等效均匀剂量优化法在宫颈癌调强放疗中的应用

方美芳 蔡汉飞 徐露 曹露

·临床研究·

等效均匀剂量优化法在宫颈癌调强放疗中的应用

方美芳 蔡汉飞 徐露 曹露

目的探讨宫颈癌调强放射治疗计划设计中等效均匀剂量优化法对危及器官保护方面的应用价值。方法随机选取20例宫颈癌放疗患者作为研究对象。采用剂量-体积与等效均匀剂量两种优化方法设计调强放疗计划。剂量-体积组（DV组）：危及器官（包括直肠、膀胱、股骨头、小肠）采用剂量或剂量-体积的物理目标函数进行优化；等效均匀剂量组（EUD组）：危及器官改用等效均匀剂量目标函数进行优化。通过剂量参数比较两组优化方法的剂量学差异。结果两组患者的计划靶区的剂量对比，差异无统计学意义（P＞0.05）；但EUD组危及器官的剂量较低，差异具有统计学意义（P＜0.05）。结论等效均匀剂量优化法能较好地降低危及器官的受照剂量，对降低宫颈癌放疗并发症具有临床意义。

等效均匀剂量；宫颈癌；调强放射治疗

调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）的目标旨在提高肿瘤靶区照射剂量的同时降低周围重要器官照射剂量，在宫颈癌放射治疗中得以广泛应用[1]。IMRT计划设计采用的是剂量或者剂量-体积（dose-volume，DV）优化法，其只能对剂量体积曲线上的单个或几个点进行剂量约束，而EUD（equivalent uniform dose，EUD）优化法则能够对剂量体积曲线上所有点进行剂量约束[2]。且多篇文献报道EUD优化法能够保持靶区适形度不变，降低危及器官（organ at risk，OAR）的照射剂量[3-5]，但在腹部肿瘤IMRT中应用较少，本研究旨在比较两种优化方法在宫颈癌调强放疗计划设计中对OAR的优劣，评估EUD优化法在危及OAR中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2016年1—11月宫颈癌放射治疗患者20例作为研究对象，患者年龄42～75岁。平均年龄为（60.65±9.64）岁；病理类型为鳞癌，所有患者均无宫颈癌手术史，无放疗禁忌证。按FIGO分期Ⅱb期3例，Ⅲb期17例。放疗方案为IMRT联合腔内放疗，IMRT剂量为48.6 Gy/27次，腔内治疗A点总剂量30～ 36 Gy。

1.2 方法

1.2.1 EUD的定义 Niemierko最先提出的EUD是一种生物等效剂量[6]，定义为：如果组织接收的均匀剂量照射与不均匀剂量照射产生同样的放射生物学效应，该均匀剂量定义为不均匀剂量的等效均匀剂量。等效均匀剂量的广义计算公式为

该公式适用于肿瘤组织和正常组织。其中N是组织的总体素数目；Di是第i个体素的剂量，a是组织的生物学特征参数，用来描述剂量体积效应。a的取值在-∞～20之间。用于肿瘤组织时要求a＜1，a值越大，表示EUD值受到剂量冷点影响越小；用于并型正常组织时要求a=1；用于串型正常组织时要求a＞1，a值越小，表示EUD值受到剂量热点的影响越小。

1.2.2 CT模拟及靶区定义 患者均采用仰卧位热塑体模固定，双手臂交叠放于前额，模拟定位扫描范围由膈顶至坐骨结节下缘5 cm，扫描层厚5 mm。由医师勾画计划靶体积（plan target volume，PTV）与危及器官，靶区处方剂量定义为95%的PTV接受的最低剂量。危及器官包括膀胱、直肠、股骨头和小肠。

