陳洪濤, 付鑫, 高艷, 李壯玲, 陳偉思, 鐘鶴立

深圳市人民醫(yī)院、暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院、南方科技大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤放療科(廣東深圳 518020)

鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma，NPC)是發(fā)生于鼻咽腔頂部和側(cè)壁的惡性腫瘤，好發(fā)于中國華南地區(qū)，目前放射治療(放療)是其主要的治療方法[1-3]。由于鼻咽癌解剖位置關(guān)系明確，且大多數(shù)對放射線具有中度敏感性，因此調(diào)強(qiáng)放射治療(intensity modulated radiation therapy，IMRT)已逐漸成為鼻咽癌標(biāo)準(zhǔn)放療技術(shù)，它相對于傳統(tǒng)適形放療技術(shù)靶區(qū)適形度要好，對重要組織器官的保護(hù)更好[4-6]。但要取得好的治療效果必須要有好的靶區(qū)劑量優(yōu)化結(jié)果，且計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也必須得到保障。因此，本文比較了本中心Axesse和TrueBeam兩套放療系統(tǒng)在治療鼻咽癌使用調(diào)強(qiáng)放療時靶區(qū)和危及器官的劑量差異性，并對該調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃進(jìn)行了劑量驗(yàn)證，比較了驗(yàn)證結(jié)果并進(jìn)行了分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料 隨機(jī)選取了從2020年5月至2021年6月收入我院放療科的鼻咽癌患者40例，其中男23例，女17例。所有患者均符合臨床上鼻咽癌相關(guān)診斷標(biāo)準(zhǔn)，且經(jīng)我院確診為鼻咽癌患者，其中Ⅲ期6例，ⅣA期29例，ⅣB期5例，均為非角化型未分型，無放療禁忌證，年齡27～73歲。所有研究資料均經(jīng)我院倫理委員會審批(LL-KY-2021686)。

1.2 體位固定、CT掃描及靶區(qū)勾畫 患者均采用頭頸肩熱塑膜固定，仰臥體位，雙手平放身體兩側(cè)。采用西門子CT進(jìn)行頭頸部掃描，掃描范圍從頭頂露空至鎖骨頭下緣3 cm，掃描層厚3 mm。掃描圖像在Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)與MR圖像進(jìn)行配準(zhǔn)與勾畫。40例患者靶區(qū)和危及器官都由主治以上醫(yī)師參考相關(guān)指南進(jìn)行勾畫，采用統(tǒng)一命名。腫瘤靶區(qū)(gross target volum，GTV)包括原發(fā)灶GTVnx和陽性淋巴結(jié)區(qū)GTVnd。臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV1和CTV2)其中CTV1指 GTV及其周圍亞臨床病灶區(qū)(GTV外擴(kuò)5～10 mm)及全部鼻咽黏膜以及黏膜下5 mm；CTV2指CTV1及周圍易受侵犯的區(qū)域(外擴(kuò)5～10 mm)以及上頜竇、蝶竇下半部分、鼻腔后份、頸部淋巴引流區(qū)等。各靶區(qū)外擴(kuò)3 mm得到計(jì)劃靶區(qū)(PGTVnx、PGTVnd_L、PGTVnd_R、PTV1、PTV2)。危及器官包括腦干、脊髓、視神經(jīng)、視交叉、晶體、腮腺、口腔黏膜、喉、咽等。本文所有計(jì)劃的劑量為PGTVnx 6 996 cGy，PGTVnd_L、PGTVnd_R 6 600～6 996 cGy，PTV1 6 006 cGy，PTV2 5 412 cGy。分次為33次。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì) 由兩名資深物理師分別在Eclipse13.6和Monaco5.1制定放療計(jì)劃，采用6 MV能量X線和600 MU/min劑量率，使用9野等角度均分調(diào)強(qiáng)技術(shù)。Eclipse采用各向異性解析算法(AAA算法)，Monaco采用蒙特卡羅算法(MC算法)。Axesse和TrueBeam準(zhǔn)直器射野范圍均為40×40 cm2。Axesse準(zhǔn)直器葉片厚度都為0.5 cm，TrueBeam準(zhǔn)直器20 cm范圍內(nèi)葉片厚度為0.5 cm，20～40 cm范圍內(nèi)葉片厚度為1 cm。所有患者均采用同步加量技術(shù)放療，處方劑量覆蓋靶區(qū)95%及以上體積。危及器官根據(jù)我科常規(guī)限量標(biāo)準(zhǔn)予以保護(hù)。

