两种放疗计划系统用于鼻咽癌螺旋断层调强放疗计划的剂量学比较

2023-10-23苏灿森孙文钊黄晓

国际放射医学核医学杂志 2023年8期

苏灿森孙文钊黄晓延

1 中山大学肿瘤防治中心，华南恶性肿瘤防治全国重点实验室，广东省鼻咽癌诊治研究重点实验室，广东省食管癌研究所，广州 510060；2 东莞松山湖东华医院放疗科，东莞 523120

鼻咽癌是我国，尤其是广东、广西地区高发的头颈部恶性肿瘤之一。由于鼻咽癌解剖学及生物学的特殊性，放疗或以放疗为主的综合治疗被公认为其有效的根治性治疗手段[1]。近年来，放疗技术不断发展进步，调强适形放射治疗（intensity-modulated radiation therapy, IMRT）技术具有强大的剂量调制能力，可在提高靶区剂量的同时降低靶区周围重要危及器官不必要的照射剂量，从而减轻鼻咽癌患者放疗早期和晚期的不良反应，改善患者的生活质量[2-3]，提高肿瘤的局部复发控制率和患者的总生存率[4]。IMRT已逐渐成为鼻咽癌患者放疗的常规手段[5]。螺旋断层放射治疗（tomotherapy, TOMO）技术是IMRT 的方式之一，其具有比常规加速器更强的调制能力。陈欣等[6]比较了12 例局部晚期鼻咽癌患者的TOMO 计划、IMRT 计划和容积弧形调强放射治疗（VMAT）计划，发现TOMO 计划在局部晚期鼻咽癌患者的治疗中对复杂靶区的调制能力更强。崔珍等[7]比较了140 例局部晚期鼻咽癌患者的TOMO 计划与常规直线加速器的IMRT 计划，发现在局部晚期鼻咽癌患者的IMRT 中，TOMO较常规直线加速器放疗剂量的均匀性更好、剂量梯度更大，可以更好地保护正常器官。目前，放疗计划系统Ray Station 7（V6.99，瑞典Ray Search 公司）中添加了多个模块，其中之一是用于设计螺旋断层调强计划的模块。本研究对比分析Ray Station 7（V6.99）和目前临床上常用的TOMO（Hi-Art@5.1.3，美国安科瑞公司）2 种治疗计划系统对复杂病种鼻咽癌设计放疗优化治疗计划的剂量，评估Ray Station 7 治疗计划系统的螺旋断层调强计划设计模块在临床应用中的可行性，为鼻咽癌患者选择更优的螺旋断层调强计划提供参考的依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

回顾性分析2018 年5 至12 月于中山大学肿瘤防治中心完成TOMO 治疗计划的15 例鼻咽癌患者的临床资料，其中男性11 例、女性4 例，年龄（44.0±17.7）岁。纳入标准：①组织病理学检查结果证实为鼻咽癌；②既往未接受过放疗；③放疗照射范围只包括头颈部。排除标准：①鼻咽癌已向其他器官转移；②鼻咽癌复发。将15 例鼻咽癌患者的临床资料（包括CT 图像、治疗计划、治疗计划的剂量文件、靶区及器官勾画的结构文件）从TOMO治疗计划系统导出至Ray Station 7 治疗计划系统中，并在该系统中建立相应的CT 密度曲线，以便进行治疗计划的设计。所有患者的放疗计划均采用2 种治疗计划系统进行优化。所有患者均于治疗前签署了知情同意书。本研究符合《赫尔辛基宣言》的原则。

1.2 CT 扫描与CT 图像的获取

所有患者均采取仰卧位，双手自然下垂并拢，头颈部用热塑膜固定。在患者体表和面罩上做好标记并贴好铅点，使用Big Bore 型大孔径CT（荷兰飞利浦公司）进行扫描，管电压140 kV，管电流350 mA。扫描范围覆盖整个靶区，扫描上下界在靶区的基础上各多出10 cm，扫描层厚3 mm。扫描后通过DICOM 将CT 图像传至TOMO 治疗计划系统自带的工作站。

