两种算法在宫颈癌术后调强放疗中的剂量学比较研究*

吴建亭， 狄 慧， 施春明， 黄灿红△， 储开岳， 赵永亮

(1.南通市肿瘤医院， 江苏 南通 226361； 2.如皋市城西医院， 江苏 如皋 226500)

两种算法在宫颈癌术后调强放疗中的剂量学比较研究*

吴建亭1， 狄 慧2， 施春明1， 黄灿红1△， 储开岳1， 赵永亮1

(1.南通市肿瘤医院， 江苏 南通 226361； 2.如皋市城西医院， 江苏 如皋 226500)

目的: 比较蒙特卡罗算法与筒串卷积算法在宫颈癌术后调强放射治疗中的剂量学差异。方法: 随机选择25例宫颈癌术后行调强放疗患者，对同一治疗计划分别用两种算法进行剂量计算，通过剂量体积直方图的剂量体积参数比较两者靶区和危及器官的剂量学差异。结果: 靶区D98、D2、D50、HI蒙特卡罗算法结果低于筒串卷积算法(P﹤0.05)；膀胱V30、V40，直肠V40、D50，股骨头、盆骨V30、V40、D50，脊髓D2、D50蒙特卡罗算法结果低于筒串卷积算法；靶区CI、结肠V30、V40、D50蒙特卡罗算法结果高于筒串卷积算法，以上结果差异均具有统计学意义(P﹤0.05)。结论: 宫颈癌术后调强放射治疗，优先选择蒙特卡罗算法进行计划设计，同时应适当充盈膀胱，减少小肠、结肠卷入射野的体积；如果只能选用筒串卷积算法，应适当增大最小子野面积，减少子野数量。

宫颈癌；蒙特卡罗算法；筒串卷积算法；调强放疗；剂量学

宫颈癌是妇科最常见的恶性肿瘤，术后行放射治疗是广泛应用的辅助治疗方法。由于肿瘤自身生物学行为和所处位置的特殊，术后放射治疗照射范围广，野内危及器官多，传统放疗易导致诸多并发症，影响患者的生活质量[1-2]。调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy，IMRT)作为一种精确放射治疗技术，通过调整多个照射野内的强度分布，在提高肿瘤靶区受照剂量与适形度的同时，还可有效降低周围正常组织的受照剂量。目前有多项研究证实宫颈癌放疗中，调强放疗比传统放疗具有明显的剂量学优势[3]。在调强放射治疗计划优化过程中，算法的不同直接影响到肿瘤靶区与正常组织的剂量分布。目前计划系统的常用算法是筒串卷积算法(collapsed cone convolution, CCC)，虽然该算法计算精度较高，但在某些情况下和实际测量值仍然会有大于5%的误差[4]。蒙特卡罗算法(monte carlo, MC)能精确地模拟粒子与人体相互作用及能量沉积过程，是目前公认的放疗剂量计算“金标准”[5-6]。目前国内大部分放疗单位没有配备MC算法计划系统，关于这两种算法比较的文献少；宫颈癌在我国发病率高，且术后放疗靶区一致性好，作为研究对象干扰因素少，能体现出算法的差异。本研究分析比较两种算法在宫颈癌术后调强放疗剂量计算中肿瘤靶区和危及器官的剂量学差异，以期为临床治疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

随机选取2015年8月至2015年12月在我院接受术后调强放射治疗的宫颈癌患者共25例作为研究对象。患者年龄35～70岁，中位年龄56岁。病理类型：鳞癌21例，腺癌3例，未分化小细胞癌1例。肿瘤分期为：Ⅰb1期5例，Ⅰb2期8例，Ⅱa1期10例，Ⅱa2期2例。手术方式均为广泛子宫切除+盆腔淋巴结清扫术；病理提示阴道切缘及宫旁切缘均为阴性，髂总淋巴结均无转移；无放疗禁忌症，所有患者均采用盆腔外照射治疗。

1.2 方法

1.2.1 CT定位 患者均采用仰卧位，热塑体膜固定，定位前排空直肠，口服造影剂1小时后行CT模拟定位，扫描范围从腰1椎体上缘至耻骨联合下缘5cm，层厚5mm。扫描结束后将图像通过网络传输到医科达公司Monaco 5.1计划系统。

1.2.2 靶区及危及器官定义 为避免人为误差，所有患者靶区和危及器官均由同一位妇瘤放疗专业副主任医师根据国际辐射单位与测量委员会(international commission on radiation units and measurements, ICRU)83号报告进行勾画[7]。临床靶区(clinical target volume, CTV)包括阴道上段1/2及残端、宫旁及阴道旁软组织和盆腔淋巴引流区，范围上界为腰4～5椎体间，下界达闭孔下缘，CTV各方向均匀外放8mm形成计划靶区(planning target volume, PTV)。危及器官(organ at risk, OAR)包括脊髓、小肠、结肠、直肠、膀胱、双侧股骨头、盆骨等。

