基于等效均匀剂量的优化方法在宫颈癌调强放疗中的应用

刘小龙，庞皓文，杨 波

（西南医科大学附属医院肿瘤科，四川泸州 646000）

宫颈癌是最常见的女性生殖道恶性肿瘤，占女性生殖系统恶性肿瘤的半数以上，在一些发展中国家其发病率居女性恶性肿瘤的第一位[1]，是严重威胁妇女健康的恶性肿瘤之一。目前治疗方案以手术和放疗为主，近年来调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）被广泛应用于宫颈癌放疗中。相对于传统放疗，IMRT明显减少了胃肠道、泌尿系统并发症以及血液系统毒性，并提高肿瘤控制率与患者生存时间[2-5]。然而传统IMRT计划设计时应用的剂量或剂量-体积（dose-volume,DV）目标函数只能代表感兴趣区的剂量-体积直方图（dose volume histogram,DVH）曲线上某些点的期望位置，对某个组织或器官的限制需要设置一个以上的约束条件来控制DV曲线中的不同剂量段，无法决定整个剂量曲线的变化方向[6]。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[7-9]，可以反映危及器官对剂量反应的非线性关系，能够用于评价某一危及器官受到不均匀剂量照射的生物学效应。陈凯等[10]研究认为，基于EUD的生物优化方法能提高肿瘤的局部控制率（tumor control probability,TCP）及降低正常组织并发症概率（normal tissue complication probability,NTCP）。本研究使用EUD作为危及器官（小肠、直肠、膀胱、股骨头）的目标函数进行IMRT计划的优化方法，并与传统的剂量或剂量-体积优化方法进行剂量学比较，以评价EUD优化法在宫颈癌放疗中对危及器官的保护价值。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 一般材料

随机选取10例本院近期行宫颈癌术后需要放疗的患者作为研究对象，所有患者均为首程放疗。

1.1.2 定位及靶区勾画

所选取的10例患者在CT模拟定位前均需要做好肠道准备（膀胱适度充盈，直肠排空大便），采用仰卧位加热塑膜固定，双手交叉放在额前。扫描范围从膈顶至闭孔下2 cm，扫描层厚5 mm，静脉造影增强扫描。所有患者靶区（planning target volume,PTV）和危及器官（organ at risk,OAR）均由高年资医师根据RTOG标准进行勾画。

1.2 方法

1.2.1 计划设计及评价

两组调强放疗计划均用pinnalce 8.0治疗计划系统（treatment planning system,TPS）进行IMRT计划设计。处方剂量为45Gy/25F,要求95%PTV体积达到100%处方剂量。洪潮等[11]研究认为，7野IMRT计划优于5野IMRT计划，而唐成琼等[12]研究认为宫颈癌术后7野调强与容积调强（VMAT）在靶区适形和均匀度以及危及器官保护方面均无统计学差异，故本研究每个患者计划均采用7个共面射野，等角度分布，即角度分别为1800、1280、760、240、3320、2800、2280,射野权重均分，采用Elekta Precise直线加速器6 MV X线进行照射。

以剂量-体积为危及器官优化条件的设为DV组，以等效均匀剂量为危及器官优化条件的设为EUD组。两组的靶区（PTV）优化条件一致，包括最大剂量、最小剂量、最小剂量-体积、均匀剂量。DV组的危及器官限制条件要求为小肠V45＜15%（15%的小肠体积受到的剂量小于45Gy），V40＜ 30%，Dmax＜48Gy,直肠V45＜ 50%,膀胱V45＜ 35% ，股骨头V30＜20%。EUD组危及器官全部均采用一个限制条件，即MaxEUD进行限制，其中a值取1。

靶区评价采用D95、Dmean、均匀性指数（homogeneity index,HI）和适形度指数(conformity index,CI)[13]，HI公式为:HI=D5%/D95%,其中D5%表示5%PTV体积接受的剂量;D95%表示95%PTV的体积接受的最低剂量，由HI的公式可以看出，其值越接近于1表示靶区剂量均匀性越好,Dmean表示均匀剂量。CI计算公式为CI=Vrptv/Vptv,其中Vrptv为参考等剂量线所包绕的PTV体积，Vptv为PTV的实际体积，CI取值为0～1，其值越大表示靶区适形度越好[14]。危及器官评价：小肠、直肠、膀胱均为：V45、V40、Dmean、D2cc,股骨头:V30、V20、Dmean。

1.2.2 统计方法

采用SPSS 19.0软件进行统计分析，计量资料用均数±标准差（±s）表示，两个样本均数比较采用t检验，P＜0.05差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组计划靶区剂量比较

两组计划优化完成后，由同一高年资医生按照要求进行验收，结果显示两组方法设计的IMRT计划的靶区剂量D95%、Dmean、HI和CI对比，差异均无统计学意义（PD95=0.713，PDmean=0.235，PHI=0.961，PCI=0.161），见表1。

