通量平滑度对肺癌放疗物理剂量和生物剂量的影响
2023-01-18彭圣贤
彭圣贤 庞 亚 刘 悦 王 东
(ThePracticalJournalofCancer,2023,38:0167～0171)
肺癌的发病率在全球居于首位，在我国也长期居于第一[1-2]。放射治疗可以作为肺癌的一种重要治疗手段。在调强放射治疗优化系统中，计划系统(treatment planning system，TPS)通过逆向优化迭代重建算法产生射束(beamlet)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[3-4]。靶区和危及器官(organs at risk，OARs)越复杂的几何形状决定了更高的靶区适形度，并且越压低OAR剂量，通量图就越复杂；反之，对OAR剂量要求宽松，靶区适形度变差，通量复杂度就降低。在临床工作中，一些复杂且苛刻的放疗计划会造成放疗计划系统运算时间长，执行计划的机器跳数增加，给机器带来负担。当前多种计划系统自带通量平滑度选项[5]，因此本研究以肺癌放疗为例，基于Eclipse系统，比较靶区和OAR的剂量学和放射生物学在不同通量平滑参数时的参数差异。
1 资料与方法
1.1 通量平滑度
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通过逆向计划优化算法产生射束的通量。通量平滑分为两个方向，一个方向与MLC运动相向，另一个方向与MLC运动垂直。其中与MLC运动相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MU；与MLC运动垂直的平滑则影响MLC 的“凹凸槽”效应。通量平滑函数是优化罚分函数的一部分。系统在优化时不区分靶区和危及器官的罚分函数如(1)所示[6]。
式(1)中第四项为与通量平滑有关的罚分函数。
1.2 临床资料
回顾性分析选取2019年6月至2019年12月在自贡市第一人民医院肿瘤科治疗的20例肺癌患者，使用碳纤维板、热塑膜联合枕头固定患者，统一取仰卧位，在飞利浦CT模拟定位机下增强扫描。由副主任医师按照ICRU83报告靶区和左右肺、心脏、脊髓等OAR。
1.3 计划设计
对每个患者制定6组逆向调强计划，第一组计划使用默认的通量平滑值Smooth 40 30，即与MLC平行方向为40，与MLC垂直的方向平滑为30。本研究危及器官权重设定位100，依据通量平滑值与危及器官目标函数最大权重百分比制定其他五组逆向调强计划。其他五组依次为Smooth 0 0、Smooth 20 10、Smooth 60 50、Smooth 80 70、Smooth 100 100。每个患者6组计划均是设计固定野调强(fixed field Intensity Modulated Radiotherapy，ff-IMRT)，射线均为6MV X射线，处方剂量均为66 Gy/33F。各组计划优化条件一致，计划系统为Eclipse v13.6，在Varian Trilogy加速器上治疗。
1.4 计划评估
1.4.1 剂量学参数 从放疗计划的剂量-体积直方图(dose-volume histogram，DVH)来获取放疗计划PTV和OAR的评估指标和各参数计算，参考国际辐射单位与测量委员会83号报告[7]。靶区的评估指标为：D2、平均剂量Dmean、D98，其中D2、D98分别为包围PTV体积2%、98%的最低剂量；均匀性指数(homogeneity index， HI)定义为HI=(D2-D98)/Dmean，HI值越小，则PTV剂量越均匀。适形度指数(conformity index，CI)定义为CI=(VT,r/VT)×(VT,r/Vr)，其中VT为PTV体积，VT,r为处方剂量所包绕的PTV体积，Vr为处方剂量所包绕的总体积，CI值上限为1，越大说明靶区越适形。各危及器官的剂量参数为肺V5、V20、V30；心脏V30、V40、Dmean，脊髓Dmax。此外，评估各计划的机器跳数(monitor unit,MU)。
1.4.2 放射生物学参数 肿瘤控制概率(tumor control probability,TCP)和正常组织并发症概率(normal tissue complication probability,NTCP)采用文献的放射生物学模型[8]。等效均匀剂量(equivalent uniform dose,EUD)函数用于评价某一解剖结构受到不均匀剂量照射的生物学效应，如式(2)所示。该公式适用于肿瘤和正常组织。
式(2)中，N为靶区或者正常组织内总的体素个数，di为第i个体素的点剂量，a为不同组织的体积特性参数。基于EUD，TCP可以定义为式(3)[9-11]：
式(3)中，TCD50为肿瘤控制率为50%的剂量，γ50为肿瘤控制概率为50%时剂量响应曲线的斜率，为无量纲参数。基于EUD，对于正常组织，NTCP可以定义为式(4)：
