网格精度对肝癌立体定向放射治疗计划的剂量学影响

戴宛庭，李向斌，全红，谭志杰，魏伟

1.武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉430072；2.湖北省肿瘤医院放疗中心，湖北武汉430079

前言

中国肝癌发病数占全球发病数的将近一半，已然成为继肺癌、女性乳腺癌和胃癌后威胁国民身体健康的第4 大杀手［1］。常见的肝癌治疗方式有：手术切除、射频消融（RFA）、经动脉化学栓塞（TACE）和放射治疗等。由于肿瘤的大小和位置、肝部基础疾病或合并症等原因，使用立体定向放射治疗（SBRT）肝肿瘤成为患者的新选择。当前，SBRT 具有分次剂量大、生物等效剂量高、疗程短等优势，这也令SBRT 受到越来越多的关注，逐步在肝癌放射治疗中得到应用。研究表明使用SBRT 重复治疗肝内复发性肝细胞癌仍可以实现高度局部控制和令人满意的总体生存率［2-4］。

在放疗计划系统的参数设置中，网格是其中一项影响因素。郭栓栓等［5］对网格精度对不同部位肿瘤治疗计划的影响做出比较，刘翔宇等［6］对肝癌IMRT 中网格大小对剂量学的影响做出比较，美国AAPM 对IMRT-SBRT使用的计算网格大小给出了建议［7］，郭隆佳等［8］对肺癌VMAT-SBRT 计划中网格大小和能量大小对剂量学的影响进行分析，Huang 等［9］对肺癌SBRT 计划中算法和网格对剂量学的影响做出分析，但对肝癌VMAT-SBRT 中网格大小对剂量学影响的研究尚为少见。本研究针对美国Varian 公司Eclipse 治疗计划系统中网格大小对肝癌VMATSBRT技术的剂量学影响进行研究。

1 材料与方法

1.1 患者选择

本研究共纳入10例2017～2020年在湖北省肿瘤医院使用VMAT-SBRT治疗的肝癌患者。所有患者均采用4DCT进行扫描，并由临床医生在10个时段分别绘制大体肿瘤靶区（GTV），据此界定照射体积（ITV），在ITV周围取5 mm的各向同性余量生成计划靶区（PTV）。PTV的平均大小为（76.34±23.72）mm3。每位患者均采用5次治疗分数，处方剂量为35～45 Gy，采用6 MV FFF模式，最大剂量率为1 400 MU/min。

1.2 治疗计划设计

患者治疗计划均使用Eclipse计划系统进行设计，采用双弧（顺时针181°～30°，逆时针30°～181°）、相同的约束条件进行逆向优化，然后选择AAA算法、计算网格（CGS）大小分别为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm，每例患者生成5个不同的治疗计划，总计50例。临床计划接受标准是95%的PTV接受100%的处方剂量。

1.3 评价指标

根据RTOG协议，比较靶区的95%体积所对应的剂量（D95%）、平均剂量（Dmean）、适形度指数（CI）和梯度指数（GI），危及器官的肝脏Dmean、正常肝脏（肝脏减去PTV）的10、20、30 Gy 等剂量线所包绕的体积所占百分比、脊髓的Dmax，以及计划的计算时间和在3%/3 mm 和2%/2 mm 两种标准下的Gamma 通过率。其中，CI=Vref/VPTV，CI 值越接近1，适形度越好；GI=V50%ref/VPTV，GI 值越小，靶区剂量梯度下降的越快。

1.4 统计学方法

应用SPSS25.0 版本对数据进行处理，计量资料以均数±标准差表示，采用配对t检验进行数据统计与分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量比较

靶区D95%随着网格值增大呈下降趋势，GI随着网格值增大呈增长趋势。Dmean和CI没有显著差别。与对照组CGS-1.0相比，CGS-2.0、CGS-3.0、CGS-4.0和CGS-5.0的D95%和GI，以及CGS-5.0的CI均具有统计学意义（P<0.05），见表1。

2.2 危及器官剂量比较

与对照组CGS-1.0 相比，CGS-2.0、CGS-3.0、CGS-4.0 和CGS-5.0 的肝脏Dmean、V10、V20、V30均有统计学意义（P<0.05），见表1。对于肝脏，无论是肝脏Dmean还是正常肝脏低剂量所对应的体积，都随着网格值减小而减小。对于脊髓，除了个别值有差异外，大多数网格值对于脊髓受量的影响微乎其微。

表1 5组计划剂量学比较（± s）Tab.1 Dosimetric comparison among 5 groups(Mean±SD)

表1 5组计划剂量学比较（± s）Tab.1 Dosimetric comparison among 5 groups(Mean±SD)

*表示与CGS-1.0比较，P<0.05

参数PTV肝脏肝脏-PTV脊髓D95%/Gy Dmean/Gy CI GI Dmean/Gy V10/%V20/%V30/%Dmax/Gy CGS-1.0 39.81±3.41 43.96±3.74 1.02±0.08 3.51±1.18 9.00±4.74 27.85±16.37 10.46±7.001 2.81±1.89 6.29±3.07 CGS-2.0 39.60±3.40*43.95±3.73 1.02±0.09 3.56±1.21*9.08±4.76*28.20±16.53*10.63±7.12*2.90±1.96*6.27±2.99 CGS-3.0 39.50±3.38*44.01±3.70 1.02±0.09 3.60±1.25*9.19±4.82*28.72±16.92*10.86±7.27*3.01±2.05*6.27±3.00 CGS-4.0 39.26±3.33*44.01±3.70 1.01±0.10 3.67±1.26*9.32±4.87*29.35±17.23*11.05±7.24*3.14±2.14*6.22±2.99 CGS-5.0 38.91±3.36*43.89±3.76 0.96±0.03*3.73±1.28*9.42±4.88*29.82±17.47*11.37±7.53*3.24±2.22*6.15±3.00

