李 軍,張西志,錢杰偉,張先穩(wěn),桂龍剛,柏正璐,侯笑笑,陳雪梅

(江蘇省蘇北人民醫(yī)院 腫瘤科,江蘇 揚州,225001)

直腸癌作為常見的消化道惡性腫瘤,其主要治療手段為手術結合術后放化療的綜合療法。目前,固定野靜態(tài)調(diào)強放療(IMRT)已成為直腸癌術后放療的主要方式,相較于傳統(tǒng)的三維適形放療(3D-CRT),IMRT不僅提供了更高的適形性指數(shù)(CI)與更好的劑量分布,還能對危及器官進行更好的保護,以減少因放療產(chǎn)生的各種并發(fā)癥。在臨床的調(diào)強放療計劃設計中,需要對多種參數(shù)條件進行確定,包括患者治療體位、射線能量、放射野個數(shù)、劑量算法、多葉光柵(MLC)調(diào)強方式以及計算網(wǎng)格尺寸等。對于直腸癌術后患者的體位選擇,俯臥位和仰臥位都能符合臨床治療需求,但體位不同對放療計劃會產(chǎn)生一定的影響;對于射線能量的選擇,6、15 MV的X線能量均可以用于直腸癌術后的放射治療,能量也會對劑量計算結果產(chǎn)生影響;對于MLC調(diào)強方式的選擇,無論是讓MLC動態(tài)運動亦或是保持靜態(tài)固定,均會影響劑量計算的結果。

鑒于各向異性解析算法(AAA算法)與筆形束卷積算法(PBC算法)的不同,其劑量計算結果也不同。對于計算網(wǎng)格的尺寸,不同尺寸的網(wǎng)格也會對劑量計算結果產(chǎn)生影響。通常來說,直腸癌術后的調(diào)強放療計劃設計采用7野或9野,野數(shù)設置越多,則靶區(qū)劑量分布以及均勻性越好,但其危及器官的低劑量區(qū)較高,而高劑量區(qū)較低;野數(shù)設置越少,則靶區(qū)劑量分布和均勻性越差,但其危及器官的低劑量區(qū)較低,而高劑量區(qū)較高。本研究探討在維持最佳的靶區(qū)劑量分布的同時又能最大限度地保護好危及器官的變量組合,現(xiàn)將結果報告如下。

1 材料與方法

1.1 研究材料

抽樣選取2022年1—10月行調(diào)強放療的24例直腸癌術后患者,Dukes(2003年版)分期為Ⅰ～Ⅳ期,術后病理為中、低分化腺癌,患者年齡40～75歲,中位年齡58歲。

1.2 儀器設備

16排大孔徑螺旋定位CT(通用電氣公司,General Electric Company),仰臥位體位固定真空墊、俯臥位體位的體部固定架(廣州科萊瑞迪公司),配套使用ACUITY模擬定位機和Eclipse version 13.5三維治療計劃系統(tǒng)(TPS)和Clinac IX醫(yī)用電子直線加速器(瓦里安公司,Varian Company)。

1.3 影像獲取

12例患者采取仰臥位,雙手上舉并使用真空墊固定;其余12例患者采取俯臥位,雙手抱頭并使用體部固定架固定。所有患者均進行層厚5 mm的增強CT掃描,掃描范圍包括全腹部并外放5 cm。

1.4 靶區(qū)及危及器官勾畫和劑量限值

由臨床放療醫(yī)師勾畫臨床靶區(qū)(CTV),將CTV的前后、左右外放0.7 cm,上下外放1.0 cm,得到計劃靶區(qū)(PTV)。危及器官(OARs)包括脊髓、膀胱、小腸和股骨頭。處方劑量均為5 000 cGy,分25次照射,每次200 cGy,要求99%的PTV體積最低受到95%(4 750 cGy)的處方劑量[1],PTV的最高劑量不超過5 400 cGy。OARs的耐受劑量要求分別是膀胱接受 4 000 cGy劑量的體積不超過膀胱總體積的50%(V40≤50%),脊髓最大劑量(Dmax)≤4 500 cGy,小腸Dmax≤5 000 cGy,股骨頭Dmax≤5 000 cGy。

