Monaco计划系统优化参数对非小细胞肺癌的剂量学影响

柴林 王慧驰 王延虎 洪梅 常远

非小细胞肺癌约占所有类型肺癌患者中的80%～85%[1-2]，约65%以上的患者需要进行不同类型的放射治疗[3]。调强放射治疗(Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT)能使处方剂量分布被“修整”的与靶区形状几乎一致，又可以很好的降低危及器官(Organs-At-Risk，ORA)的受量，在放射治疗中发挥极为重要作用[4-7]。IMRT计划设计过程中，是多种因素共同作用的结果，如子野个数、子野面积、子野宽度等[8-10]。因此，需要分析相关因素对IMRT计划设计结果的影响，以更好的完成治疗计划设计。目前市场上有多种治疗计划系统(Treatment Planning System，TPS)，Monaco TPS是以肿瘤精确放疗为目的，在保证剂量计算的准确性的同时，能够更好的保护危及器官。本研究基于Monaco5.11 TPS分析IMRT计划中最小子野面积、最小子野宽度改变对非小细胞肺癌剂量分布的影响。

资料与方法

一、一般资料

选取2020年1月～2020年12月期间在南京市胸科医院进行IMRT放射治疗的25例非小细胞肺癌鳞癌患者。入选患者中男性为15例，女性为10例；所有患者年龄在45～70岁，均值(56±1.27)岁。

入选患者纳入与排除标准：

(1)纳入标准：①各种原因需要进行手术后外照射；②各种原因需要进行化疗后外照射；③患者治疗为完整的放射治疗；④外照射剂量为60Gy/6周。(2)排除标准：①有远处广泛转移；②五年内有两次及两次以上放射治疗；③有放射治疗禁忌症。

二、定位方法

所有患者仰卧，双手举过头顶交叉放置，使用热塑体模进行体位固定。扫描范围上界到上颈部，下界到上腹部(包括全肺)，扫描层厚设置为0.3 cm，患者均使用增强造影剂进行造影。最后将所有定位CT图像均通过数字成像和通信(Digital Imaging And Communication Of Medicine, DICOM)接口传输到TPS。

三、靶区及危及器官勾画

靶区包括肿瘤靶体积(Gross Tumor Volume, GTV)和临床靶体积(Clinical Target Volume, CTV)的勾画，ORA包括全肺、心脏和脊髓[11]。靶区和ORA的勾画均按照肿瘤放射治疗协作组织(Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)0418指南进行勾画[12]。

四、处方剂量及剂量限量

采用Monaco5.11版本TPS进行计划设计，25例患者计划设计时，在尽可能减少肺组织受到照射野照射的基础上，都采用6个主野(上3下3个)的布野方式。每位患者处方剂量均给予60 Gy，总次数为30次，每次2 Gy，每周进行5次放射治疗，X射线能量为6 MeV。基于95%体积的计划靶区(Planning Target Volume，PTV)接受60 Gy以上的处方剂量，ORA剂量限量(见表1)。

五、优化参数计划设计

IMRT计划优化方法：最小子野面积、最小子野宽度等2种优化参数中，任意固定1个优化参数，改变另外1个优化参数对IMRT计划进行重新优化，分析优化参数改变对IMRT计划中PTV、ORA剂量分布及对机器总跳数的影响趋势。由于在平时工作中IMRT治疗计划设计所使用最小子野面积最多的是3 cm2、最小子野宽度最多的是0.8 cm，因此，在本研究中对保持恒定的1个参数与临床中使用频率最高的情形保持一致。优化过程：1)最小子野宽度设为0.8 cm，最小子野面积依次设置为1 cm2、2 cm2、3 cm2、5 cm2、8 cm2、10 cm2、12 cm2、15 cm2、18 cm2、20 cm2等数值，对IMRT计划进行重新优化；2)最小子野面积设为3 cm2，最小子野宽度为依次设置为0.5 cm、0.7 cm、0.8 cm、1.0 cm、1.2 cm、1.5 cm、1.8 cm、2.0 cm等数值，对IMRT计划进行重新优化。将不同优化参数下，IMRT计划中PTV、ORA受照剂量分布及机器总跳数等数据取平均值后进行数值分析。