表1 两组计划靶区剂量比较（±s）

表1 两组计划靶区剂量比较（±s）

0.713 0.235 0.961 0.161 PTV D95(Gy)Dmean(Gy)HI CI DV组45.530±0.105 47.015±0.025 1.067±0.011 0.971±0.005 EUD组45.514±0.076 46.992±0.039 1.067±0.008 0.967±0.006 t P 0.380 0.235 0.961 0.161

2.2 两组计划危及器官剂量比较

EUD组与DV组相比较，小肠、直肠、膀胱、股骨头等危及器官相应的V45、V40、V30、Dmean、D2cc等均有不同程度的降低，差异具有统计学意义(P＜0.05)，见表2。

表2 两组计划危及器官剂量比较（±s）

表2 两组计划危及器官剂量比较（±s）

OAR小肠V45(%)V40(%)小肠Dmean(Gy)小肠D2cc(Gy)直肠V45(%)小肠V40(%)小肠Dmean(Gy)小肠D2cc(Gy)膀胱V45(%)小肠V40(%)小肠Dmean(Gy)小肠D2cc(Gy)股骨头V30(%)股骨头V20(%)股骨头Dmean(Gy)DV组12.6±0.6 21.9±1.9 25.954±0.343 48.436±0.114 49.1±14.7 81.6±12.3 43.874±1.408 47.628±0.863 33.7±6.2 58.6±8.8 41.368±1.166 48.612±0.416 17.9±1.6 55.1±4.1 22.775±1.217 EUD组10.4±0.8 20.4±2.0 24.241±0.369 47.861±0.133 44.9±14.3 77.3±13.4 42.776±1.388 46.637±1.003 31.3±6.0 54.7±9.7 40.343±1.262 48.157±0.451 14.8±2.3 45.0±3.3 20.934±1.012 t P 5.266 6.514 8.409 8.624 4.033 3.300 7.696 8.757 7.060 4.741 10.178 7.381 10.610 10.151 12.088 0.001 0.000 0.000 0.000 0.003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

3 讨论

提高靶区剂量的同时尽量降低危及器官的剂量一直是放疗的目标。通过本实验的研究可以看出，基于剂量-体积的传统优化方式虽然能满足临床的剂量限制要求，一定有最优的结果，但取决于物理师的经验和知识水平储备，传统优化方式要得到最优的结果，工作难度大，花费时间长，而一般水平的医生和物理师通过计划优化得到的不一定是最优的结果。而EUD的优化范围是构成该目标的所有的体素，相当于是对该目标上所有点进行约束，DVH曲线上的每一个点都在其优化范围内，故大幅度提高了调强计划优化的效率，从而更容易找到比较满意的结果。这是一个中级医生和物理师能够完成的工作，容易掌握，方便快捷，在我们实践过程中，认为可行。当然，如果一个器官超过了EUD的限制，就会重新计算剂量分布，并将其加入到所有剂量分布的凸集中，以便所有剂量分布都能满足EUD限制要求，对于物理限制很难进行优化的并联器官，可提供更好的保护[15-17]，本实验中的所有OAR的平均剂量通过EUD优化后，明显下降就是最好的证明，特别是股骨头的相关剂量。表明不论是采用剂量-体积作为目标函数的优化方法还是采用等效均匀剂量的优化方法，对靶区的剂量、适形度和均匀性都没有明显影响，通过EUD的优化方法能明显降低危及器官的平均剂量及体积剂量。

当然，使用EUD优化的也存在部分问题。比如，优化前的初始EUD值这个一般不好估计，只能通过物理师的经验大概估计，或者使用传统剂量-体积的方法优化一遍完成后，根据优化的结果再设置EUD的值到合理水平；再次，在使用EUD的过程中，它的限制参数只有一个a，关于a的取值，目前没有一个统一的标准，不同的组织器官为达到不同的临床要求，a的取值往往不同。不同的a值也会得到不同的结果，一般a=1时，此时变为计算该器官的均匀剂量Dmean。故有学者认为，先使用传统的剂量-体积优化方式得到危及器官的相关数值后，再加入EUD进行优化，可得到更优的结果。庞皓文等[18-20]研究发现，基于剂量-体积联合EUD的优化方法在鼻咽癌放疗中，对腮腺的保护作用明显优于单独使用传统的剂量-体积优化方法，这提示是否可借用此方法对宫颈癌放疗患者的危及器官进行类似的优化限制；同时，采用EUD的优化方法是否与危及器官的体积有相关性，值得在后续临床工作中探索研究。

4 结 论

基于等效均匀剂量的优化法能更好的保护危及器官，尤其对于股骨头的V30、V20、Dmean，EUD组比DV组均能明显降低剂量，对于股骨头的保护有重要的临床意义；同时，小肠、膀胱、直肠的D2cc也比DV组要低，这对需要进行后装治疗的患者，能给予后装治疗计划中相应的危及器官的余量更大，对于某些特殊的宫颈癌患者有重要的保护意义，对降低宫颈癌术后放疗患者的并发症有重要的临床意义。