1.2.3 计划设计 物理师在Monaco 5.1上根据医生确认后的靶区采用7野均分的布野方法及MC算法进行计划设计。处方剂量：45Gy，1.8Gy/次，分25次完成；危及器官限量：小肠、结肠、盆骨、直肠、膀胱V40≤50%，股骨头V50≤5%，脊髓D2≤45Gy[8]。将完成的符合临床要求的调强计划，在保持所有计划参数(射野方向、能量、多页光栅叶片位置、剂量率等)不变的情况下，传输到Raystation计划系统上采用CCC算法重新进行剂量计算。所有计划处方剂量均归一为D95=45Gy。

1.3 统计学方法

2 结 果

2.1 靶区剂量学比较

两组计划均能满足处方剂量覆盖95%靶区的临床要求。本研究根据ICRU 83号报告选取的靶区剂量学指标D98、D2、D50、HI，MC算法值均低于CCC算法，同时MC算法计划的CI大于CCC算法，以上参数差异均具有统计学意义(P﹤0.05)。见表1。

表1 两种算法肿瘤靶区剂量学比较

2.2 危及器官的剂量学比较

对于OAR而言，膀胱V30、V40，直肠V40、D50，股骨头、盆骨V30、V40、D50，脊髓D2、D50MC算法结果低于CCC算法；结肠V30、V40、D50MC算法结果高于CCC算法，以上结果差异均具有统计学意义(P﹤0.05)。膀胱D50，直肠V30，小肠V30、V40、D50等结果差异均不具有统计学意义(P﹥0.05)。见表2。

表2 两种算法危及器官剂量学比较

3 讨 论

本组患者均行广泛子宫+盆腔淋巴结清扫术，放疗范围包括阴道残端、盆腔、盆腔淋巴引流区。术后盆腔解剖结构发生变化，肠管进入髂淋巴引流区，使得在野内受照体积增大，极易产生严重的不良反应。国内外大量研究证实调强放射治疗在宫颈癌治疗中有显著的剂量学优势：能有效提高肿瘤靶区剂量均匀性和适形度，减少周围正常组织受照剂量，从而提高肿瘤局控率，减少胃肠道、泌尿系统不良反应，提高患者生活质量[9-14]。

本研究针对同一宫颈癌术后调强放射治疗计划，采用两种不同的算法进行剂量计算，结果在靶区和危及器官上得到的剂量分布有差异。MC算法的适形指数为0.80±0.01，均匀性指数为0.12±0.01；CCC算法的适形指数为0.78±0.01，均匀性指数为0.13±0.01，差异均具有统计学意义，这表明MC计划的适形度优于CCC计划，且靶区内剂量分布更均匀，同时MC计划的最大剂量、最小剂量、中位剂量值均小于CCC计划，说明CCC算法高估了靶区剂量。对于密度较为均匀的危及器官如股骨头、盆骨V30、V40、D50，脊髓D2、D50两者结果差异也有统计学意义，CCC算法也高估了此类OAR剂量。直肠因肠壁较厚及排空后处于闭合状态，肠壁间隙小，整体密度较为均匀，本研究中CCC算法高于MC算法，V40、D50结果差异有统计学意义，同时直肠与PTV有部分重叠，在计划优化过程中将这部分直肠视为靶区，给予了处方剂量照射，30Gy照射区域几乎包括全部直肠，所以V30两者比较差异没有统计学意义。膀胱与靶区也有少部分重叠，但膀胱充盈后体积较大，且密度比较均匀，本研究结果膀胱V30、V40差异有统计学意义且CCC算法高于MC算法， D50有同样的趋势但不具有统计学意义。结肠的剂量学指标有统计学差异，CCC算法低估了结肠受量；小肠的剂量学指标虽然差异没有统计学意义，但与结肠一样，MC算法的数值高于CCC算法。分析原因，可能与肠腔密度不均匀有关：当射线从低密度介质进入高密度介质时在界面存在侧向电子失衡现象，在高密度介质区域存在二次建成现象，射野面积越小、介质密度越低、射线能量越高则此现象越明显[15-16]。CCC算法作为一种三维数学模型，虽然考虑了不均匀界面侧向电子失衡问题，但在侧向电子失衡的低密度区域，对原射线的计算精度不够，计算值低于此类区域的实际测量值。在本研究中，肠腔内密度低，射线在肠壁内存在二次建成效应，通过CCC算法进行剂量计算，在肠腔内低密度区的剂量要小于MC算法。在IMRT计划中，会有较多的射野及大量的子野，宫颈癌术后放疗照射野内有大量的肠管及肠系膜等低密度区域，小面积子野的大量存在会使得上述侧向电子失衡及二次建成效应放大。因此使用CCC算法进行此类治疗计划设计时，应适当减少子野数及增大最小子野面积，降低上述效应对计划精度的影响。廖雄飞等[17]通过比较笔形束算法与蒙特卡罗算法，也得出了类似的结论。

