光子优化算法在宫颈癌术后调强计划中的剂量学分析

刘致滨，石锦平，张利文，谢秋英，滕建建，李盈辉

佛山市第一人民医院（中山大学附属佛山医院）肿瘤中心放疗科，广东佛山528000

前言

宫颈癌是我国最常见的恶性肿瘤之一，发病率居女性恶性肿瘤第二，仅次于乳腺癌。手术治疗主要应用于早期宫颈癌，需切除子宫和淋巴结。宫颈癌患者术后可根据复发危险因素选择放射治疗等辅助治疗来降低复发率，改善预后［1-2］。调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）是通过多个照射野形成一系列不规则形状、强度可变的射野来实现不均匀的剂量分布，在靶区得到高剂量照射的同时有效地降低周围正常组织的受照剂量。逆向优化算法是IMRT应用的基础，不同的优化算法会直接影响IMRT计划的靶区剂量分布及治疗效率［3-5］。目前Eclipse计划系统IMRT计划常规使用剂量体积优化（Dose Volume Optimization,DVO）算法，先进行强度图优化，再进行多叶准直器（Multileaf Collimator,MLC）叶片序列优化。光子优化（Photon Optimization,PO）算法是Eclipse计划系统13.5版本提出的一种全新的优化算法，目前相关的报道较少。本研究针对这两种优化算法在宫颈癌术后IMRT计划中的剂量学特性进行分析比较，从而为临床治疗提供参考。

1 材料与方法

1.1 临床资料

随机选取2018年5月～2018年12月在佛山市第一人民医院（中山大学附属佛山医院）接受术后IMRT的20例宫颈癌患者作为研究对象。年龄35～78岁，中位年龄58岁。患者均接受广泛子宫切除和盆腔淋巴结清扫术，无髂总淋巴结转移和放疗禁忌症。

1.2 CT模拟定位

病人采用仰卧位，真空垫固定，需要在定位前排空直肠，行静脉增强造影。在Philips Brilliance 16排大孔径CT模拟机上进行CT平扫和增强扫描。平静呼吸下开始扫描，扫描范围自第二腰椎至闭孔下缘，层厚为5 mm。扫描图像通过网络传输至Varian Eclipse计划系统工作站。

1.3 靶区勾画及剂量限制

由临床放疗医生在CT图像上勾画靶区和危及器官（Organs-at-Risk,OAR）。根据ICRU 62号报告，临床靶区应包括阴道上端1/2及残端、阴道旁软组织及盆腔淋巴引流区等［6］。考虑摆位误差及机器的机械和剂量误差等，计划靶区（Planning Target Volume,PTV）是在临床靶区边界基础上头脚方向外扩1 cm，左右、前后方向各外扩7 mm得到。勾画的OAR主要有小肠、膀胱、直肠、左右股骨头。小肠勾画至PTV最顶层上2 cm处；正常组织为PTV最顶层面上2 cm至PTV最底层面下2 cm的外轮廓减去PTV部分。

1.4 放射治疗计划设计

物理师在Eclipse 13.5计划系统设计IMRT计划，每例患者均采用PO算法和DVO算法制定PO计划和DVO计划，在Varian加速器Trilogy上执行。采用6 MV光子线，剂量率为400 MU/min。加速器Trilogy的MLC包括60对叶片，中间40对叶片宽度为0.5 cm，两边各有10对宽度1.0 cm的叶片。计划均采用5个照射野，照射野角度分别为181°、108°、36°、324°、252°。采用PO算法进行IMRT计划优化，所产生的计划能够满足处方剂量和OAR限量的要求；采用DVO算法优化时，删除PTV平均剂量的限制条件，并在保持其他的优化条件和参数均不变的情况下进行优化，得到相应的治疗计划。PTV的处方剂量为45 Gy/25 F，分5周完成。

1.5 评价指标

应用剂量体积直方图对两种优化算法得到的计划进行靶区和OAR的剂量学分析。根据ICRU 83号报告，PTV评价指标有最大剂量D2%、平均剂量Dmean、最小剂量D98%、靶区覆盖率、均匀性指数（Homogeneity Index,HI）和适形度指数（Conformity Index,CI）。，其中Vt,ref表示PTV接受处方剂量的体积；Vt表示PTV的体积；Vref表示全身接受处方剂量的体积。HI=(D2%-D98%)/D50%，其中D50%表示中位剂量［7］。OAR根据类型分别评估：小肠的V15、V40；膀胱和直肠的V30、V40；左右侧股骨头的V20、V30、V40；正常组织的V5、V10、V20、V30、V40。

