剂量网格分辨率大小对非小细胞肺癌立体定向放射治疗的剂量学影响

2019-01-28陈祥单国平邵凯南李玉成杨一威李浦王彬冰周剑良

中国医学物理学杂志 2019年1期

陈祥，单国平，邵凯南，李玉成，杨一威，李浦，王彬冰，周剑良

1.南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001；2.浙江省肿瘤医院放射物理室，浙江杭州310022

前言

肺癌是临床常见的恶性肿瘤之一，我国肺癌发病率和病死率均居恶性肿瘤首位，约85%的患者为非小细胞肺癌（NSCLC）［1-2］。早期NSCLC首选手术治疗，但对于无法耐受手术或不愿意接受手术的患者，放疗则是重要的局部治疗手段［3］。立体定向放射治疗（SBRT）常用于NSCLC治疗，其特点是靶区剂量梯度陡峭、边缘剂量跌落迅速，能够将高能射线聚焦于靶区的同时，最大程度降低周围危及器官的剂量［4-6］。SBRT通常分次数较少、单次剂量较大、具有很高的生物等效剂量，因此需要准确计算剂量分布［7-9］。国内外有文献报道计算网格大小会影响剂量计算的准确性和剂量分布［10］，但是对于NSCLC患者SBRT计划设计时不同剂量网格分辨率对剂量计算的影响，相关文献报道较少。因此，本研究旨在定量分析剂量网格分辨率对NSCLC患者SBRT计划最终剂量分布的影响，为临床应用提供一定的剂量学参考依据，指导临床选用合适的剂量网格分辨率进行NSCLC患者SBRT计划设计。

1 资料与方法

1.1 病例选择

随机选取浙江省肿瘤医院2017年5～12月接受RapidArc-SBRT根治性放疗的NSCLC患者10例。其中，男6例，女4例；年龄31～88岁，中位年龄72.5岁。所有患者均经病理检查确诊，无纵膈淋巴结转移，左侧肺癌4例，右侧肺癌6例，肿瘤形状近似圆形，肿瘤体积4.06～77.64 cm³，平均（28.24±21.68）cm³，此前均未接受过胸部放射治疗。

1.2 CT模拟定位

患者取仰卧位，采用热塑体膜（6例）或真空负压袋（4例）固定，在平静呼吸下使用飞利浦32排大孔径CT模拟定位机（Philips,BrillianceTM Big Bore CT，荷兰）对患者进行全时相（10个时相）四维CT增强扫描，扫描范围从下颌到全胸廓的所有区域，扫描层厚3 mm。CT扫描图像以DICOM格式经局域网传输到RayStation v4.5.1三维治疗计划系统中，由临床医生勾画靶区。

1.3 靶区勾画与处方设定

根据ICRU 62号和83号报告［11-12］，在肺窗下勾画10个不同呼吸时相的肿瘤靶区并生成内靶区（ITV），再将ITV在三维方向上各外扩5 mm生成计划靶区（PTV），并勾画左侧肺、右侧肺、胸壁、食管、气管树、心脏、主动脉、脊髓等危及器官，处方剂量统一为50 Gy/5 f，要求至少覆盖95%PTV体积。

1.4 计划设计

使用RayStation治疗计划系统分别为10例患者设计RapidArc-SBRT治疗计划。利用计划系统提供的“Dual Arc”功能生成顺时针和逆时针方向的对偶弧［13］，左侧肺患者使用330°～180°的对偶弧，右侧肺患者使用182°～30°的对偶弧，机架角度间隔2°、准直器角度10°、X线能量6 MV、剂量网格分辨率0.20 cm，按目标函数进行逆向运算，采用CC卷积叠加算法，单次优化迭代60次，经反复优化设计，获得符合临床要求、医生满意的治疗计划。复制此计划，将剂量网格分辨率分别修改为0.40、0.30、0.25、0.15、0.10 cm计算最终剂量分布，每例患者获得6种不同的计划，对结果进行分析比较。

