不同子野面积参数对胃癌静态调强放疗计划的影响研究

王继平，杨志勇，吕文天，罗云蔓，杨国栋，徐 开，王 萍*

（1.长江大学附属黄冈市中心医院放疗科，湖北黄冈 438000；2.长江大学附属黄冈市中心医院肿瘤科，湖北黄冈 438000）

0 引言

放疗作为一种局部治疗方法，可消灭可能残留的亚临床病灶，降低肿瘤复发的概率[1]。调强放疗（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）现已基本取代三维适形放疗（three-dimensional conformal radiation therapy，3D-CRT），因为其能够向目标提供更适合靶区形状的剂量分布，并且可以更好地保护正常器官[2]。通常物理师习惯采用物理优化方法进行计划设计，这些方法包括对靶区设置限量环、对射野方向进行优化、对子野数量和最小子野面积进行优化等。陈颖等[3]通过限量环个数联合剂量-体积优化对宫颈癌进行计划设计，获得了一定的效果，同样对胃癌靶区设置限量环也会起到优化靶区的作用。卢晓光等[4]采用不同的布野方式对胃癌进行IMRT计划优化，发现好的布野方向在保证靶区剂量的同时更能有效减少正常组织受量。对于子野优化，朱锦峰等[5]对睾丸精原细胞瘤采用直接子野优化IMRT方法，比3D-CRT有明显的剂量优势。很多学者[6-8]对子野面积大小和子野总数在盆腔肿瘤中的优化进行了研究，发现最小子野面积设置为7 cm×7 cm可满足临床剂量要求，同时有效减少子野总数和正常组织的照射剂量。子野面积参数优化对于胸腹部肿瘤，特别是胃癌的影响鲜有研究报道。本研究拟采用不同子野面积参数进行胃癌静态IMRT计划设计，试图确定最佳的计划优化参数。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2021年1—5月在黄冈市中心医院接受IMRT的胃癌患者10例，其中男性4例、女性6例，年龄37～68岁，中位年龄为51岁。所有患者均签署放疗知情同意书，同意静态IMRT治疗。

病例纳入标准：（1）患者行根治术后（R0），病理分期为T3-4或淋巴结阳性（T3-4N+M0）者；（2）胃癌非根治性切除，有肿瘤残存患者（R1或R2切除）；（3）患者KPS评分≥70分。排除标准：（1）局部区域复发的胃癌；（2）肿瘤发生远处转移，如肝转移、脑转移和骨转移等；（3）拒绝接受放疗的患者。

1.2 体位固定及CT影像采集

所有患者仰卧于多功能定位板上，双手臂交叉于额前，平稳呼吸，采用热塑体模固定。在美国GE公司的多层螺旋CT上行增强定位扫描，扫描范围为膈肌上5 cm至第4腰椎下缘，层厚5 mm、层间距5 mm。将得到的CT图像数据通过Sanjiasoft网络管理系统传输至我科Pinnacle39.10计划系统工作站。

1.3 靶区危及器官勾画及剂量限制

所有患者由专业放疗医师根据《胃癌精准放疗规范和靶区勾画指南》勾画靶区和危及器官，靶区范围包括肿瘤原发灶、吻合口和淋巴引流区，定义为临床靶区（clinical target volume，CTV），并外扩0.8 cm作为计划靶区（planning target volume，PTV）。危及器官包括左右侧肾脏、脊髓、肝脏、小肠等。处方剂量PTV为4 500 cGy（180 cGy/f，25次），要求为95%的PTV接受4 500 cGy剂量。危及器官需满足：双肾Dmean≤18 Gy，V20＜30%；脊髓Dmax≤45 Gy；肝脏Dmean≤23 Gy，V10＜65%，V20＜50%，V30＜30%；小肠Dmax＜50 cGy，V20＜40%。

1.4 治疗计划设计与优化

采用Pinnacle39.10计划系统进行静态IMRT计划设计，所有计划均布置7野照射，角度分别为15°、45°、80°、180°、280°、310°、345°。设置子野数目为50个，最小子野机器跳数为7 MU，最小子野面积分别选择4、7、10、15、20、25、30、35、40和50 cm2，选择合适的目标函数，使用直接机器子野优化（direct machine parameter optimization，DMPO）方法进行逆向优化，每例患者共得到10个计划。选择最小子野面积4 cm2作为对照组，设置靶区PTV目标函数，Min Dose（最小剂量）为4 500 cGy，Max Dose（最大剂量）为4 900 cGy，Uniform Dose（平均剂量）为4 900 cGy，Min DVH（最小剂量体积）设置95%的体积剂量为4 540 cGy。危及器官目标函数包括左右肾脏设置Max DVH（最大剂量体积），剂量参数为V20＜30%，V25＜20%；脊髓设置Max Dose函数，Dmax≤4 000 cGy；肝脏设置2个Max DVH目标函数限制，V20＜45%，V30＜25%；小肠设置Max Dose和Max DVH函数，分别为Dmax＜4 900 cGy，V20＜30%。然后进行逆向优化，将得到的结果进行剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）评估，若不满足临床要求，重新调整目标函数和权重值进行再次优化计算，直至得到符合临床要求的IMRT计划。将最小子野面积4 cm2的计划进行拷贝，只修改最小子野面积，不改变其他优化约束条件，依次获得其他不同最小子野面积下的9个实验组IMRT计划。

