Xio治疗计划系统中最小子野边长限值对食道癌剂量分布的比较研究

申珊珊 何春雷 朱小明 颜佳楠

作者单位：314000 武警浙江省总队嘉兴医院

调强放射治疗（IMRT）与三维适形放疗（3D-CRT）相比，除了具有良好的剂量学优势，能将靶区剂量高度适形的同时靶区内剂量分布也更均匀，能更好地保护靶区周围正常组织［1］。IMRT中子野是照射野的基本组成元素，一个子野是指通过多叶准直器（MLC）在特定的机架角度调制射野出束的面积［2-3］。当每个射野区域内的某个子野无法达到逆向优化目标函数的设定要求时，经过子野权重优化（SWO），这些称为小野的子野会被去除。本文旨在探讨调整食道癌IMRT计划的最小子野边长限值，射野内小野的放弃所带来的剂量损失是否对剂量分布产生影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 随机选取2013年1月至2015年12月本院放疗科收治且进行全程放疗的20例经临床明确诊断为食道癌的病例。其中男13例，女7例；中位年龄72.9岁；颈胸上段食道癌8例，胸段食道癌12例。

1.2 计划设计方法 东软大孔径CT模拟机定位，患者采用仰卧位，双手交叉放置于头顶，用热塑膜固定体位，扫描层厚为5mm。由本科室的放疗医师在FOCAL工作站上勾画靶区及危及器官（OAR），肿瘤体积（GTV）为在影像学中可见的肿瘤长度，颈胸上段的临床靶体积CTV上界至环甲膜水平，下界至隆突下2～3cm，胸段的临床靶体积CTV上界至锁骨头水平气管周围的淋巴结，下界为瘤床下缘2～3cm，PTV在CTV的基础上均匀外放0.5～1cm。CTV平均处方剂量为60.82Gy，PTV平均处方剂量为54.33Gy，平均分割次数为28.7次。使用医科达公司CMS Xio4.62版本的TPS，每例患者均设计6个IMRT计划。选用医科达公司precise直线加速器6MV X线，射野方向以减少肺照射体积为原则，同时尽量避免射野直接穿过脊髓和手臂，5个等中心前后分布的固定机架角度分别为（0°、35°、325°、150°、210°），颈胸上段考虑尽量避开脊髓和肱骨头，采用增加120°和240°两个后斜野分段照射的方法来提高靶区适形度。临床计划要求95%的靶区体积被100%的处方剂量覆盖，靶区热点区域要求V110＜20%，靶区以外的任何区域不能出现高于105%的处方剂量，靶区冷点区域V93＜3%。正常组织限量为双肺 Dmean＜13Gy，V30＜20%，V20＜30%，V5＜50%，心脏Dmean＜30Gy，V30＜50%，V40＜40%，脊髓Dmax＜45Gy，脊髓外扩0.5cm＜50Gy。先用静态调强（Step&Shoot）方式逆向优化目标函数，得到含有小野（跳数＜5MU的子野）的S-IMRT计划。每例计划使用相同的射野方向和优化参数，优化阶数均选取11，最小子野边长限值选择区间2～3cm，间隔2mm，进一步采用子野权重优化，使用fastsuperposition算法计算剂量，最后得到各子野跳数均＞5MU的SWO调强计划。

1.3 计划评估 统计每个调强计划的机器总跳数和子野数，根据DVH图评估IMRT计划，参数包括CTV和 PTV 的 Dmax、Dmean、Dmin、V110、V95、V93、HI（均匀性指数），及正常组织受量（包括双肺V30，V20，V5，Dmean， 心 脏 V30，V40，Dmean， 脊 髓Dmax，脊髓外扩0.5cmDmax。HI的计算公式为：HI=（D2-D98）/D50；式中D2为2%的靶区体积受到的最低照射剂量，D98为98%的靶区体积受到的最低照射剂量，D50为50%的靶区体积接受的最低剂量；HI值越低，说明射野内射线剂量越集中，剂量分布越均匀，临床治疗效果越好［2］。因4.62版本的Xio计划系统无法将参考等剂量线面包绕的靶体积形成组织轮廓，适形度指数（CI）公式中等剂量线包绕的区域体积无法求出，故CI因子在本文中不做讨论。

1.4 计划验证 所有的SWO调强计划均行通量面剂量验证。验证时将所有机架角度归0，采用德国IBA公司的电离室探测器阵列（Mattrix），考虑到反向散射，在探测器矩阵下方放置3cm固体水，矩阵上方放置4.7cm的固体水，验证前先校正矩阵的用户使用因子，然后在5cm深度处测量每个射野的面剂量分布，用Gamma分析法分析和比较使用不同最小子野边长限值的SWO-IMRT计划的剂量分布差异。

