)院（南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院）放射治療科，江蘇 南京 210000；2. 南京醫(yī)科大學(xué) 特種醫(yī)學(xué)系，江蘇 南京 211100

引言

隨著放療技術(shù)的快速發(fā)展，調(diào)強(qiáng)放療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）在腫瘤治療中的應(yīng)用日益廣泛。IMRT不僅可以提高靶區(qū)劑量與均勻性，還可以降低周圍正常組織受照劑量[1]，減輕放療不良反應(yīng)，提高患者生存質(zhì)量[2-3]。有研究顯示，食管癌在放療過程中，靶區(qū)存在不同程度的縮小和移位[4]。因此，為了避免靶區(qū)漏照，保護(hù)危及器官（Organs at Risk，OARs），通常需在食管癌患者放療的中后期再次進(jìn)行CT模擬定位并制定自適應(yīng)放療計(jì)劃。目前常規(guī)采用人工計(jì)算、治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Plan System，TPS）或MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)系統(tǒng)等三種劑量累加方法來評(píng)估整個(gè)放療過程中OARs的受照劑量。本研究旨在分析食管癌患者根治性自適應(yīng)放療時(shí)，三種劑量累加方法對兩程計(jì)劃OARs總受照劑量評(píng)估的差異性。

1 材料與方法

1.1 基本資料

收集2018年5月至2020年1月在江蘇省人民醫(yī)院放射治療科接受根治性放療的50例食管癌患者，原發(fā)灶均經(jīng)病理學(xué)證實(shí)，入院KPS評(píng)分≥80分。采用仰臥位熱塑體模固定，平靜呼吸下進(jìn)行CT掃描，掃描范圍自下頜下緣至肝臟下緣，層厚5 mm，CT圖像（CT1）通過放療網(wǎng)絡(luò)傳送至Monaco5.1 TPS。由同一位放療醫(yī)師進(jìn)行靶區(qū)勾畫，腫瘤靶區(qū)（Gross Target Volume，GTV）包括食管病灶和局部腫大淋巴結(jié)，臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）為GTV前后左右外放0.5 cm，上下外放2.0～3.0 cm，包括轉(zhuǎn)移率較高的淋巴引流區(qū)，并根據(jù)解剖屏障做相應(yīng)調(diào)整，計(jì)劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）為CTV在三維方向上均勻外放0.5 cm，腫瘤計(jì)劃靶區(qū)（PGTV）為GTV在三維方向上均勻外放0.5 cm。OARs包括雙肺、心臟和脊髓。放療設(shè)備選擇醫(yī)科達(dá)Axesse加速器，配置80對全5 mm高精度多葉光柵。

1.2 治療計(jì)劃設(shè)計(jì)

靶區(qū)處方劑量PTV：50 Gy/25 f/5 W，PGTV：60 Gy/30 f/6 W。在放療20～25 f期間，根據(jù)腫瘤靶區(qū)退縮情況，重新進(jìn)行CT模擬定位掃描（CT2）。首程治療計(jì)劃Plan1基于CT1治療25次，采用7野共面照射，射野角度分別為0、30°、50°、160°、200°、310°、330°。二程自適應(yīng)放療計(jì)劃Plan2基于CT2治療5次，采用5野共面照射，射野角度分別為0、60°、150°、210°、300°。全程放療計(jì)劃均采用動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)技術(shù)，最大劑量率600 MU/min。OARs劑量限值：雙肺V5≤60%（V5表示雙肺受到5 Gy照射的體積占雙肺總體積的百分比，下同），V20≤28%；心臟V40≤30%；脊髓Dmax≤45 Gy（Dmax表示脊髓受到的最大劑量）。