优化完成后统计PO计划和DVO计划的总机器跳数。治疗时间包括机器旋转、机器参数发送以及出束时间，但不包含摆位时间。优化耗时是指设置好优化限制条件后开始优化至剂量计算结束所耗费的时间。

剂量验证采用德国IBA公司的Matrixx二维矩阵和MultiCube模体对20例病人的PO计划和DVO计划进行调强剂量验证。用3 mm/3%、剂量阈值为10%的标准来评价计划gamma通过率。

1.6 统计学方法

采用SPSS 20.0软件对两种计划进行统计学分析，采用均数±标准差表示。PO计划和DVO计划采用配对t检验进行比较，对靶区剂量分布、OAR和正常组织的受量、机器跳数、治疗时间、优化耗时及剂量验证进行比对，显著性水平α=0.05。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布

由图1和表1可知，两种优化算法产生的计划靶区覆盖率均超过95%，达到临床治疗要求，且无明显差异（P=0.340）。两种计划的靶区剂量分布差异主要体现在PTV的D2%、Dmean和CI上。PO计划在PTV的D2%、Dmean均低于DVO计划（P=0.019,0.016），同时PO计划的CI优于DVO计划（P=0.005）。两种计划PTV的D98%和HI无明显差异。

图1 PO计划和DVO计划的DVH图Fig 1 Dose-volume histogram of photon optimization(PO)plan and dose volume optimization(DVO)plan

表1 PO计划和DVO计划的患者PTV剂量参数比较（n=20,± s）Tab 1 Dosimetric comparison of PTV between PO plan and DVO plan(n=20,Mean±SD)

表1 PO计划和DVO计划的患者PTV剂量参数比较（n=20,± s）Tab 1 Dosimetric comparison of PTV between PO plan and DVO plan(n=20,Mean±SD)

CI：适形度指数；HI：均匀性指数

参数D2%/cGy D98%/cGy Dmean/cGy靶区覆盖率/%CI HI PO计划4 840.4±51.0 4 486.6±24.8 4 645.6±55.8 97.18±1.16 0.895±0.020 0.075±0.014 DVO计划4 857.1±60.3 4 486.8±21.0 4 681.6±33.4 97.40±0.87 0.881±0.030 0.077±0.014 P值0.019 0.963 0.016 0.340 0.005 0.244

2.2 OAR剂量分析

两种计划的小肠V40、膀胱V40、直肠V40、左侧股骨头V40、右侧股骨头V20和V40受量无统计学差异（P＞0.05）。PO计划膀胱的V30、左侧股骨头的V20均低于DVO计划，差异有统计学意义（P=0.000,0.009）。而DVO计划的小肠V15、直肠V30和左右侧股骨头的V30均低于PO计划，且差异均有统计学意义（P＜0.05）。详见表2。

表2 PO计划和DVO计划的患者OAR剂量参数比较（n=20，%，±s）Tab 2 Dosimetric comparison of organs-at-risk between PO plan and DVO plan(n=20,%,Mean±SD)

表2 PO计划和DVO计划的患者OAR剂量参数比较（n=20，%，±s）Tab 2 Dosimetric comparison of organs-at-risk between PO plan and DVO plan(n=20,%,Mean±SD)

OAR小肠参数V15 V40膀胱V30 V40直肠V30 V40左侧股骨头V20 V30 V40右侧股骨头V20 V30 V40 PO计划72.26±10.80 16.84±6.89 78.88±6.77 44.29±6.17 77.27±8.62 52.04±13.31 29.46±6.06 10.35±0.99 1.92±0.80 30.15±5.83 10.24±1.00 2.12±1.15 DVO计划68.46±11.78 17.01±7.52 85.57±7.71 45.36±6.84 76.06±9.19 52.70±13.11 32.25±8.29 9.12±0.98 1.46±0.70 31.05±7.16 9.30±1.28 1.84±1.13 P值0.000 0.444 0.000 0.078 0.001 0.400 0.009 0.000 0.162 0.318 0.000 0.078

2.3 正常组织剂量分布

两种计划在正常组织V20和V40的受照剂量无统计学意义（P＞0.05）。PO计划在正常组织V30的受量上低于DVO计划，且差异有统计学差异（P=0.005），但是在正常组织V5和V10的受量上却高于DVO计划，差异具有统计学差异（P=0.000,0.000）。详见表3。

