李珍, 余建榮, 李民英, 楊鑫

1中山市人民醫(yī)院腫瘤分院放療科(廣東中山 528400)； 2中山大學(xué)腫瘤防治中心、華南腫瘤學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、腫瘤醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、廣東省鼻咽癌診治研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣東廣州 510060)

中央型肺癌指原發(fā)于支氣管或段支氣管、位于肺門附近的肺癌，放射治療中照射靶區(qū)往往臨近大血管、氣管、心臟、食管等正常組織，包含了骨、空氣和軟組織存在大的組織不均勻性，肺高度非均質(zhì)介質(zhì)中放療計(jì)劃的劑量計(jì)算是值得關(guān)注的問題。Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)(Varian Medical Systems， Palo Alto，CA)廣泛采用的劑量計(jì)算算法是各向異性解析算法(anisotropic analytical algorithm，AAA)[1]，它采用卷積-疊加方法來近似模擬電子輸運(yùn)的變化，相對(duì)于傳統(tǒng)筆形束算法(single pencil beam，SPB)，AAA可以改善劑量計(jì)算精確度[1]。但是由于AAA算法缺乏側(cè)向電子失衡的考慮以及低密度區(qū)域中二次區(qū)域劑量的預(yù)測(cè)，在高度非均勻性區(qū)域比如胸腔區(qū)域處，AAA算法存在一定程度上的劑量誤差[2]。因此Acuros XB(AXB)算法被提出并于2010年在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)[3]。AXB算法通過對(duì)輻射傳輸、粒子與介質(zhì)的相互作用以及散射模型進(jìn)行改進(jìn)，提高了高劑量梯度變化區(qū)域的分辨率，在高度非均質(zhì)區(qū)域處精確性更高[4-6]。本研究旨在分析無均整器Halcyon平臺(tái)下AAA和AXB兩種算法計(jì)算的中央型肺癌IMRT劑量分布之間的差異，并探討這種差異可能對(duì)臨床的影響及指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

1.1 一般資料 用隨機(jī)數(shù)字選取法(樣本編號(hào)，隨機(jī)函數(shù)生成編號(hào)獲取)，回顧性選取2018年10月至2021年2月間在中山大學(xué)腫瘤防治中心確診并接受IMRT治療的30例中央型肺癌患者，其中男22例，女8例，年齡46～78歲，中位年齡57歲，所有患者均經(jīng)病理檢查，無縱膈淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。研究經(jīng)中山大學(xué)腫瘤防治中心倫理委員會(huì)審批(B2022-526-01)。

1.2 體位固定及CT掃描 所有患者取仰臥位，手臂上舉抱頭，真空袋固定，行靜脈增強(qiáng)造影。采用Philips公司的 Brilliance Big Bore 大孔徑CT行平掃與增強(qiáng)掃描，掃描層厚為5 mm，掃描范圍為環(huán)狀軟骨上緣至肝臟下緣，采用光學(xué)皮膚表面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)患者體表進(jìn)行追蹤，抓取實(shí)時(shí)呼吸曲線，采集全部呼吸時(shí)相的圖像，并按照主管醫(yī)生的要求重建靶區(qū)勾畫及治療計(jì)劃設(shè)計(jì)所需要的4DCT掃描衍生圖像，比如最大密度投影(MIP)、平均密度投影(AVG)圖像等。

1.3 靶區(qū)勾畫及處方設(shè)定 靶區(qū)和危險(xiǎn)器官劑量(OARs)在放射治療腫瘤組(RTOG) 0915中定義。

靶區(qū)需要在全部呼吸時(shí)相的CT圖像上逐層勾畫，腫瘤區(qū)GTV為影像學(xué)可見的肺部病灶和縱膈腫大淋巴結(jié)區(qū)域，臨床靶體積CTV為腫瘤潛在侵犯的范圍，計(jì)劃靶區(qū)PTV包括計(jì)劃腫瘤體積PGTV和計(jì)劃臨床靶體積PCTV，其中PGTV為GTV基礎(chǔ)上均勻外擴(kuò)0.5 mm形成，PCTV是在CTV基礎(chǔ)上均勻外擴(kuò)0.5 mm得到，危及器官包括雙側(cè)肺、心臟、食管、脊髓等。

處方劑量為200 cGy×30 f(共6 000 cGy)。

1.4 計(jì)劃設(shè)計(jì) 所有計(jì)劃均使用Varian公司的Eclipse 15.6計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每例患者均設(shè)計(jì)AAA算法和AXB算法IMRT計(jì)劃(AAA組和AXB組)，Halcyon2.0加速器6MV FFF照射，劑量率為800 MU/min，照射野設(shè)置和方向根據(jù)靶區(qū)PTV具體位置來決定，原則為盡量避開危及器官，尤其是健側(cè)肺組織。優(yōu)化完成后，首次計(jì)算采用AAA算法并進(jìn)行組織不均勻修正，第二步替換劑量計(jì)算算法，采用AXB算法并保持器跳數(shù)(MU)和葉片位置不變動(dòng)重新進(jìn)行劑量計(jì)算。

