铱源驻留步长对宫颈癌三维近距离治疗计划的影响

吴爱林，姜潇，吴爱东，朱磊，刘云琴，钱立庭

1.中国科学技术大学附属第一医院（安徽省立医院）放疗科，安徽合肥 230031；2.中国科学技术大学物理学院，安徽合肥 230026

前言

宫颈癌严重威胁全球女性健康，其发病率和死亡率均为女性恶性肿瘤的第4 位［1］。近距离治疗作为中晚期宫颈癌体外放疗不可或缺的补量手段［2］，能借助放射源周边陡峭的剂量梯度，在大幅增加肿瘤剂量的同时有效保护周围正常组织。随着影像技术的快速发展，三维图像引导的近距离治疗技术得到广泛应用及推广［3-4］。临床上通常采用逆向优化方法高效完成近距离治疗计划设计，而在放射源传输轨迹固定的情况下，计划设计中可调节的主要有剂量学目标值及权重、放射源驻留步长、驻留时间离差限制等有限参数。此外，已有研究［5-6］表明施源器移位将对近距离治疗精度有不可忽视的影响，而综合考虑施源器移位下铱源驻留步长对宫颈癌近距离治疗剂量影响的研究尚未见报道。

本研究随机选取15 例宫颈癌三维近距离治疗计划，分别采用1、3、5 和7 mm 驻留步长进行逆向计划设计，分析对比上述计划的靶区和危及器官（OARs）剂量学参数差异；同时在放射治疗计划系统（TPS）中模拟施源器发生脚向移位，研究移位前后不同步长治疗计划的剂量偏差情况，为临床宫颈癌三维近距离治疗计划设计提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 患者资料

随机选取安徽省肿瘤医院放疗科收治的宫颈癌患者15 例，病理类型均为鳞癌。根据宫颈癌国际妇产科协会（FIGO）指定标准，其分期为Ⅱb 期～Ⅲb 期。所有病例均在完成体外照射40 Gy（总剂量46 Gy/23次）后，开始接受CT 引导的铱源高剂量率近距离治疗，每周1 次，共5 次。所有患者接受标准的治疗前准备［7］，使用三通道Fletcher 型施源器进行植入。通过GE 16 排放疗专用大孔径CT 模拟定位系统Discovery CT 590 进行图像采集，扫描条件为扫描电流400 mAs，扫描电压120 kV，层厚2.5 mm。将CT影像传至瓦里安BrachyVision 后装计划系统（Brachytherapy Planning v10.0.39），由主管医生根据GEC-ESTRO 指南要求，完成靶区［高危靶区（HRCTV）、中危靶区（IRCTV）］及膀胱、直肠、小肠、乙状结肠等OARs勾画，由高年资物理师勾画并重建出施源器轨迹。

1.2 计划设计

本研究基于TG43公式的固定体积均匀纯水［8］计算模型，采用TPS 的体积优化（Volume Optimization）逆向优化模块进行计划设计，最大、最小驻留时间限值分别为120 和0 s，各驻留位置时间差smooth 设为中位。根据2018年（GYN）GEC-ESTRO 研究［9］推荐的剂量标准，单次近距离治疗计划的剂量目标为：HRCTV D90≥6 Gy，IRCTV D90≥3 Gy，膀胱D2cc≤5.3 Gy，直肠、乙状结肠和小肠D2cc≤4.15 Gy。

首先，在TPS 中制定4 组计划Plan_1 mm、Plan_3 mm、Plan_5 mm 和Plan_7 mm，其中铱源驻留步长分别为1、3、5 和7 mm，经优化设计后每组计划均满足预期剂量目标。其次，在上述4 组计划基础上，设计完成施源器移位计划，如图1所示Fletcher型三管施源器整体向患者脚方向移位3 mm，同时放射源在施源器中相对驻留位置、驻留步长和驻留时间均保持不变，重新完成剂量计算。

图1 Fletcher施源器脚向移位模拟示意图Figure 1 Schematic diagram of the Fletcher applicators shifting to the feet

1.3 数据采集

对不同驻留步长的近距离治疗计划，选择的比较参数包括：靶区（HRCTV和IRCTV）90%和100%体积受照射剂量D90和D100，处方剂量线包括的体积V100，各OARs 2 cm3体积所接受的最小剂量D2cc，并统计各OARs的SF系数（Sparing Factor,SF），其定义为对应OARs的D2cc与HRCTV D90比值（SF=D2cc/D90）［10］。对于施源器移位前后的近距离治疗计划，记录靶区D90和OARs D2cc剂量学参数。

1.4 统计学方法

采用SPSS 26.0 软件进行统计分析，符合正态分布的计量资料用均数±标准差表示，采用配对t检验进行两两比较，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区与治疗时长

不同驻留步长近距离治疗计划的靶区剂量学参数和治疗时长对比结果见表1。从表1可知，不同驻留步长的4 组计划靶区D90剂量均实现预期剂量目标。对于HRCTV，各计划D100、D90和V100统计学差异不显著（P>0.05）。对于IRCTV，Plan_1 mm、Plan_3 mm的IRCTV 剂量学参数D100、D90和V100均明显高于Plan_5 mm，且差异有统计学意义（P<0.05）。此外，Plan_1 mm 和Plan_3 mm 计划的治疗时长均高于Plan_5 mm，且差异有统计学意义（P<0.05）。