1.3 靶区勾画

由2 名具有5 年以上工作经验的放疗科医师在TOMO 治疗计划系统工作站上逐层勾画靶区和正常器官的结构，包括鼻咽癌原发病灶的大体肿瘤靶区（gross tumor volume，GTV）（GTVnx），双侧淋巴结病灶的GTV（GTVnd），原发病灶侵犯区域的临床靶区（clinical target volume，CTV）（CTV1），CTV1和GTVnd外扩+GTVnd所在淋巴引流区+需要预防性放疗的阴性淋巴引流区的CTV（CTV2）。在肿瘤所有GTV（GTVnx、GTVnd）和CTV（CTV1、CTV2）的基础上向各方向外扩3 mm，对应生成鼻咽癌原发病灶的计划靶区（planning target volume，PTV）（PTVnx）、双侧淋巴结病灶的PTV（PTVnd）、原发病灶侵犯区域的PTV（PTV1），CTV1 和GTVnd外扩+GTVnd所在淋巴引流区+需要预防性放疗的阴性淋巴引流区的PTV（PTV2）。所有外扩后形成的结构在皮肤附近的，均需向皮肤内方向缩3 mm，形成最终的PTV。

1.4 放疗计划的设计

TOMO 计划的窗射野大小均为2.51 cm，螺距为0.287，调制因子初设为3.8，剂量网格为精细模式，对应计算网格为0.195 cm×0.195 cm。X 射线能量为6 MV，剂量率固定为886 MU/min。硬件配置为2 个6 核的Xeon 5645 CPU（中央处理器）。

Ray Station 7 计划设计的条件与TOMO 计划基本相同，其射野对应的固定铅门为2.51 cm，螺距为0.287，对应计算网格为0.225 cm×0.225 cm。该治疗计划系统中无调制因子设置项目，但可以设置治疗时间的上限，为了使2 种计划具有可比性，在Ray Station 7 计划优化时参考了TOMO 计划的执行时间。X 射线能量为6 MV，剂量率为880 MU/min。硬件配置为12 核的Xeon Gold 6128 CPU（中央处理器）和NVIDIA Quadro P6000 的GPU（图形处理器）。

Ray Station 7 和TOMO 计划对应的不同PTV的处方剂量相同：PTVnx为6 000～7 200 cGy，PTVnd为6 000～6 996 cGy，PTV1 为5 400～6 600 cGy，PTV2 为4 800～5 940 cGy，治疗次数为30～33 次。

Ray Station 7 和TOMO 治疗计划系统的优化参数均使用剂量-体积直方图（DVH）对靶区和危及器官的剂量目标进行约束。2 种治疗计划系统设计的计划采用相同的剂量学评价指标，即95%的处方剂量至少要覆盖95%的靶区体积。按TOMO 计划中每例患者放疗计划PTVnx的平均剂量（mean of the dose，Dmean）对对应Ray Station 7 计划的剂量分布进行剂量归一。

1.5 评价指标

比较2 种治疗计划系统的V100、V95（100%、95%处方剂量覆盖靶区的体积占靶区总体积的百分比），D1%、D98%、D99%（覆盖靶区1%、98%、99%体积的剂量），均匀性指数（homogeneity index，HI），适形指数（conformity index，CI）。CI 和HI分别采用以下2 个公式计算。

式中：TV（P）为处方剂量覆盖靶区的绝对体积（ml）；V（P）为处方剂量的剂量线在患者体内包绕的绝对体积（ml）。

式中：Dp为处方剂量。

比较2 种治疗计划系统的重要危及器官的以下剂量学指标：基于脊髓外扩形成的计划危及器官靶区（planning organ at risk volume of spinal cord，PRV-SC）的D1ml（PRV-SC 中包绕1 ml 体积的等剂量线对应的剂量）、V50Gy、V40Gy、V30Gy（PRV-SC中50、40、30 Gy 对应的等剂量线包绕的体积占PRV-SC 的百分比）、Dmean，基于脑干外扩形成的计划危及器官靶区（planning organ at risk volume of brainstem，PRV-BS）的D1%（覆盖PRV-BS 1%体积的剂量）、V60Gy（PRV-BS 中60 Gy 对应的等剂量线包绕的体积占PRV-BS 的百分比）、Dmean，双侧腮腺的Dmean，双侧颞叶的Dmean、V60Gy（颞叶中60 Gy 对应的等剂量线包绕的体积占颞叶体积的百分比）。