1.3 OARs受照劑量計(jì)算

分別采用三種劑量累加方法對兩程計(jì)劃中OARs總受照劑量進(jìn)行計(jì)算，具體包括雙側(cè)肺V5、V20，心臟V40，脊髓最大劑量Dmax。A組采用人工計(jì)算：對兩程放療計(jì)劃Plan1和Plan2分別進(jìn)行加權(quán)處理，處方劑量歸一到60 Gy/30 f獲得放療計(jì)劃 Plan1’和 Plan2’，將 Plan1’中OARs受照劑量評(píng)價(jià)指標(biāo) ×25/30，Plan2’中 OARs受照劑量評(píng)價(jià)指標(biāo)×5/30，兩者相加得出OARs總受照劑量。B組TPS計(jì)算：首先利用TPS剛性圖像配 準(zhǔn)算法對CT1和CT2進(jìn)行圖像融合，然后根據(jù)圖像融合結(jié)果基于CT2得到Plan1和Plan2的累加計(jì)劃Plan_sum，利用劑量體積直方圖統(tǒng)計(jì)OARs總受照劑量。C組采用MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)系統(tǒng)計(jì)算：利用MIM自帶Dose Accumulation-Deformable工作流，基于密度（CT值）形變配準(zhǔn)算法得到基于CT2的累加計(jì)劃 Plan_sum2，將劑量分布轉(zhuǎn)換為劑量體積直方圖后統(tǒng)計(jì)OARs總受照劑量。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 26.0軟件對各OARs受照劑量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量數(shù)據(jù)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。三種方法所得OARs總受照劑量組間比較采用方差分析，如存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，再用LSD法進(jìn)行兩兩比較，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同累加方法OARs總受照劑量差異比較

雙肺 V5差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=8.933，P＜0.001），LSD法組間比較：A組分別與B組、C組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其中A組數(shù)值最小；雙肺V20差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。心臟V40差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=3.590，P=0.031），LSD法組間比較：A組分別與B組、C組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其中A組數(shù)值最大。脊髓Dmax差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=5.587，P=0.005），LSD法組間比較：A組分別與B組、C組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其中A組數(shù)值最大（表1，圖1～3）。

表1 不同累加方法OARs總受照劑量差異比較（±s）

表1 不同累加方法OARs總受照劑量差異比較（±s）

組別 雙肺V5/% 雙肺V20/% 心臟V40/% 脊髓Dmax/Gy A 51.95±12.67 25.27±4.76 17.69±12.48 43.98±2.23 B 53.83±12.00 25.04±4.73 16.81±11.99 43.31±3.18 C 53.15±12.20 24.96±4.92 16.83±12.02 43.11±2.17 F值 8.933 0.575 3.590 5.587 P值 0.001 0.565 0.031 0.005

圖1 三種劑量累加方法，雙肺V5差異比較

圖2 三種劑量累加方法，心臟V40差異比較

圖3 三種劑量累加方法，脊髓Dmax差異比較

3 討論

在食管癌放療技術(shù)中，IMRT技術(shù)在靶區(qū)適形度、均勻性以及OARs保護(hù)方面已非常成熟[5-7]。有研究指出，食管癌患者在放療過程中，靶區(qū)移位可使95%的PTV受照劑量約減少8.38%[8]。若仍執(zhí)行原放療計(jì)劃，不僅會(huì)影響靶區(qū)照射劑量也會(huì)導(dǎo)致周圍正常組織受到不必要照射[9-10]。而自適應(yīng)放療依據(jù)腫瘤靶區(qū)退縮情況，在分次治療期間獲取患者CT圖像，重新優(yōu)化放療計(jì)劃，從而提高腫瘤靶區(qū)劑量，降低OARs受照劑量，實(shí)現(xiàn)降低放療并發(fā)癥的發(fā)生率，提高患者的生存質(zhì)量[11-12]。