1.5 計劃評估

在1 cGy和1 cm3的分辨率下生成的劑量-體積直方圖(DVH)是評估放療計劃的重要依據(jù)。在進行不同計劃的對比時,將所有患者的靶區(qū)PTV均歸一到其體積的99%至少能達到其處方劑量的95%。將平均劑量(Dmean,越小越好,但至少>5 000 cGy)、最大劑量(Dmax)、最小劑量(Dmin)、適形性指數(shù)(CI)和均質(zhì)性指數(shù)(HI)作為評價PTV的劑量學參數(shù)。對OARs的評價則選取脊髓(考慮擺位誤差,將實際脊髓外放3 mm進行評估)的Dmax、小腸的Dmax、股骨頭的Dmax、膀胱V40、機器跳數(shù)(MU)和出束時間。CI取值范圍為0～1,該值越大則表示適形度越高[2-3]。HI值越小則劑量均勻性越佳[4-5]。

1.6 統(tǒng)計學方法

采用IBM SPSS 21.0進行統(tǒng)計學處理,采用配對t檢驗,設置α=0.05,P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

2.1 不同治療體位的劑量參數(shù)比較

為了探尋不同體位下放療效果的差異性,在設計放療計劃時需排除其他因素的影響,因此將24例患者的其他優(yōu)化條件設為完全一致,即將準直器和機架以及治療床角都固定為0 °,選擇劑量率為400 MU/min下的6 MV的X線且設定MLC調(diào)強方式均為動態(tài)調(diào)強(SW),劑量算法均為AAA,計算網(wǎng)格尺寸均為0.25 cm。不斷優(yōu)化直至每個計劃都滿足劑量學要求,將PTV歸一到99%的體積至少滿足處方劑量的95%(即4 750 cGy)的劑量,并采用SPSS 21.0將結果進行配對t檢驗。對12例仰臥位患者采用7野共面的等中心布野方式,根據(jù)腹部的結構分別設計機架角度為27、78、129、180、231、282、333°;對另外12例俯臥位患者同樣采用7野共面的等中心布野方式,且分別設計機架角度為0、51、102、153、204、255、306 °。與仰臥位相比,俯臥位PTV的Dmean和Dmax更低且HI也更低,小腸的Dmax及膀胱V50也更低,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表1。

表1 不同治療體位的劑量參數(shù)比較

2.2 不同劑量算法的劑量參數(shù)比較

為了只研究劑量算法對放療效果的影響,使用已定好的12例俯臥位患者的TPS計劃,保持計劃中其他條件不變,只將AAA算法改為PBC算法并重新進行優(yōu)化計算,同樣將PTV歸一到99%的體積至少4 750 cGy的劑量。相較于PBC算法,AAA算法PTV的Dmean和Dmax更低且CI更高、HI更低,且小腸Dmax和膀胱V40也更小,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表2。

表2 不同劑量算法的劑量參數(shù)比較

2.3 調(diào)強方式的劑量參數(shù)比較

選擇上述12例體位選擇為俯臥位且算法選擇為AAA計劃的患者,在其他參數(shù)條件不變的情況下,只在優(yōu)化結束后將調(diào)強方式從SW改為靜態(tài)調(diào)強(MSS)再進行劑量計算,同樣將PTV歸一到99%的體積至少4 750 cGy的劑量。相較于MMS,SW的PTV的Dmean和Dmax更低且CI更高、HI更小,且小腸Dmax以及膀胱V40也更小,MU和出束時間偏大,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表3。

表3 SW與MSS的劑量參數(shù)比較

2.4 不同X線能量對劑量參數(shù)的影響

為了只研究不同X線能量對劑量計算結果的影響,將上述采用AAA算法和SW方式的12例俯臥位患者治療計劃中的X線能量改為15 MV并進行重新優(yōu)化計算,同樣將PTV歸一到99%的體積至少滿足4 750 cGy的劑量。相較于6 MV,15 MV能量的PTV的Dmean、Dmax、Dmin均偏小,CI更高而HI更低,脊髓Dmax、膀胱V40、股骨頭Dmax偏小,MU和出束時間偏小,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表4。