1.5 计划评价参数

1.5.1 靶区剂量参数根据ICRU 83号报告［12］，比较接近最大剂量（D2%）（Dx%表示x%PTV体积接受的剂量）、平均剂量（Dmean）、接近最小剂量（D98%）、靶区均匀性指数（HI）、靶区适形度指数（CI）。HI=(D2%-D98%)/D50%，HI取值为0～1，HI值越小表明靶区剂量分布越均匀；CI=(VT,ref/VT)×(VT,ref/Vref)，其中，VT,ref为参考等剂量线面所包围的靶区体积，VT为靶区体积，Vref为参考等剂量线面所包围的所有区域的体积，CI取值为0～1，CI值越接近1说明靶区适形度越好。

1.5.2 危及器官剂量参数根据AAPM TG101号报告［14］，比较全肺：V10（%）、V12.5（cc）、V13.5（cc）和 V20（%）；胸壁：V30（cc）、V50（cc）和Dmax；食管、心脏、脊髓、主动脉、气管树：Dmax。其中，Vx（%）表示该器官受到xGy及以上剂量的相对体积，Vx（cc）表示该器官受到xGy及以上剂量的绝对体积。

1.6 统计学方法

采用SPSS 22.0统计学软件对6种计划所得数据进行统计学处理，计量资料用均数±标准差表示，采用配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量参数比较

与对照组0.20 cm剂量网格分辨率计划相比较，0.40、0.30、0.25、0.15、0.10 cm剂量网格分辨率计算得到的计划PTV的Dmean、D2%、CI均具有统计学意义（P＜0.05）；HI除0.15 cm组以外，均具有统计学意义（P＜0.05）；D98%除0.30 cm组以外，均无统计学意义（P＞0.05），如表1所示。

表1 6种剂量网格分辨率RapidArc-SBRT计划的靶区剂量学比较(±s)Tab.1 Dosimetric comparison of target areas among 6 RapidArc-SBRT plans with different dose grid resolutions(Mean±SD)

SBRT:Stereotactic body radiotherapy;PTV:Planning target volume;HI:Homogeneity index;CI:Conformity index;Compared with plan with dose grid resolution of 0.20 cm,*P＜0.05

PTV Dose grid resolution/cm 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.40 Dmean/cGy 5 773.50±91.39*5 793.00±91.34*5 815.80±90.76 5 860.20±103.78*5 901.80±95.44*6 017.30±125.90*D98%/cGy 4 850.60±98.50 4 842.00±88.68 4 840.40±89.83 4 823.90±80.76 4 810.70±64.34*4 812.10±65.76 D2%/cGy 6 621.80±195.90*6 651.80±193.68*6 682.30±189.85 6 736.70±204.69*6 806.90±212.93*6 961.00±214.86*HI 0.31±0.04*0.31±0.04 0.32±0.03 0.32±0.03*0.34±0.04*0.35±0.03*CI 0.90±0.02*0.89±0.03*0.88±0.03 0.86±0.03*0.84±0.04*0.79±0.05*

此外，将0.10 cm剂量网格分辨率组计划与0.15 cm组计划相比较，除D98%以外，Dmean、D2%、HI和CI均有统计学意义（P＜0.05），如表2所示。

表2 0.10与0.15 cm剂量网格分辨率RapidArc-SBRT计划的靶区剂量学比较(±s)Tab.2 Dosimetric comparison of PTV between RapidArc-SBRT plan with dose grid resolutions of 0.10 and 0.15 cm(Mean±SD)

PTV P value D98%/cGy Dmean/cGy D2%/cGy HI CI Dose grid resolution/cm 0.10 4 850.60±98.50 5 773.50±91.39 6 621.80±195.90 0.31±0.04 0.90±0.02 0.15 4 842.00±88.68 5 793.00±91.34 6 651.80±193.68 0.31±0.04 0.89±0.03 0.29 0.02 0.01 0.00 0.01

2.2 危及器官剂量参数比较

与对照组0.20 cm剂量网格分辨率计划相比较，用0.40、0.30、0.25 cm剂量网格分辨率计算得到的计划全肺V10、V20、V12.5和V13.5都高于0.20 cm组，且均具有统计学意义（P＜0.05）；胸壁V30、V50和Dmax均高于0.20 cm组，但除0.40、0.30 cm组Dmax和0.40 cm组V30以外，均无统计学意义（P＞0.05）；除0.25 cm组主动脉Dmax、0.30 cm 组心脏Dmax、0.30 cm 组主动脉Dmax和0.40 cm组气管树Dmax以外，食管、心脏、脊髓、主动脉、气管树的Dmax与0.20 cm组相比较均具有统计学意义（P＜0.05），如表3所示。

