優化角度分組對宮頸癌容積旋轉調強計劃劑量分布的影響

王 成， 陳維軍， 李玉成， 賈勇士， 詹文明， 李 強， 楊 帆， 趙桂芝*

(1.南華大學核科學技術學院, 衡陽 421001; 2.浙江省人民醫院放療科/杭州醫學院附屬人民醫院, 杭州 310014)

宮頸癌在臨床上是一種常見的婦科腫瘤，其發病率和致死率均處于女性腫瘤疾病的第四位[1]。隨著科學技術的進步，放療成為治療宮頸癌的一種重要手段，而容積旋轉調強放射治療(volumetric-modulated arc therapy, VMAT)作為當代放療技術中一種先進手段，它相較于傳統調強技術在減少治療時間的同時，能使靶區保持更均勻的劑量分布[2-3]，因而成為目前一種主流放療技術。

在Monaco計劃系統對病人進行VMAT計劃設計時，第一階段中，系統將光子束分成多個扇形，使用理想的光子束注量分布優化，用來滿足給定光束組的定義處方。在第二階段，系統在優化過程中使用蒙特卡洛模擬，根據優化限制函數完成分割，包括分割形狀和權重，并在此之間進行優化平衡，以獲得優化結果。已有大量文獻報道[4-7]：最小子野面積、優化模式的選擇、劑量計算網格、優化角度分組(increment，Inc)等參數的不當設置，會嚴重影響VMAT劑量計算結果。針對優化角度分組這一參數，尚沒有標準的量化指標，需要物理師根據經驗手動輸入參數，如果參數設置不合理，可能會延長計劃的優化時間，甚至導致優化結果失敗，會嚴重影響臨床的工作效率。中外已有文獻報道Inc參數會影響鼻咽癌、食管癌、前列腺癌劑量計算的準確性和影響劑量分布[7-9]，從而影響治療效率及療效。宮頸癌作為女性腹部常見的癌癥疾病，相較于食管癌病例其危及器官體積相對較小，數量更多且相互鄰近。相較于前列腺癌主要針對男性患者，宮頸癌作為女性腹部常見的腫瘤疾病，病灶位置與鄰近危及器官與之具有部分差異。相較于宮頸癌，鼻咽癌危及器官通常體積較小，串行器官較多，而宮頸癌危及器官多為并行器官，器官體積偏大。由于這些差異的存在，所以對宮頸癌患者的優化角度分組參數影響研究仍具有一定臨床意義。在保證計劃靶區(planning target volume, PTV)劑量充足的條件下，為減少危及器官的劑量受量，減少臨床放射性副反應的發生，得到更優的劑量分布結果，從宮頸癌患者的VMAT技術出發，定量分析常用Inc參數對宮頸癌患者靶區和危及器官中劑量分布的影響，從而指導臨床應用選擇合適的Inc參數。

1 材料與方法

1.1 病例資料

隨機選取浙江省人民醫院2020年1月—2020年7月收治的15例宮頸癌術后放療的病人，病理類型均為鱗癌，年齡31～72歲，中位年齡53歲。所有患者此前均未接受過宮頸癌放療，且均無放療禁忌證。

1.2 模擬定位

患者取仰臥位，使用熱塑體膜(8例)或真空負壓墊(7例)進行體位固定，采用雙手交叉抱肘置于額頭，采用美國通用電氣公司(General Electric Company， GE)生產的Discovery CT590 RT型號的大孔徑CT機掃描，掃描范圍從第一腰椎至坐骨結節下緣水平，層厚5 mm，平掃加增強掃描。然后導入Monaco計劃系統中。