六、计划评估指标

分析不同优化参数中剂量-体积直方图(Dose-Volume Histogram，DVH)，当靶区95%体积符合处方剂量的情况下，观察PTV和ORA的受照剂量分布及机器总跳数。PTV评价参数包括适形指数(Conformal Index，CI)和均匀指数(Homogeneity Index，HI)，CI越接近1代表靶区剂量适形度越好、 HI越小，代表靶区剂量均匀性越好[13-14]，ORA评价参数包括：全肺V5、V20、V30、V40和肺平均剂量(Mean Dose，Dmean)、心脏V30、V40和心脏平均剂量(Mean Dose，Dmean)及脊髓最大剂量(Max Dose，Dmax)，机器参数：机器总跳数。

HI计算方法如公式(1)所示[15]。

HI=(D2-D98)/D处方

(1)

其中，D2为DVH剂量曲线上2%靶体积所接受的照射剂量，近似为靶体积的“最大剂量”，D98为DVH剂量曲线上98%靶体积所接受的照射剂量，近似为靶体积的“最小剂量”，D处方为靶区的处方剂量。

CI计算方法如公式(2)所示[16]：

(2)

其中，Vp代表靶区体积、Vp,r为参考剂量线所包围的靶体积、Vr为参考剂量线包围的所有体积。

七、统计学处理

采用SPSS 23.0统计学分析软件，对最小子野面积、最小子野宽度等优化参数改变后IMRT计划计算结果进行数据处理，并进行配对LSD-t检验，计算数据结果采用均数±标准差表示(x±s)，以P<0.05为差异有统计学意义[17]。

结 果

一、最小子野宽度不变，改变最小子野面积情况比较

IMRT计划中固定最小子野宽度为0.8 cm，通过改变最小子野面积(范围1～20 cm2)对IMRT计划重新优化，观察优化后IMRT计划中PTV统计指标HI和CI、ORA受照剂量分布及机器总跳数的变化趋势。本实验主要是针对2种参数改变对IMRT计划中PTV、ORA受照剂量分布及机器总跳数的影响，因此在本研究中将最小子野面积为1 cm2时，IMRT计划对应的PTV、ORA受照剂量分布及机器总跳数结果的平均值作为基准值，将其它参数值对IMRT计划重新优化后得到结果的平均值与其进行对比分析。

最小子野面积参数的改变，对IMRT计划重新优化结果与1 cm2时IMRT计划结果，进行比较分析，结果显示：1)肺V5变化范围在(+0.1±0.06)%～(+0.3±0.21)%，差异具有统计学意义(P<0.05)、肺V20变化在最小子野面积为1～2 cm2范围内时，呈现出快速增加，在2 cm2达到最大值(+0.8±0.12)%，在最小子野面积为2～3 cm2范围内呈现出快速降低，在3 cm2达到最小值(-1.21±0.2)%，最小子野面积在3～20 cm2范围内变化，肺V20变化范围在(-0.98±0.52)%～(-0.77±0.39)%，差异具有统计学意义(P<0.05)。肺V30变化范围在(-0.37±0.11)%～(-0.33±0.04)%，差异无统计学意义(P>0.05)、V40变化范围在(-0.14±0.18)%～(-0.42±0.08)%，差异无统计学意义(P>0.05)、肺Dmean变化范围在(-0.5±0.37) Gy～(+0.5±0.21) Gy，差异具有统计学意义(P<0.05)；2)随着最小子野面积的改变，心脏V30变化范围在(+0.53±0.23)%～(+2.72±0.49)%，差异具有统计学意义(P<0.05)，心脏V40变化范围在(+0.22±0.21)%～(+0.87±0.05)%，差异无统计学意义(P>0.05)、心脏Dmean变化范围在(-0.67±0.16) Gy～(+0.61±0.05) Gy，差异无统计学意义(P>0.05)；3)最小子野面积改变对脊髓Dmax影响比较小,变化范围在(-0.05±0.41) Gy～(+0.26±0.67) Gy，差异无统计学意义(P>0.05)；4)PTV统计指标中，CI数值逐渐减小、HI数值逐渐增大，差异具有统计学意义(P<0.05)；5)机器参数：机器总跳数显著下降，差异具有统计学意义(P<0.05)。当最小子野面积大于15 cm2时，PTV统计指标中HI和CI，肺V5、V20、V30、V40、肺Dmean，心脏V40、Dmean及脊髓Dmax剂量分布变化不明显(见图1)。

