子野数限值对左乳腺癌根治术后调强放疗计划的剂量学影响*

刘 映,张惠玲,阳 萍,饶 岚

(资阳市第一人民医院肿瘤中心,四川资阳 641300)

乳腺癌是全球最常见的恶性肿瘤之一,发病率位居女性恶性肿瘤的第一位[1-2]。放射治疗(简称放疗)是乳腺癌综合治疗的重要组成部分[3]。对于乳腺癌根治术后的患者,通过放疗可以降低肿瘤的局部复发率,提高患者生存率。目前,乳腺癌治疗的常用放疗技术有三维适形放疗(three-dimensional conformal radiotherapy,3D-CRT)、调强放疗(intensity modulated radiation therapy,IMRT)、容积旋转调强放疗(volumetric modulated arc therapy,VMAT)等[4-5]。3D-CRT技术计划靶体积(planning target volume,PTV) 均匀性和适形度较差;IMRT可以改善靶区的剂量分布,同时正常组织的受量更低,是乳腺癌根治术后放疗最常用的技术[6-8]。IMRT利用多叶准直器(multi-leave collimators,MLC)形成若干子野,通过不同子野权重的优化完成治疗计划。在IMRT计划设计中,优化参数如最大子野个数、子野最小面积、子野最小跳数、优化方式等,都会影响优化结果[9-13],而这些参数大多是放疗医师根据经验设置。因此,有必要探究这些参数对IMRT计划设计结果的影响。本研究通过比较不同子野数对左侧乳腺癌根治术后IMRT计划的影响,寻求适宜的子野数限值,为临床计划设计提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

通过系统抽样法随机选取2022年3月1日至2023年3月31日资阳市第一人民医院收治的30例左乳腺癌根治术后放疗患者的临床资料进行回顾性研究,30例均为女性,年龄 38～69 岁,中位年龄54岁。所有患者均经医学影像学和病理学检查确诊为乳腺癌;均已行左乳腺癌改良根治术,术后需对胸壁、腋窝及锁骨上下等区域进行放疗[14];无放疗禁忌证,在放疗前均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1体位固定及扫描

所有患者均选用仰卧位,双手上举放于头顶,热塑体膜固定[15]。在胸壁手术疤痕、引流口及对侧乳腺褶皱下2 cm处用铅丝、铅点标记,并在胸壁处、皮肤和热塑膜之间放置0.5 cm厚的补偿膜覆盖胸壁放疗区域[16],以改善胸壁处皮肤的剂量覆盖。采用GE Optima CT660 64排128层螺旋CT进行模拟扫描,扫描范围由第2颈椎平面到第4腰椎平面,扫描层距2.5 mm,扫描方式为增强扫描。CT图像重建后传入Oncentra 4.3计划系统中进行计划设计。

1.2.2PTV及危及器官勾画

放疗医师参考北美肿瘤放射治疗协作组织(The Radiation Therapy Oncology Group,RTOG)乳腺癌勾画指南[17]勾画临床靶体积(clinical target volume,CTV)及危及器官(organ at risk,OAR)。CTV包括患侧胸壁、腋窝及锁骨上下淋巴引流区等。考虑到摆位误差和器官运动,计划靶体积(PTV)为在CTV基础上三维方向外扩0.5 cm后,再内收至皮下0.3 cm。OAR包括患侧肺、对侧乳腺、心脏、脊髓,脊髓外扩0.5 cm得到脊髓计划危及器官体积(planning risk volume,PRV)等。所有PTV及OAR均由经验丰富的放疗医师勾画,并由高年资放疗医师审核确认后执行。

