計算網(wǎng)格大小對腦腫瘤立體定向放射治療劑量學(xué)的影響

劉力閩，陳馨薇，羅靜，康盛偉， 黎杰，王培，吳駿翔

1. 仁壽縣人民醫(yī)院 腫瘤科，四川 仁壽 620500；2. 四川省腫瘤醫(yī)院（研究所）/四川省癌癥防治中心/電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院放射腫瘤學(xué)四川省重點實驗室，四川 成都 610041

引言

據(jù)統(tǒng)計，20%～40%的腫瘤患者會出現(xiàn)腦轉(zhuǎn)移瘤[1]。立體定向放射治療（Stereotactic Radiotherapy，SRT）單次高劑量、少分割次數(shù)、高等效生物劑量、靶區(qū)外劑量快速跌落等特點結(jié)合容積弧形調(diào)強放射治療技術(shù)（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）已廣泛地應(yīng)用于腦腫瘤治療[2-4]。計劃系統(tǒng)在VMAT等調(diào)強技術(shù)的劑量計算過程中提供了多種劑量計算網(wǎng)格（Dose Calculation Grid Size，DCGS）的參數(shù)設(shè)置，計算網(wǎng)格越小結(jié)果越精確，但計算時間卻成倍增長[5-6]。目前，國內(nèi)外很少有關(guān)于計算網(wǎng)格大小對腦腫瘤SRT物理劑量和生物劑量影響的研究，需要確定一個最優(yōu)的計算網(wǎng)格大小，在保證劑量計算精度、計劃質(zhì)量的同時盡可能地提高優(yōu)化效率。根據(jù)美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家學(xué)會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）的TG101報告[7]建議，SRT技術(shù)應(yīng)使用0.2 cm或者更小的劑量計算網(wǎng)格，不建議使用0.3 cm或更大的計算網(wǎng)格。因此，本研究選取腦腫瘤患者應(yīng)用SRT技術(shù)，比較0.1、0.2和0.3 cm計算網(wǎng)格對VMAT計劃質(zhì)量和優(yōu)化效率的影響，為VMAT進行腦腫瘤SRT選擇合適的計算網(wǎng)格提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 患者資料

選擇2020年1月至2020年10月本院收治的腦轉(zhuǎn)移瘤患者10例（腫瘤位置：額葉4例、頂葉3例、顳葉3例），年齡48～66歲（≥55歲的6例），中位年齡51歲，男女各半，所有患者均無放療禁忌證。患者靶區(qū)體積為2.8～37.7 cm3（＜10 cm3的 4例，≥ 20 cm3的 4例），中位體積 15.2 cm3。

1.2 CT定位和靶區(qū)危及器官勾畫

患者采用仰臥位，頭部熱塑膜固定體位，采用Philips Brilliance TM CT BigBore4 16排大孔徑CT掃描機，掃描層厚0.3 cm。掃描后將患者CT數(shù)據(jù)傳送至美國MIM Software公司的MIM Maestro軟件由主管醫(yī)生勾畫計劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）和危及器官（Organ at Risk，OAR）。OAR包括腦組織、腦干、眼球、晶體、視交叉、視神經(jīng)以及垂體。

1.3 處方劑量和計劃設(shè)計

PTV處方劑量40 Gy，5次，8 Gy/次。計劃要求處方劑量，即40 Gy劑量線至少要覆蓋95%的靶區(qū)體積，靶區(qū)內(nèi)Dmax＜125%處方劑量。采用美國瓦里安公司的Eclipse 11.0放射治療計劃系統(tǒng)，優(yōu)化算法為PRO（Progressive Resolution Optimizer）11.0.31版本，劑量計算采用AAA（Anisotropic Analytical Algorithm）11.0.31版本。加速器采用瓦里安公司的Novalis TX，其中32對0.25 cm多葉光柵，28對0.50 cm多葉光柵。射線能量為6 MV X射線，均整器模式（Flattening Filter，F(xiàn)F），劑量率最大600 MU/min。計劃設(shè)計采用共面、VMAT、FF，3個全弧（弧1順時針181°～179°，弧2逆時針 179°～181°，弧 3 順時針 181°～179°）。分別選擇 0.1、0.2、0.3 cm計算網(wǎng)格（DCGS1、DCGS2和DCGS3組）進行VMAT設(shè)計，優(yōu)化時3組PTV和OAR的條件一致。