2.3 计算时间比较

计划计算用时分为优化时间、叶片运动计算时间和剂量计算时间。Eclipse 计划系统使用逆向计算对目标函数进行优化，再通过叶片运动将优化通量转换为实际通量（一般在优化结束时自动出现），最后通过最终剂量计算完成治疗计划分布。分别记录每个计划在3 部分的计算用时，统计结果见表2。统计数据表明，在优化时间和叶片运动计算时间上，5组数据没有显著差别；而在剂量计算时间上，相比于对照组CGS-1.0，CGS-2.0～CGS-5.0 的剂量计算时间分别减少73.99%、84.88%、88.56%、89.73%，显示出较大的时间差异。

表2 计算时间比较Tab.2 Comparison of calculation time

2.4 二维验证计划通过率比较

对每例计划制作二维验证计划，并将其传输到加速器，使用Varian Edge 加速器机载影像验证系统EPID 接收透射剂量，采用临床标准Gamma通过率标准（3%/3 mm 和2%/2 mm），对测得的累积二维剂量分布与验证计划的二维剂量分布进行比较。对于3%/3 mm 标准，通过率大于等于95%即视其为合格计划；对于2%/2 mm 标准，通过率大于等于90%即视其为合格计划。验证结果（表3）表明，对于3%/3 mm和2%/2 mm 标准，Gamma 通过率随着网格值增大而减小，其中2%/2 mm 标准的CGS-1.0 和CGS-2.0 组间的Gamma 通过率差异较小；对于相同网格值大小，3%/3 mm标准的通过率要比2%/2 mm标准的高。

表3 Gamma通过率比较（%）Tab.3 Comparison of Gamma passing rate(%)

3 讨论

对于靶区的D95%的网格越小其值越大，GI 网格越小其值越小，说明网格在1.0 mm 时靶区的剂量梯度越陡，剂量下降越快，对周围组织的保护更好；对于Dmean和CI，5 组计划平均值的差异无统计学意义，即使1.0 mm 精度的CI 值并不是最好，说明在网格大小较小时对靶区剂量受量的影响可忽略不计，这可能因为肝癌计划的靶区体积较大，对较小网格精度的敏感性可能并不明显，尤其在1.0 mm 精度时，头颈部肿瘤可能对此更有优势［10］。

采用不同大小的计算网格，危及器官的剂量受量发生不同变化，网格值较小组表现出较低的剂量受量，即对危及器官的保护更好。整体来看，虽然5组计划间危及器官受量不同，但差值均很小，对于肝脏和脊髓的最大限制剂量来说差异可忽略不计。有研究表明放射治疗会对肝脏产生放射性损伤，其程度可能与肝脏受量及正常肝脏低剂量受照体积相关，但具体受量及低剂量对应的受照体积对肝脏带来的损伤尚待继续研究［11-13］。

采用不同大小的网格所用的计算时间中，逆向计算过程中的优化时间和叶片运动计算时间几乎相同，说明网格大小对计划计算时间的影响主要体现在剂量计算上。网格大小从5.0 mm 降低到1.0 mm时，剂量计算平均用时从76.5 s 增加到744.8 s，增加幅度成倍数上涨，网格值越小增加的倍数越多，这使得在临床计划设计中不得不考虑时间成本。在靶区剂量分布和对危及器官保护相似的情况下，尽量选取较大的网格值进行计划计算以促进工作效率。

在二维剂量验证通过率的测试中，采用不同通过率标准均有着较好的结果。随着网格值增大，Gamma 通过率不断减小，但均能通过实际临床应用标准。计算网格精度对计划通过率的影响也受到关注，在通过率较高的时候，网格参数大小对其产生的影响较小，使用不同标准和临界值可以大致达到相同的验证水平［14-16］。对于肝癌SBRT 计划，由于其分次剂量大的特点，在其他成本可接受的条件下，应尽量保证更高的计划通过率。

美国AAPM 曾建议在SBRT 计划设计中网格大小的选择不大于3.0 mm［7］。为探究更适合使用Eclipse 治疗计划系统AAA 算法设计肝癌SBRT 计划的网格精度，本文采用1.0 mm 网格为对照组，分别使用配对t检验，定量分析了2.0、3.0、4.0、5.0 mm 网格与其剂量学差异，主要发现在靶区剂量包绕度和适形度方面，1.0 mm 网格显示出较为优异的结果，在危及器官保护方面，1.0 mm 值对肝的保护更好，而对脊髓受量没有统计学差异，在计算时间方面，1.0 mm 比2.0 mm多了近4倍时间，在二维剂量验证方面，1.0 mm与2.0 mm均显示出较高的计划通过率。

以上结果提示，精确剂量计算不一定需要AAA算法中可用的最小1.0 mm 网格尺寸。小于2.0 mm的网格尺寸使肝癌SBRT 在靶区和危及器官的剂量变化中微不足道或没有观察到。综上所述，综合计划剂量优化结果以及计算时间和验证通过率，建议在肝癌SBRT 计划设计中使用2.0 mm 大小的计算网格。