1.2.3 治疗计划设计 使用Pinnacle3V9.8 TPS计划系统，采用Siemens Artiste 6MV X线，使用直接机器参数优化（direct machine parameter optimization，DMPO）算法设计相同的共面五野（252°，324°，36°，108°，180°）放疗计划，Pinnacle3优化模型有剂量体积条件约束和EUD条件约束，优化条件由物理师设置。DV组采用物理约束条件包括最小剂量、最大剂量、最小剂量体积、最大剂量体积与均匀剂量设计放疗计划；EUD组在剂量体积组的基础上将危及器官（直肠、膀胱、股骨头和小肠）剂量约束条件改用Max EUD约束条件，危及器官a取1，权重取1～5。为保证计划评估的一致性，要求PTV的100%处方剂量的体积达到95%，PTV的110%处方剂量的体积＜10%，危及器官剂量采用剂量体积（VD，即接受某一照射剂量的体积，如V10表示接受10 Gy照射剂量的体积）和平均剂量（Dmean）进行评估，膀胱与直肠V45＜60%，股骨头V50＜5%，V40＜50%，小肠V40＜40%，最大点剂量小于53 Gy。

靶区受照剂量采用D95%、均匀性指数和适形度指数进行评估。D95%即处方剂量，为95%靶区体积接受的剂量。均匀性指数（homogeneity index，HI）参考ICRU83报告[7]建议，公式为

其中D2%是2%靶区体积接受的剂量，近似为靶区的最大剂量；D98%是98%靶区体积接受的剂量，近似为靶区的最小剂量；D50%是50%靶区体积接受的剂量，近似为靶区的平均剂量。HI取值从0～1，HI值越小说明靶区内均匀性越好。

适形度指数（conformity index，CI）[8]，用来描述处方剂量包绕的体积形状和大小与肿瘤靶区的符合程度，公式为

其中VR-T为处方剂量包绕的靶区体积，这里选用95%处方剂量包含的PTV体积，VR表示处方剂量包绕的体积，这里选用95%处方剂量覆盖的总体积，VT表示靶区的体积。CI取值是0～1，CI数值越大表示靶区适形度越好。

1.3 统计学方法

采用SPSS 21.0软件进行统计分析，采用配对样本t检验比较两组调强计划的PTV剂量与危及器官的剂量差异。

2 结果

两组调强计划结果，见表1与表2。由表1可以看出，两组计划PTV剂量的D95%、CI以及HI对比，差异均无统计学意义（P＞0.05），表明两组优化方法对PTV的剂量与适形度没有明显影响。表2中DV组直肠、膀胱、股骨头和小肠的照射剂量均高于EUD组，差异具有统计学意义（P＜0.05），说明EUD优化法能更好地保护靶区周围的危及器官。图1某例患者两组优化法比较，两组PTV的DVH曲线近似重合，EUD组计划中危及器官的DVH曲线左移。

表1 两种治疗计划PTV剂量比较（±s）

表1 两种治疗计划PTV剂量比较（±s）

D95%（Gy） 48.89±0.079 48.90±0.070 0.123 CI 0.721±0.027 0.719±0.029 0.267 HI 0.093±0.007 7 0.092±0.008 1 0.079

表2 两种治疗计划危及器官剂量比较（±s）

表2 两种治疗计划危及器官剂量比较（±s）

膀胱V45 42.31±5.13 41.24±6.06 0.006 V40 69.59±7.73 67.67±7.63 0.002 Dmean（Gy） 44.21±2.68 43.45±2.85 0.004直肠V45 57.98±7.12 54.62±6.14 0.007 V40 87.45±5.12 83.18±6.66 0.005 Dmean（Gy） 45.77±1.93 44.18±2.79 0.001小肠V45 7.48±1.77 6.56±1.66 0.018 V40 12.83±3.07 10.58±2.94 0.001 Dmean（Gy） 15.20±2.99 14.49±2.64 0.031左侧股骨头V45 19.43±6.25 16.21±7.33 0.004 V40 30.53±7.87 26.60±9.64 0.001 Dmean（Gy） 31.77±4.92 30.50±4.91 0.026右侧股骨头V45 22.96±5.95 19.51±7.35 0.004 V40 34.14±7.56 30.78±8.76 0.005 Dmean（Gy） 34.23±2.60 32.46±3.15 0.005