需要在此说明的是，在MC算法的应用中，使用对介质的吸收剂量还是对水的吸收剂量还存在一定的争议，有研究显示两者之间有差异[18-19]。因本研究涉及两种放疗计划系统，且计划系统建模时采用的数据均由三维水箱在水中测得，为了便于研究顺利进行，MC计算时采用的是对水的吸收剂量。

此外，在临床实践过程中，计划优化计算时间也是算法选择的影响因素之一。CCC算法优化计算时间一般在10分钟左右;而MC则要长很多，而根据蒙特卡罗的计算效率公式η=1/(σ2T)，σ2是方差，T是总CPU时间，它由模拟的粒子数决定，方差σ2与处理的粒子数成反比，可见想要获得高精度的计算结果，其运算速度必然有所下降，在计划设计过程中，MC的优化计算时间一般在1小时左右，虽然计划设计的效率低于CCC算法，但也在临床可接受的范围之内。目前有多个研究表明，通过云计算技术可以大幅度地降低MC计算时间，最多可以在现在基础上节约90%的优化时间[20-22]。

综上所述，宫颈癌术后调强放射治疗，优先选择蒙特卡罗算法进行计划设计，在满足同样处方剂量的要求下，不但提高了靶区适形度、均匀性，而且降低了正常组织的受照剂量，同时应适当充盈膀胱，减少小肠、结肠卷入射野的体积；如果只能选用筒串卷积算法，应适当增大最小子野面积，减少子野数量。

作者声明：本文第一作者对于研究和撰写的论文出现的不端行为承担相应责任。

利益冲突：本文全部作者均认同文章无相关利益冲突；

学术不端：本文在初审、返修及出版前均通过中国知网(CNKI)科技期刊学术不端文献检测系统学术不端检测；

同行评议：经同行专家双盲外审，达到刊发要求。

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Dosimetric Study of Two Algorithms in Postoperative Intensity Modulated Radiotherapy for Cervical Carcinoma*

Wu Jianting1, Di Hui2, Shi Chunming1, et al

(1.NantongTumorHospital,Nantong226361,Jiangsu,China;2.RugaoChengxiHospital,Rugao226500,Jiangsu,China)

Objective: To compare the dosimetric difference between Monte Carlo (MC) and Collapsed Cone Convolution (CCC) in the application of postoperative intensity modulated radiotherapy for cervical carcinoma. Methods: Twenty-five cervical cancer patients who would accept postoperative intensity modulated radiotherapy were randomly selected. Radiation doses were calculated by two algorithms separately for the same treatment plan. Dose volume histogram parameters were used to evaluate the dosimetric difference between MC and CCC in PTV as well as in organs at risk(OAR). Results: D98、D2、D50、HI of PTV in MC plans were lower than those in CCC plans respectively with significant difference(P<0.05). V30,V40of Bladder, V40, D50of rectal, V30, V40, D50of femoral and pelvis, D2, D50of spinal cord in MC plans were significantly lower than those in CCC plans (P<0.05), and CI of PTV, V30、V40、D50of colon were significantly higher in MC plans than those in CCC plans (P<0.05). Conclusion: MC is the priority option for postoperative intensity modulated radiation therapy in cervical cancer patients. Besides, the bladder should be filled to decrease the involved parts of small intestine and colon in designed fields. If the CCC were the only option, the minimal area should be expanded and the segment numbers should be reduced.

Cervical Carcinoma; Monte Carlo; Collapsed Cone Convolution; Intensity Modulated Radiation Therapy; Dosimetry

2016- 09- 12

2016- 11- 10

*南通市科技项目(编号：qyz15016)

吴建亭(1981-)，男，主管技师，研究方向：肿瘤放射治疗计划设计，质量控制。

△黄灿红，副主任医师，E-mail: huanghc1975@163.com

R737.33；R730.55

A

10.3969/j.issn.1674- 0904.2017.01.008