表3 PO计划和DVO计划的患者正常组织剂量比较（n=20，%，±s）Tab 3 Dosimetric comparison for normal tissues between PO plan and DVO plan(n=20,%,Mean±SD)

表3 PO计划和DVO计划的患者正常组织剂量比较（n=20，%，±s）Tab 3 Dosimetric comparison for normal tissues between PO plan and DVO plan(n=20,%,Mean±SD)

参数V5 V10 V20 V30 V40 PO计划86.47±2.07 67.13±2.43 49.04±2.45 17.32±1.79 5.85±0.67 DVO计划85.76±1.94 65.85±2.44 49.46±2.12 18.01±2.19 5.84±0.74 P值0.000 0.000 0.159 0.005 0.901

2.4 机器跳数和计划效率

PO计划的机器跳数为（928.4±57.9）MU，相对于DVO计划（1 027.8±107.1）MU，机器跳数平均减少了10.7%，差异具有统计学意义（P=0.000）。PO计划治疗时间为（4.68±0.28）min，相对于DVO计划（5.17±0.53）min，治疗时间平均减少10.5%，差异有统计学意义（P=0.000）。PO计划优化耗时为（5.51±0.55）min，相对于DVO计划（7.46±1.35）min，优化耗时平均缩短35.4%，差异有统计学意义（P=0.002）。

2.5 剂量验证

20例宫颈癌术后两种计划的gamma通过率在3 mm/3%标准下进行比较。PO计划的剂量验证通过率为（98.06±0.81）%，DVO计划为（96.05±1.09）%，均达到95%以上，满足临床治疗要求，但PO计划的通过率略高于DVO计划，且差异有统计学意义（P=0.002）。

3 讨论

宫颈癌是常见的妇科肿瘤，对于术后具有高危因素的患者实行术后辅助放疗可延长无进展生存期和总生存期［8-12］。宫颈癌术后靶区大，凹形的靶区结构形状使得IMRT成为重要的治疗手段。与常规放疗相比，IMRT在宫颈癌术后放疗中具有较明显的剂量学优势，在提高靶体积适形度的同时，能够有效地降低OAR的剂量和受照体积，降低对子宫旁组织的影响［13-14］。

IMRT实施过程中，治疗计划的精确、高效是实现精准放疗的重要前提。而剂量计算的精度、模型的结构、逆向求解的寻优能力等对放疗计划的质量和效率有着直接的影响。DVO算法又称两步优化法，即先进行强度图优化，然后进行MLC叶片序列优化。基于梯度优化的DVO算法容易存在局部极限值的问题，当射野强度分布较为复杂时，子野个数增多，照射时间增加，同时在强度图优化时进行光滑处理会导致生成的计划不是最优计划［15-18］。而PO算法采用全新的三维体素结构模型，在空间上使用图像的一个单一矩阵来进行采样剂量和剂量体积直方图计算。三维体素模型可以在更大的搜索空间里寻找最优解，因而有可能得到更好权衡的计划［19］。同时PO算法增加了对靶区平均剂量的约束条件，并能实时显示二维平面剂量及优化目标条件的实际值。

本研究将PO算法应用到宫颈癌术后IMRT计划上，通过与常规的DVO算法进行比较，分析该算法的剂量学特性。研究结果显示PO算法和DVO算法得到的计划均能满足临床使用要求。PO算法产生的计划靶区Dmean更低，能更好地适形靶区形状，同时靶区最大剂量低于DVO计划。在OAR保护上，PO计划和DVO计划各有所侧重。PO计划膀胱V30和左股骨头V20低于DVO计划，但是在小肠V15、直肠V30和左右侧股骨头的V30却高于DVO计划。PO计划受到相应剂量照射的正常组织V30的受量低于DVO计划，但在正常组织的V5和V10的受量上却高于DVO计划。两种计划在机器跳数和计划效率上，PO计划由于机器跳数的减少，治疗时间也相应减少，从而有效地提高治疗效率。同时PO计划优化耗时的减少和剂量验证通过率的提高有利于提高物理师和剂量师的工作效率。

综上所述，宫颈癌术后IMRT计划设计时，推荐使用PO算法。在满足处方剂量的情况下，PO算法提高了靶区适形度，减少了机器跳数，缩短了计划设计时间和治疗时间，同时剂量投照更加准确。