比较同一例鼻咽癌患者的放疗计划在2 种治疗计划系统中的剂量-体积直方图和平面剂量分布图。

记录2 种计划的优化时间和执行时间，用于分析比较2 种计划的效率。

1.6 统计学方法

应用SPSS v19.6 软件对数据进行统计学分析。符合正态分布的计量资料以±s表示，组间比较采用配对样本t检验的双侧检验（方差齐）。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量学指标的比较

Ray Station 7 计划和TOMO 计划的靶区剂量学指标的比较见表1。2 种治疗计划系统设计的所有鼻咽癌治疗计划均达到临床要求。Ray Station 7 计划的PTVnx的V100明显大于TOMO 计划，且差异有统计学意义（P＜0.05）；Ray Station 7 计划的PTV1 和PTV2 的V100、V95均略小于TOMO 计划，且差异均有统计学意义（均P＜0.05）；Ray Station 7 计划的PTV2 的CI、TV（P）低于TOMO 计划，V（P）大于TOMO 计划，且差异均有统计学意义（均P＜0.05）。Ray Station 7 和TOMO 计划的PTVnx的V95、HI、CI、D1%、D98%、TV（P）、V（P），双侧PTVnd的V100、V95、D1%、D99%的差异均无统计学意义（均P＞0.05）。图1A为1 例鼻咽癌患者在Ray Station 7 和TOMO 治疗计划系统中的靶区剂量-体积直方图的比较。图2 为该例患者在2 种治疗计划系统中的平面剂量分布图的比较。

图1 Ray Station 和TOMO 2 种治疗计划系统在鼻咽癌患者（患者女性，47 岁）放疗计划中靶区（A）和重要危及器官（B）的剂量-体积直方图 TOMO 为螺旋断层放射治疗；PTVnx 为鼻咽癌原发病灶的计划靶区；PTV1 为原发病灶侵犯区域的计划靶区；PTV2 为以原发病灶侵犯区域的临床靶区（CTV1）和双侧淋巴结病灶的大体肿瘤靶区（GTVnd）外扩+GTVnd 所在淋巴引流区+需要预防性放疗的阴性淋巴引流区的计划靶区；PTVnd 为双侧淋巴结病灶的计划靶区；L 为左侧；R 为右侧；PRV-SC 为基于脊髓外扩形成的计划危及器官靶区；PRV-BS 为基于脑干外扩形成的计划危及器官靶区；OR 为危及器官；Parotid 为腮腺；TP Lobe 为颞叶Figure 1 Dose-volume histogram diagrams of planning targets (A) and organs at risk (B) of a patient (female, 47 years old) with nasopharyngeal carcinoma with Ray Station 7 treatment planning system and TOMO treatment planning system

图2 鼻咽癌患者（患者女性，47 岁）的放疗计划在Ray Station 7 和TOMO 2 种治疗计划系统中的平面剂量分布图 A～C 分别为Ray Station 7 治疗计划系统中头部、颈部的平面剂量分布图；D～F 分别为TOMO 治疗计划系统中头部、颈部的平面剂量分布图。图中同一种颜色的线条代表同一剂量大小的等剂量线。TOMO 为螺旋断层放射治疗Figure 2 Planar dose distribution of radiotherapy plans for a patient (female, 47 years old) with nasopharyngeal carcinoma in Ray Station 7 and TOMO treatment planning system

表1 15 例鼻咽癌患者Ray Station 7 计划与TOMO 计划的放疗靶区剂量学指标的比较（±s）Table 1 Dosimetry index comparison of the Ray Station 7 plan with TOMO plan for the radiotherapy target in 15 nasopharyngeal carcinoma patients ( ±s)

注：TOMO 为螺旋断层放射治疗；PTVnx 为鼻咽癌原发病灶的计划靶区；V100、V95 分别为100%、95%处方剂量覆盖靶区的体积占靶区体积的百分比；D1%、D98%、D99%分别为覆盖靶区1%、98%、99%体积的剂量；HI 为均匀性指数；TV（P）为处方剂量覆盖靶区的绝对体积；V（P）为处方剂量的剂量线在患者体内包绕的绝对体积；CI 为适形指数；PTV1 为原发病灶侵犯区域的计划靶区；PTV2 为以原发病灶侵犯区域的临床靶区（CTV1）和双侧淋巴结病灶的大体肿瘤靶区（GTVnd）外扩+GTVnd 所在淋巴引流区+需要预防性放疗的阴性淋巴引流区的计划靶区；PTVnd 为双侧淋巴结病灶的计划靶区