1.4 計劃評價指標(biāo)

靶區(qū)評估采用95% PTV體積的劑量D95、D50、適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）[8]以及梯度指數(shù)（Gradient Index，GI ）[9]。CI=(TVPV)2/(TV×PV)，其中 TVPV為處方劑量所覆蓋的PTV的體積，TV為PTV的體積，PV為處方劑量線所覆蓋的總體積。GI定義為50%處方劑量所包裹的體積與處方劑量所包裹的體積之比。CI值越接近1表示適形度越高。GI值越小表示劑量跌落越快。OAR的評估指標(biāo)包括腦組織的V5、V10、V15、V20、V25和平均劑量Dmean；腦干最大值Dmax；眼球Dmax；晶體Dmax；視交叉Dmax；視神經(jīng)Dmax；垂體Dmax；另外，還統(tǒng)計3組計劃的機器跳數(shù)和優(yōu)化時間。Vn＜m表示n Gy劑量所包裹的OAR的體積小于m%。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 23.0對本研究中3組計劃的劑量學(xué)參數(shù)進行配對t檢驗分析，數(shù)據(jù)以±s表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 PTV和OAR劑量學(xué)比較

3組PTV和OAR劑量參數(shù)結(jié)果列于表1。3組計劃得到的靶區(qū)D95和D50參數(shù)的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。DCGS1組得到的CI優(yōu)于DCGS3組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-2.34，P＜0.05）。DCGS1組得到的 GI優(yōu)于 DCGS2和DCGS3兩組相比，分別下降了6.31%和13.45%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-8.57、-6.03，P＜0.05）。圖1為3組計劃在橫截面的劑量分布圖，其中圖1a、1b、1c分別是0.1、0.2、0.3 cm計算網(wǎng)格，劑量線從1500 cGy至5000 cGy，結(jié)合3組計劃得到的GI可知隨著計算網(wǎng)格的減少，靶區(qū)外的劑量跌落更加陡峭。3組計劃在腦干、眼球、晶體、視神經(jīng)和視交叉等OAR的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。正常腦組織的劑量學(xué)參數(shù)，隨著計算網(wǎng)格的降低而降低，其中 DCGS1組與 DCGS3組相比，V5、V10、V15、V20、V25和Dmean分別下降了3.11%、2.85%、1.25%、0.60%、0.33%以及 0.45 Gy，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-7.50、-5.60、-5.11、-5.62、-6.55、-9.16，P＜0.05）；與DCGS2組相比，V5、V10、V15、V20、V25和Dmean分別下降了1.44%、1.23%、0.52%、0.25%、0.14%以及0.20 Gy，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-7.66、-7.16、-4.83、-5.48、-8.15、-11.76，P＜0.05）。