1.5 評(píng)估參數(shù) PTV和OARs的劑量學(xué)參數(shù)，可從相應(yīng)的劑量體積直方圖(Dose Volume Histogram， DVH)得到。

1.5.1 靶區(qū)評(píng)估指標(biāo) 最大劑量Dmax，平均劑量Dmean，98%的靶區(qū)體積對(duì)應(yīng)的劑量D98%；95%，100%，105%處方劑量所覆蓋的體積百分比V95、V100、V105。

劑量適形度指數(shù)(conformity index， CI)：

CI=(VT，ref/VT)×(VT，ref/Vref)

(1)

VT為靶體積，VT，ref為參考等劑量線所包繞的靶區(qū)內(nèi)體積，Vref為參考等劑量線所包繞的總體積，CI越接近1，劑量分布越適形。

均勻性指數(shù)(homogeneity index， HI)：

HI=(D2-D98)/D50

(2)

HI(conformity index)指的是同質(zhì)性指數(shù)。HI的范圍≥1。當(dāng)HI=1時(shí)，劑量分布最好，HI值越大，劑量分布的均勻性越差。

AAPM TG101[7]報(bào)告中推薦梯度跌落指數(shù)(gradient measure， GI)評(píng)估腫瘤周圍劑量跌落梯度，定義為GI=V50%/VT，V50%為50%處方劑量所包繞的體積，VT為靶區(qū)體積，GI越小，表示靶區(qū)外劑量溢出更少，劑量跌落更迅速。

1.5.2 危及器官評(píng)估指標(biāo) 雙肺及健側(cè)肺的V5、V20、V30、Dmean；心臟的V30、Dmean；食管的V60、Dmean；以及脊髓的D0.1cc、Dmean。

1.5.3 正常組織劑量 正常組織劑量(integral dose to normal tissues， NTID)定義為PTV外正常組織累積劑量[8]，NTID的V10、V20、V30、V40、Dmean。

1.5.4 通過率測(cè)量 采用瓦里安公司的照野劑量驗(yàn)證系統(tǒng)PortalDosimetry[9-10]對(duì)計(jì)劃進(jìn)行質(zhì)量保證(Quality Assurance，QA)驗(yàn)證計(jì)劃執(zhí)行的準(zhǔn)確性，Gamma(3%，3.0 mm)[11-12]標(biāo)準(zhǔn)作為測(cè)量通過率的判定方法。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量分布 兩種算法計(jì)算得到的靶區(qū)覆蓋率均符合臨床要求(V100均在95%以上)，并且靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)上存在一定差異。PTV的D98%劑量水平AXB組低于AAA組(P<0.05)，平均劑量AXB組低于AAA組(P<0.05)，V95、V100AXB組均低于AAA組(P<0.05)，V105AXB組低于AAA組，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，從結(jié)果中得到PTV的最大劑量AXB組高于AAA組且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。另外，靶區(qū)均勻性、適應(yīng)度、劑量跌落三方面AXB組略優(yōu)于AAA組(P<0.05)。見表1。

表1 AXB和AAA算法靶區(qū)劑量分布

2.2 OARs及NTID劑量分布 雙肺及健側(cè)肺的V5、V20、V30、Dmean，AXB組均優(yōu)于AAA組，除健側(cè)肺的V5之外均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。心臟的V30、Dmean，AXB組優(yōu)于AAA組(P<0.05)，脊髓的D0.1cc、Dmean，AXB組明顯低于AAA組(P<0.05)，食管的V60、Dmean，AXB組低于AAA組，但V60差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。NTID的V10、V20、V30、V40和平均劑量，AXB組均低于AAA組(P<0.05)。見表2。

表2 危及器官(OARs)及NTID劑量比較

2.3 計(jì)劃驗(yàn)證通過率 Halcyon平臺(tái)AXB與AAA算法計(jì)劃驗(yàn)證通過率分別為(99.0±1.67)與(98.5±1.84)，AXB算法通過率優(yōu)于AAA算法，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

3 討論

調(diào)強(qiáng)放療IMRT在滿足靶區(qū)與照射劑量高度適形的同時(shí)，可降低周圍正常組織的受量，對(duì)劑量計(jì)算準(zhǔn)確性有精確的要求。本文比較了無均整器的Halcyon平臺(tái)下AXB和AAA兩種算法在肺癌IMRT計(jì)劃中的劑量學(xué)差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靶區(qū)劑量分布兩者均可滿足臨床劑量要求，AXB算法PTV的V95、V100、D98和平均劑量均低于AAA算法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