1.5 计划评估与比较

通过DVH分别对每个实验组与对照组的剂量学差异进行比较。比较参数包括计划总子野数、机器跳数，靶区Dmax、Dmin、Dmean，剂量均匀度指数（homogeneity index，HI）和适形度指数（conformity index，CI）；危及器官比较参数包括左、右肾脏的Dmean和V20，肝脏、脊髓和小肠的Dmean、V10、V20、V30。其中HI值越小，靶区内剂量分布越均匀；CI值范围为0～1，CI越接近1，说明靶区适形度越好[9]。靶区HI、CI计算公式如下：

式中，Dmax、Dmean和Dmin分别为2%、50%和98%的靶区体积所接受的照射剂量；VTref为靶区内处方剂量所覆盖的体积；VT为PTV体积；Vref为患者接受处方剂量的总体积[10]。

1.6 统计学方法

采用SPSS 20.0软件进行统计学分析，数据结果行方差分析，以均值±标准差（±s）表示，组间两两比较采用U检验，P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 DVH比较

最小子野面积设置为4 cm2时和其他不同子野面积的IMRT计划的DVH比较如图1所示。从图1中可以看出，4 cm2vs 7 cm2和4 cm2vs 10 cm2的DVH的实线和虚线几乎重合，说明这3种不同最小子野面积可以得到几乎一样质量的计划。最小子野面积设置为15 cm2时，靶区DVH曲线与最小子野面积设置为4 cm2时的曲线相比更陡峭，肝脏、小肠和左肾的曲线略低。最小子野面积设置为20 cm2时，靶区DVH曲线与最小子野面积设置为4 cm2时的曲线几乎一致，肝脏和左肾的曲线略低，但脊髓的曲线略偏高。当最小子野面积分别设置为25、30、35、40和50 cm2时，所得靶区DVH曲线略逊于最小子野面积设置为4 cm2时，除了脊髓的曲线高于最小子野面积设置为4 cm2时，其他差异不明显。

图1 最小子野面积设置为4 cm2时（实线所示）和其他不同子野面积（虚线所示）IMRT计划的DVH比较

2.2 靶区剂量学参数和机器跳数比较

不同最小子野面积IMRT计划间靶区剂量学参数比较结果见表1。由表1可知，最小子野面积设置为4~20 cm2时，CI值较高，平均值均≥0.97，HI值较小且≤0.054，各组之间HI和CI值差异无统计学意义（P>0.05），表明在此范围内靶区适形度和均匀度较佳，且子野面积参数对CI和HI值影响不大；总子野数随最小子野面积增加而逐渐减小，从48.40±0.89下降到37.63±1.21，机器跳数也从（434±27）MU下降到（340±28）MU，最小子野面积设置为7~20 cm2时与最小子野面积设置为4 cm2时相比，差异有统计学意义（P<0.05）。最小子野面积设置为25~40 cm2时，靶区CI平均值均≤0.95，与最小子野面积设置为4 cm2时相比，差异有统计学意义（P<0.05）；总子野数从34.47±1.33下降到30.85±1.01，机器跳数也从（322±26）MU下降到（301±20）MU，与最小子野面积设置为4 cm2时相比，差异有统计学意义（P<0.05）。虽然最小子野面积参数在25~40 cm2范围增大时，总子野数和机器跳数减少了，但靶区的适形度和均匀度变差了，在临床上并非最优选择。当最小子野面积设置为50 cm2时，总子野数和机器跳数迅速降低至（22.11±0.08）和（278±18）MU，与最小子野面积设置为4 cm2时相比，差异有统计学意义（P<0.05），但靶区CI值降为0.89±0.05，表明靶区适形度较差，临床上一般不予采纳。

表1 不同最小子野面积IMRT计划间靶区剂量学参数比较（x¯±s）

2.3 危及器官剂量学参数比较

由表2~5可知，小肠Dmean在最小子野面积设置为15 cm2时最小，为（1 011.90±158.23）cGy，在20 cm2时次之，为（1 013.92±152.71）cGy。小肠V10、V20和V30在最小子野面积设置为15 cm2时最小，分别为（34.78±10.92）%、（25.08±8.94）%和（8.46±4.53）%，与最小子野面积设置为4 cm2时相比，差异有统计学意义（P<0.05）。最小子野面积设置为4~20 cm2时，各组脊髓Dmean相差不大，为（1 129.44±199.57）~（1 133.83±225.37）cGy，且在最小子野面积设置为15 cm2时最小。最小子野面积设置为25~40 cm2时，脊髓Dmean变大，均大于最小子野面积设置为50 cm2时。脊髓V10、V20和V30在最小子野面积设置为7~50 cm2时变化不明显，与最小子野面积设置为4 cm2时相比，差异无统计学意义（P>0.05）。肝脏在最小子野面积设置为15 cm2时，Dmean、V10和V20均最小，分别为（1 144.00±299.86）cGy、（45.77±23.91）%和（25.68±7.59）%，V30较小，为（3.55±0.81）%。左右侧肾脏的Dmean和V20在最小子野面积设置为25~35 cm2时均相对较小，左侧肾脏的Dmean分别为（907.55±87.46）、（907.51±88.21）和（907.90±88.19）cGy，V20分别为（10.29±4.32）%、（10.29±4.30）%和（10.27±3.98）%；右侧肾脏的Dmean分别为（945.07±103.77）、（945.04±103.82）和（945.11±103.90）cGy，V20分别为（9.85±3.77）%、（9.85±3.69）%和（9.89±3.72）%，各参数值变化幅度较小。

