子野权重优化工具在颈部食管癌调强放疗计划中的应用

吴煜良，何松美，张 纯，吴伟艺，崔顺景，黄军荣

(1.东莞市人民医院放疗科，广东 东莞 523000；2东莞市人民医院感染科，广东 东莞 523000)



子野权重优化工具在颈部食管癌调强放疗计划中的应用

吴煜良1，何松美2，张 纯1，吴伟艺1，崔顺景1，黄军荣1

(1.东莞市人民医院放疗科，广东 东莞 523000；2东莞市人民医院感染科，广东 东莞 523000)

目的 研究子野权重优化(SWO)工具在CMS XiO治疗计划系统制定调强放疗(IMRT)计划中的应用。方法 选取10例颈部食管癌全程调强放疗病例设计IMRT计划，按常规设定好各种优化参数，第一步使用静态调强方式进行直接优化设计调强放疗计划(S-IMRT)，接着继续进行子野权重优化(SWO)并生成新的SWO-IMRT计划，比较子野权重优化前后总跳数、总子野数，同时分析比较正常组织受照剂量的变化。结果 选取的10例颈部食管癌患者中，SWO-IMRT与S-IMRT两者计划的子野数分别比较，前者比后者减少约8.7%～23.5%(P<0.001)，同时比较两者的总的机器跳数也都分别有不同程度减少，减少范围在2.7%～6.6%(P<0.001)；脊髓、脊髓prv、口腔等正常组织的剂量都有所下降。结论 在使用CMS XiO治疗计划系统进行颈部食管癌全程IMRT计划设计过程中，适当运用SWO工具，可以减少子野数和总机器跳数，缩短治疗时间，减少机器磨损；同时也能降低正常组织剂量，从而降低正常组织的毒副反应。

子野权重优化; CMS XiO治疗计划系统；食管癌；调强放疗

CMS XiO治疗计划系统在设计静态调强放疗(intensity modulation radiated therapy ，IMRT)计划时，通常是直接使用静态调强方式一步优化生成S-IMRT计划，现在还可以在此计划的基础上继续进行子野权重优化(segment weight optimization, SWO)，并生成新的SWO-IMRT计划[1]，本研究目标在于选取颈部食管癌全程放疗病例，从剂量学的角度比较2种方式的IMRT计划：主要比较总子野数、机器跳数、脊髓、口腔的受照平均剂量。

1 材料与方法

选取10例颈部食管癌全程放疗病例，在美国通用GE Hispeed定位CT上进行3 mm薄层定位扫描。体位固定：仰卧位，头颈部垫枕，头后仰使下颌骨接近垂直于床面，头颈肩热成型膜固定。每例使用碘帕醇100 mL增强扫描。扫描范围：眶下缘至剑突下缘。

靶区勾画在FOCAL工作站上进行。GTVT：以影像学(如食管造影、CT、PET-CT等)观察到的原发肿瘤。GTVN：影像学观察到的肿大淋巴结。CTV：GTVT上下各放3 cm的长度的食管、GTVN和相应的区域淋巴结。PTV：在CTV基础上外放0.5 cm[2]。

处方剂量： 设GTV、GTVnd、CTV、PGTV、PGTVnd及PTV。PGTV给予66 Gy/30次；PGTVnd给予60 Gy/30次;PTV给予56 Gy/30次。主要危及器官：脊髓<4 000 cGy,脊髓prv<4 500 cGy,口腔平均剂量<5 000 cGy。治疗计划统一使用7野均分布野，射野的角度方向分别为0°、50°、100°、150°、200°、250°、300°。使用CMS XiO治疗计划系统设计IMRT计划。

CMS XiO治疗计划系统中S-IMRT与SWO-IMRT方式优化的步骤比较：前面的步骤(CT定位、勾画靶区、设置射野参数)都是一样，区别之处是SWO-IMRT计划是在S-IMRT的基础上进一步使用SWO工具生成新的治疗计划。优化方法：CMS XiO调强优化主要是通过使用目标函数实现的。目标函数定义如下[1]：O=WI(DCurrent|DPrescribed)。其中W为Weight(权重)，DCurrent和DPrescribed分别表示某个小的体素中当前计算出的剂量和处方剂量，P为幂指数。首先设定好目标函数中靶体积的最大和最小值，危及器官的限量值，通过迭代优化算法计算，不断使计算的剂量分布与所要求的剂量分布的剂量差值达到最小，每次迭代都需要进行一个梯度函数计算，之后在与原梯度方向上的值做比较，经过设定的参数与次数搜索，找到该路径上的可能的极小值[3-5]。根据以上的公式，可知道Weight和Power都是限定目标重要性的系数，而调整Power系数的大小比Weight系数的影响大很多，两者的影响可以考虑为大级别与小级别调整的关系。在临床实际应用中，Weight系数通常取值2.0～3.0，Power的系数取值在100～1 000。见图1。