表4 6 MV與15 MV的X線劑量參數(shù)比較

2.5 不同計算網(wǎng)格尺寸對劑量計算結果的有影響

為了只研究不同計算網(wǎng)格尺寸對劑量計算結果的差異,將上述采用AAA算法和SW方式以及6MV X線能量的12例俯臥位患者計劃中的計算網(wǎng)格尺寸由0.25 cm改為0.50 cm,然后同樣將PTV歸一到99%的體積至少滿足4 750 cGy的劑量。相較于0.50 cm的計算網(wǎng)格尺寸,采用0.25 cm計算網(wǎng)格尺寸的PTV的Dmean、Dmax更小,CI更高而HI更低,膀胱V40、股骨頭Dmax偏小,MU和出束時間偏小,上述差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表5。

表5 0.25 cm與0.50 cm的計算網(wǎng)格尺寸參數(shù)比較

2.6 不同放射野個數(shù)的參數(shù)比較

為了只研究放射野個數(shù)對放療計劃的影響,選擇上述采用AAA算法、SW方式以及6 MV X線能量且計算網(wǎng)格尺寸為0.25 cm的12例俯臥位患者的放療計劃,在保持其他參數(shù)設置不變的情況下,分別按7野(0、51、102、153、204、255、306 °)以及9野(0、40、80、120、160、200、240、280、320 °)進行計劃設計,同樣將PTV歸一到99%的體積至少滿足4 750 cGy的劑量。相較于7野調(diào)強,9野調(diào)強PTV的CI更高而HI更低,膀胱V40更低,但股骨頭Dmax則是7野更低,但是9野的Dmax、MU和出束時間略微偏大,上述差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表6。

表6 7野與9野參數(shù)比較

2.7 多變量串聯(lián)劑量學差異統(tǒng)計

為了比較采用不同條件組合的治療模式的劑量學差異,在其他條件不變的情況下,將12例俯臥位患者設為A組,其余12例仰臥位患者設為B組,對2組中每例患者分別設計放療計劃,其中A組患者采用俯臥位、AAA算法、SW方式、15 MV、0.25 cm、9野的條件,B組患者采用仰臥位、PBC算法、MSS方式、6 MV、0.50 cm、7野的條件。圖1顯示,A組的劑量分布以及均勻性優(yōu)于B組。為了滿足靶區(qū)劑量要求,將各例患者的劑量分布歸一到99%的PTV體積至少滿足4 750 cGy的劑量,令a為A組中的典型患者,b為B組中的典型患者,正常組織定義為皮膚所包圍的體積除去PTV而剩下的體積。圖2顯示,a患者與b患者的靶區(qū)和危及器官的劑量受量均滿足臨床要求;與b患者相比,a患者PTV的DVH曲線明顯更陡,劑量分布更好;危及器官中,小腸、股骨頭的最大劑量更低且膀胱V40也更低。圖3顯示,b患者的正常組織受量均低于a患者的正常組織受量。采用配對t檢驗的統(tǒng)計方法分析各劑量學參數(shù),與B組相比,A組PTV的Dmean、Dmax更小,CI較大而HI較小,小腸Dmax、膀胱V40、股骨頭Dmax均較小,MU和出束時間更大,差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。見表7。

表7 A組與B組的劑量學參數(shù)比較

3 討 論

3.1 治療體位的影響

本研究顯示,相較于仰臥位,俯臥位可以在保證CI和HI的同時更好地保護膀胱和小腸,并且仰臥位患者是使用真空墊進行體位固定,而放療技師的擺位依據(jù)是真空墊上的中心標記點以及源皮距(SSD),因此其呼吸運動以及膀胱充盈度等差異都會影響實際SSD的大小。與之相比,使用俯臥位體部固定架的俯臥位患者則不存在上述差異,這是因為俯臥位患者的腹部可以位于俯臥位固定架上的腹部固定孔中,而患者的呼吸運動、膀胱充盈以及背部的提莫垂直標記點對SSD的影響微乎其微,大大降低了擺位誤差,提高了放療精準性,更好地保護了正常組織器官[5]。DRZYMALA M等[6]研究顯示,在5～15 Gy的小腸受量時,仰臥位小腸受照體積顯著大于俯臥位;在小腸受量為20～45 Gy時的差異則無統(tǒng)計學意義。KIM T H等[7]對4種不同體位固定方法時小腸受照體積差異的研究得出,最佳的固定方法是在保持膀胱充盈的狀態(tài)下采用俯臥位并加上腹部平板。

