肺癌组织间插植放疗中两种驻留点优化方案的剂量分布比较研究
引言
利用192Ir源后装机开展组织间插植胸部肿瘤的放射治疗，其剂量学系统是以巴黎系统为基础的步进源系统；按照巴黎系统的计划制作原则，一般要求驻留点的位置设计以线状排列[1-2]。当驻留点位置设定后，利用计划系统中的优化工具调节驻留点时间进行剂量优化，以使得靶区和正常组织的剂量到达临床剂量限制要求。由于在放疗计划设计时，病人处于手术床上等待治疗状态；计划设计和剂量优化的时间越长，病人等候治疗的时间也越长。因此，如何快速完成符合优化目标的组织间插植放疗计划，对于插植治疗尤为重要。为此，本文介绍一种简化的驻留点设计优化方案，并运用该方法设计放疗计划与以线状源排列方式的计划在剂量分布上做一比较，介绍如下。
1 材料与方法
1.1 病案资料
收集2015年1月至2016年1月14例插植放疗病案数据进行比较研究，病人实际计划设计遵循巴黎系统的计划制作原则[1]，靶区最大径小于4 cm置入1根针，大于4 cm考虑置入多针，且针与针之间间隔不小于1 cm，插植针中位数为3（1～5）；驻留点在插植针道内部，步长为0.25 mm，驻留点与CTV轮廓的距离不小于5 mm，以等间距线状方式排列（图1）。病案数据，见表1。
图1 驻留点线状排列方案示意图
表1 病案基本信息
项目 数目总例数 14性别 (例) 男 8女6位置 (例) 左肺 9右肺 5体积 (cm3) CTV 32.58 (6.90～150.13)全肺体积 2588.25 (2338.00～3012.25)患侧肺体积 1178.50 (1060.00～1528.75)脊髓体积 21.50 (17.15～27.50)心脏体积 495.50 (378.75～619.25)肋骨体积 20.25 (16.50～27.50)
1.2 近距离插植放疗一般步骤
采用铱源后装近距离组织间插植放射治疗技术，其主要步骤包括[3-8]：① 首先初次CT扫描，范围超过原发灶2 cm以上；② 根据CT扫描图像所观察的肿瘤靶区形状、大小、位置以及可利用的肋骨间隙来确定插植针数目、插植深度、插植方向和位置，实施插植针置入手术；③ 插植针置入手术完成后行CT扫描，并将CT图像传输到三维近距离放射治疗计划系统中勾画CTV靶区和正常组织轮廓；④ 制作组织间插植放疗计划并优化剂量分布；⑤ 将制作完成的组织间插植放疗计划传输至后装治疗机上实施治疗。
1.3 驻留点线状排列方案
以实际放疗计划为基础，不改变原驻留点数目和位置；放大处方剂量为10000 cGy；并使用放疗计划系统中提供的剂量分布图形优化工具逐层优化剂量分布。组织间插植放疗计划的通过标准为：全肺受到2000 cGy以上的肺体积比小于20%（V20＜20%）；同时95%的CTV体积达到处方剂量10000 cGy（D95≥10000 cGy），见图1。
可观察CT层面上置入两根插植针，红色圆点为驻留点位置，驻留点为线状排列，红色虚线为CTV靶区轮廓，实线为等剂量曲线，其中白色代表15000 cGy，红色代表10000 cGy，蓝色代表5000 cGy。
1.4 简化的驻留点设计优化方案
以实际插植针道为基础，重新设计驻留点位置和数目，驻留点位置的选择在靶区面积的覆盖圆圆心处。处方剂量也为10000 cGy，计划优化与验收标准与驻留点线状排列方案相同。该设计方案的特点在于，驻留点为非线性排列，驻留点数目较少，简化了剂量分布优化的工作。
以一病例为例（图2），该病例CT层面上共有两根插植针道，对每一根插植针道，覆盖圆圆心的一般设计方法为（图2a）：设插植针在靶区内线段长为L；距离靶区邻边最远的距离为d。
图2 覆盖圆圆心位置示意图
注：a. 线段L和线段d示意图；b. 第一个覆盖圆圆心位置设计示意图，红色圆点为覆盖圆圆心；c. 第二个覆盖圆圆心位置设计示意图，M为两个圆心为端点的线段；d. 四个覆盖圆圆心位置示意图。
如果L≥2 d，那么在这根插植针道上设计两个驻留点，第一个覆盖圆圆心设计在插值针道内植入方向距离靶区轮廓边缘d处（图2b），该覆盖圆的半径为d。另一个覆盖圆圆设计在针尾处距离靶区轮廓边缘d处（图2c），该覆盖圆的半径也为d。根据这一方法对另一根插植针道设计覆盖圆圆心，本例最后共设计4个覆盖圆（图2d）。驻留点位置确定以后，再使用剂量分布图形优化工具进行剂量优化，优化结果，见图3。
如果L＜2 d，只设计一个覆盖圆圆心位于L线段的中点；设两个覆盖圆圆心距离为M（图2c），如果M＞2 d，在两个圆心连线中点处增加一个驻留点。
图3 简化的驻留点设计优化方案剂量分布
1.5 剂量学指标与统计分析
靶区的观察指标包括95%的CTV靶区受到的最小照射剂量D95、D90和D50；100%处方剂量所包绕的CTV体积V100、V150和V200。患侧肺1 cc所受照的剂量D1cc、D5cc和平均肺剂量（Mean Lung Dose，MLD）；1000 cGy剂量曲线所包绕的患侧肺体积V10、V20和V30；全肺D1cc、D5cc、MLD、V10、V20和V30。心脏平均剂量（Mean Dose，MD）和D50。脊髓D1cc、D5cc和MD。肋骨D1cc、D5cc和MD。数据利用SPSS 19.0采用Wilcoxon秩和检验进行分析，以P＜0.05为有统计学差异。
2 结果
两种驻留点方案计划剂量分布，见图1和图3；剂量参数比较结果，见表2，各参数差异不具有统计学意义（P＞0.05）。