1.3 靶區勾畫及處方劑量

根據國際輻射單位和測量委員(International Commission Radiological Units，ICRU)62 號和83 號報告[10-11]，由其臨床主治醫師勾畫臨床靶區(clinical target volume,CTV)及危及器官，然后PTV由臨床靶區頭腳方向外擴0.7 cm，腹背及其他方向外擴0.5 cm形成。再由物理師進行計劃設計。處方劑量給予PTV95%達到4 500 cGy的處方劑量，25×180 cGy的分次劑量。針對部分宮頸癌患者存在需要更高劑量的PTV-boost，為了進行定量的劑量分析，本文暫且忽略PTV-boost所需達到的目標劑量體積，同時使用系統自帶的Rescale dose技術將PTV調整到95%的目標劑量體積，這樣可以定量對比分析其他危及器官的受量。

1.4 計劃設計

由于宮頸癌病人的靶區通常均處于體內居中的位置，常使用360°全弧的方式進行計劃設計，由于Monaco自身條件的限制，不能由179°順時針旋轉到181°，所以令所有全弧的設計為178°逆時針旋轉350°。其余參數選擇為：劑量網格0.3 cm，計算不確定度為1%，平滑度選擇中等medium，選擇單弧VMAT計劃(機架轉向為單向，逆時針178°～188°)，單弧的控制點數選擇180。并在Inc為30°的條件下對計劃進行優化設計，如圖1所示，此時CT圖被分為12個優化區間進行同時優化。然后另外對Inc分別賦值10°、20°、40°，同時將Inc=10°、20°、30°、40°時的計劃分別命名為Inc10°、Inc20°、Inc30°、Inc40°。在約束條件相同的情況下，分析各Inc下VMAT計劃的劑量分布。

圖1 360°的弧長其扇區數被分為12個Fig.1 The number of sectors for 360° arc length is 12

1.5 計劃評估指標

根據國際輻射單位和測量委員會(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)發布的83號報告的要求對靶區和危及器官進行分析[11]。針對靶區，靶區使用D2、D50(Dx為器官中x%的體積包含的劑量)，靶區適形度指數(homogeneity index，CI)和靶區均勻性指數(homogeneity index，HI)進行分析，CI、HI的計算公式為

CI=(VT,ref/VT)(VT,ref/Vref)

(1)

式(1)中:VT,ref為參考等劑量線面所包圍的靶區體積；VT為總的靶區體積；Vref為參考等劑量線面包圍的所有區域體積。CI越接近1表示適形度越好[12]。HI的計算公式為

HI=(D2-D98)/D50

(2)

式(2)中:HI越接近1表示均勻性越好。針對宮頸癌的病灶所處的特殊位置，其危及器官的評價參數選擇左右股骨頭的平均劑量Dmean，盆骨V10、V20及Dmean，膀胱、直腸、小腸的D2及V45，乙狀結腸的D2及Dmean，和脊髓的D2來進行分析。其中Vx代表xGy的劑量線所包含的器官體積百分比。

1.6 統計學方法

2 結果

2.1 靶區劑量參數比較

與對照組Inc=30°相比較，10°、20°、40°的優化角度分組計算得到PTV的HI均不具有統計學意義(P>0.05)，D2除40°組以外，D50及CI除10°組以外，均不具有統計學意義(P>0.05)。與對照組Inc=40°相比較，實驗組10°、20°中的D2、D50、HI、CI除10°組中的CI具有統計學意義(P<0.05)以外，其余均不具有統計學意義(P>0.05)。與對照組Inc=20°相比較，實驗組Inc10°中均有統計學意義(P<0.05)，且D2、D50，HI明顯增加，CI明顯減小。四組對照組在CT上的劑量分布差異如圖2所示。

圖2 4組計劃下的靶區橫切面的劑量分布Fig.2 The dose distribution of target region transverse of section among four groups

2.2 危及器官劑量參數比較

(1)與對照組Inc=20°時的計劃相比較，實驗組10°時的盆骨V20、Dmean和膀胱、直腸及乙狀結腸的D2與對照組相比具有統計學意義，且盆骨V20、Dmean減小，膀胱、直腸及乙狀結腸的D2增加，其余參數不具有統計學意義。