图1 S-IMRT和SWO-IMRT的优化步骤

调强优化算法的目标在于找到最佳权重的子野组合，即最佳的照射密度(表现为剂量通量图)。CMS XiO在调强优化过程中充分考虑到以下几个因素：1)目标函数收敛准则和迭代次数，这2个参数是用户自己定义的，就是控制优化的停止条件，太大会导致优化时间长，太短会令到优化不能充分达到更好的效果，要选择合适的值；2)散射范围距离，该距离定义为X散线射贡献量，即规定子野几何边界外某具体厘米处的剂量在优化中仍然参与计算。通过增加该值可以探测到更多的剂量信息，但随着信息量增多会导致优化时间增加；3)优化范围，该范围参数设定主要考虑的因素包括靶区大小、靶区与邻近正常组织之间的关系及半影大小，超过此范围的子野将不参与调强优化[5]。范围过大将造成周边正常组织剂量变高，范围过小会使靶区边缘剂量不足。SWO的原理：在S-IMRT优化阶段中会得到的剂量强度通量图，利用这个剂量强度通量图再结合优化参数(具体参数包括：SWO计算网格大小、收敛准则、最大迭代次数、逆向迭代次数以及子野最小跳数，见表1)重新优化各子野的权重，通过SWO优化后可以得到非等强度分割的强度等级，而这个等级可更接近目标的强度等级。在SWO过程中小跳数(通常设定为<5 MU)的子野会被优化除掉，剩余的子野继续进行优化。见表1。

表1 S-IMRT与SWO-IMRT优化控制参数

以上进程完成后，计划系统将优化完成的通量图转化成可执行的多叶光栅(MLC)可执行序列[6]，转换过程中将采用等分的强度等级，优化后的强度等级与等强度等级转换比较见图2，从图中可以得知，采用等强度等级划分的方式会造成部分信息的丢失[1,5]。

图2 等分割强度等级过程信息丢失情况

2 结果

选取的10例颈部食管癌患者中，SWO-IMRT与S-IMRT两者计划的子野数分别比较，前者比后者减少约8.7%～23.5%(P<0.001)；同时比较两者的总的机器跳数也都分别有不同程度减少，减少范围在2.7%～6.6%(P<0.001)；脊髓、脊髓prv、口腔等正常组织的剂量都有所下降，其中脊髓平均剂量下降约12%～21%(P<0.001)，脊髓prv平均剂量下降约16%～21%(P<0.001)，口腔平均剂量下降约5%～11%(P<0.001)。具体数据见表2、3。

表2 10例颈部食管癌患者配对t检验结果

3 讨论

IMRT可以实现计划靶区周围正常组织受高剂量辐射体积会明显减少，从而明显提高计划靶区的受量，提高肿瘤控制率和(或)降低危及器官并发症的发生率[7]。在使用静态调强方式设计颈部食管癌IMRT计划时,直接优化后剂量通量图转换为MLC序列的过程中，由于强度等级越高得到剂量分布越好，可是剂量强度等级越高子野数也越多，导致治疗时间增加，因此需要合理选择强度等级[6]，利用SWO工具可以再次优化S-IMRT计划，生成不均匀分强度等级的SWO-IMRT计划，该计划的剂量分布更加接近目标设定的理想剂量。

表3 10例颈部食管癌患者的放疗相关指标

经过多个病例应用得知SWO-IMRT计划也有其不足：1)计划的全局热点会有所升高，大约50～200 cGy；2)在子野数较少的S-IMRT计划中，再次优化后得到的SWO计划优势不明显。

我们在未来应结合MRI、PET-CT等多种医学影像技术确定靶区，充分利用SWO方式，尽可能降低正常组织的剂量，减少治疗时间，在医学影像引导下实施体位更精确的IMRT。本次应用研究仅以10例颈部食管癌全程IMRT为例，重点讨论SWO工具的应用方法，在其他常见肿瘤的计划设计中，该工具也应该发挥出很大的治疗优势[1,5]。

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[2] 殷蔚伯，李晔雄，王绿化，等.肿瘤放射治疗手册[M].北京:中国协和医科大学出版社,2010:110-112.

[3] 胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社,1999:517-519.

[4] Leicher B, Day E, Colonias A, et al.Dosimetric comparison of IMRT rectal and anal canal plans generated using an anterior dose avoidance structure[J].Med Dosim,2014,39(3):272-275.

[5] 查元梓，张松方，屠永清,等.子野权重优化对CMS XiO宫颈癌调强计划的影响[J].中国医学物理学杂志,2013 ,30(1):3866-3869.

[6] Kamath S, Sahni S, Li J, et al. Leaf sequencing algorithms for segmented multileaf collimation[J].Phys Med Biol,2003,48(3):307-324.

[7] 于金明，李宝生.调强放疗技术研究进展[J].肿瘤防治杂志,2001,8(1):81-85.

东莞市医疗卫生科技计划项目(编号：20131051010111)

吴煜良(1981-)，男，主管技师，主要从事放射物理与放疗技术的研究。E-mail：dgwyl@qq.com

张纯(1962-)，男，主任医师，主要从事肿瘤放疗工作。E-mail：zhangchundg@163.com

10.3969/j.issn.1673-5412.2016.05.017

R735.1；R730.55

B

1673-5412(2016)05-0428-04

2015-11-23)