由于放療會(huì)產(chǎn)生一定的不良反應(yīng)，而降低并發(fā)癥的關(guān)鍵是保證腫瘤有效控制劑量前提下，盡可能降低照射劑量和范圍[13-14]。因此，準(zhǔn)確的評(píng)估兩程計(jì)劃中靶區(qū)和OARs劑量分布是臨床治療決策的重要依據(jù)。目前，很多TPS雖自帶配準(zhǔn)功能，但配準(zhǔn)方式多為剛性配準(zhǔn)。而不同分次CT掃描圖像間人體解剖結(jié)構(gòu)存在一定形變和旋轉(zhuǎn)，使得TPS配準(zhǔn)很多時(shí)候無法有效解決臨床實(shí)際問題。而MIM是一款集多模態(tài)圖像配準(zhǔn)、劑量累加等功能于一體的圖像處理系統(tǒng)，能很好的讀取主流TPS的圖像及劑量，并進(jìn)行劑量累加操作。有研究證實(shí)，與剛性配準(zhǔn)方法相比，形變配準(zhǔn)更利于醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)，尤其在圖像引導(dǎo)放療和自適應(yīng)放療方面[15]。

本研究發(fā)現(xiàn)在雙肺V5差異比較中，A組數(shù)值最小，并且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由于此次收集的50例患者兩程計(jì)劃布野方式均為蝶形野IMRT，因此人工計(jì)算仍可作為簡單評(píng)估雙肺受照體積方法，但該方法會(huì)低估雙肺的低劑量受照體積。如果首程和二程計(jì)劃布野方式差異較大，人工計(jì)算法將不能用于雙肺劑量的累加計(jì)算，此時(shí)需采用TPS計(jì)算或MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。由于本研究中，兩次CT圖像均在患者平靜呼吸下獲取，因此兩次CT圖像中雙肺的體積、形態(tài)會(huì)有所差異，而TPS計(jì)算并未考慮兩次CT模擬定位時(shí)患者體型、雙肺體積等因素，僅利用剛性配準(zhǔn)算法對CT1和CT2進(jìn)行圖像融合，獲得累加計(jì)劃Plan_sum并統(tǒng)計(jì)OARs受照劑量。而MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)可基于密度的自由形變，對雙肺的體積和形態(tài)進(jìn)行匹配和融合。因此，MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)更適合用于評(píng)價(jià)兩程計(jì)劃融合時(shí)雙肺的總受照體積。而食管癌放療的毒副反應(yīng)中肺炎的發(fā)生與V5、V10、V20、V30有關(guān)[16]，因此，本文認(rèn)為在三種劑量累加方法中，雙肺的總受照體積的評(píng)估更適合采用MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)。

有文獻(xiàn)指出，當(dāng)心臟照射劑量大于40 Gy時(shí)，將誘發(fā)心臟疾病[17]；而脊髓Dmax是判斷放射性脊髓炎發(fā)生的重要指標(biāo)[16]。在本次研究中，三種劑量累加方法在心臟V40、脊髓Dmax的差異比較中有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其中A組獲得的心臟V40和脊髓Dmax數(shù)值最大。究其原因，可能是由于采用人工計(jì)算法累加脊髓Dmax時(shí)，將兩程計(jì)劃中兩個(gè)脊髓Dmax點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行加權(quán)相加，因而所得數(shù)值最大，但在實(shí)際放療過程中，兩程計(jì)劃中脊髓Dmax所處的位置并非恰好位于同一位置。石慧烽等[18]研究發(fā)現(xiàn)，MIM軟件可以完成頸椎配準(zhǔn)以及劑量累加工作，并證明了MIM軟件脊髓配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。因此，食管癌自適應(yīng)放療在兩程計(jì)劃融合時(shí)，人工計(jì)算法可簡單計(jì)算心臟和脊髓的累加受照劑量。若患者體型、雙肺體積等變化較大者，可考慮使用MIM多模態(tài)形變配準(zhǔn)方法。

4 結(jié)論

在食管癌患者自適應(yīng)放療過程中，人工計(jì)算方法會(huì)低估雙肺的低劑量受照體積，并會(huì)高估脊髓的最大受照劑量。采用TPS計(jì)算或MIM形變配準(zhǔn)，可對雙肺、心臟和脊髓等進(jìn)行相對準(zhǔn)確的評(píng)估，能有效增加物理師制定再程計(jì)劃的可調(diào)整空間，獲得更優(yōu)計(jì)劃，從而使患者獲益。