项目 Ray Station 7计划（n=15）TOMO计划（n=15） t值 P值PTVnx V100（%） 97.5±2.1 94.9±3.9 2.74 0.031 V95（%） 99.7±0.3 99.8±0.2 -1.01 0.398 D1%（cGy） 7 008.5±746.5 6 996.0±767.0 0.35 0.231 D98%（cGy） 6 628.0±577.0 6 548.8±577.3 0.05 0.812 HI（%） 6.2±2.7 6.3±2.6 0.90 0.312 TV（P）（ml） 105.8±58.1 104.5±57.7 0.07 0.312 V（P）（ml） 229.7±168.8 200.2±137.8 0.25 0.357 CI（%） 59.8±26.1 64.0±24.3 0.04 0.943 PTV1 V100（%） 98.5±1.4 99.1±0.9 -3.19 0.011 V95（%） 99.3±0.7 100.0 -4.96 0.004 PTV2 V100（%） 98.6±1.1 98.9±0.9 -2.91 0.025 V95（%） 99.1±0.9 99.8±0.2 -4.38 0.002 TV（P）（ml） 917.8±291.2 924.6±288.6 -0.15 ＜0.001 V（P）（ml） 1 244.0±402.4 1 153.2±6.8 0.93 0.029 CI（%） 74.8±5.7 79.2±8.3 -3.61 0.006 PTVnd（左侧）V100（%） 98.5±1.5 98.1±1.9 -0.51 0.563 V95（%） 99.7±0.3 100.0 -1.51 0.308 D99%（cGy） 6 511.0±500.0 6 487.1±483.5 -0.54 0.056 D1%（cGy） 6 824.0±571.0 6 815.7±562.6 0.24 0.340 PTVnd（右侧）V100（%） 98.7±1.2 96.6±3.4 0.46 0.624 V95（%） 100.0 100.0 -0.31 0.673 D99%（cGy） 6 496.0±484.0 6 493.3±466.6 0.05 0.904 D1%（cGy） 6 851.0±583.0 6 807.0±587.5 0.75 0.136

2.2 重要危及器官剂量学指标的比较

Ray Station 7 计划和TOMO 计划的部分重要危及器官剂量学指标的比较见表2。Ray Station 7计划的PRV-SC 的D1ml、V30Gy、V40Gy和Dmean明显高于TOMO 计划，且差异均有统计学意义（均P＜0.01）；Ray Station 7 计划右侧颞叶的Dmean低于TOMO 计划，且差异有统计学意义（P＜0.05）。2种计划的PRV-SC 的V50Gy，PRV-BS 的D1%、Dmean、V60Gy，双侧腮腺的Dmean，左侧颞叶的V60Gy、Dmean，右侧颞叶的V60Gy的差异均无统计学意义（均P＞0.05）。图1B 为1 例鼻咽癌患者在2 种治疗计划系统中的重要危及器官剂量-体积直方图的比较。图2 为该例患者在2 种治疗计划系统中的平面剂量分布图的比较。

表2 15 例鼻咽癌患者Ray Station 7 计划与TOMO 计划的重要危及器官剂量学指标的比较（±s）Table 2 Dosimetric index comparison of the Ray Station 7 plan with TOMO plan for the organs at risk in 15 nasopharyngeal carcinoma patients ( ±s)

注：TOMO 为螺旋断层放射治疗；PRV-SC 为基于脊髓外扩形成的计划危及器官靶区；D1 ml 为PRV-SC 中包绕1 ml 体积的等剂量线对应的剂量；V60 Gy、V50 Gy、V40 Gy、V30 Gy 分别为60、50、40、30 Gy 的等剂量线包绕的体积占对应危及器官体积的百分比；Dmean 为平均剂量；PRV-BS 为基于脑干外扩形成的计划危及器官靶区；D1%为覆盖靶区1%体积的剂量