表1 不同驻留步长近距离治疗计划的靶区剂量学参数和治疗总时长比较（±s）Table 1 Comparison of dosimetric parameters of target areas and total treatment duration among brachytherapy plans with different dwell step sizes (Mean±SD)

表1 不同驻留步长近距离治疗计划的靶区剂量学参数和治疗总时长比较（±s）Table 1 Comparison of dosimetric parameters of target areas and total treatment duration among brachytherapy plans with different dwell step sizes (Mean±SD)

与Plan_5 mm同指标比较，a表示t=3.995、3.469，P=0.003、0.006；b表示t=3.993、3.107，P=0.003、0.011；c表示t=4.014、3.661，P=0.002、0.004；d表示t=3.056、3.828，P=0.012、0.003

参数HRCTV D100/Gy D90/Gy V100/cm3 D100/Gy D90/Gy V100/cm3 Plan_7 mm 3.50±0.47 6.14±0.30 26.73±8.81 1.90±0.47 3.24±0.18 55.27±15.27 4.92±0.87 IRCTV治疗时间/min Plan_1 mm 3.71±0.51 6.20±0.34 26.85±8.73 2.08±0.46a 3.37±0.22b 57.89±16.89c 5.50±1.27d Plan_3 mm 3.67±0.51 6.11±0.31 26.66±8.78 2.01±0.50a 3.33±0.19b 56.60±15.64c 5.15±0.97d Plan_5 mm 3.54±0.52 6.12±0.33 26.67±8.76 1.89±0.48 3.21±0.18 55.06±15.69 4.90±0.96

2.2 OARs与SF系数

不同驻留步长近距离治疗计划OARs D2cc对比结果见表2。从表2可知，在不同驻留步长的4 组计划中，所有OARs 的D2cc剂量均在目标限值以下。从统计结果可得，Plan_5 mm 计划的膀胱、直肠D2cc均值最小，而Plan_7 mm 的乙状结肠、小肠D2cc均值最小。图2给出了不同驻留步长的近距离治疗计划的OARs SF 系数分布箱式图，图中空心方块、箱体横线分别代表OARs 的SF 系数平均值和中位值。由图可知，Plan_5 mm 计划在4 组计划中OARs 的SF 系数相对最小。

图2 不同驻留步长近距离治疗的OARs SF系数分布箱式图Figure 2 Box-plot of SF coefficient of organs-at-risk in brachytherapy plans with different dwell step sizes

表2 不同驻留步长近距离治疗计划OARs D2cc比较（Gy,±s）Table 2 Comparison of the D2cc to organs-at-risk among brachytherapy plans with different dwell step sizes(Gy,Mean±SD)

表2 不同驻留步长近距离治疗计划OARs D2cc比较（Gy,±s）Table 2 Comparison of the D2cc to organs-at-risk among brachytherapy plans with different dwell step sizes(Gy,Mean±SD)

危及器官膀胱直肠乙状结肠小肠Plan_1 mm 4.79±0.96 3.92±0.72 2.92±1.15 3.37±1.18 Plan_3 mm 4.64±0.98 3.77±0.77 2.84±1.16 3.42±1.22 Plan_5 mm 4.61±1.01 3.72±0.82 2.76±1.22 3.25±1.18 Plan_7 mm 4.62±0.97 3.89±0.76 2.75±1.20 3.22±1.19

2.3 施源器移位前后对比

当施源器脚向移位3 mm，各组计划的剂量学参数百分偏差如表3所示。可见，施源器移位将造成靶区剂量降低，其中Plan_5 mm 计划受施源器移位影响最小，移位后HRCTV 和IRCTV 的D90分别下降2.88%和0.91%。同时，数据显示施源器移位后膀胱、乙状结肠和小肠的D2cc剂量减少，而直肠D2cc受量增加。其中膀胱、直肠、乙状结肠和小肠D2cc的百分偏差绝对值最小的计划分别是Plan_5 mm、Plan_1 mm和Plan_3 mm。

表3 施源器移位3 mm后不同驻留步长近距离治疗计划的剂量学参数偏差（%,±s）Table 3 Dosimetric parameters deviations of brachytherapy plans with different dwell step sizes after shifting applicators by 3 mm(%,Mean±SD)

表3 施源器移位3 mm后不同驻留步长近距离治疗计划的剂量学参数偏差（%,±s）Table 3 Dosimetric parameters deviations of brachytherapy plans with different dwell step sizes after shifting applicators by 3 mm(%,Mean±SD)

评估参数HRCTV D90 IRCTV D90膀胱D2cc直肠D2cc乙状结肠D2cc小肠D2cc Plan_1 mm-4.25±2.23-2.20±2.89-2.87±3.37 6.47±3.74-3.78±4.47-8.45±5.43 Plan_3 mm-3.38±3.11-1.31±1.71-2.96±3.42 6.69±3.33-3.37±3.89-8.26±4.31 Plan_5 mm-2.88±2.03-0.91±1.33-2.76±3.85 6.63±3.71-3.94±3.20-8.67±4.00 Plan_7 mm-3.39±2.13-1.30±1.00-3.05±3.53 6.85±3.94-3.98±3.12-8.59±3.94