图1 某宫颈癌患者计划靶区和危及器官两种优化方法的剂量体积直方图

3 讨论

EUD优化法在IMRT中的运用越来越广泛，因其能够优化剂量体积曲线上的每个体素，从而最大限度地降低OAR的剂量[9-10]，在剂量条件满足参数设定的情况下，系统仍然会继续优化以找到最优解；而DV优化法只针对参数设定的点剂量或者剂量体积进行优化，当该点的剂量值或者剂量体积满足参数设定的要求时，这个点剂量或剂量体积对优化目标函数的影响就很小，对于没有设定的点剂量或剂量体积，系统不会优化。EUD优化的逆向调强计划可以在靶区剂量分布不变情况下，明显降低OAR以及正常组织的照射剂量[11]，对于放疗并发症发生的降低以及患者生活质量的提高有很大意义。

EUD优化能简化IMRT计划的限制条件，每个OAR只需要设定一个Max EUD值，它的限制参数只有一个a值；然而DV优化的IMRT计划每个OAR需要设置最大剂量点和多个剂量体积等限制条件才能达到类似的临床要求。有文献报道[2]对单个OAR使用多个物理约束条件来限制器官的剂量，得到OAR的剂量分布与EUD优化法没有明显差异，但限定条件的增加使计划设计的时间明显增加，且需要有经验的物理师才能灵活应用。EUD表示的是剂量-效应关系[3]，它与放射治疗的生物学效应相联系，可以反映出肿瘤控制概率（TCP）及正常组织并发症概率（NTCP）的大小，该文献采用生物学计算模型对EUD优化进行放射生物学评估认为EUD优化能够保持TCP不变的同时降低NTCP。

姚升宇等报道是使用EUD优化法能提高肿瘤靶区剂量的均匀性[12]。笔者随机选择两个宫颈癌计划，尝试将靶区的剂量体积约束条件改为单独Min EUD约束条件进行优化，但是PTV剂量明显不足，靶区均匀性大大降低，肿瘤靶区内出现大片高剂量区域，同时也增加了OAR的照射剂量。我们还将靶区的约束条件采用剂量体积与Min EUD约束条件同时进行优化，靶区与危及器官剂量均能满足临床要求，因此 EUD优化法可能不宜单独应用于肿瘤靶区剂量约束。

综上所述，EUD优化法能更好地降低正常组织和OAR的受照剂量，对降低放疗并发症有重要的临床意义。EUD优化法参数设置简单，能有效节省计划设计时间，更容易地获得临床可执行的调强放疗计划，值得在调强放疗计划设计中广泛采用。

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Application of Equivalent Uniform Dose in Planning Optimization of Intensity Modulated Radiotherapy for Cervical Cancer

FANG Meifang CAI Hanfei XU Lu CAO Lu Department of Radiotherapy,The First Affiliated Hospital of Bengbu Medical College, Bengbu Anhui 233004, China

ObjectiveTo explore the application value of uniform dose treatment plan optimization method for the protection of organs in the design of equivalent intensity modulated radiation for cervical cancer.Methods20 patients with cervical cancer who

radiotherapy were randomly selected, and two IMRT methods, dose volume and equivalent dose, were used to design IMRT plan. Dose volume group (DV group): the organs (including rectum, bladder, femoral head and small intestine) were optimized by dose or dose volume physical objective function; The equivalent uniform dose group (EUD group): the organ of danger was optimized by equivalent uniform dose objective function. Dosimetric differences between the two optimized methods were compared by dose parameters.ResultsThere was no significant difference in the target dose between the two groups (P> 0.05);But the dose that endanger the organ of EUD group was lower, the difference was statistically significant (P< 0.05).ConclusionThe dose to organ at risk can be better reduced through optimization with equivalent uniform dose group objectives, which is quite helpful to reduce the occurrence rate of radiotherapy complications for cervical cancer.

equivalent uniform dose; cervical cancer; intensity modulated radiation therapy

R737

A

1674-9308（2017）27-0042-03

10.3969/j.issn.1674-9308.2017.27.022

蚌埠市级科技创新指导类项目（20160309）

蚌埠医学院第一附属医院放疗科，安徽 蚌埠 233004