基于TCP和NTCP模型的鼻咽癌放疗的比较分析

陈海，杨麟，刘晓东，文婷

广州军区总医院 放疗科，广东 广州510010

基于TCP和NTCP模型的鼻咽癌放疗的比较分析

陈海，杨麟，刘晓东，文婷

广州军区总医院 放疗科，广东 广州510010

目的通过作者编程实现肿瘤控制概率（TCP）和正常组织并发症概率（NTCP）模型的数值计算，实现鼻咽癌放疗的比较分析。方法选择2006～2008年40例行放射治疗的病人的治疗方案，利用Matlab分别计算TCP和NTCP，并对计算结果进行统计分析。结果常规放疗和适形放疗的TCP统计结果无差异，而在NTCP计算结果中，常规放疗的脑干以及腮腺的NTCP要高于适形放疗，尤以腮腺更为显著。结论TCP和NTCP模型都能有效评估放射治疗计划的效果。

放射治疗；鼻咽癌；肿瘤控制概率（TCP）；正常组织并发症概率（NTCP）

一些放射生物学基础模型，如肿瘤控制概率（Tumor Control Probability，TCP）模型和正常组织并发症概率（Normal Tissue Complication Probability，NTCP）模型目前已被有效引入放射治疗领域，用来评估放疗计划的有效性。本文旨在运用这两种模型来分析我院目前常用的鼻咽癌放疗计划。

1 材料和方法

1.1 基本资料

在我院 2006～2008 年放疗病案中随机选择 40 例鼻咽癌放疗病例，其中男性 29 例，女性 11 例，所有病人的化疗方案以及其他药物治疗方案近似。其中常规放疗方案的病人都是通过获取病人的最近CT影像资料来模拟放疗方案，具体常规放疗计划和三维放疗计划的靶区以及关键组织的勾画在许多文献中有详尽描述[1]。病人基本信息及放疗信息描述如表1。

表1 病人基本资料

1.2 TCP和NTCP模型

本 文 采 用 Niemierko 等 提 出 的 基 于 等 效 均 匀 剂 量（Equivalent Uniform Dose，EUD）的参数化 TCP 和 NTCP 模型[2]，分别为式 (1)、(2)：

其中， TD50表示能控制 50% 的肿瘤的照射剂量值， TD50表示某种正常组织经照射后一段时间内有 50% 发生并发症的剂量值，而 EUD 为式 (3)。

其中，vi和 Di表示某一体积 vi受到剂量 Di的照射，而 a 和 γ则为控制参数，可以从临床数据拟合而来。本模型能较好地符合经典放射生物学理论并具有相对简单的表达式，从而便于临床数据拟合和计算机辅助分析。本文使用的一些参数值如表2。

表2 正常组织参数

1.3 数据处理方法

参照文献[3]，我们采用 Matlab R2009a 编程来实现上述模型的数值计算及图形显示，计算数据如表3。数据统计分析由 SPSS17.0 来完成。三维适形放疗计划由 CMS 公司FOCUS系统来实现。

表3 TCP和NTCP统计

CRT ：常规放疗 ；3DCRT ：三维适形放疗。

2 结果

所有 40例病人都采用常规分割放疗，即每天剂量为1.8～2.0Gy，每周 5 次。常规放疗和三维适形放疗的总剂量无差异，因此可以排除总剂量对模型计算的影响。在 TCP计算结果中，虽然 CRT 和 3DCRT 比较无差异，但从标准差的结果来看，CRT 的总剂量的不均匀性要高于 3DCRT，说明受正常组织并发症的限制，常规放疗的剂量有时难以达到理想的目标剂量。在 NTCP 的计算结果中，对于脑干的伤害，3DCRT 要优于 CRT，不过，由于在常规放疗过程中也考虑到对脑干的保护，因此，脑干的 NTCP 在 CRT和 3DCRT 结果中显示二者的均值的差别不是太大。对于晶体，CRT 和 3DCRT 都作了严密的保护，其所受剂量均很低，NTCP 的计算基本无意义。而在 CRT 中，腮腺基本没有受到保护，其 NTCP 必然是比较高的 ；相反，在 3DCRT 中，由于有多方向入射角，使得腮腺所受的射线总量要远远低于 CRT，从而其 NTCP 值要远远低于 CRT。