与对照组0.20 cm剂量网格分辨率计划相比较，用0.10和0.15 cm剂量网格分辨率计算得到的计划全肺V10、V20、V12.5和V13.5要低于0.20 cm组，除0.15 cm组V20和V13.5以外，均具有统计学意义（P＜0.05）；胸壁、食管、心脏、脊髓、主动脉的评价参数与0.20 cm组相比较均无统计学意义（P＞0.05）；气管树Dmax0.15cm组有统计学意义（P＜0.05）、0.10 cm组无统计学意义（P＞0.05），如表4所示。

此外将0.10 cm剂量网格分辨率组计划与0.15 cm剂量网格分辨率组计划相比较，全肺V10、V20、V12.5和V13.5，以及脊髓Dmax有统计学意义（P＜0.05），其它评价参数均无统计学意义（P＞0.05），如表4所示。

3 讨论

本研究针对同一患者，在约束函数、子野个数及形状等其它条件完全一致的情况下，使用0.40、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10 cm 6种不同的剂量网格分辨率计算得到6个RapidArc-SBRT计划，结果表明，剂量网格分辨率的大小会影响剂量计算的准确性和剂量分布。

国外学者采用特殊人体模型，对不同剂量网格分辨率计算得到的计划进行剂量测量；国内学者选取不同病例，对多种剂量网格分辨率计算得到的计划进行评估和验证，均证明剂量网格分辨率对治疗计划剂量分布存在影响［15-19］。Chung等［15］提出计划系统在实际剂量计算时计算点个数有限，其它点的剂量是通过插值得到的。网格插值计算会产生剂量误差和位置误差，每个网格体中心点剂量代表该立方体的剂量，网格划分越小相邻格体间剂量梯度变化越呈线性，从而插值计算的结果越准确；反之可能偏离线性，计算误差就越大。王文婷［20］提出剂量梯度大的区域剂量网格分辨率改变对计算精度影响较大，插值计算时容易产生剂量计算偏差。本研究结果表明，在满足处方剂量至少覆盖95%PTV体积的条件下，随着剂量网格分辨率的减小，靶区D2%、Dmean

随之减小，D98%随之增大，靶区适形度和靶区剂量分布越来越好。0.40 cm剂量网格分辨率组D2%与Dmean分别比0.10 cm组要高3.40、2.44 Gy，这可能是由于RapidArc-SBRT调强射野内靶区剂量梯度陡峭、边缘剂量跌落迅速，加之靶区体积较小，插值计算时剂量网格分辨率稍有变化即可造成PTV较大的剂量学改变。在危及器官受量方面，使用0.20 cm或更小的剂量网格分辨率进行剂量计算，剂量准确性较高，这和Ong等［10］与Kan等［21］研究结果一致；使用0.20 cm以上剂量网格分辨率进行剂量计算，危及器官受量会存在明显差异。与0.20 cm剂量网格分辨率组计划相比较，小于0.20 cm（0.10和0.15 cm）组计划全肺受照剂量存在差异（P＜0.05），但V10和V20变化在0.08% 以内，V12.5和V13.5变化约2 cc，胸壁、食管、心脏、脊髓、主动脉、气管树等的受照剂量无明显差异（P＞0.05）；大于0.20 cm（0.25、0.30和0.40 cm）组计划全肺、胸壁、食管、心脏、脊髓、主动脉、气管树等的相关剂量学参数均存在差异（P＜0.05）。特别是对于受量接近限量值的危及器官，采用较大的剂量网格分辨率进行计算，结果会超出剂量限制值。这与AAPM TG101号报告［14］建议的SBRT使用0.20 cm或更小的各向同性网格，不鼓励使用大于0.30 cm的网格一致。基于此点建议，本研究又将0.10 cm剂量网格分辨率组计划与0.15 cm剂量网格分辨率组计划进行比较，仅全肺V10、V20、V12.5、V13.5和脊髓Dmax存在差异，其它危及器官评价参数均无统计学意义。因此我们猜测剂量网格分辨率或许对点剂量影响较小，对体积剂量影响较大。