1.2.3放疗计划设计

所有患者处方剂量为总剂量50 Gy/分次剂量2 Gy/处方天数25天,频率为5次/周,要求至少95%的CTV达到处方剂量。计划设计均在Oncentra 4.3计划系统上进行,基于Elekta Precise加速器选用6MV-X射线,剂量率600 MU/min,采用Collapsed cone优化算法,计算网格0.3 cm,最小子野机器面积4 cm2,最小子野跳数5 MU,最大优化迭代次数80次。IMRT计划均设置6个射野,首先根据胸壁部分PTV沿内外切线方向布2个野以保证切肺最少,再由内外切线野分别间隔10°、20°布2个对照射野。将子野数限值分别设置为15、25、35、45、55,其余优化参数和目标函数相同,每个患者生成5个IMRT计划。IMRT计划根据子野数限值命名,如子野数15的IMRT计划命名为plan15。

1.2.4计划评估比较

对不同子野数限值的IMRT计划进行归一处理,即95% PTV达到处方剂量进行评估。PTV评估参数包括:最大剂量D2%(2%PTV的受照剂量)、最小剂量D98%(98%PTV的受照剂量)、平均剂量Dmean;均匀度(homogeneity index,HI);适形指数(conformal index,CI)。其中HI=(D2%-D98%)/D50%,HI值越小,PTV剂量均匀性越好。CI=(VTref/VT)×(VTref/Vref),VTref表示处方剂量线包括的PTV,VT是PTV,Vref为处方剂量线覆盖的实际体积,CI取值0～1,越接近1,PTV适形度越好。OAR受量参数:左肺V5、V20、V30(5、20、30 Gy等剂量线所包绕的体积分数),平均剂量Dmean;心脏V10、V20、Dmean;右乳Dmean;左肱骨头V50;脊髓PRV最大剂量Dmax。

乳腺癌IMRT计划中子野数根据以往经验设置为35,因此除了对所有计划做多组间比较外,其余4种计划均分别与plan35参考计划做两两组间比较。

1.3 统计学处理

2 结 果

2.1 PTV剂量

5种不同子野数限值的IMRT计划中PTV的剂量学参数见表1。随着子野数限值增大,PTV D2%减小,D98%增大,Dmean减小,差异有统计学意义(P<0.05)。HI值随着子野数增多而减小,CI值随着子野数增多而增大,差异有统计学意义(P<0.05)。组间分析,与plan35相比,plan15和plan25的PTV D2%、Dmean、HI值较高,D98%、CI值较低,差异均有统计学意义(P<0.05)。与plan35相比,plan45和plan55的PTV D2%、Dmean和HI值较低,plan55的PTV D98%较高,差异有统计学意义(P<0.05)。

表1 不同子野数限值IMRT计划的PTV剂量学参数比较

2.2 OAR剂量

5种不同子野数限值IMRT计划中OAR的剂量学参数见表2。随着子野数限值的增多,左肺V5、V20、V30、Dmean,心脏V10、V20、Dmean,右乳Dmean、脊髓PRV Dmax都呈减小的趋势,但差异均无统计学意义(P>0.05)。而随着子野数增多,左肱骨头V50明显降低,差异有统计学意义(P<0.05)。组间分析,与plan35相比,plan15、plan25的左肱骨头V50较高,plan55的左肱骨头V50较低,差异有统计学意义(P<0.05)。其余OAR受量plan15、plan25、plan45、plan55与plan35相比,差异均无统计学意义(P>0.05)。

表2 不同子野数限值IMRT计划的OAR剂量学参数比较

2.3 剂量体积直方图及PTV剂量分布图

同一患者不同计划的剂量体积直方图(DVH)及PTV剂量分布图比较,见图1。与plan35相比,plan15和plan25的PTV热点和冷点明显增多,PTV剂量下降趋势更陡峭,剂量分布均匀性更优;PTV外剂量梯度下降更快,正常组织受量更低;在OAR评估上,左肱骨头V50明显高于其他3种计划,左肺、心脏、右乳的剂量体积参数略高于其他3种计划,但差异较小。而plan35与plan45、plan55在PTV和OAR剂量分布上的差异都相对较小。