3 讨论

近距离治疗用于宫颈癌治疗已有百年历史，是根治性宫颈癌放疗必不可少的组成部分。随着对二维腔内近距离治疗缺陷的深入认识，以及三维影像技术在放疗领域广泛应用，本世纪以来三维影像引导宫颈癌近距离治疗成为研究热点，回顾性研究更是显示了该技术在肿瘤局控率、总生存率以及并发症发生率上的明显优势［11］。中国作为宫颈癌的高发区，每年的新发病例占全球18.3%［1,12］。随着国内医疗水平不断提升，我国宫颈癌近距离治疗也快速进入三维时代。有数据表明［13］，2018年在我国西部20所三级甲等医院中，54.3%的宫颈癌患者接受了CT引导三维近距离治疗。

基于CT/MRI 影像，医生可以精准勾画出靶区和OARs 轮廓，再使用逆向优化（IPSA、Volume Optimization）或图形优化的方法完成计划设计。在逆向优化过程中，放射源驻留步长、最大驻留时间、时间离差限制参数等输入参数直接影响优化效率和最终计算结果。如文献［14］通过分析不同步长下钴源宫颈癌近距离治疗的剂量学参数变化，进而给出了驻留步长的推荐范围；王先良等［15］和纪天龙等［16］针对驻留时间差限制参数选择对宫颈癌近距离治疗剂量分布影响进行了分析；Manikandan 等［17］则研究了设置不同最大驻留时间、驻留步长在前列腺癌近距离治疗计划逆向优化中的作用。值得关注的是，由于三维近距离治疗流程复杂，耗时较长，患者体内施源器容易发生移位，可能造成靶区和OARs并未接受预期剂量。如Balsdon 等［18］研究显示宫颈癌腔内近距离治疗期间，T&O 型施源器在左右、头脚和前后方向平均移位分别为1.9、3.0 和9.5 mm。Andrew等［19］针对185 例人工转运的宫颈癌近距离治疗施源器位置稳定性进行研究，发现施源器平均移位约为3.41 mm，其中超过5 mm 的比例高达22.7%，超过10 mm 比例仍有3.78%。由此可知，若能在计划设计前明确合适的输入计算参数范围，将有助于提高近距离治疗计划设计效率和目标剂量的实现，同时高质量的治疗计划要结合临床实际，加入施源器移位影响的输入参数设置，可能会在一定程度上减少因移位导致的剂量偏差。

在本研究中，针对临床最为常见的CT 引导铱源高剂量率宫颈癌腔内近距离治疗计划展开研究。首先，在TPS 中制定了4 组不同驻留步长近距离治疗计划，经优化后均满足预期剂量目标。研究结果显示：（1）4 组计划HRCTV 剂量学参数D100、D90、V100无明显差异，可见HRCTV 剂量对驻留步长选择并不敏感；（2）Plan_1 mm、Plan_3 mm 的IRCTV 剂量 学参 数D100、D90和V100高于Plan_5 mm，且差异有统计学意义（P<0.05），但Plan_1 mm、Plan_3 mm 治疗用时明显长于Plan_5 mm（P<0.05），说明小于5 mm 驻留步长有利于肿瘤控制的同时延长了治疗时长，增加了患者不适和体内组织的移位；（3）4 组计划各OARs 的D2cc受量差异均没有统计学意义（P>0.05），但Plan_5 mm计划中OARs 的SF 系数平均值和中位值均最小，说明Plan_5 mm 计划在OARs 保护与靶区治疗间平衡相对最佳。其次，考虑临床患者转运中施源器发生脚向脱落可能性较大，同时结合调研文献［18-19］给出的移位数据，本研究模拟了上述4组计划的施源器整体发生脚向3 mm 移位。其剂量学研究结果表明，施源器移位将造成靶区剂量下降，膀胱、乙状结肠和小肠剂量减少，以及直肠剂量升高，这与文献［20-21］结果吻合。其中，移位后Plan_5 mm 计划靶区剂量降幅最低，HRCT、IRCTV 的D90分别下降2.88%、0.91%，均小于3%。同时数据显示，对于小于5 mm驻留步长的治疗计划，施源器移位导致的OARs剂量偏差相对较小。综合上述研究结果，选择5 mm 铱源驻留步长能取得相对较好的剂量学评估，同时施源器移位造成靶区剂量欠量相对较小。

综上所述，铱源驻留步长不仅影响宫颈癌近距离治疗计划的逆向优化结果，如靶区及OARs剂量学参数、治疗时长等，对于施源器移位导致的剂量偏差也存在一定差异。在临床中，需要选择合适的铱源驻留步长以制定高质量的宫颈癌近距离治疗计划，在兼顾靶区受照和OARs保护的基础上，尽量减少治疗中剂量传递的不确定性。