项目 Ray Station 7计划（n=15）TOMO计划（n=15） t值 P值PRV-SC D1 ml（cGy） 3 750.0±250.0 3 443.6±309.3 3.34 0.006 V50 Gy（%） 0.03±0.03 0 1.96 0.190 V40 Gy（%） 0.7±0.7 0.1±0.1 6.71 ＜0.001 V30 Gy（%） 52.3±29.1 44.6±22.9 3.16 0.001 Dmean（cGy） 2 705.5±535.5 2 619.4±413.9 2.46 0.002 PRV-BS D1%（cGy） 4 880.0±1 600.0 5 254.6±755.1 -1.29 0.058 Dmean（cGy） 2 511.0±792.0 2 397.0±310.6 -1.29 0.141 V60 Gy（%） 1.6±1.6 3.6±3.6 -0.54 0.621左侧腮腺Dmean（cGy） 3 986.5±836.5 3 953.1±425.6 0.52 0.381右侧腮腺Dmean（cGy） 4 223.0±708.0 4 205.1±800.2 0.41 0.091左侧颞叶Dmean（cGy） 1 891.5±845.5 2 077.1±573.0 -0.31 0.587 V60 Gy（%） 6.7±6.7 6.5±6.5 0.28 0.244右侧颞叶Dmean（cGy） 1 639.5±594.5 2 150.3±735.6 -1.55 0.031 V60 Gy（%） 4.0±4.0 5.8±5.8 -0.37 0.126

2.3 优化时间的比较

Ray Station 7 计划的优化时间明显短于TOMO计划[（3.00±0.58）min 对（120.00±17.00）min]，且差异有统计学意义（t=-52.31，P＜0.01）。

2.4 执行时间的比较

Ray Station 7 计划的执行时间为（611.0±94.2）s，TOMO 计划的执行时间为（612.2±94.3）s，两者接近，且差异无统计学意义（t=-0.03，P＞0.05）。

3 讨论

对于鼻咽癌放疗患者，TOMO 在剂量学方面较常规IMRT 有明显的优势，其明显提高了靶区剂量的适形度和均匀性[8]，更好地保护了正常组织和危及器官[9]。本研究比较了2 种治疗计划系统对鼻咽癌患者做的螺旋断层调强计划，结果表明，在相同的优化条件下，2 种鼻咽癌螺旋断层调强计划在剂量学上存在微小差异，均可满足临床要求，但二者优化时间的差别较大。

2 种计划对于靶区处方剂量的覆盖基本一致，均达到了临床要求。除Ray Station 7 的PTVnx的V100较TOMO 大，二者PTVnx的其他剂量学指标的差异均无统计学意义。二者几乎均可100%覆盖PTVnd，且PTVnd所有剂量学指标的差异均无统计学意义。二者的PTV1 和PTV2 所有剂量学指标的差异均有统计学意义，其中Ray Station 7 计划的PTV1 和PTV2 的V100、V95均低于TOMO 计划，但二者的靶区覆盖均在98%以上，均满足临床剂量学的要求。Ray Station 7 计划PTV2 的TV（P）小于TOMO 计划，V（P）大于TOMO 计划。Ray Station 7 计划PTV2 的CI 小于TOMO 计划，但均＞70%。综上，2 种计划的靶区剂量学指标接近。

鼻咽癌发生于头颈部，因此放疗会影响大量重要器官。为了数据的规范统一，我们只选取了部分危及器官的剂量学指标进行比较。危及器官中脊髓的剂量限量最为重要。Kirkpatrick 等[10]的研究结果表明，在每天200 cGy 的常规放疗中，与剂量受量为5 000、6 000、6 900 cGy 对应的脊髓疾病的发生率分别为0.2%、6%、50%。本研究中Ray Station 7 计划PRV-SC 的V30Gy、V40Gy、V50Gy均高于TOMO 计划，PRV-SC 的Dmean也比TOMO计划高约100 cGy，但2 种计划PRV-SC 的D1ml均不超过4 000 cGy，均符合临床要求。

除脊髓外，脑干的剂量限量也十分重要。张石川等[11]对105 例鼻咽癌化疗患者的脑干剂量进行长期随访及研究，结果表明，在放疗的单次剂量不超过200 cGy 的情况下，将脑干的最大剂量（Dmax）限值放宽到6 600 cGy 并严格控制外放边界为1 mm 后，D1%＜6 300 cGy 对于脑干是安全的，且有利于提高局部晚期鼻咽癌患者的生存率。本研究中，2 种计划PRV-BS 的D1%、Dmean均＜6 300 cGy，在临床剂量限量范围内，且Ray Station 7 计划的D1%低于TOMO 计划。