1.4 評估指標(biāo) 計(jì)劃設(shè)計(jì)完成后，通過比較靶區(qū)的最大劑量(Dmax)、最小劑量(Dmin)、平均劑量(Dmean)、以及靶區(qū)劑量的適形性指數(shù)(conformal index，CI)，靶區(qū)劑量均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)和危及器官正常組織受量對兩套放療系統(tǒng)的調(diào)強(qiáng)放射治療進(jìn)行評價[7-8]。其中CI=(VT，ref/VT)x(VT，ref/V)(VT，ref為處方等劑量線所覆蓋的靶區(qū)體積，VT為靶區(qū)體積，V為處方等劑量線所覆蓋的總體積)，CI值為0～1，CI值越接近于1表示適形性越好。HI=D5/D95(其中D5指5%靶區(qū)體積對應(yīng)的高劑量，D95指95%靶區(qū)體積對應(yīng)的低劑量)，HI值≥1，HI越接近于1說明靶區(qū)內(nèi)劑量分布越均勻。另外還比較分析了腦干、脊髓、晶體、視神經(jīng)、視交叉、腮腺、口腔黏膜、喉、咽等危及器官的受量情況[9]。

除此之外，在兩套計(jì)劃系統(tǒng)制定驗(yàn)證計(jì)劃，并在驗(yàn)證模體上實(shí)施。驗(yàn)證模體選用Delta4三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩個正交的二維半導(dǎo)體探測器矩陣嵌套在圓柱形模體中，共有1 069個半導(dǎo)體探測器，具有各向同性的特征，沒有角度依賴性[10-12]。采用Gamma分析方法，對比分析了驗(yàn)證計(jì)劃與加速器實(shí)際執(zhí)行的計(jì)劃之間的差異，計(jì)算了2%/2mm標(biāo)準(zhǔn)下兩套放療系統(tǒng)的Gamma通過率。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析以及MATLAB 8.1作圖分析。計(jì)算數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，兩樣本均數(shù)之間的比較采用配對t檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量學(xué)比較 兩套放療系統(tǒng)均具有較好的靶區(qū)劑量分布，見表1。40例患者M(jìn)onaco和Eclipse計(jì)劃中PGTVnx的Dmax、Dmean、Dmin分布如圖1所示，Monaco計(jì)劃的Dmax、Dmean分布明顯高于Eclipse計(jì)劃。具體來說，對于靶區(qū)PGTVnx、PGTVnd_L和PGTVnd_R，使用Eclipse制定的計(jì)劃能得到更低的靶區(qū)Dmax，對比Monaco計(jì)劃分別低2.20%(P<0.05)、0.77%(P<0.05)和0.36%(P>0.05)。Eclipse制定的計(jì)劃PGTVnx、PGTVnd_L、PGTVnd_R、PTV1和PTV2劑量適形指數(shù)更好，對比Monaco計(jì)劃分別高12.43%、19.15%、24.37%、18.19%和19.75%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。Eclipse制定的計(jì)劃PGTVnx劑量均勻指數(shù)優(yōu)于Monaco計(jì)劃，對比Monaco低1.21%(P<0.05)，但是PGTVnd_L和PGTVnd_R劑量均勻指數(shù)劣于Monaco，對比Monaco計(jì)劃分別高0.67%和0.76%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。對于靶區(qū)PTV2，Monaco計(jì)劃對于冷點(diǎn)的控制更理想，其Dmin值比Eclipse計(jì)劃高18.70%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。另外，Eclipse計(jì)劃中劑量梯度跌落更加陡峭，等劑量曲線更平滑緊湊，見圖2。綜合比較發(fā)現(xiàn)，使用Eclipse的TrueBeam加速器治療鼻咽癌，其靶區(qū)適形度和靶區(qū)高劑量點(diǎn)的控制優(yōu)于使用Monaco的Axesse加速器，而Axesse系統(tǒng)對于靶區(qū)劑量冷點(diǎn)的控制優(yōu)于TrueBeam系統(tǒng)。