表1 10例患者3組PTV和OAR劑量參數(shù)結(jié)果（±s）

表1 10例患者3組PTV和OAR劑量參數(shù)結(jié)果（±s）

注：a與DCGS1組相比，P＜0.05；b與DCGS2組相比，P＜0.05。

計劃PTV 腦干Dmax/Gy 眼球Dmax/Gy D95/Gy D50/Gy CI GI DCGS1 40.06±0.04 44.56±0.49 0.88±0.04 3.86±1.05 17.10±8.39 6.20±2.77 DCGS2 40.05±0.04 44.63±0.49 0.89±0.04 4.12±1.13a 16.52±7.98 6.35±2.99 DCGS3 40.07±0.04 44.55±0.49 0.89±0.03a 4.46±1.32ab 16.50±7.87 6.38±3.29計劃 腦組織V5/% V10/% V15/% V20/% V25/% Dmean/Gy DCGS1 50.70±18.59 21.40±11.11 9.27±6.02 4.85±2.88 3.19±1.88 6.84±2.33 DCGS2 52.14±18.68a 22.63±11.56a 9.79±6.29a 5.10±2.98a 3.33±1.92a 7.04±2.37a DCGS3 53.81±18.77ab 24.25±12.41ab 10.52±6.58ab 5.45±3.14ab 3.52±1.99ab 7.29±2.43ab計劃 晶體Dmax/Gy 視神經(jīng)Dmax/Gy 視交叉Dmax/Gy 垂體Dmax/Gy 加速器跳數(shù)/MU 劑量計算時間/min DCGS1 3.51±1.64 5.79±3.33 5.73±3.58 6.19±3.85 4054.9±409.7 46.85±0.94 DCGS2 3.51±1.57 5.68±3.40 5.74±3.45 6.48±4.11 4103.4±364.3 12.29±0.69a DCGS3 3.61±1.70 6.09±3.88 6.08±3.89 6.67±4.30a 4113.3±352.1 5.36±0.30ab

圖1 3組計劃的橫截面劑量分布圖

2.2 機器跳數(shù)和劑量計算時間比較

3組計劃得到的機器跳數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。DCGS1、DCGS2和DCGS3組的劑量計算時間分別為46.85、12.29和5.36 min。隨著計算網(wǎng)格的增加，劑量計算時間顯著降低，DCGS3組與DCGS2組和DCGS1組相比，計算時間分別降低了56.39%和88.56%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=10.71、51.00，P＜0.05）。

3 討論

SRT技術(shù)是腦腫瘤的主要治療手段之一[10-11]。SRT技術(shù)是通過單次或少次（1～5次）給予靶區(qū)大劑量照射（6～30 Gy），為了最小化OAR的不良反應(yīng)，需要嚴格控制靶區(qū)外的劑量跌落。因此，相比于常規(guī)放療，SRT技術(shù)需要更加準確的劑量傳遞[7]。Dempsey等[12]通過理論和試驗均證明了離散空間劑量計算網(wǎng)格在調(diào)強放療劑量計算時會產(chǎn)生誤差，應(yīng)在計劃優(yōu)化時選擇合適的劑量計算網(wǎng)格。在劑量計算中，使用不同的網(wǎng)格大小將會對劑量計算的準確性產(chǎn)生不同的影響，還會對劑量分布產(chǎn)生不同程度的影響。目前，國內(nèi)外已有學(xué)者發(fā)布了關(guān)于計算網(wǎng)格對肺癌[13]、頭頸部腫瘤[14]、宮頸癌[15]等部位計劃的劑量學(xué)影響研究，而少有關(guān)于計算網(wǎng)格大小對腦腫瘤SRT劑量學(xué)影響的研究。隨著腦腫瘤SRT技術(shù)在臨床應(yīng)用越來越廣泛，更加需要如何選擇計算網(wǎng)格的相關(guān)劑量學(xué)研究，以便為臨床使用提供數(shù)據(jù)參考。基于此，本研究按照AAPM TG101報告[7]中推薦的SRT技術(shù)應(yīng)使用不大于0.3 cm的計算網(wǎng)格進行劑量計算，比較了0.1、0.2、0.3 cm計算網(wǎng)格大小對腦腫瘤SRT劑量學(xué)參數(shù)和優(yōu)化效率的影響，結(jié)果表明0.1 cm的計算網(wǎng)格在劑量梯度和正常腦組織保護上更具有優(yōu)勢，而0.3 cm計算網(wǎng)格在優(yōu)化效率上更具優(yōu)勢。

