食管癌自适应放疗不同累加方法对危及器官受照剂量的差异比较

许晓燕，王沛沛，李金凯，昌志刚，顾宵寰，鞠孟阳，葛小林，孙新臣

1. 江苏省人民医院（南京医科大学第一附属医院）放射治疗科，江苏 南京 210000；2. 南京医科大学 特种医学系，江苏 南京 211100

引言

随着放疗技术的快速发展，调强放疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT）在肿瘤治疗中的应用日益广泛。IMRT不仅可以提高靶区剂量与均匀性，还可以降低周围正常组织受照剂量[1]，减轻放疗不良反应，提高患者生存质量[2-3]。有研究显示，食管癌在放疗过程中，靶区存在不同程度的缩小和移位[4]。因此，为了避免靶区漏照，保护危及器官（Organs at Risk，OARs），通常需在食管癌患者放疗的中后期再次进行CT模拟定位并制定自适应放疗计划。目前常规采用人工计算、治疗计划系统（Treatment Plan System，TPS）或MIM多模态形变配准系统等三种剂量累加方法来评估整个放疗过程中OARs的受照剂量。本研究旨在分析食管癌患者根治性自适应放疗时，三种剂量累加方法对两程计划OARs总受照剂量评估的差异性。

1 材料与方法

1.1 基本资料

收集2018年5月至2020年1月在江苏省人民医院放射治疗科接受根治性放疗的50例食管癌患者，原发灶均经病理学证实，入院KPS评分≥80分。采用仰卧位热塑体模固定，平静呼吸下进行CT扫描，扫描范围自下颌下缘至肝脏下缘，层厚5 mm，CT图像（CT1）通过放疗网络传送至Monaco5.1 TPS。由同一位放疗医师进行靶区勾画，肿瘤靶区（Gross Target Volume，GTV）包括食管病灶和局部肿大淋巴结，临床靶区（Clinical Target Volume，CTV）为GTV前后左右外放0.5 cm，上下外放2.0～3.0 cm，包括转移率较高的淋巴引流区，并根据解剖屏障做相应调整，计划靶区（Planning Target Volume，PTV）为CTV在三维方向上均匀外放0.5 cm，肿瘤计划靶区（PGTV）为GTV在三维方向上均匀外放0.5 cm。OARs包括双肺、心脏和脊髓。放疗设备选择医科达Axesse加速器，配置80对全5 mm高精度多叶光栅。

1.2 治疗计划设计

靶区处方剂量PTV：50 Gy/25 f/5 W，PGTV：60 Gy/30 f/6 W。在放疗20～25 f期间，根据肿瘤靶区退缩情况，重新进行CT模拟定位扫描（CT2）。首程治疗计划Plan1基于CT1治疗25次，采用7野共面照射，射野角度分别为0、30°、50°、160°、200°、310°、330°。二程自适应放疗计划Plan2基于CT2治疗5次，采用5野共面照射，射野角度分别为0、60°、150°、210°、300°。全程放疗计划均采用动态调强技术，最大剂量率600 MU/min。OARs剂量限值：双肺V5≤60%（V5表示双肺受到5 Gy照射的体积占双肺总体积的百分比，下同），V20≤28%；心脏V40≤30%；脊髓Dmax≤45 Gy（Dmax表示脊髓受到的最大剂量）。

1.3 OARs受照剂量计算

分别采用三种剂量累加方法对两程计划中OARs总受照剂量进行计算，具体包括双侧肺V5、V20，心脏V40，脊髓最大剂量Dmax。A组采用人工计算：对两程放疗计划Plan1和Plan2分别进行加权处理，处方剂量归一到60 Gy/30 f获得放疗计划 Plan1’和 Plan2’，将 Plan1’中OARs受照剂量评价指标 ×25/30，Plan2’中 OARs受照剂量评价指标×5/30，两者相加得出OARs总受照剂量。B组TPS计算：首先利用TPS刚性图像配 准算法对CT1和CT2进行图像融合，然后根据图像融合结果基于CT2得到Plan1和Plan2的累加计划Plan_sum，利用剂量体积直方图统计OARs总受照剂量。C组采用MIM多模态形变配准系统计算：利用MIM自带Dose Accumulation-Deformable工作流，基于密度（CT值）形变配准算法得到基于CT2的累加计划 Plan_sum2，将剂量分布转换为剂量体积直方图后统计OARs总受照剂量。

1.4 统计学分析

采用SPSS 26.0软件对各OARs受照剂量进行统计学分析，计量数据采用均值±标准差（±s）表示。三种方法所得OARs总受照剂量组间比较采用方差分析，如存在统计学差异，再用LSD法进行两两比较，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同累加方法OARs总受照剂量差异比较

双肺 V5差异有统计学意义（F=8.933，P＜0.001），LSD法组间比较：A组分别与B组、C组差异有统计学意义（P＜0.05），其中A组数值最小；双肺V20差异无统计学意义（P＞0.05）。心脏V40差异有统计学意义（F=3.590，P=0.031），LSD法组间比较：A组分别与B组、C组差异有统计学意义（P＜0.05），其中A组数值最大。脊髓Dmax差异有统计学意义（F=5.587，P=0.005），LSD法组间比较：A组分别与B组、C组差异有统计学意义（P＜0.05），其中A组数值最大（表1，图1～3）。

