基于Auto-Planning的宫颈癌调强放疗的剂量学研究

王琳婧,王锐濠,雷怀宇,

李慧君,周露,张国前,张书旭

广州医科大学附属肿瘤医院放疗中心,广东 广州 510095

[摘 要]目的 研究基于Auto-Planning(AP)的宫颈癌计划靶区和危及器官的剂量学差异,并与当前宫颈癌调强放疗(Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT)计划相比较。方法 选取10例I~Ⅲ期宫颈癌病例,用Pinnacle3V9.10计划系统基于同一CT图像进行IMRT和AP计划设计,比较两种不同计划的剂量体积直方图,分析靶区适形度指数、均匀性指数和危及器官受照剂量的差异。结果 AP计划与IMRT计划相比,靶区Dmax降低,差异有统计学意义,P=0.001。靶区Dmin、Dmean、CI和HI差异均无统计学意义。膀胱V50,直肠的V45、V50、Dmean,左右股骨头V30、Dmean,AP计划明显优于IMRT计划,差异有统计学意义(P<0.05)。膀胱V30、V40、V45,直肠V40及左右股骨头V40受照剂量均低于IMRT计划。结论 宫颈癌AP计划能够达到与IMRT计划相似的靶区剂量分布。同时,宫颈癌AP计划能降低靶区最高剂量,减少热点,降低危及器官受照剂量。

[关键词]宫颈癌;剂量学差异;调强计划;危及器官;剂量成形结构

引言

随着放疗技术的日益进步,调强放疗(Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT)已广泛应用于宫颈癌放射治疗中[1-3],IMRT技术能提高靶区剂量,降低危及器官受量,有效提高肿瘤控制率和患者生存状况[4-8]。常规调强放疗计划是一个单目标逆向优化过程,即依靠人为经验对靶区和器官进行限量,计划设计者设置的参数不同导致计划结果的不同[9-11]。Auto-Planning(AP)作为一种新的调强放疗优化方法,通过由TPS系统生成剂量成形结构(Dose Shaping Structure,DSS),自动优化目标函数,将以往获得的治疗经验融入到调强放疗优化中,以获得最优的治疗计划。本研究选取10例宫颈癌患者,分别采用IMRT计划和AP计划进行剂量学评估,探讨宫颈癌AP自动优化计划的可行性。

1 资料与方法

1.1 病例选择

随机选取2016年1月~2016年8月我院接受的10例宫颈癌调强放射治疗患者,年龄41~65岁,中位年龄为51岁。按照国际妇产科联盟妇科肿瘤分期标准,患者共有IB期3例,Ⅱ期6例,Ⅲ期1例,病理证实为鳞状细胞癌。选取病例均有明确放疗适应症。

1.2 体位固定及CT影响采集

患者在平静呼吸状态下,均采用仰卧位,用热塑体膜固定并做好标记。应用美国GE公司的Lightspeed 16排螺旋CT进行计算机断层成像,图像采集前患者排空直肠,适当充盈膀胱,扫描层厚及层间距均为5 mm,横断面图像分辨率为512×512。扫描范围从第3腰椎L3上缘水平至坐骨结节下缘3~5 cm。

1.3 靶区及OARs勾画

放射治疗科医生利用Philips Pinnacle3V9.10计划系统,根据ICRU第62号报告相关要求勾画靶区。

(1)肿瘤靶区:原发病灶和盆腔转移淋巴结。

(2)临床靶区(Clinical Target Volume,CTV):肿瘤靶区和阴道、阴道旁软组织、髂总、髂内、髂外、闭孔及骶前淋巴结区。上界从第3腰椎下缘,下界至闭孔下缘。

(3)计划靶区(Planning Target Volume,PTV):考虑临床摆位误差等因素,在CTV边界上外放5 mm。

(4)危及器官(Organ At Risk,OAR):直肠、小肠、膀胱及股骨头等。为降低直肠受照剂量,在CTV外扩2 mm基础上将PTV与直肠重叠区域修回。

1.4 调强计划设计

采用Pinnacle39.10系统,分别进行IMRT和AP计划设计。调强放疗计划射线能量选用6 MV X线,总处方剂量为50 Gy/25次(2 Gy/次)。射野角度分别为0°、50、100、150、210、260、310。IMRT计划设计:手动设置靶区和OAR限量,靶区剂量权重最大,直肠、膀胱和股骨头权重次之,PTV限量为95%PTV>50 Gy,膀胱V45<50%,直肠V40<50%、V30<60%,股骨头V50<5%,小肠V40<40%、V30<50%。AP计划设计:利用Pinnacle脚本对OAR和靶区进行处理,将处理后的靶区和OAR进行目标函数优化,由系统自动作出DSS结构使得剂量成型,并自动限定出冷点和热点已达到剂量均匀。

1.5 剂量体积评价指标

根据剂量体积直方图来评估靶区和危及器官的剂量体积分布。分析的主要指标:

(1)靶区:最大受照剂量Dmax,最小受照剂量Dmin、平均受照剂量Dmean、靶区剂量均匀性指数(Homogeneity Index,HI)、靶区适形度指数(Conformity Index,CI)。靶区HI、CI指数公式如下:

D2为2%的靶区体积所接受的照射剂量,D98为98%的靶区体积所接受的照射剂量。HI值越小,靶区内剂量分布越均匀。VPTV95%为95%的等剂量曲线覆盖的PTV体积,VT为靶区体积,VPTV为靶区PTV的体积。CI值范围为0~1,CI值越接近1,说明靶区适形度越好。

(2)危及器官:膀胱、直肠的平均剂量Dmean,体积指标V30、V40、V45和V50(受照剂量为xGy的体积)。左右股骨头:平均剂量Dmean,体积指标V30、V40

