Eclipse 系统中通量平滑对单发脑转移瘤调强放疗的剂量学影响研究

吴 哲，庞 亚

（1.自贡市第一人民医院肿瘤科，四川自贡643000；2.自贡市第一人民医院护理部，四川自贡643000）

0 引言

癌症晚期患者往往伴随着远处转移，20%～40%的患者发生脑转移[1]。放疗作为脑转移瘤的一种重要治疗技术被广泛报道[2-4]。近年来随着调强技术的发展，调强放疗（intensity modulated radiotherapy，IMRT）利用不同强度的笔形束实现了肿瘤靶区和邻近重要组织分别接受不同剂量照射，通过逆向优化算法有效提高了肿瘤控制率和最大限度减少周围正常组织的损伤，因而被广泛应用于各类肿瘤的治疗[5-7]。多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）是实现IMRT 的重要手段，它的位置由叶片运动计算器（leaf motion calculator，LMC）创建，且创建时考虑了MLC 上的物理和机械约束，例如叶片透射率、最大叶片速度、叶片边缘形状等。在调强优化系统中，治疗计划系统（treatment planning system，TPS）通过逆向优化迭代重建算法产生射束的通量，即最优通量图。计划复杂性可以描述为射束通量分布大小[8]。靶区和危及器官（organs at risk，OAR）几何形状越复杂，靶区适形度要求越高，OAR 剂量压制越严格，通量图就越复杂；反之，靶区适形度变差，OAR 剂量压制松懈，通量复杂度降低，从而提高子野分解效率。在实际临床工作中，复杂程度高的计划会给系统造成困难，导致机器跳数增加，给临床工作带来负荷。当前大多数TPS 内置了多种通量平滑度选项[9]，本研究基于Eclipse 系统比较不同的通量平滑参数在单发脑转移瘤IMRT中的剂量学差异，旨在选取最优的通量平滑参数，为临床提供参考。

1 通量平滑概念

在调强优化系统中，当设定射野方向和定义靶区以及OAR 的限制参数后，TPS 通过逆向优化算法产生射束的通量。Eclipse 系统中，最佳通量平滑是剂量体积优化的一部分内容，包括与MLC 运动方向平行的X方向通量平滑和与MLC 运动方向垂直的Y方向通量平滑。其中，X方向平滑值可以大大影响叶片运动的复杂性并降低机器跳数；Y方向的平滑值则影响MLC 的“凹凸槽”效应。在每次优化迭代中应用平滑，通过在罚分目标函数中添加2 个与平滑度相关的计划目标值，从而解决相邻的通量值之间的差异。罚分目标函数[10]如下：

式中，ωi为权重因子；Di为点i的计算剂量；Pi为第i个体素的处方剂量；dj，i为第j个射束上点i的剂量；xj为通量图上第j个射束权重。式（1）后半部分是与通量平滑相关的函数，ωk为通量强度中相邻射束在X、Y方向的平滑权重值，取值范围0～1 000；xk为优化通量中当前射束的强度值。

2 资料和方法

2.1 临床资料

随机选取2019 年9 月至2020 年3 月在我院肿瘤科治疗的20 例单发脑转移瘤患者的临床资料，其中，男、女各10 例，年龄48～72 岁（中位年龄62.5 岁）。肿瘤原发灶均经病理证实，脑部转移病灶均经MRI证实。KPS 评分均在70 分以上。本研究经医院伦理委员会审批通过。

2.2 CT 模拟定位

使用热塑膜及专用碳纤维板和枕头固定患者，统一取仰卧位，在CT 模拟定位机（Philips Precedence 16）下增强扫描，CT 扫描层厚3 mm，扫描范围为颅顶到第3 颈椎。获得CT 影像后，通过专用网络传输至Varian Eclipse 放疗计划工作站。在TPS 上对CT图像与MRI 图像进行融合，其中MRI 图像由Philips Achieva 1.5T MRI 扫描获得，再由高年资医生进行靶区和OAR 的勾画。