表1 不同放療計(jì)劃系統(tǒng)靶區(qū)的劑量參數(shù)比較

2.2 危及器官劑量學(xué)比較 對比Monaco，Eclipse制定的計(jì)劃中危及器官在評估指標(biāo)方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，見表2。其中腦干Dmax降低2.59%以及Dmean降低9.93%，脊髓Dmax降低2.56%以及Dmean降低11.51%，左晶體Dmax降低13.27%，右晶體Dmax降低12.20%，左視神經(jīng)Dmax降低24.63%，右視神經(jīng)降低20.84%，視交叉Dmax降低20.68%，均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。Eclipse在滿足靶區(qū)劑量的同時，對于危及器官受量的降低與避讓有明顯優(yōu)勢，見圖3。另外，對于貼近靶區(qū)或被靶區(qū)覆蓋的危及器官，Eclipse能在非常小的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)劑量快速跌落，降低危及器官受量同時，不會導(dǎo)致靶區(qū)劑量整體坍塌。

圖1 40例患者M(jìn)onaco和Eclipse計(jì)劃中PGTVnx的Dmax、Dmean、Dmin分布箱型圖

注：A: Monaco; B: Eclipse

2.3 計(jì)劃驗(yàn)證通過率比較 Monaco和Eclipse兩套放療系統(tǒng)在高標(biāo)準(zhǔn)的2%/2mm下的Gamma通過率依次為(96.7±1.1)%和(96.1±2.1)%，均>95%，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

3 討論

鼻咽癌是臨床上高發(fā)惡性腫瘤之一，其首選治療手段即采用放療。隨著近年來調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法在提高靶區(qū)照射劑量的同時還能減少危及器官的照射劑量，是當(dāng)前提高鼻咽癌治療療效的理想手段。

表2 不同放療計(jì)劃系統(tǒng)對于危及器官的劑量參數(shù)比較

圖3 Monaco和Eclipse計(jì)劃靶區(qū)與危及器官DVH圖

本研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，兩套放療系統(tǒng)均能夠很好地滿足鼻咽癌調(diào)強(qiáng)放療的劑量學(xué)要求。比較而言，在保證靶區(qū)劑量和危及器官限量的同時，使用Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)的TrueBeam加速器對于靶區(qū)最大劑量點(diǎn)的控制方面和處方劑量的適形度上要優(yōu)于使用Monaco計(jì)劃系統(tǒng)的Axesse加速器，但是Monaco對于靶區(qū)冷點(diǎn)的控制有明顯優(yōu)勢。對于危及器官的保護(hù)上，使用Eclipse計(jì)劃系統(tǒng)的TrueBeam加速器較使用Monaco計(jì)劃系統(tǒng)的Axesse加速器有一定優(yōu)勢。對于執(zhí)行驗(yàn)證計(jì)劃的通過率上，在2%/2mm的誤差范圍內(nèi)兩套放療系統(tǒng)的Gamma通過率均超過95%，說明兩加速器均能很好實(shí)現(xiàn)放療計(jì)劃。

筆者認(rèn)為，兩套放療系統(tǒng)所使用的算法、物理參數(shù)、兩種直線加速器本身的機(jī)械差異、物理師經(jīng)驗(yàn)差異以及優(yōu)化函數(shù)應(yīng)用差異等，都影響劑量計(jì)算的結(jié)果，所得到的劑量分布則會產(chǎn)生一定程度的差異。

其中最為關(guān)鍵的是TPS應(yīng)用的劑量算法不同，計(jì)算原理也不同，劑量算法的準(zhǔn)確性將直接影響到劑量計(jì)算的精度[13]。Axesse的計(jì)劃系統(tǒng)采用的MC算法是一種基于隨機(jī)抽樣進(jìn)行數(shù)值積分的統(tǒng)計(jì)方法，利用控制物理過程的概率分布和機(jī)器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，用單個粒子的軌跡模擬輻射傳輸問題。MC算法考慮了不同組織的放射性差異，以實(shí)現(xiàn)近乎真實(shí)的劑量計(jì)算，因而MC算法也被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)算法[14]。TrueBeam的計(jì)劃系統(tǒng)采用的AAA算法是一個3D筆形束和卷積疊加模型，由主光子、散射光子和光束調(diào)制器(主準(zhǔn)直器、光束矯正濾波器和楔形濾波器)發(fā)射的電子的獨(dú)立模型組成[15]。AAA算法雖然考慮了計(jì)算點(diǎn)平面的不均勻散射以及電子平衡的問題，但是不能夠精確描述電子的運(yùn)輸和側(cè)向電子失衡，且對低密度區(qū)域中二次區(qū)域的劑量不能預(yù)測，存在一定程度上的劑量誤差[16]。另外入射光束能量、場大小和介質(zhì)電子密度等參數(shù)都會影響算法的計(jì)算準(zhǔn)確性[15]。Chakarova等[17]實(shí)驗(yàn)表明AAA算法在固體水體模中計(jì)算的準(zhǔn)確性與MC算法相當(dāng)，而MC算法在組織密度差別大的區(qū)域?qū)Σ痪鶆蚪M織的修正優(yōu)于AAA算法[16]。在非均勻組織及其邊界，MC算法劑量計(jì)算比AAA算法更為準(zhǔn)確[18]。尤其是在空氣組織交界區(qū)域，AAA計(jì)算的劑量分布會被高估，但是因?yàn)闄C(jī)架角度的變化，這種高估的情況會被弱化[19-20]。Bush等[21]用6 MV光子射線進(jìn)行的模體研究中，他們發(fā)現(xiàn)從空氣到組織的過渡區(qū)域，AAA算法和蒙特卡羅算法之間的差異增加到13%。鼻咽癌區(qū)域周圍有大量的非均勻組織和空腔，AAA算法的局限性可能會影響計(jì)算劑量分布的可靠性[19]。