1.5 统计学方法 采用SPSS Version22对计量资料行t检验和双变量相关分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同子野边长限值的IMRT计划间机器总跳数和子野数比较 见表1。

表1 食道癌患者不同最小子野边长限值两种调强计划间的机器总跳数及子野数比较

2.2 不同子野边长限值对靶区剂量分布的影响 食道癌患者IMRT计划在进行子野权重优化前设置不同的子野边长限值，靶区CTV和PTV的V110、Dmean、HI，CTV 的 Dmax比较均不同（P=0.001～0.014），见表2。随着最小子野边长限值从2.0cm增大至3.0cm，靶区CTV的Dmax值从高于处方剂量的110.42%增大至112.71%。靶区CTV和PTV的V93、D95、Dmin比较均相近（P=0.059～0.887），见表 3。危及器官双 肺 Dmean、V30、V20、V5， 心 脏 Dmean、V30、V40，脊髓Dmax，脊髓外扩0.5cmDmax比较均相近（P=0.05～0.89），见表 4。

表2 食道癌患者不同最小子野边长限值靶区CTV和PTV剂量比较

表3 食道癌患者不同最小子野边长限值靶区CTV和PTV剂量比较

表4 食道癌患者不同最小子野边长限值危及器官剂量参数比较

2.3 不同最小子野边长限值的SWO调强计划面剂量通过率比较 治疗计划系统所有的平面剂量图与治疗机下采集的通量图进行Gamma分析，采用阈值信号0.00～1.00的范围，最小子野边长的限值从2.0增大至3.0时，统计分析剂量验证的通过率是99.23%～99.68%，平均通过率是99.60%。

3 讨论

IMRT技术目前已经广泛运用于各种先进的直线加速器机型中，调强的逆向优化算法利用形成通量强度分布图来生成不同大小面积的子野，达到肿瘤靶区内形成均匀的高剂量分布，临近的正常组织受照射剂量尽可能低的目的，从而获取显著的治疗增益比［4］。静态调强计划包含小面积子野，＜5MU的子野不仅使总的子野数目增多，而且增加了单次治疗时间，这使治疗时患者保持同一体位的位移误差增大，靶区和正常组织剂量分布的不确定性也相应的增加［1］。有研究表明，在不影响靶区剂量分布和正常组织受量的前提下，通过改善优化条件可以减少计划总的子野数和总的机器跳数，治疗时间也相应地缩短［5-6］。本研究通过设计不同最小子野边长限值的食道癌SWO调强计划，平均总的机器跳数减少15%（P=0.001），平均总的子野数减少34%（P=0.001），经子野权重优化后机器跳数和子野数减少与目前已经报道的宫颈癌、前列腺癌SWO计划结果基本相符［4-5］，靶区的适形度和均匀度及正常组织剂量分布均能满足临床治疗剂量要求。机器MU和子野数目的多少与临床医师给的处方剂量和靶区面积大小密切相关［6］。本研究采用的样本数是20例食道癌患者，包含颈胸上段和胸段靶区，且所有的处方剂量不一致，如果放大样本量，选入下段和全段食道癌的SWO调强计划，机器跳数和子野数均减少能达到提高临床单次治疗时效，降低加速器的损耗更有说服力。

随着子野边长限值增大，靶区的最大热点和V110包绕的区域增大，均匀性指数逐渐增大，但是从横断面剂量分布图观察，均在临床可接受的范围，DVH图上靶区93%的低剂量区体积、平均剂量及靶区95%的体积均能达到医师给的处方要求。临近危及器官双肺、心脏、脊髓、脊髓外扩0.5cm的受照射剂量随子野边长限值的增大无显著变化，双肺和心脏的受量主要跟照射野的入射方向及分布角度有关，脊髓的受量跟靶区的距离远近相关，颈段食道癌患者的靶区距离颈椎管很近，尤其是有颈部淋巴结转移的横向靶区，脊髓受量较难控制。做静态调强计划时选取的目标函数参数直接影响生成的子野强度分布图，为了避免子野参数对靶区和危及器官的剂量分布影响，每例患者的不同子野边长调强计划采用的目标函数一致，并且对每一个SWO计划做矩阵面剂量验证，通过率均能＞99%。

总之，使用CMS Xio4.62TPS设计食道癌IMRT计划时，最小子野边长限值越小，靶区均匀性越高，但是机器跳数和子野数也会增加从而影响治疗时间因子。