2.3 计划设计

基于Eclipse v13.6 计划系统和Varian Trilogy 加速器，为每个患者制订6 组逆向IMRT 计划，第一组（对照组）计划使用默认的通量平滑值X=40、Y=30，其他5 组X、Y依次为X=0、Y=0，X=20、Y=15，X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150。其他5 组计划均是只改变X、Y方向的通量平滑值，其他优化条件均不变。每个患者6 组计划均是设计固定野调强放疗（fixed field IMRT，ff-IMRT），射线质均为6 MV X 射线，射野中心位置相同，剂量计算均选择各向异性分析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA），网格大小2.5 mm，剂量率统一为500 MU/min，采用60 对MLC。所有计划采用7 野，即0°、45°、95°、240°、270°、300°、330°。处方剂量均为60 Gy/30f。限制条件如下：95%靶区体积达到处方剂量，靶区剂量最大值高于110%的处方剂量体积不超过1%。

2.4 计划评估

参考ICRU 83 号报告，根据剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）来评价靶区和OAR 的剂量学参数[11]。靶区的剂量学参数包括：D2、D98、平均剂量Dmean，其中D2、D98分别为包围靶区体积2%、98%的最小剂量；均匀性指数（homogeneity index，HI）定义如下：

式中，D50为包围靶区体积50%的最小剂量。HI 值越接近0，表明靶区的均匀度越好。适形性指数（conformity index，CI）定义如下：

式中，VT，ref为95%处方剂量所覆盖的靶区体积；VT为靶区体积；Vref为95%处方剂量所覆盖的总体积。CI 值越接近1，说明靶区的适形度越好。各OAR 的剂量学参数为脑干Dmax、视神经Dmax、视交叉Dmax、晶体Dmax、眼球Dmax。此外，评估各计划的机器跳数以及各计划的Gamma 通过率。

2.5 统计学方法

所有数据采用SPSS 22.0 软件进行统计处理，若检验符合正态分布，数据以均值±标准差表示，对照组与其他组靶区和OAR 的剂量学参数比较采用配对t检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 剂量学参数结果

图1 为某个病例6 组计划的靶区剂量分布图。表1 为6 组计划的靶区剂量学参数比较，表2 为每组计划与对照组的配对t检验结果。与对照组相比，X=0、Y=0 和X=20、Y=15 计划组的D2有统计学差异（P＜0.05），所有组的D98均有统计学差异（P＜0.05），X=0、Y=0 和X=200、Y=150 计划组的Dmean有统计学差异（P＜0.05），所有组的CI 均有统计学差异（P＜0.05），X=100、Y=80 和X=200、Y=150 计划组的HI 有统计学差异（P＜0.05）。从表1 中可以看出，随着X、Y方向通量平滑值在默认值的基础上增加，CI 和HI 逐渐变差。

图1 某个病例6 组计划的靶区剂量分布图

表1 6 组计划的靶区剂量学参数比较

表3 为6 组计划的OAR 剂量学参数比较，表4为每组计划与对照组的配对t检验结果。与对照组相比，所有计划组的脑干Dmax、视神经Dmax、眼球Dmax均无统计学差异（P＞0.05）。对照组的晶体Dmax低于X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150 计划组，差异有统计学意义（P＜0.05），对照组的视交叉Dmax低于X=100、Y=80，X=200、Y=150 计划组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表2 对照组X=40、Y=30 与其他通量平滑组靶区剂量学参数配对t 检验结果（P 值）

表3 6 组计划的OAR 剂量学参数比较单位：cGy

表4 对照组X=40、Y=30 与其他通量平滑组OAR 剂量学参数配对t 检验结果（P 值）

3.2 机器跳数

20 例单发脑转移瘤患者X=0、Y=0，X=20、Y=15，X=40、Y=30，X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150计划的机器跳数分别为（1 112.50±564.02）、（1 030.00±494.73）、（792.80±324.76）、（599.50±208.16）、（574.10±197.07）、（552.00±176.92）MU，对照组与其他组相比，均有统计学差异（P＜0.05）。

3.3 Gamma 通过率

在加速器上对放疗计划进行验证并利用PTW Seven29TM[12]测量相应的剂量分布，运用PTW Veri Soft v7.1 软件分析计划验证Gamma 通过率（如图2 所示），设置的标准为3%/3 mm[13]。从图2 可以看出，Gamma通过率随通量平滑值增加而增长。