3.2 劑量算法的影響

目前Eclipse中常用的2種劑量算法為PBC算法和AAA算法,每種算法都有其局限性,這是因為電子在不同尺寸介質(zhì)分界面的轉(zhuǎn)移近似時存在的問題不同[8-10]。參考國內(nèi)外對于PBC算法的研究[11-13],PBC算法的優(yōu)點在于其計算精度能滿足大多數(shù)情況下的劑量計算要求[14],其缺點為對射線穿過2種不同組織尺寸時存在的二次建成效應體現(xiàn)不夠完全,因此會對靶區(qū)內(nèi)尺寸較低組織的吸收劑量計算結果偏高。目前國際上認為AAA算法在理論上相較于PBC算法更加精準[15],這是因為AAA算法同時將原射線、準直器散射線以及電子線污染均加入了模型建立,這就使得其可以更準確地修正不同尺寸介質(zhì)中的劑量計算結果,從而使結果更加真實可靠,因此又被稱為三維筆形束卷積疊加算法。國內(nèi)外對于這2種劑量算法的研究多集中于肺癌放療中的肺部受量的差異[16],根據(jù)R?NDE H S等[17]研究結果,相較于PBC算法,AAA算法在不均勻組織尺寸中的劑量計算結果更為準確。AARUP L R等[18]研究顯示,相較于PBC算法,AAA算法的劑量計算結果更加真實,但對于肺部放療中肺的受量仍會存在一定程度的低估,然而由于腹部不像肺部一樣存在大量空腔,因此在腹部放療時選用AAA算法更為合適。本研究顯示,在其他條件都一致的情況下,采用AAA算法時的靶區(qū)CI更高而HI更低,同時危及器官中小腸Dmax和膀胱V40均更低,因此對于直腸癌術后放療應選擇AAA算法。

3.3 調(diào)強方式的影響

靜態(tài)和動態(tài)調(diào)強的本質(zhì)區(qū)別在于每個固定野出束過程中MLC是否持續(xù)運動。二維強度圖的空間分辨率以及子野優(yōu)化算法[19]是影響MSS狀態(tài)下MLC運動的主要原因,而KUBO H D等[20]研究發(fā)現(xiàn)其就是導致子野數(shù)目差異的原因,這也導致了治療效率的差異。相較于MSS而言,SW的子野數(shù)目更多,因此其治療時間就更長一些,但也是由于其更多的子野,對于靶區(qū)的掃描式照射也就更為精細,同時漏射線更少,所以其在提高了CI和HI的同時更好地保護了危及器官[21-22]。本研究顯示,相較于MSS,選用SW的機器條數(shù)以及治療時間更長,但是選用SW在CI和HI方面更優(yōu),并且具有更低的小腸Dmax和膀胱V40。因此,直腸癌術后放療選擇SW的方式更優(yōu)。

3.4 X射線能量的影響

由于高能射線的穿透能力更強,因此其對正常組織的保護效果更好,尤其是對于存在腹部腫瘤、體型較胖、靶區(qū)較大、腫瘤位置較深等情況的腫瘤患者,使用高能射線時的CI以及HI會更好[23]。究其原因是15 MV的X線的建成區(qū)較6 MV的X線更深,因此高能射線更加適合深部腫瘤治療[24]。AOYAMA H等[25]研究發(fā)現(xiàn),相較于6 MV的X線,選用20 MV的X線可以降低11.2%的正常組織受量。WEISS E等[26]研究發(fā)現(xiàn),對于存在肺不張或者肺部原發(fā)灶較大或轉(zhuǎn)移淋巴結較多的患者,選用18 MV能量的X線要優(yōu)于6 MV。本研究顯示,選用15 MV的X線得到的PTV的CI更高且HI更低,同時對于脊髓、膀胱、股骨頭的保護也更好。調(diào)強放療中是否使用高能射線的主要爭議在于更高的射線能量會增加透射線、漏射線以及中子污染,這些因素都會增加輻射誘導的二次原發(fā)癌的風險[27]。HUQ M S等[28]研究發(fā)現(xiàn),6 MV的X線多野葉準直器的平均漏射率為2.5%,而20 MV的X線的平均漏射率為3.5%,但是透射和漏射線的劑量還與機器跳數(shù)有關。本研究顯示,15 MV較6 MV的X線的平均總MU降低了7.5%,15 MV的X線的總透射漏射劑量仍低于6 MV的X線。至于中子污染,有研究[29]表明,由中子污染導致的二次原發(fā)癌的風險非常低,因此不予考慮。由于15 MV的X線的MU較低,其T也更短,臨床上需要綜合考慮患者年齡、身體素質(zhì)、預期壽命以及腫瘤局部控制率和危及器官的保護,進而決定是否選擇高能射線進行放療。一般而言,對于腹部或者較深部位的腫瘤建議選擇高能射線(≥10 MV),對于直腸癌術后的調(diào)強放療,高能射線帶來的臨床收益要大于其潛在風險,因此選擇高能X線更佳。