表2 两种驻留点设计方案的剂量参数（x-±s）
注：Dx和MLD单位为cGy；Vx单位为%；照射时间单位为s。
驻留点线状排列方案简化的驻留点设计优化方案 P CTV D9510047.58±16.56 10053.36±34.84 0.64 D9011572.29±143.74 11515.99±109.65 0.23 D5021026.44±1063.83 21626.83±676.73 0.08 V100 95.08±0.11 95.15±0.10 0.18 V150 75.07±0.02 74.00±0.02 0.16 V200 55.13±0.04 46.52±0.16 0.14患侧肺 V10 55.35±18.02 61.81±21.07 0.64 V20 29.51±11.72 32.66±16.34 0.69 V30 18.67±7.51 21.45±12.38 0.46 D1cc21042.77±6763.15 22826.76±7632.67 0.65 D5cc14128.22±2098.09 14640.82±2070.49 0.89 MLD 1854.83±559.22 1858.67±521.42 0.75肺 V10 27.39±11.57 27.46±11.73 0.89 V20 13.21±6.56 13.12±6.43 0.51 V30 7.91±4.08 7.84±4.00 0.56 D1cc19967.08±6144.52 22596.22±10399.72 0.65 D5cc13754.35±2845.57 14477.78±3433.88 0.70 MLD 1008.80±376.35 1010.00±381.10 0.89脊髓 D1cc 1474.85±1785.80 1592.72±1888.88 0.08 D5cc 893.02±860.25 1110.02±1374.80 0.69 MLD 760.00±997.40 812.40±1056.44 0.51肋骨 D1cc 7934.98±3697.88 8709.49±4610.23 0.23 D5cc 5341.74±2830.50 5405.78±2989.64 0.25 MLD 3366.60±1688.04 3531.80±2064.61 0.81心脏 D50 814.63±512.31 844.64±532.68 0.08 MLD 839.80±515.04 858.60±533.74 0.50照射时间 5091.14±4166.92 5240.50±3969.73 0.74
3 讨论
在近距离三维计划系统中进行剂量优化时，优化剂量的分布主要包括两个优化手段[9-15]：驻留点位置或数目以及驻留点驻留时间。设计不同的驻留点位置或者调节不同驻留点的驻留时间，可形成不同的剂量分布。一般认为，设计更多的驻留点将有利于在计划系统中剂量分布的优化操作；从理论上讲，如果驻留点能够均匀分布于靶区体积内部，更可能使得100%等剂量线与靶区轮廓线相重合，以提高靶区适形度。但是，在实际的临床插植放疗工作中，合理的驻留点位置只能位于置入肿瘤内部的插植针管道内，这限制了驻留点位置或数目的选择。尤其在胸部肿瘤中，肋骨和肿瘤运动对于插植针置入手术的干扰，还影响了的插植针置入位置的准确性。因此，在目前的胸部肿瘤插植放疗中，驻留点均匀布置于靶区体积内部的设计是不可能的，获得一个高剂量适形的放疗计划是困难的[4-5, 16-17]。
同时，由于步进源的剂量分布是围绕驻留点形成同心圆分布特点，而靶区边缘通常为不规则形状。这会使得剂量分布必然存在两种可能：① 为了使得100%处方等剂量线包绕所有CTV靶区轮廓，必然会导致一部分正常肺体积被包绕其中；② 为了降低100%处方剂量包绕的正常肺体积，必然会漏掉一部分CTV靶区。虽然，驻留点线状排列的方案相比于简化方案，增加了驻留点数目，有利于剂量分布的优化设计。但是，我们的初步结果显示，在靶区和正常组织受量上的比较差别并不具有统计学意义。驻留点线状排列的方案在剂量学上不存在明显的优势。说明从三维方向看，驻留点线状排列的等剂量曲线包绕靶区的情况并不优于简化的驻留点设计优化方案。这可能初步反应了驻留点线状排列可能并不是提高计划剂量分布适形的一个决定因素（或充分条件）。相反，更多的驻留点可能会使得剂量优化操作变得复杂，增加计划设计和优化时间，从而可能延长了病人的等候时间。因此，我们认为在192Ir源后装机开展组织间插植胸部肿瘤的放射治疗中，驻留点线状排列的设计方案并不是一个不可代替的计划设计方案。
需要指出的是，计划剂量分布的优化时间受到计划设计者经验、计划设计难度等多种因素的影响，采用简化的驻留点设计优化方案对于病人等候时间的缩短还需要进一步研究。同样，在剂量学上更全面的比较也有待于扩大样本量进行更细致地研究。本研究中所采用的剂量参数如V5、V20和V30等虽然与临床上评价组织受量时所采用的剂量学参数为相同名字，但是其意义不同，不能直接用于临床[18-20]；仅仅作为两种方案的比较参数，从物理剂量学的角度用于区分两种计划方案各自的特点。
综上所述，简化的驻留点设计优化方案减少了驻留点数目，可以简化剂量的优化操作，为缩短病人的等候时间提供了前提，是一种合理可行的计划优化的选择方案。
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