(2)與對照組Inc=30°時的計劃相比較，實驗組10°其危及器官中的盆骨V10、V20、Dmean低于30°組，且具有統計學意義(P<0.05)，膀胱D2，直腸D2均高于30°組，且具有統計學意義(P<0.05)，10°時的其余危及器官參數不具有統計學意義(P>0.05)。實驗組20°的所有危及器官參數與對照組相比，均不具有統計學差異(P>0.05)。實驗組40°的左股骨頭Dmean與盆骨Dmean均高于30°組，且具有統計學意義(P<0.05)，其余危及器官參數與對照組相比不具有統計學意義(P>0.05)。

表1 4組計劃靶區和危及器官劑量參數Table 1 Comparison of dosimetric parameters of targets and OARs among four groups

3 討論

VMAT技術相較于傳統固定野調強技術，其有著良好的腫瘤控制率和危及器官受量，短治療時間的優勢[13]，在選擇Inc參數時，系統提示可以在3°～60°選擇，而在使用全弧計劃且使用單弧的條件下，Inc>45°時系統將進行報錯參數選擇過大，可能是在選擇45°時，VMAT的優化角度的8個分組相較于常規固定野調強為8個射野，此時不能體現VMAT的技術優勢，所以系統在Inc選擇大于45°時系統將進行報錯[14]。

從整體來看，Inc10°、Inc20°、Inc30°、Inc40°時的所用的平均計劃時間分別為55.4、36.27、26.2、25.07 min，而計劃時間的減少對于優化過程較復雜的Monaco來說，可以較為顯著地提高計劃效率。Inc10°、Inc20°、Inc30°、Inc40°的平均機器跳數(monitor unit，MU) 分別為949.28、812.57、786.16、773.08 MU，由于MU是指在標定下1 MU=1 cGy，則出束劑量率一定時，跳數越少時治療時間就越短，不僅可以提高治療效率，也可以減少由于較長的治療時間引起的分次內器官體積變化，提高治療精確度。并且機器跳數明顯減少時，還可以降低加速器機頭附近的射線散射，理論上也可以降低二次致癌的概率[15]。

從文章數據中得出，當隨著Inc的增大，其計劃運算時間會隨之減小，這是由于Inc=10°時，其射野需要在36個弧內進行相互優化，而當Inc=40°時，計劃只需在9個弧段內進行優化，其計劃運算效率提升顯著。但在部分病人身上，當其Inc越大，用的時間卻越多，可能是由于Inc增大時，優化結果較差，靶區劑量和危及器官劑量不能達到目標，進行了反復的優化調整，從而導致計劃時間的增加。本文在對照組Inc10°中，發現較小的Inc在危及器官的優化結果上較好，但此時容易導致靶區的目標劑量體積不足，在使用劑量提升Rescale Dose功能進行靶區提量到95%的目標劑量體積后，此時危及器官的劑量優化結果相較于Inc30°的對照組，危及器官受量提高，其優化結果相對較差。在Inc20°時發現，大部分劑量優化結果較好，但大部分器官所受劑量，相較于Inc30°對照組，會呈現下降的趨勢。實驗組Inc40°中，由于其優化精度相對較低，因此在靶區和危及器官劑量上的優化結果也相對較差。Nithya等[7]對比了食管癌病人使用的4種不同角度優化分組(15°、20°、30°、40°)的靶區及器官劑量學差異，得出越小的Inc優化結果越好，其結論在本文宮頸癌全弧的計劃Inc20°、Inc30°、Inc40°三組中成立，這一點與本文結果相似。而本文Inc10°的對照組由于靶區目標劑量的欠缺而優化結果較差，但Nithya等在食管癌患者使用的最小的Inc值為15°，可能是15°與20°的優化角度分組分區數目差異較小，從而其得出Inc越小優化結果越好的結論，因而與本文的部分結果不一致。