Bosse等[14]通過比較AAA算法和MC算法，在能量為6 MV時所有的使用MC算法的MONACO計(jì)劃的靶區(qū)劑量適形性均低于使用AAA算法的Eclipse計(jì)劃的靶區(qū)適形性。Baljeet等[22]通過實(shí)驗(yàn)證明MC算法計(jì)算靶區(qū)的劑量整體偏高，Dmax、Dmean、Dmin均高于AAA算法，所有危及器官Dmax均高于AAA算法。以上研究結(jié)果與本文觀點(diǎn)一致。而Hasenbalg等[23]認(rèn)為相較于MC算法，AAA算法高估了PTV的覆蓋范圍，從而導(dǎo)致適形性優(yōu)于MC算法。在處方劑量一定的前提下，AAA算法對空氣組織交界區(qū)域劑量的高估可能會導(dǎo)致該靶區(qū)的高劑量減少，劑量適形度提高。因此，雖然AAA算法得到的劑量參數(shù)更符合臨床要求，但是MC算法可以用來準(zhǔn)確評估在非均勻組織劑量計(jì)算中各組織器官所接受的照射劑量，能夠模擬最接近實(shí)際的劑量計(jì)算。

兩種加速器的機(jī)械差異也是影響劑量差異的重要因素，盡管Axesse和TrueBeam的準(zhǔn)直器射野范圍都是40×40 cm2。但是兩者的準(zhǔn)直器葉片厚度不同，Axesse葉片厚度都為0.5 cm，TrueBeam準(zhǔn)直器20 cm范圍內(nèi)葉片厚度為0.5 cm，20～40 cm范圍內(nèi)葉片厚度為1 cm。兩者葉片的走位精度和速度差異都會對計(jì)劃的劑量產(chǎn)生較大影響。對于兩種加速器，其射線質(zhì)也存在差異，射線質(zhì)的不同會導(dǎo)致能量沉積的深淺不同，也會對劑量差異造成重要影響。

另外，物理師的經(jīng)驗(yàn)差異以及對不同計(jì)劃系統(tǒng)函數(shù)應(yīng)用掌握程度決定了兩種放療系統(tǒng)優(yōu)化的劑量差異。本文所有的計(jì)劃均由兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的物理師制定，能一定程度上降低主觀差異導(dǎo)致的計(jì)劃劑量差異。

本研究工作，主要依據(jù)我院加速器類型，研究了我院兩套不同的放療系統(tǒng)對于治療鼻咽癌的劑量學(xué)差異，對于了解不同加速器之間的差異對增強(qiáng)放療療效、改善放療副反應(yīng)都具有積極意義，為臨床工作提供參考建議。由于對比的數(shù)據(jù)有限，并沒有比較加速器其他性能，比如實(shí)際跳數(shù)、治療時間、治療效率以及不同放療技術(shù)之間劑量學(xué)的差異，不能籠統(tǒng)判斷兩套放療系統(tǒng)的優(yōu)劣。在滿足臨床需求的前提下，應(yīng)綜合考慮患者實(shí)際情況及加速器實(shí)際條件進(jìn)行選擇。更多的性能對比將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。

利益相關(guān)聲明：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)說明：陳洪濤：設(shè)計(jì)研究方案，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，論文撰寫；付鑫：實(shí)驗(yàn)計(jì)劃設(shè)計(jì)，論文撰寫；高艷：采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析；李壯玲：數(shù)據(jù)分析，查找文獻(xiàn)；陳偉思：資料收集整理；鐘鶴立：課題設(shè)計(jì)，論文修改。