3.5 計算網(wǎng)格尺寸的選擇

計算網(wǎng)格尺寸的不同會對劑量計算準確性、劑量分布和計算用時造成影響,國內(nèi)外的多篇文獻[30-31]均證實了這點。CHUNG H等[30]發(fā)現(xiàn)在實際劑量計算過程中,計劃系統(tǒng)能夠計算的計算點數(shù)目是存在一定限制的,多余的計算點的劑量則是通過插值的方式得出的。因此網(wǎng)格尺寸越小,即網(wǎng)格劃分的越小,則相鄰網(wǎng)格體之間的劑量梯度線性程度越高,從而插值計算結果準確性越高;反之網(wǎng)格尺寸越大,則計算結果越差。本研究顯示,網(wǎng)格尺寸越小靶區(qū)的CI以及HI越好,同時對于危及器官膀胱和股骨頭的保護更好,雖然計算用時稍長,但是MU和T更低。綜合比較后得出,直腸癌術后調(diào)強放療的計算網(wǎng)格尺寸應選擇0.25 cm。

3.6 放射野個數(shù)的選擇

在放療計劃設計中,放射野個數(shù)以及角度的布置將會直接影響劑量分布以及最終的治療效果。MA H等[32]比較5野與7野的胃癌術后調(diào)強放療的劑量學結果顯示,相較于5野調(diào)強,7野調(diào)強在靶區(qū)適形度以及均勻性方面更占優(yōu)勢,同時對大部分危及器官的保護更好,但是5野調(diào)強肝臟的平均劑量更低。本研究顯示,相較于7野均分調(diào)強,9野調(diào)強的靶區(qū)平均劑量與處方劑量更相近,并且其靶區(qū)適形度以及劑量分布均勻性都優(yōu)于7野。對于OARs的保護方面,9野的膀胱V40更低;7野調(diào)強的股骨頭Dmax要低于9野,這是因為9野相較于7野新增的2個射野正好穿過股骨頭所在位置,導致了股骨頭所受的劑量不可避免的增高。同時9野調(diào)強的MU和T均略大于7野,但是相較于選擇9野調(diào)強帶來的諸多收益,這點治療時間的增加是可以接受的。本研究認為直腸癌術后的調(diào)強放療應選用9野均分的方式。

3.7 多變量組合的劑量學比較

本研究顯示,在滿足劑量要求的前提下,相較于B組,盡管A組MU和T平均增加了16.8%,但PTV的Dmean平均降低了1.2%,CI平均增加了10.0%,HI平均降低了30.3%;小腸Dmax平均降低了3.0%,膀胱V40平均降低了31.2%,股骨頭Dmax平均降低了3.6%。上述結果表明A組的條件設計比B組更適用于直腸癌術后調(diào)強放療,這與相關研究[33-35]結論類似。

綜上所述,使用Eclipse version 13.5 TPS設計的直腸癌術后IMRT應選用俯臥體位、AAA算法、SW方式、15 MV、0.25 cm以及9野均分的治療模式。盡管選用SW、0.25 cm、15 MV和9野均會在一定程度上增加劑量計算以及治療時間,但其在CI、HI以及OARs保護方面的優(yōu)勢更大。