在實驗組Inc10°中，發現有兩組病例靶區劑量D2較高，導致其PTV及危及器官劑量嚴重偏大。經分析其中一組為乙狀結腸部分被PTV所覆蓋，而PTV作為靶區，其劑量值較高，乙狀結腸劑量此時無法得到有效限制，導致優化結果較差。另一組為部分乙狀結腸被當作小腸進行了勾畫，乙狀結腸離靶區較近，通常被PTV環繞，其D2、Dmean較高，小腸相對于乙狀結腸而言位置離靶區稍遠，劑量限值通常較小，在包含了乙狀結腸作為其體積后，其靶區劑量D2會偏大，當使用小腸的劑量函數再進行限制時，靶區無法進行一個較大的劑量跌落，難以進行限制，導致PTV劑量不足，PTV靶區提量后隨之靶區D2較高，其余危及器官受量也隨之上升。而Inc20°、Inc30°、Inc40°組中受到勾畫錯誤的影響相較于Inc10°并不大，由此可猜測，Inc越小時，對危及器官優化精度較好，但容易降低部分靶區的目標劑量體積，Inc越小影響越顯著。而靶區HI和CI指數在不同角度分組優化下，其值均無統計學差異，證明當Inc變化時，由于靶區是固定的，其劑量線在PTV達到95%的時候，靶區覆蓋率較好，其劑量梯度差異較小，所以HI和CI指數沒有統計學差異。Inc20°實驗組中的D2、D50、CI、HI與對照組相比均不具有統計學意義，但其D2、D50的均值都有減少的趨勢，而在部分病人的計劃中，會出現D2及D50會出現隨著Inc的增大反而略微減小的情況，經分析，這部分異常的病人身體相對瘦小，靶區體積相對較小，此時受Inc的影響也會較小。馮麗娜[14]也對比多種不同類型的病例也指出：靶區越簡單，體積越小，受Inc影響越小，相反則受Inc影響越大。

由于宮頸癌病人靶區附近危及器官較多，在計劃設計時需要根據病人實際情況選擇最重要的器官優先保護，減少臨床不良反應。針對宮頸癌術后的病人，其小腸會落入盆腔，且腸道會受粘連，此時小腸是盆腔放療的主要限制性器官[16]。單從小腸劑量上來看，在考慮宮頸癌術后的病人時，可以選擇Inc30°小腸可以得到較低的劑量體積。王利華等[17]指出，滿膀胱狀態下的小腸V45會比空膀胱狀態下的小腸V45的體積減小26%，文獻[18-19]也指出，膀胱充盈時能減少小腸受照體積，同時也能降低小腸受到的最大劑量。因此可以通過增加膀胱尿液量，來避免小腸由于高劑量受照體積引起的放射性損傷，同時使用膀胱容量測定，以保證定位和治療時膀胱尿液充盈程度的一致性[20]，提升治療精度，同時減少小腸的放射性損傷。放射性直腸及膀胱黏膜損傷也是宮頸癌放療常見的不良反應[21]，嚴重程度與直腸及膀胱接受的高劑量照射體積有關，由文中數據可知，選用Inc30°能得到相對較低的直腸膀胱照射量。另外在Inc20°下，乙狀結腸及脊髓受量較低，可以減少乙狀結腸放射性腸道損傷及放射性脊髓炎的隨機性發生效應，文獻[22-23]研究顯示，骨盆V20、Dmean可能是宮頸癌放療患者血液學毒性發生的主要影響因素。由本文數據，骨盆劑量會隨著Inc的增大而增加，則骨盆劑量可以在Inc10°下進行計算，觀察靶區及危及器官的劑量分布，如骨盆不能得到理想的劑量分布，可以考慮將Inc的數值由10°進行小幅度提升，在保證靶區劑量充足的情況下，以最優的方式將骨盆劑量降低。

因此，筆者在平衡計劃設計效率和優化結果下，認為針對常規病人，使用Inc=30°時能得到較好的劑量分布，既能得到臨床要求的靶區劑量和危及器官限制，又能提高治療效率。而針對部分身體狀況較差或者靶區體積較大的病人，需要更好的優化精度時，可以選擇Inc為20°，以得到更好的劑量分布。