A:不同计划的DVH比较;B～D:plan15、plan25、plan35的剂量分布图;蓝色线条(B～D):50 Gy处方剂量线。

2.4 机器跳数

随着子野数限值的增大,机器跳数的平均值增大,plan15、plan25、plan35、plan45、plan55对应的机器跳数分别为369±37、431±47、492±57、554±54、573±60,差异有统计学意义(F=73.170,P<0.001);两两比较显示,plan15和plan25的机器跳数小于plan35,plan45和plan55的机器跳数大于plan35,差异有统计学意义(P<0.05)。

3 讨 论

IMRT是乳腺癌根治术后放疗最常用的技术,在提高PTV剂量均匀性的同时,可降低周围正常组织尤其是肺和心脏等关键OAR的受量[18-20]。在IMRT计划设计中,射野数目、子野数限值、子野最小面积、子野最小跳数等优化参数,都会影响计划优化结果,其中子野数限值的选择会直接影响PTV的剂量分布和OAR的受量[9-13,21]。既往有学者在子野数对脑转移瘤、食管癌、鼻咽癌、宫颈癌等肿瘤的IMRT计划的剂量学影响进行了相关研究[22-26]发现,设置的子野数越多,PTV的适形性、均匀性更好,OAR的受量更低,但同时机器跳数增加,治疗时间变长。而随着子野数限值继续增大,PTV和OAR的剂量学参数并未变得更优。此外,由于不同肿瘤病种PTV的勾画不同,PTV的复杂程度不同,IMRT适宜的子野数限值选择也有很大差异。本研究探讨子野数限值对左乳腺癌根治术后IMRT计划的影响,为临床计划设计提供参考和借鉴。

本研究中,随着子野数限值增大,PTV的最大剂量、均匀剂量明显降低,最小剂量增大,均匀性、适形性越好,差异具有统计学意义。这与张瑞英等[23]和王琳婧等[27]的研究结果相似。随着子野数增多,PTV的剂量学差异逐渐减小,其中plan45和plan55的CI值与plan35比较差异无统计学意义。分析PTV出现上述剂量学差异的原因,可能是子野数限值过小时,影响了子野分割方式,PTV剂量学参数不能达到处方要求,经归一化处理后PTV剂量热点增多,CI和HI也因此变差。而当子野数限值足够大时,在其他优化参数和目标函数不变的前提下,若已经存在一种趋于最优的子野分割方式满足剂量学要求,当子野数限值继续增大,则不会形成更优的子野分割方式来实现剂量学优化。

本研究在OAR的受照剂量和体积方面,随着子野数限值增大,左肺、心脏、右乳、脊髓的受照剂量和体积略有减小,但差异均无统计学意义;而左肱骨头V50明显降低,差异有统计学意义。plan15和plan25的左肱骨头V50偏高,不能满足临床要求。这与陈颖等[11]和林涛等[26]在子野数对宫颈癌调强放疗剂量影响的研究结果较为相符,考虑是由于5种计划虽然子野数限值不同,但射野角度相同、其余优化参数和目标函数设置相同,当子野数限值过小不能满足剂量分布要求,计划优化时则会倾向满足目标函数权重设置更大的限制条件。本研究中左肺、心脏等的相关目标函数权重较大,而肱骨头的目标函数权重相对较小,所以plan15和plan25的左肱骨头V50明显高于plan35,差异有统计学意义。

本研究中机器跳数随着子野数限值增大明显增加,差异具有统计学意义。机器跳数的增加会导致患者的治疗时间延长,使治疗依从性下降,并且影响机器使用效率。所以需要在保证剂量学要求的同时尽可能减少子野数,提高治疗效率。

综上所述,在左乳腺癌根治术后IMRT计划设计中,子野数限值为35的放疗计划在PTV剂量分布、OAR保护和机器跳数方面达到平衡,可以作为这类计划设计的参考值。但需要指出的是,在具体应用时还应综合考虑PTV的体积大小和分布情况,适当减少或增加子野数限值。后续研究将扩大研究样本量,以针对乳腺癌术后患者个体化差异,选择最适宜的子野数限值用于IMRT计划设计。