表1 不同累加方法OARs总受照剂量差异比较（±s）

表1 不同累加方法OARs总受照剂量差异比较（±s）

组别 双肺V5/% 双肺V20/% 心脏V40/% 脊髓Dmax/Gy A 51.95±12.67 25.27±4.76 17.69±12.48 43.98±2.23 B 53.83±12.00 25.04±4.73 16.81±11.99 43.31±3.18 C 53.15±12.20 24.96±4.92 16.83±12.02 43.11±2.17 F值 8.933 0.575 3.590 5.587 P值 0.001 0.565 0.031 0.005

图1 三种剂量累加方法，双肺V5差异比较

图2 三种剂量累加方法，心脏V40差异比较

图3 三种剂量累加方法，脊髓Dmax差异比较

3 讨论

在食管癌放疗技术中，IMRT技术在靶区适形度、均匀性以及OARs保护方面已非常成熟[5-7]。有研究指出，食管癌患者在放疗过程中，靶区移位可使95%的PTV受照剂量约减少8.38%[8]。若仍执行原放疗计划，不仅会影响靶区照射剂量也会导致周围正常组织受到不必要照射[9-10]。而自适应放疗依据肿瘤靶区退缩情况，在分次治疗期间获取患者CT图像，重新优化放疗计划，从而提高肿瘤靶区剂量，降低OARs受照剂量，实现降低放疗并发症的发生率，提高患者的生存质量[11-12]。

由于放疗会产生一定的不良反应，而降低并发症的关键是保证肿瘤有效控制剂量前提下，尽可能降低照射剂量和范围[13-14]。因此，准确的评估两程计划中靶区和OARs剂量分布是临床治疗决策的重要依据。目前，很多TPS虽自带配准功能，但配准方式多为刚性配准。而不同分次CT扫描图像间人体解剖结构存在一定形变和旋转，使得TPS配准很多时候无法有效解决临床实际问题。而MIM是一款集多模态图像配准、剂量累加等功能于一体的图像处理系统，能很好的读取主流TPS的图像及剂量，并进行剂量累加操作。有研究证实，与刚性配准方法相比，形变配准更利于医学图像的配准，尤其在图像引导放疗和自适应放疗方面[15]。

本研究发现在双肺V5差异比较中，A组数值最小，并且差异有统计学意义。由于此次收集的50例患者两程计划布野方式均为蝶形野IMRT，因此人工计算仍可作为简单评估双肺受照体积方法，但该方法会低估双肺的低剂量受照体积。如果首程和二程计划布野方式差异较大，人工计算法将不能用于双肺剂量的累加计算，此时需采用TPS计算或MIM多模态形变配准进行评估。由于本研究中，两次CT图像均在患者平静呼吸下获取，因此两次CT图像中双肺的体积、形态会有所差异，而TPS计算并未考虑两次CT模拟定位时患者体型、双肺体积等因素，仅利用刚性配准算法对CT1和CT2进行图像融合，获得累加计划Plan_sum并统计OARs受照剂量。而MIM多模态形变配准可基于密度的自由形变，对双肺的体积和形态进行匹配和融合。因此，MIM多模态形变配准更适合用于评价两程计划融合时双肺的总受照体积。而食管癌放疗的毒副反应中肺炎的发生与V5、V10、V20、V30有关[16]，因此，本文认为在三种剂量累加方法中，双肺的总受照体积的评估更适合采用MIM多模态形变配准。

有文献指出，当心脏照射剂量大于40 Gy时，将诱发心脏疾病[17]；而脊髓Dmax是判断放射性脊髓炎发生的重要指标[16]。在本次研究中，三种剂量累加方法在心脏V40、脊髓Dmax的差异比较中有统计学意义，其中A组获得的心脏V40和脊髓Dmax数值最大。究其原因，可能是由于采用人工计算法累加脊髓Dmax时，将两程计划中两个脊髓Dmax点的数值进行加权相加，因而所得数值最大，但在实际放疗过程中，两程计划中脊髓Dmax所处的位置并非恰好位于同一位置。石慧烽等[18]研究发现，MIM软件可以完成颈椎配准以及剂量累加工作，并证明了MIM软件脊髓配准的准确性。因此，食管癌自适应放疗在两程计划融合时，人工计算法可简单计算心脏和脊髓的累加受照剂量。若患者体型、双肺体积等变化较大者，可考虑使用MIM多模态形变配准方法。

4 结论

在食管癌患者自适应放疗过程中，人工计算方法会低估双肺的低剂量受照体积，并会高估脊髓的最大受照剂量。采用TPS计算或MIM形变配准，可对双肺、心脏和脊髓等进行相对准确的评估，能有效增加物理师制定再程计划的可调整空间，获得更优计划，从而使患者获益。