改變劑量計算網(wǎng)格的大小會對劑量分布、計算精度和計算時間產(chǎn)生不同程度的影響[16-18]。烏曉禮等[16]的研究中使用PTW-VeriSoft調(diào)強驗證軟件得到計劃驗證通過率隨著計算網(wǎng)格的減少而增加，0.3、0.4和0.5 cm計算網(wǎng)格時的計劃通過率分別為96.7%、94.5%和91.7%。Chung等[5]研究表明使用0.15 cm和0.2 cm計算網(wǎng)格時的處方劑量相差2.3%，而與0.4 cm相比差異達到5.6%。本研究得到的結(jié)果表明改變劑量計算網(wǎng)格大小可對靶區(qū)外的劑量分布產(chǎn)生影響，這可能與SBRT技術(shù)靶區(qū)體積小、靶區(qū)外劑量跌落陡峭有關(guān)，計算網(wǎng)格的減少會最小化劑量梯度和體積平均效應(yīng)的影響[19-20]。本研究中，靶區(qū)的GI值隨著計算網(wǎng)格的增加而增加，計算網(wǎng)格0.3 cm與0.2 cm 和0.1 cm相比分別增加了0.34和0.60（P＜0.05）。本研究中計算網(wǎng)格的改變對OAR的劑量體積影響較大，特別是正常腦組織。腦轉(zhuǎn)移SRT治療的放射性腦壞死的風(fēng)險與腫瘤的位置、體積、處方劑量、腦組織的劑量學(xué)參數(shù)以及病理等因素有關(guān)，在計劃設(shè)計中應(yīng)嚴格控制腦組織的受照劑量。而隨著計算網(wǎng)格的增加，腦組織的V5、V10、V15、V20、V25和 Dmean也隨之增加，計算網(wǎng)格0.1 cm與0.2 cm和0.3 cm相比分別減少了1.44%、1.23%、0.52%、0.25%、0.14%及0.20 Gy，3.11%、2.85%、1.25%、0.60%、0.33%以及0.45 Gy（P＜0.05）；而計算網(wǎng)格的改變對OAR最大值的影響較小，3組計算網(wǎng)格得到的腦干、眼球、晶體、視神經(jīng)和視交叉等OAR的最大值的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。計算網(wǎng)格的減少不僅可以增加計劃的精確性，還可以減少正常腦組織的受照劑量，這一結(jié)果為在腦腫瘤SRT中更好的保護正常腦組織提供了一種新的方法。

隨著計算網(wǎng)格的減小，計算結(jié)果更加精確，但是卻會顯著提高劑量計算的時間，降低優(yōu)化效率，特別是控制點較多的VMAT計劃，需要在計算精度和計算效率之間平衡[21-22]。Mittauer等[17]研究發(fā)現(xiàn)，劑量計算時間隨著計算網(wǎng)格的增加而減少，0.4 cm和0.3 cm網(wǎng)格的計劃時間與0.2 cm相比分別減少了84.4%和69.8%。本研究中計算網(wǎng)格0.1、0.2和0.3 cm的劑量計算時間分別是46.85、12.29和5.36 min，0.1 cm計算網(wǎng)格的計算時間分別是0.2 和0.3 cm的3.81和8.74倍。0.1 cm計算網(wǎng)格與0.2和0.3 cm相比雖然可以提高計劃質(zhì)量，但是卻明顯降低優(yōu)化效率，對于患者治療壓力較大的醫(yī)院，該計算網(wǎng)格并不適合在臨床應(yīng)用。計算網(wǎng)格大小既影響劑量計算速度，也影響計算精度，需要根據(jù)實際情況在計劃質(zhì)量和優(yōu)化效率之間合理選擇。另外，本研究目前只比較了3種計算網(wǎng)格對于腦腫瘤SRT劑量分布和優(yōu)化效率的影響，而對驗證通過率的比較，需要進一步研究。

4 結(jié)論

綜合考慮計劃質(zhì)量和優(yōu)化效率，建議使用0.2 cm計算網(wǎng)格用于腦腫瘤的SRT技術(shù)，在滿足劑量計算精度的同時也能保證優(yōu)化效率。3組計劃中，0.1 cm計算網(wǎng)格的計劃質(zhì)量最好，但優(yōu)化時間較長，若只考慮計劃質(zhì)量則建議使用該計算網(wǎng)格。