图1 基于最小子野面积1 cm2-PTV、ORA及机器总MU变化趋势图

二、最小子野面积不变，改变最小子野宽度情况比较

IMRT计划中固定最小子野面积为3 cm2，通过改变最小子野宽度(范围0.5～2.0 cm)对IMRT计划进行重新优化，观察优化后IMRT计划中PTV统计指标中的HI和CI、ORA受照剂量分布及机器总跳数的变化趋势。最小子野宽度为0.5 cm时，IMRT计划对应的PTV、ORA受照剂量分布及机器总跳数结果的平均值作为基准值，将其它数值对IMRT计划进行重新优化得到结果的平均值与其进行对比分析。

最小子野宽度参数的改变，对IMRT计划重新优化结果与0.5 cm时IMRT计划结果进行比较分析，结果显示：1)肺V5变化范围在(-0.07±0.09)%～(+1.39±0.35)%，差异无统计学意义(P>0.05)、V40变化范围在(+0.29±0.14)%～(+1.09±0.65)%，差异无统计学意义(P>0.05)、肺V20变化范围在(-1.11±0.24)%～(-0.67±0.47)%，在最小子野宽度为0.8 cm时，V20受照剂量分布为最小，差异具有统计学意义(P<0.05)、肺V30变化范围在(+1±0.17)%～(+1.57±0.15)%，差异具有统计学意义(P<0.05)、最小子野宽度变化对肺Dmean受照剂量分布影响较小，变化范围在(-0.22±0.05) Gy～(+0.12±0.04) Gy，差异无统计学意义(P>0.05)；2)最小子野宽度改变，对心脏V30和Dmean受照剂量分布影响比较大，心脏V30变化范围在(-0.28±0.73)%～(+3.77±2.01)%，在最小子野宽度为0.8 cm时，V30受照剂量分布为最小，差异无统计学意义(P>0.05)、心脏Dmean变化范围在(+1.0±0.57) Gy～(+2.15±1.28) Gy，差异具有统计学意义(P<0.05)，心脏V40变化范围在-0.01%～(+1.35±1.07)%，差异无统计学意义(P>0.05)；3)脊髓Dmax变化范围在(-0.62±0.11) Gy～(+1.15±0.82) Gy范围内波动，在最小子野宽度为0.8 cm时，脊髓受照剂量最大值为最小，差异无统计学意义(P>0.05)；4)PTV统计指标中CI数值逐渐减小、HI数值逐渐增大，差异具有统计学意义(P<0.05)；5)机器参数：机器总跳数显著下降，差异具有统计学意义(P<0.05)(见图2)。