危及器官方面，兩種算法生成的IMRT計(jì)劃中危及器官的限量均滿足臨床要求，AXB算法雙肺V5、V20、V30、Dmean均優(yōu)于AAA算法，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，雙肺高低劑量受照體積以及平均劑量與放射性肺炎的發(fā)生率有關(guān)。心臟、脊髓、食管的評(píng)價(jià)參數(shù)AXB算法均略低于AAA算法。

AAA算法是基于每個(gè)筆形束或子束的劑量的卷積，每個(gè)子束的能量通量被分成主射束和焦外光子以及電子污染的分量，考慮了不均勻性組織散射對(duì)劑量的影響和電子失衡的問題，但是它沒有考慮到非均勻性組織材料化學(xué)組成，劑量計(jì)算存在著一定程度上的誤差。AXB算法通過求解線性玻爾茲曼方程(LBTE)來計(jì)算劑量，它在劑量計(jì)算時(shí)考慮到非均勻性材料間的不同化學(xué)成分，對(duì)不均勻性組織的修正優(yōu)于AAA算法。已有文獻(xiàn)報(bào)道[5，13-15]，AXB算法精確性優(yōu)于AAA算法，尤其在高度非均質(zhì)的區(qū)域可取得與劑量計(jì)算金標(biāo)準(zhǔn)-蒙特卡洛一致的計(jì)算結(jié)果。關(guān)于兩種算法在肺癌放療中的劑量差異，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過一些研究[16-22]。Rana等[16]研究人員對(duì)16例非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者采用AXB和AAA分別進(jìn)行劑量計(jì)算，結(jié)果表明靶區(qū)PTV的V100%參數(shù)AXB比AAA低8.2%。也有研究結(jié)果顯示，OARs無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，PTV的D95AXB低于AAA，AXB的靶區(qū)覆蓋率明顯低于AAA，最高可達(dá)8%[19]。危及器官方面[22]中報(bào)道AXB算法的健側(cè)肺V5%低于AAA算法，這與本文得到的結(jié)果一致。

環(huán)形加速器Halcyon用于肺癌的放射治療見諸報(bào)道[23-27]，區(qū)別于傳統(tǒng)加速器，其去除均整器和傳統(tǒng)鎢門，采用無均整器(flattening filter-free，F(xiàn)FF)模式和雙層MLC，兩層葉片通過堆疊交錯(cuò)的排列降低葉片間的透射，并在葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)形成等效5 mm的葉片分辨率，另外單層厚度77 mm的兩層葉片疊加，葉片透射率<0.01%，且去均整減少了機(jī)頭的散射漏射，這些特性有利于降低低劑量區(qū)域和正常組織的劑量。非均整模式下相同注量的電子線產(chǎn)生更多的光子線，劑量率可達(dá)到更高，治療速度更快，更適合受呼吸運(yùn)動(dòng)影響較大的胸部區(qū)域腫瘤。

FFF的物理性質(zhì)及劑量學(xué)特性不同于與FF呈現(xiàn)不平坦、尖峰型射束。楊鑫等[28]分析Versa HD加速器有無均整器兩種模式的劑量學(xué)特性，F(xiàn)FF射束與常規(guī)均整射束能量一致，各射野百分深度劑量在10 cm深度區(qū)域的匹配誤差<1%，F(xiàn)FF射束各射野的野外劑量比均整射束更低，且下降量隨射野大小增加，F(xiàn)FF總散射因子隨射野和深度的變化幅度減小，這些物理特性有利于保護(hù)正常組織。還有國內(nèi)學(xué)者[29-30]對(duì)NSCLC在有無均整器模式下對(duì)計(jì)劃質(zhì)量和執(zhí)行效率的研究表明，F(xiàn)FF模式在滿足靶區(qū)劑量的同時(shí)能顯著降低正常組織的劑量和顯著縮短出束時(shí)間，有更高的治療效率。有無均整器兩種模式下，AXB算法和AAA算法生成的肺癌IMRT計(jì)劃在劑量學(xué)參數(shù)、執(zhí)行效率等方面的差異是筆者今后的工作內(nèi)容。野外散射漏射劑量的減少，使得6X FFF射束能量可以減少正常組織的受照射劑量，且執(zhí)行效率高特別適用于立體定向放射治療技術(shù)，可進(jìn)一步開展FFF模式下肺癌立體定向治療(SBRT)的劑量學(xué)分析。

利益相關(guān)聲明：論文內(nèi)容不涉及相關(guān)利益沖突。

作者貢獻(xiàn)說明：李珍主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)實(shí)施及論文撰寫，楊鑫為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，余建榮論文審校，李民英負(fù)責(zé)臨床協(xié)調(diào)等。