robust优化在乳腺癌调强放疗中的应用

杨一威 翁邓胡 邵凯南

乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一，放疗是主要治疗手段。特别是改良根治术后的辅助放疗，能降低高危乳腺癌患者的局部复发率，提高总生存率[1]。本研究选取了10例左侧乳腺癌根治术后患者，分别采用传统的调强适形放射治疗（IMRT）计划及容积旋转调强放射治疗（VMAT）计划、加入robust优化的IMRT及VMAT计划，比较加入与不加入robust优化的放疗计划靶区和危及器官剂量，现将结果报道如下。

1 对象和方法

1.1 对象 选择2016年1至12月在本院接受放射治疗的左侧乳腺癌改良根治术后患者10例为研究对象。年龄 31~55[43（37.75，49.00）]岁；临床分期为Ⅲ期；放射治疗靶区包括胸壁和锁骨上淋巴区。

1.2 CT模拟定位 患者仰卧于乳腺托架上，双侧手臂上举并握住托架上的杆，体中线以皮肤墨水和铅丝标注，以确保体位的重复性。乳腺靶区和颈部暴露，使胸壁呈水平状态。体表定位点用铅丝标记。采用Phlips 16排大孔径CT机对治疗部位进行扫描。扫描层厚5mm，扫描范围上界至C1，下界至肝脏下缘，包括双侧肺、乳腺和颈部。图像由网络传输至Raystation计划系统。

1.3 计划设计 由经验丰富的临床医生在Raystation计划系统根据美国放射治疗协作组（RTOG）标准勾画临床靶区（CTV），包括胸壁区（标记为CTV1）和锁骨上淋巴结区（标记为CTV2）；再分别外扩5mm，生成计划靶区（PTV），包括胸壁区（标记为PTV1）和锁骨上淋巴结区（标记为PTV2），PTV1不超体表。在Raystation治疗计划系统中进行两组计划的设计，一组加入robust优化，为A组；一组不加入，为B组。A组包含IMRT计划为A-I计划，包含VMAT计划称为A-V计划；B组包含IMRT计划称为B-I计划，包含VMAT计划称为B-V计划。其他条件相同，两组都加上0.5cm的虚拟填充物。IMRT计划对 PTV1、PTV2分别设野，PTV1设四野（300°、330°、95°、125°），为避免机头碰到患者手臂，切线野角度≥300°；PTV2根据靶区形状设置前三后一野（300°、330°、30°和 165°），两前野同切线野，射野方向根据靶区差别进行微调，通过设置铅门大小来限制照射区域。VMAT计划采用双弧，角度300°~165°。射野中心点往Posterior、Right方向分别发生位移0.5cm的计划定义为A-I-S计划、B-I-S计划、A-V-S计划和B-V-S计划，这些计划只需移动射野中心点计算最终剂量即可，无需再次优化。按照射要求，PTV给予50Gy/25F的处方剂量，靶区与危及器官的计划剂量作如下约束：PTV的V95%（受到95%处方剂量照射的体积百分比）≥100%；患侧肺V5＜60%，V20＜30%，V30＜20%；心脏平均剂量（MHD）＜7Gy，脊髓最大剂量（Dmax）＜45Gy。

1.4 剂量学评估 对A-I计划与B-I计划、A-V计划与B-V计划、A-I-S计划与B-I-S计划、A-V-S计划与B-V-S计划进行比较，评估基于剂量-体积直方图（DVH）曲线和剂量学参数。未发生位移的计划都以95%PTV体积获得50Gy处方剂量进行归一，发生位移的计划不作处理。计划的比较指标：采用适形指数（CI）和均匀指数（HI）评估 PTV 剂量分布，V100%、V95%评估CTV 剂量，V5、V20、V30及 MLD 评估患侧肺的受量，MHD评估心脏的受量，Dmax评估脊髓最大剂量。

1.5 统计学处理 应用SPSS 19.0软件统计，计量资料用表示，组间比较采用配对样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 A-I计划与B-I计划的剂量学参数比较 B-I计划的PTV CI、脊髓Dmax均明显高于A-I计划，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；其余9个参数差异均无统计学意义（均 P＞0.05），见表 1。

表1 A-I计划与B-I计划的剂量学参数比较

2.2 A-V计划与B-V计划的剂量学参数比较 与AV计划比较，B-V计划的CTV V100%较低，PTV CI较高，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；其余9个参数差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表2。

2.3 A-I-S计划与B-I-S计划的剂量学参数比较 与A-I-S 计划比较，B-I-S 计划的 PTV CI、CTV V100%、CTV V95%、脊髓Dmax均较低，PTV HI较高，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；其余6个参数差异均无统计学意义（均P ＞0.05），见表 3。

2.4 A-V-S计划与B-V-S计划的剂量学参数比较与A-V-S计划比较，B-V-S计划的PTV CI、CTV V100%、CTV V95%均较低，PTV HI较高，差异均有统计学意义（均P＜0.05）；其余7个参数差异均无统计学意义（均P ＞0.05），见表 4。