图2 基于最小子野宽度0.5 cm-PTV、ORA及机器总MU变化趋势图

讨 论

本文主要研究基于Monaco5.11的TPS参数优化中最小子野面积、最小子野宽度对非小细胞肺癌患者的剂量分布影响趋势。系统分析了2种参数对IMRT计划中PTV、ORA受照剂量学分布，及机器总跳数的影响。研究结果表明：1)IMRT计划中任意优化参数改变，PTV统计指标中，CI逐渐减小、HI逐渐增大，具有统计学意义(P<0.05)，HI越大、CI越小，说明PTV剂量均匀性越差，而患者治疗过程中身体杂散剂量随PTV剂量均匀性变差而增加，致使增加患者二次致癌的风险[18]。洪潮[19]等的研究认为，患者在放射治疗过程中接受低剂量照射增加，会导致正常组织所接受的低剂量体积随之增加，进而增加了患者二次致癌的可能性。2)任意改变一个优化参数，对肺V20剂量分布影响较大，差异具有统计学意义(P<0.05)，相比于最小子野面子为1 cm2或最小子野宽度为0.5 cm时，其它参数下对应的肺V20受照剂量分布整体呈现出降低趋势，且在最小子野面积为3 cm2或最小子野宽度为0.8 cm时，肺V20受照剂量分布最低；3)2种参数改变，对肺V40和心脏V40剂量分布变化率影响较小，差异无统计学差异(P>0.05)；4)肺V5、肺Dmean及心脏V30剂量分布变化在最小子野面积改变时较为明显，差异有统计学意义(P<0.05)；肺V30、心脏Dmean剂量分布在最小子野宽度改变时较为明显，差异具有统计学意义(P<0.05)，且对肺V5、肺V30、肺Dmean、心脏V30、心脏Dmean剂量分布影响，最小子野宽度大于最小子野面积，而患者发生放射性肺炎与肺V5、V20、V30、肺Dmean受照剂量分布有一定的关系[20-22]，因此，对于肺功能不好的患者，尽量通过改变最小子野面积来对IMRT计划进行优化。张飞[23]等研究发现，全肺V5、V20、肺Dmean等指标，均与2级以上放射性肺炎的发生显著相关，其中与V20最相关[24]。5)对于脊髓受到最大照射剂量分布的影响，最小子野宽度大于最小子野面积，差异无统计学差异(P>0.05)；6)IMRT计划中优化参数对机器总跳数影响较大，且随优化参数的增加而显著减小，机器总跳数减少对提高患者在放射治疗过程中的治疗精度有一定的帮助，差异具有统计学意义(P<0.05)。Zwahlen D.R.[25]等的研究认为，在放射治疗过程中，机器总跳数越多，加速器对跳数的使用率越低，患者治疗时间就越长，随着治疗时间的增加，患者一方面舒适度降低，另一方面由于患者体内器官的活动加快，使得放射治疗治疗精度降低，生物效也会有一定的降低[26-28]。此外，Monaco治疗计划系统在计划设计时，需要设置的优化参数还包括统计不确定度、通量平滑度、优化模式及能量等，经相关研究发现，这些参数改变对放射治疗计划优化后ORA中的肺受照剂量分布影响较小。王璐[29]等的研究发现，不同统计学不确定度(Statistical Uncertainty，SU)，对于肺癌立体定向放射治疗计划进行优化后的ORA剂量分布及PTV的CI 受到影响较小。吴凡[30]等的研究发现，通量平滑度参数在胸中上段食管癌计划优化后的剂量学差异比较发现，通量平滑度改变对放射治疗计划中ORA中的肺受照剂量分布影响较小。谢红亮[31]等的研究发现,Monaco治疗计划系统中Pareto和Constrained两种优化模式在对放射治疗计划进行优化后的PTV剂量、HI、CI和ORA受照射量分布差异不明显。苏世达[32]、梁惠[33]等的研究发现，不同光子射线能量模式下(6MV、10MV、非均整射线6FFF和10FFF)对调强计划进行优化，结果显示光子能量改变对调强计划质量的影响略小。而本论文主要研究Monaco5.11的TPS优化参数改变对IMRT计划优化后PTV、ORA受照剂量学分布及机器总跳数影响趋势。因此，本实验主要针对Monaco5.11的TPS优化参数中最小子野面积、最小子野宽度改变对非小细胞肺癌患者剂量分布的影响趋势进行研究。

综上所述，临床工作中兼顾PTV及ORA剂量学计算精度与工作效率，Monaco5.11的TPS对非小细胞肺癌患者进行IMRT计划设计时，发现最小子野面积在3～5 cm2、最小子野宽度在0.7～0.8 cm范围内取值时最为合理。上述研究表明，在满足临床剂量学要求的基础上，IMRT计划设计优化参数中最小子野面积在3～5 cm2、最小子野宽度在0.7～0.8 cm范围内取值时，一方面对降低患者放射性肺炎发生概率效果较为显著；另一方面可减少患者的放射治疗时间，进而减少了患者在高强度射线下的暴露时间，以及增强了对机器MU的利用率和减少了对放射治疗设备的耗损率，对患者进行临床治疗有很好的参考借鉴意义，可作为非小细胞肺癌患者放射治疗的IMRT计划设计参考。此外，最小子野宽度改变对ORA受照剂量分布影响大于最下子野面积改变，放疗过程中对于ORA剂量限制比较严格的患者，在临床实践中IMRT计划设计时需要特别考虑。由于在本文中，这2个参数是对非小细胞肺癌的IMRT计划进行优化，但具体对IMRT计划验证需要进一步的研究。此外，本文结果对于其它部位的肿瘤患者是否支持还需进一步研究。