鼻咽癌的放疗射野会穿过全部或部分腮腺组织，会不可避免地引起患者口干、急性腮腺炎等腮腺损伤症状[12]。Li 等[13]对142 例头颈部癌症患者放疗2 年后的腮腺功能进行随访观察，结果表明，放疗剂量＞25 Gy 时，腮腺的损伤明显加重，当放疗剂量＞45 Gy 时腮腺损伤最大。本研究中，2 种计划左侧、右侧腮腺Dmean的差异均无统计学意义，且腮腺Dmean均＜45 Gy。

放射性颞叶损伤是鼻咽癌患者行根治性放疗的常见并发症之一，患者会出现记忆功能部分受损和双侧颞叶灰质体积萎缩的症状[14]，其严重影响患者的认知功能和生活质量，甚至危及患者的生命[15]。吴奕珊等[16]的研究结果表明，T 分期、颞叶受照的最大剂量（Dmax）和Dmean是鼻咽癌患者放疗后颞叶放射性损伤的独立危险因素。本研究中，Ray Station 7 和TOMO 计划双侧颞叶V60Gy的差异均无统计学意义，但Ray Station 7 计划右侧颞叶的Dmean小于TOMO 计划。

Ray Station 7 的计划优化时间远短于TOMO计划，其主要原因可能有3 个。（1）二者最大迭代次数的设置不同。TOMO 计划在鼻咽癌治疗计划优化时，为了达到理想的剂量分布，最大迭代次数通常设置为500 次，计划系统需完成500 次迭代且中途不会停止，如果将迭代次数设为100 次，优化和最终剂量计算的总时间约为40 min，而迭代次数为500 次时，其花费时间更长，约为3～5 h 不等。Ray Station 7 计划的最大迭代次数通常设置为50 次，但其在迭代30 余次时已达到收敛条件并终止，这一过程可在数分钟内完成。（2）二者优化算法的差异会对优化时间产生一定的影响。（3）二者所依托的硬件的差别较大，Ray Station 7 治疗计划系统的中央处理器（CPU）的主频比TOMO 治疗计划系统高，其使二者的计划设计所需时间存在巨大差异。但造成二者硬件差异的最主要原因是Ray Station 7 治疗计划系统采用的图形处理器（GPU）加速方法可以极大地节省计划优化时间和剂量计算时间。尽管TOMO 治疗计划系统采用了多线程的中央处理器（CPU）计算，但其优化时间和剂量计算时间仍然较长。（4）二者计算网格的不同也会对优化时间产生一定的影响，TOMO 的计算网格为0.195 cm×0.195 cm，Ray Station 7 为0.225 cm×0.225 cm，因此同样体积条件下TOMO 治疗计划系统计算的数据量更大。

Ray Station 7 计划的执行时间与TOMO 计划接近，相差仅1.1 s，二者计划执行的效率相当。

不同放疗计划系统的放疗剂量会受到物理技师对计划系统的优化能力和熟悉程度的影响，这也是2 种计划的执行时间存在微小差异的原因。在临床实践中，物理技师通常会反复修改优化参数以达到最佳的临床目标。

综上所述，在相同的剂量学优化条件下治疗复杂病种鼻咽癌患者时，Ray Station 7 治疗计划系统和TOMO 治疗计划系统优化的计划存在微小的剂量学差异，但二者均可满足临床要求。Ray Station 7 治疗计划系统在保护危及器官脊髓方面稍逊于TOMO 治疗计划系统，但其脊髓限量在临床剂量限量的范围内，2 种计划中，脑干、腮腺、颞叶的剂量学指标大体相同，同时也符合临床剂量学的要求。但因本研究中的研究对象均为鼻咽癌患者，故其他肿瘤患者的螺旋断层调强放疗计划值得进一步研究和比较。

利益冲突所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明苏灿森负责论文的撰写、数据的提供与分析；孙文钊负责论文的撰写、数据的提供与分析、方法的建立、论文的审阅；黄晓延负责方法的建立、论文的审阅