表2 不同最小子野面积IMRT计划间小肠剂量学参数的比较（x¯±s）

3 讨论

IMRT与3D-CRT技术相比，在治疗计划设计时使用大量小面积子野，提高了计划质量，但同时也增加了计划质量保证的难度[6]。计划设计时设置的最小子野面积过小，会增加总子野数量，同时机器跳数也会增加。Zwahlen等[11]和Ruben等[12]认为计划总子野数过多和机器跳数增加，会使多叶准直器叶片运动时间和受照时间延长，增加患者暴露在射线环境中的时间。如何合理选择最小子野面积、减少计划总子野数量一直是临床中需要考虑的问题。曹彦坤等[13]采用DMPO方法设置剂量限制环和强度级等，在不影响原计划质量的前提下，可以有效减少食管癌IMRT计划总子野数和MU数。Worthy等[14]对12例头颈部肿瘤IMRT计划采用DMPO，发现当最小的子野面积≥8 cm2时，评估的剂量学指标最优，可以显著改善计划输出效率。查元梓等[15]研究静态IMRT计划子野权重优化对宫颈癌计划设计的影响，结果显示总子野数显著减少26%～31%，总机器跳数降低5.1%～9.7%，直肠、膀胱和小肠等危及器官的剂量也有所降低。总子野数和总机器跳数的降低可以缩短治疗时间，减少正常组织的受照射剂量，从而降低正常组织毒副反应的发生概率，这也为肿瘤剂量的提高提供了可能。

表3 不同最小子野面积IMRT计划间脊髓剂量学参数的比较（x¯±s）

表4 不同最小子野面积IMRT计划间肝脏剂量学参数的比较（x¯±s）

表5 不同最小子野面积IMRT计划间肾脏剂量学参数的比较（x¯±s）

本研究结果显示，最小子野面积在4~50 cm2范围内逐渐增大时，所有IMRT计划均能满足临床要求，机器跳数从（434±27）MU逐渐减少至（278±18）MU，总子野数从48.40±0.89降至22.11±0.08，靶区CI值从0.98±0.01下降至0.89±0.05，各危及器官的剂量学参数波动较小。这与邱嵘等[6]对宫颈癌IMRT计划设置最小子野面积为2~49 cm2时的剂量分布影响的研究结果一致。当最小子野面积设置为4~20 cm2时，靶区HI平均值为0.048~0.054，均匀度较好；CI平均值均≥0.97，靶区适形度较佳。最小子野面积设置为25~40 cm2时，靶区CI和HI值基本不变，危及器官的剂量学参数比较亦无变化，总子野数和机器跳数也无明显差异。综合比较各组计划，当最小子野面积设置为15和20 cm2时，CI、HI平均值分别为0.97、0.051和0.98、0.054，靶区适形度和均匀度好。最小子野面积设置为15 cm2时，小肠和肝脏的Dmean、V10和V20，脊髓的Dmean以及左右侧肾脏的Dmean和V20均略低于最小子野面积设置为20 cm2时，表明在危及器官剂量学比较方面，最小子野面积设置为15 cm2时放疗计划略占优势。最小子野面积设置为15和20 cm2时，总子野数分别减少至44.72±0.84和37.63±1.21，机器跳数分别减少至（383±35）和（340±28）MU，无疑在此方面，最小子野面积设置为20 cm2时的放疗计划优于最小子野面积设置为15 cm2时。因为总子野数和机器跳数的减少能缩短单次治疗时间，提高技师的执行效率，以临床计划质量考虑，笔者建议最小子野面积参数设置为15 cm2时最佳，20 cm2时次之。

本研究采用Pinnacle39.10计划系统对最小子野面积设置对胃癌IMRT计划质量的影响进行研究，发现当最小子野面积参数设置为15和20 cm2时，靶区和危及器官的剂量学参数较优，机器跳数和总子野数也较少，因此建议在临床计划设计中，最小子野面积参数宜设置为15和20 cm2，以得到优质计划方案，同时提高治疗效率。本研究的不足之处是病种数量选择有限，而且不同放疗医师勾画靶区存在个体化差异，可能会对计划评估结果产生一定影响。另外，在最小子野面积参数的选择上，梯度幅度选择较大可能会忽视中间某个最优值，是否在15~20 cm2范围内有更优的最小子野面积不得而知。下一步工作中，将选择更多的病例数，在15~20 cm2范围内以更小的递增梯度继续细化研究。