表2 A-V计划与B-V计划的剂量学参数比较

表3 A-I-S计划与B-I-S计划的剂量学参数比较

表4 A-V-S计划与B-V-S计划的剂量学参数比较

3 讨论

本研究主要对robust优化在乳腺癌调强放射治疗中的应用进行研究。目前已有研究表明robust优化不仅可以提高靶区的剂量，还可以降低危及器官的剂量。Bissonnette等[2]、Mccann等[3]在肺癌调强放射治疗中运用robust优化，不仅降低了同侧肺的剂量，而且提高了CTV的累计剂量。Li等[4]、Voort等[5]分别在肺癌、咽癌的质子放射治疗中发现robust优化可减少由于摆位和器官运动引起的误差，提高靶区的剂量覆盖率。Mahmoudzadeh等[6]研究发现robust优化在自由呼吸的情况下，可以减少乳腺癌放射治疗时心脏的剂量，降低对屏息技术的需求。以上研究主要运用robust优化来进行CTV各个方向的外扩，不需要生成PTV，直接对CTV作放疗计划。本研究把robust优化运用到乳腺癌改良根治术后放疗计划的设计上，只对PTV靶区外侧界进行外放，提高了放疗计划的鲁棒性。

由于呼吸运动引起的摆位误差以及治疗体位偏移会造成CTV位移[7-8]，临床医生往往要对CTV进行外扩。但是乳腺癌改良根治术后患者的肿瘤大部分离皮肤很近，CTV往往要画到皮肤，而外扩生成PTV又不能超出体表，因此当射野中心向内侧发生偏移的时候，CTV的剂量覆盖率会出现大幅下降。而robust优化恰恰考虑到这一点，在计划优化过程中加入了这一方向偏移对计划影响的考量，改善位移对靶区剂量的影响。若是CTV外放生成PTV时，外放到虚拟填充物上的话，往往造成计划设计的不便，使PTV的处方剂量很难达到临床要求。从结果来看，加入robust优化后，靶区适形性变差，这是由于照射范围变大，引起体表面的散射线变多，处方剂量包含的体积变大。靶区的HI稍微有点降低，但差异无统计学意义。加入robust优化的IMRT计划及其移位计划，脊髓Dmax稍高，可能是由于脊髓离靶区较远、受量较低、样本量少等造成的偶然现象。当中心点发生位移时，加入robust优化的移位计划，其靶区适形性和均匀性相对更好，因为位移的发生会造成一部分体表的PTV发生脱靶；其对应的计划同侧肺的剂量差异无统计学意义，这是因为本研究只应用robust优化对靶区外侧界进行外放，对内侧界关系密切的同侧肺的剂量没有影响。

robust优化基于Minimax优化，是最小化在最坏情况下的一组预定义场景的目标函数值[9]。本研究中2个情境被使用，一个是标称的情境，一个是射野中心向内侧发生偏移时的情境，在优化过程中分别计算这2种情境的剂量分布。Raystation系统在作剂量参数优化时，可以选择让靶区剂量优化增加一个robust优化。就是说，在设定PTV靶区参数Min Dose和Min DVH的时候勾上robust选项，再在robust选项中选择Anterior和Left外放0.5cm。与普通IMRT、VMAT计划相比，加入robust优化的计划在危及器官剂量方面基本没有差别；在射野中心往内侧界方向发生移位时，加入robust优化的计划在靶区适形性、均匀性及CTV覆盖率上均可获得更好的剂量分布。不管是IMRT还是VMAT，它们的robust计划虽然在不发生位移的时候靶区适形性较差，但是相对发生移位时靶区剂量分布的改善来说，就显得没那么重要了。如果临床医生对靶区的均匀性和适形性有更高的要求，也可以加入条件作进一步优化。

乳腺癌胸壁照射时，呼吸运动造成的靶区扩大不容忽视。虽然临床医生在勾画PTV时，在一定程度上考虑了这个因素；但由于乳腺癌改良根治术后患者的肿瘤特征，往往会因外侧界外放程度不够，可能造成冷区和脱靶；而加入robust优化具有可行性。roubust优化的应用在保证胸壁靶区照射精度的同时，基本不增加正常组织受照剂量，用于乳腺癌放射治疗是安全可行的。

4 参考文献

[1]余子豪.乳腺癌放射治疗进展[J].中国实用外科杂志,2015,20(7)：53-56.

[2]Bissonnette J,Hope AJ,Lundin A,et al.A Simple,Robust IMRT optimization method for lung cancer,Accounting for tissue heterogenity and intra-fraction lung tumor motion[J].Int J Radiat OncolBiolPhys,2008,72(1)：86-87.

[3]Mccann C,Purdie T,Hope A,et al.Lung sparing and dose escalation in a robust-inspired IMRT planning method for lung radiotherapy that accounts for intrafraction motion[J].Med Phys,2013,40(6)：61705.

[4]Li H,Zhang X,Park P,et al.Robust optimization in intensity-modulated proton therapy to account for anatomy changes in lung cancer patients[J].Radiother Oncol,2015,114(3)：367-372.

[5]Voort SVD,Water SVD,Perkó Z,et al.Robustness Recipes for Minimax Robust Optimization in Intensity Modulated Proton Therapy for Oropharyngeal Cancer Patients[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2016,95(1)：163-170.

[6]Mahmoudzadeh H,Lee J,Chan TC,et al.Robust optimization methods for cardiac sparing in tangential breast IMRT[J].Med Phys,2015,42(5)：2212-2222.

[7]Conroy L,Quirk S,Smith WL,et al.Realistic respiratory motion margins for external beam partial breast irradiation[J].Med Phys,2015,42(9)：5404.

[8]Guo B,Li J,Wang W,et al.Correlation Between Target Motion and the Dosimetric Variance of Target and Organ at Risk during External Beam Partial Breast Irradiation Using 4-Dimensional Computed Tomography[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2016,96(2)：E5.

[9]Chan T,Bortfeld T,Tsitsiklis J.A robust approach to IMRT optimization[J].Phys Med Biol,2006,51(10)：2567-2583.