图2 Gamma 通过率随通量平滑值变化曲线

4 讨论

Eclipse 计划系统作为当前主流的TPS 之一，在设计IMRT 计划时，可以设置的参数很多，如靶区、OAR 剂量目标值及优选度、等效均匀剂量值、正常组织目标（normal tissue objective，NTO）值、网格分辨力、通量平滑值等，参数的设置直接影响放疗计划的质量。如何在特定的病例中选择最优的优化参数对临床有重要意义，且需要临床剂量学参数评估作为支撑。

通量平滑值是影响放疗计划质量的参数之一。早期国外学者Armoogum[14]报道了Eclispe 系统通量平滑对前列腺癌和头颈部肿瘤放疗计划的影响，发现通量平滑值对机器跳数因子、叶片对展宽、总机器跳数、HI、CI 等参数均有不同程度的影响。Broderick 等[15]报道了通量平滑可以降低正常组织剂量和机器跳数，Matuszak 等[16]和Giorgia等[10]报道了通量平滑值的增加对剂量投照的准确性有影响。国内相关的研究很少，因此本文以单发脑转移瘤为例进行剂量学研究报道。当前多种商用TPS内置通量平滑[9，17-18]，Elipcse 计划系统内置的X、Y通量平滑值范围为0～1 000，本研究选取的X方向的范围为0～200，Y方向的范围为0～150。针对同一患者，在约束函数、子野个数及形状等其他条件完全一致的情况下，先使用默认的通量平滑值X=40、Y=30制订计划，再只改变X、Y方向的通量平滑值，其他条件保持不变制订其他5 组计划X=0、Y=0，X=20、Y=15，X=80、Y=60，X=100、Y=80，X=200、Y=150，每组计划均与默认的通量平滑值X=40、Y=30 对比。结果表明，通量平滑值对靶区和OAR 剂量分布均有影响。随着通量平滑值在默认值X=40、Y=30 的基础上增加，靶区HI、CI 变差，机器跳数减少，除X=80、Y=60 组的HI 外，其他参数的差异均有统计学意义，计划复杂性降低。复杂程度高的计划反映了机器跳数的增加[8]。本研究中通量平滑值在默认值及更小时，靶区HI 差异无统计学意义，CI 表现更好，且有统计学差异；脑干Dmax、视神经Dmax、视交叉Dmax较低，但无显著差异。在X=100、Y=80 及以上时，晶体Dmax和眼球Dmax较高。随着通量平滑值的增加，机器跳数从（1 112.50±564.02）MU 降到（552.00±176.92）MU。国内学者吴凡等[17]比较了Monaco 计划系统高、中、低3组通量平滑值在胸中上段食管癌容积弧形IMRT 中的剂量学参数，表明通量平滑值增加会减少机器跳数，高组的机器跳数与中组和低组相比分别减少了11.9%和25.2%，这些结论与本研究基本一致。国外学者Manigandan 等[18]以5 个宫颈癌病例为例，在Eclipse计划系统改变不同的X、Y方向的通量平滑值，计算靶区剂量学参数以及机器跳数，发现随着通量平滑值增加，总机器跳数减少，计划质量降低，这与本研究的结论一致。此外，本研究中Gamma 通过率随通量平滑值增加而增长，这与Manigandan 等[18]的研究结论一致。由图1 可以看出，通量平滑值为X=80、Y=60以上时，靶区适形度逐渐变差，X=200、Y=150 时靶区欠量较为严重，临床实用性较差，因此本研究没有考虑X=200、Y=150 以上的通量平滑值。

综上所述，在单发脑转移瘤放疗计划中，通量平滑值为X=40、Y=30 及以下时，靶区的适形度和均匀度较其他高通量平滑组好，OAR 的剂量也更低，但是机器跳数的增加降低了治疗的效率。通量平滑值为X=40、Y=30 以上时计划的复杂性虽然降低，但是靶区和OAR 等的剂量学表现较差。综合考虑临床需求和治疗效率的平衡，建议X=40、Y=30 为最佳通量平滑值。当然，本文并未进一步比较及分析通量平滑值对机器跳数因子、叶片对展宽的影响，将在后期开展相关研究。