3 讨论

近一段时间以来，随着计算机技术以及医学影像技术的飞速发展，肿瘤放射治疗计划已经逐步成熟和完善。放 疗 技术从常规放疗 发 展 到 如 今 的 调 强放疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），射线剂量计算越来越精确，肿瘤定位精度越来越高，射线对正常组织和器官的伤害也越来越小，对病人各个部位的受照剂量的控制也越来越容易，从而使得放疗计划逐步向个体最优化方向发展。为了实现基于生物学意义上的放疗最优化，放射生物学模型便越来越引起研究者们的重视。这些模型中，基于 EUD的肿瘤控制概率（TCP）和正常组织并发症概率（NTCP）模型获得了较广泛的应用，该模型由 Niemierko 等人在 1999 年提出[2]，随后逐步得到完善和发展[4]。由于射线与生物细胞或分子相互作用的不确定性，几乎所有的模型均以随机概率分布的形式来表达，这种模型比较复杂，必须利用计算机编程来实现模型的数值计算；另一方面，模型中带有许多参数，这些参数必须通过各种相关的临床或实验数据来拟合。显然，数据越准确越完备，则模型越精确。Emami以及 Michael等人经过不断的研究，逐步建立起了比较完备的各种正常组织或器官的参数[5-6]，本文中所采用的参数便是基于他们的研究成果。从目前的应用来看，基于放射生物学模型的放疗计划评估显示出了较好实际效果[7-9]，不过，相对放射治疗而言，放射生物学模型在临床的应用还处于早期实验状态。其对放疗计划的评估还比较粗糙：首先，模型的应用一般是假设肿瘤或正常组织内部是均匀的；其次，模型的应用大都基于放疗计划输出的剂量体积直方图（DVH）[8]，缺少各种结构的空间信息 ；另外，模型的参数选择还是基于实验数据的经验，个体化特性缺失。在这三种不足中，前两种都可以将放射生物学模型与治疗计划系统整合起来来解决，而第三种则相对复杂：病人个体的解剖信息可以通过各种影像技术来获取，而各种组织和器官的生物学信息则很难通过简单和无损的方式获得。如何利用现有的医疗检查、检验设备来建立个体化的放射生物学模型参数，将是放射生物学模型在放射治疗临床上得到充分应用的首要问题。

4 结论

当前较成熟的肿瘤放疗 TCP 和 NTCP 模型能在一定程度上指导放疗计划设计，以实现基于生物学意义上的放疗优化。不过由于模型参数较复杂，且许多参数还是人为设定的，这样使得此类模型的临床应用受到很大限制，还需要大量的临床数据来修正和完善。

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[4]Gary Luxton, Paul J Keall, Christopher R King． A new formula for normal tissue complication probability (NTCP) as a function of equivalent uniform dose (EUD) [J]． Physics in Medicine and Biology,2008,53:23-36．

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[9]张书旭,等．MatriXX系统结合TLD测量电子线全身放疗射野剂量参数的研究[J]．中国医疗设备,2009,(2):9-11．

Comparative Analysis of Nasopharyngeal Carcinoma (NPC) Radiotherapy Based on TCP and NTCP Model

CHEN Hai, YANG Lin, LIU Xiaodong, WEN Ting
Radiotherapy Department, General Hospital of Guangzhou Military, Guangzhou Guangdong 510000, China

ObjectiveTCP and NTCP models were computed through computer programming and used for comparative analysis of nasopharyngeal carcinoma (NPC) radiotherapy.MethodsTCP and NTCP models were computed with Matlab. The treatment plans of 40 NPC patients treated by radiotherapy during 2006 and 2008 were selected and their TCP and NTCP were computed and analyzed.ResultsThe statistic results of TCP were no difference between conventional radiotherapy and 3D conformal radiotherapy, while the results of NTCP of brainstem and parotid were significant difference between the two techniques, especially the results of parotid.ConclusionTCP and NTCP model can be used to evaluate the radiotherapy plan effectively.

radiotherapy; nasopharyngeal carcinoma (NPC); tumor control probability (TCP); normal tissue complication probability (NTCP)

R815

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.015

1674-1633(2011)01-0051-02

2010-09-09

2010-10-22

作者邮箱：jcmoney@163．com