1.6 统计学处理

采用SPSS 19.0统计软件进行数据分析,各项参数应用配对t检验进行每两组间比较,P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量参数

与IMRT相比,AP计划中靶区Dmax略有减少,差异有统计学意义(t=-4.721,P=0.001)。最小剂量、平均剂量、D2、D95、D98差异均无统计学意义,P>0.05。AP计划中靶区的HI值有所降低,CI值有所提高,但差异无统计学意义。具体结果,见表1。

表1 两种方案的靶区剂量学分布 (cGy)

2.2 危及器官剂量

危及器官中膀胱V50,直肠的V45、V50,左右股骨头V30在AP计划与IMRT计划比较中差异有统计学意义(t=-3.922、-3.273、-3.306、-2.492、-2.398,P<0.05)。膀胱V30、V40、V45,直肠V40及左右股骨头V40受照剂量均低于IMRT计划,但差异无统计学意义(P>0.05)。直肠和股骨头平均受照剂量AP计划低于IMRT计划(t=-3.087、-3.556,P<0.05),差异有统计学意义。具体分析结果,见表2。

表2 两种方案的危及器官剂量学分布 (cGy)

3 讨论

宫颈癌约有90%为鳞状细胞癌,靶区形状以凹形为主,变化较大,对放射治疗较敏感[12-13],调强放疗技术通过调节多叶准直能很好的实现靶区剂量分布与形状的高度一致,同时更好的保护膀胱、直肠和股骨头等危及器官[14-15]。现阶段调强治疗计划设计通常采用直接机器参数优化(Direct Machine Parameter Optimization,DMPO)算法[16],其本质就是直接优化子野形状和权重从而得到接近最优解的剂量分布,对计划设计者的临床经验要求较高。在设计放疗计划时,如果仅按临床处方要求定义最优化参数,很可能在靶区外出现剂量热点,适形度不好,问题原因是优化程序只依据定义的参数设置最优化子野。这类现象的常用解决方法是定义剂量成形结构,在最优化过程中给定相应的剂量限定。主要包括:靶区处方剂量和最低剂量限定;凹形靶区凹陷区危及器官的剂量体积约束限定;最大剂量和最小剂量限定等。Auto-Planning就是全部由系统生成这些DSS结构,并且自动对目标函数的进行优化,在满足调强计划质量的同时,提高了计划设计效率。

设置初始目标函数的剂量体积约束是IMRT的难点。对于新宫颈癌患者的计划,OAR可行的最低剂量未知,物理师在限定OAR最低剂量的同时对靶区剂量的影响也未知,研究显示,物理师的经验与IMRT计划质量的高低密切相关[17-18]。因此,更加科学合理的设置目标参数,减少人为因素影响,也是宫颈癌IMRT计划需解决的问题。AP通过调用脚本文件自动优化目标函数以求得局部极小值,有研究[19-20]指出局部极小值是靠近全局的最优解。本研究比较了在AP计划与IMRT计划优化结束后,靶区和危及器官的剂量学差异。结果表明两种方法的靶区均匀性指数和适形性指数相似,AP计划中靶区最大剂量低于IMRT计划,能有效减少热点的产生。AP计划中危及器官剂量均有不同程度的降低。研究发现AP计划能对靶区和危及器官的权重进行最大限度的调节,更加高效地实现对剂量分布的优化。

综上所述,AP技术通过由系统生成DSS结构,自动优化目标函数,求得最优解,最终自动优化出的AP计划在与IMRT计划达到相似的靶区剂量同时能有效降低靶区最高剂量区域,减少热点出现,降低危及器官受照剂量,并且减少了因物理师经验不足等造成的人为影响。

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本文编辑 袁隽玲

Dosimetric Study of Auto-Planning Based on Cervical Cancer Intensity-Modulated Radiotherapy

WANG Lin-jing, WANG Rui-hao, LEI Huai-yu, LI Hui-jun, ZHOU Lu, ZHANG Guo-qian, ZHANG Shu-xu
Radiation Therapy Center, Cancer Center of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

Abstract:Objective The purpose of this article was to study the dosimetry difference between the Auto-planning (AP) and conventional intensity-modulated radiotherapy (IMRT) in cervical cancer patients. Methods Ten grade I~Ⅲ cervical cancer patients were selected to perform the analysis. AP plan and IMRT plan were obtained by the Pinnacle3V9.10 treatment planning system. The dose-volume histogram, homogeneity index, conformity index, and the doses that

received:by the organs at risk (OARs) were compared. Results Compared with the IMRT, the AP could generate treatment plan with lower target region Dmax, and the statistical difference of AP was significant (P=0.001). But no statistical difference was found in Dmin, Dmean, CI and HI of the target region. Superior results were found in bladder V50, rectum V50, Dmean, caput femoris V30and Dmeanwith statistical difference (P<0.05). The V30, V40, V45in bladder, V40in rectum and caput femoris that texted by AP plan were lower than IMRT plan. Conclusions the AP plan could achieve similar target dose distribution to IMRT plan. Meanwhile, the AP plan could lower the highest dose in the target region. The hot spot and the illuminated of OARs were reduced at the same time.

Key words:cervical cancer; dosimetry difference; intensity-modulated radiotherapy; organs at risk; dose shaping structure

[中图分类号]R737.33

[文献标识码]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.021

[文章编号]1674-1633(2017)06-0083-04

收稿日期:2017-03-01

修回日期:2017-03-06

基金项目:广东省教育厅特色创新项目(2014KTSCX104);广州市医药卫生科技项目(20161A011084)。

通讯作者:张书旭,教授,主任技师,博士生导师,主要研究方向为肿瘤放射物理学和医学图像应用研究。

通讯作者邮箱:gthzsx@163.com