表3 0.20,0.25,0.30和0.40 cm剂量网格分辨率计划的危及器官剂量学比较(±s)Tab.3 Dosimetry comparison of organs-at-risk among plans with dose grid resolutions of 0.20,0.25,0.30 and 0.40 cm(Mean±SD)

Compared with plans with dose grid resolution of 0.20 cm,*P＜0.05

Dose grid resolution/cm Organs-at-risk Parameter Whole lung Chest wall Esophagus Heart Spinal cord Aorta Tracheal tree V10/%V20/%V12.5/cc V13.5/cc Dmax/cGy V30/cc V50/cc Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy 0.20 8.78±3.638.88±3.69*8.95±3.64*9.18±3.67*3.84±2.433.90±2.47*3.94±2.45*4.07±2.47*250.61±125.80253.24±126.30*255.57±125.44*261.29±124.87*230.85±121.79233.38±122.32*235.54±121.59*241.93±119.53*3 796.00±1 788.893 830.00±1 790.803 882.10±1 833.03*3 979.40±1 882.41*5.25±8.705.50±9.085.65±9.346.17±9.87*0.13±0.410.14±0.440.16±0.470.21±0.60 1 026.40±320.661 039.00±321.32*1 061.40±328.56*1 061.70±310.41*938.80±717.06954.90±729.42*925.90±708.39975.50±753.86*1 016.00±353.971 028.70±358.28*1 040.50±360.75*1 067.30±392.61*1 729.40±998.831 743.90±1 008.001 773.30±1 046.371 827.00±1 089.95*1 513.00±1 204.241 564.80±1 239.75*1 566.00±1 255.28*1 560.70±1 251.92 0.250.300.40

表4 0.10,0.15和0.20 cm剂量网格分辨率计划的危及器官剂量学比较(±s)Tab.4 Dosimetry comparison of organs-at-risk among plans with dose grid resolutions of 0.10,0.15 and 0.20 cm(Mean±SD)

Compared with plan with dose grid resolution of 0.20 cm,*P＜0.05

Dose grid resolution/cm Organs-at-risk Parameter 0.150.20 0.10 P value 0.10 cm vs 0.15 cm Whole lung 8.70±3.70*8.73±3.66*8.78±3.630.01 3.80±2.45*3.82±2.453.84±2.430.02 248.18±126.93*249.36±126.69*250.61±125.800.01 228.50±122.82*229.63±122.67230.85±121.790.01 3 789.30±1 780.643 808.70±1 797.453 796.00±1 788.890.38 5.08±8.445.21±8.675.25±8.700.13 0.11±0.350.12±0.380.13±0.410.34 1 025.80±322.921 032.70±314.581 026.40±320.660.21 927.10±704.17925.50±707.46938.80±717.060.77 1 008.00±345.681 012.70±347.441 016.00±353.970.05 1 708.80±969.921 718.60±987.401 729.40±998.830.24 1 529.70±1 226.961 523.80±1 205.26*1 513.00±1 204.240.55 Chest wall Esophagus Heart Spinal cord Aorta Tracheal tree V10/%V20/%V12.5/cc V13.5/cc Dmax/cGy V30/cc V50/cc Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy Dmax/cGy

肺癌患者靶区周围的危及器官较多，不恰当的肺部受照体积与受照剂量会引起放射性肺炎的发生，一旦靶区定位存在偏差，很可能引发放射性脊髓损伤、食管穿孔以及放射性心脏病等严重并发症［22］。因此，需要较小的剂量网格分辨率来保证剂量计算的准确性。但是剂量网格分辨率越小，计划系统计算时间就越长，影响计划设计的效率。本文的研究初步认识了剂量网格分辨率对肺癌SBRT计划的剂量学影响，在后续的研究中将探讨剂量网格分辨率如何取值来平衡计划设计效率和计算精度，并结合计划的Gamma通过率做进一步的研究。

综上所述，在设计NSCLC患者SBRT治疗计划时建议使用0.20 cm或更小的剂量网格分辨率。