式(4)中，TD50为正常组织5年出现50%并发症概率的耐受剂量。γ50为正常组并发症概率为50%时剂量响应曲线的斜率。
1.5 统计学方法
应用SPSS v22.0软件进行统计处理，经检验符合正态分布，数据以均值±标准差表示，对照组Smooth 40 30与其他组采用配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 剂量学参数结果
图1所示是某个病例通量平滑为6组计划的靶区剂量分布图。表1所示是6组通量平滑靶区PTV的剂量学参数。与对照组Smooth 40 30相比，Smooth 0 0、Smooth 20 10通量组的D2有统计学差异(P<0.05)；所有组CI和D98均有统计学差异(P<0.05)；Smooth 0 0、Smooth 100 100通量组的Dmean有统计学差异(P<0.05)；Smooth 100 100通量组的HI有统计学差异(P<0.05)。从表2中OAR剂量学看出，通量平滑值在Smooth 40 30以上，OAR受量增加。与Smooth 40 30相比，只有Smooth 100 100危及器官受量指标有统计学差异(P<0.05)，其他大部分指标无统计学差异(P>0.05)。
表1 靶区剂量学参数比较
表2 危及器官剂量学参数比较
注：a为Smooth 0 0;b为Smooth 20 10;c为Smooth 40 30;d为Smooth 60 50;e为Smooth 80 70;f为Smooth 100 100。图1 六组计划的靶区剂量分布图
图2是机器跳数(MU)的平均值随通量平滑变化的趋势图。与Smooth 40 30相比，其他通量平滑组MU均有统计学差异(P<0.05)。从图中看出，随着通量平滑值，MU显著减小。
图2 MU随通量变化
2.2 放射生物学参数结果
在Eclipse计划系统中以0.1 Gy为间隔导出txt格式的DVH图，利用Matlab程序[12]计算TCP和NTCP。对于PTV，TCD50=36.5，γ50=0.72，a=-13，α/β=10，危及器官肺TD50=24.5，γ50=2，a=3，α/β=3；心脏TD50=50，γ50=3，a=3，α/β=2；脊髓TD50=66.5，γ50=4，a=13，α/β=2。计算所需的相关参数来自参考文献[13-15]。
图3所示为PTV靶区 TCP平均值，正常肺，脊髓和心脏的NTCP平均值随通量平滑变化图。与Smooth 40 30通量组相比，其他通量组TCP均无统计学意义(P>0.05)；正常肺NTCP除Smooth 0 0，Smooth 20 10外、其他通量组有统计学意义(P<0.05)。脊髓和心脏的NTCP无统计学差异(P>0.05)。
3 讨论
以往的报道多数是仅针对剂量学依据[16-18]，少数以生物剂量为依据报道[19]。本研究结合物理剂量和生物剂量评估肺癌放疗计划通量平滑值的影响。
本研究参考部分文献[20-21]，选取不同的通量平滑值，以剂量学和典放射生物学参数为依据，选出最佳的通量平滑值。早期有学者[20]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，发现通量平滑值对叶片因子、剂量学参数有影响。Broderick等[22]报道了通量平滑可以降低机器跳数和危及器官的剂量，Matuszak[23]和Giorgia[24]报道了通量平滑值的增加对剂量投照的准确性有影响。如今成熟的商用计划系统自带了通量平滑[5,17-18]，Elipcse计划系统的通量平滑值范围从0～1000，本研究参考其他文献选取两个方向通量范围为0～100。通量平滑值越大，机器跳数越小，机器跳数增加反映了计划的复杂性变大。贾晓斌等[17]报道了不同通量平滑值下头颈部肿瘤放疗剂量学影响，结论是通量平滑太大，靶区覆盖率会受影响并且危及器官剂量提高，这与本研究结论一致，本研究OAR在Smooth 60 50及以上时，OAR受量增加。潘香等[18]比较了Monaco计划系统低、中、高3种通量平滑在左侧乳腺调强放疗中的剂量学，通量平滑度增加会减少机器跳数，这些结论与本研究基本一致。机器跳数MU在Smooth 40 30及以下时，MU较高，给临床工作带来负担。
早期，有许多计算放射生物学参数的数学模型和工具[12,25]，Gay等[12]提供了Matlab程序用于计算TCP和NTCP，本研究采用其推荐的程序基于EUD模型计算肺癌的TCP和NTCP 。TCP及NTCP与通量平滑值的变化趋势基本稳定，因此，通量平滑值变化对放射生物学参数影响不大。此外，由图1看出Smooth 100 100时OAR受量较高，靶区均匀性较差，临床实用性较差，因此本研究没有考虑Smooth 100 100以上的通量平滑值。
基于临床需求和硬件条件，考虑剂量学和放射生物学参数及机器跳数，在肺癌固定野调强放疗计划中建议选取通量平滑值为Smooth 60 50。
