限量环个数对宫颈癌固定野调强放疗计划的影响研究

陈 颖，钟志鹏，焦 杨，刘茹佳

（荆门市第二人民医院放疗科，湖北荆门448000）

0 引言

宫颈癌发病率居女性恶性肿瘤第二位，是常见的妇科恶性肿瘤之一[1]，放射治疗作为其主要治疗手段具有显著疗效[2]。调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）技术在满足靶区剂量与靶区适形的同时，可降低危及器官和正常组织的受照剂量[3]。小肠、直肠和膀胱的放疗并发症发生率与照射剂量显著相关[4]，放疗计划对于危及器官的限制条件，一般基于剂量-体积物理优化函数或等效均匀剂量（equivalent uniform dose，EUD）生物优化函数设置[5-6]。此外，为了保护危及器官和正常组织、保证处方剂量与靶区高度适形，设置限量环也是设计IMRT 计划时常用的剂量限制方法。目前，少见限量环个数对IMRT 计划影响的相关报道。基于此，本研究分别设计无限量环、1 个限量环、2 个限量环和3 个限量环的宫颈癌IMRT 计划，比较这4 种IMRT计划的剂量学参数、二维剂量验证通过率以及治疗参数差异，分析限量环个数对宫颈癌IMRT 计划的影响。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2017 年6 月至2018 年6 月于本院行宫颈癌根治术后IMRT 患者30 例，年龄范围为45～72岁，中位年龄54 岁。参考国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）关于宫颈癌分期标准，所选取患者临床分期均为Ⅰb～Ⅲb 期。30 例患者此前均未接受过放疗，无放疗禁忌证，肝肾功能无明显损害。

1.2 定位方式

患者定位前均清空直肠，定位前1 h 排完小便，再喝适量水憋尿以便充盈膀胱[7]。患者定位时取仰卧位，平躺于碳纤维治疗床，双手上举交叉抓杆，用体部热塑膜固定。采用GE LightSpeed 64 排螺旋CT 采集患者增强影像数据，层厚0.5 cm，经网络传输至CMS XiO 4.80 计划系统。

1.3 靶区及危及器官勾画

参考ICRU 62 号报告，由同一经验丰富的肿瘤医师在Focal 工作站上勾画靶区及危及器官。靶区包括临床靶区（clinical target volume，CTV）和计划靶区（planning target volume，PTV），其中CTV 包括肿瘤原发灶，上段阴道，宫旁组织，髂总、髂内、髂外、骶前、闭孔淋巴引流区，PTV 为CTV 在三维方向上外放0.5 cm 所得。危及器官包括直肠、小肠、膀胱、股骨头、骨盆。

1.4 IMRT 计划设计方法

采用医科达公司Precise 加速器，基于CMS XiO 4.80 计划系统分别设计无限量环（Plan_0）、1 个限量环（Plan_1）、2 个限量环（Plan_2）、3 个限量环（Plan_3）的固定野IMRT（fiexd-fields IMRT，ff-IMRT）计划。其中，Plan_0 无限量环；Plan_1 的限量环距PTV 0.5 cm，限量条件为最高剂量比处方剂量低500 cGy；Plan_2在Plan_1 基础上添加1 个距PTV 1 cm 的限量环，新添加限量环的限量条件为最高剂量比处方剂量低1 000 cGy；Plan_3 在Plan_2 基础上添加1 个距PTV 2 cm 的限量环，新添加限量环的限量条件为最高剂量比处方剂量低2 000 cGy。所有ff-IMRT 计划的射野角度均为180、129、78、27、233、282、231°，准直器角度均为0°，基于剂量-体积物理优化函数的限制条件均相同。所有ff-IMRT 计划子野分割算法均使用Smart Sequencing 运算方式，最小子野面积为4 cm2，最小子野跳数为4 MU。

处方剂量为4 500 cGy/25 f。为了便于评价，4 种ff-IMRT 计划靶区覆盖率归一到4 500 cGy 覆盖95%（≥95%）的靶区体积，靶区的热点剂量与冷点剂量不超过处方剂量的±7%。危及器官保护要求为：小肠V45＜20%（V45为4 500 cGy 所包绕的体积，以此类推），直肠V45＜50%，膀胱V45＜35%，股骨头V30＜20%，骨盆V30＜50%。

1.5 IMRT 计划评估

（1）靶区剂量学评估。参考ICRU 83 号报告，按以下指标评估PTV 剂量：①最大剂量D2%（D2%为2%PTV 体积的受照剂量，以此类推）；②平均剂量Dmean；③最小剂量D98%；④靶区覆盖率（处方剂量包绕的靶体积与靶体积之比）；⑤靶区适形指数（conformity index，CI），其计算公式：CI=（VTref/VT）×（VTref/Vref），其中，VTref为参考等剂量线所包绕的靶体积，VT 为靶体积，Vref为参考等剂量线所包绕的体积，CI 值介于0～1，CI值越接近于1，说明靶区适形性越好；⑥靶区均匀性指数（homogeneity index，HI），其计算公式：HI=（D2%-D98%）/D50%，HI 值越小，说明靶区均匀性越好。

（2）危及器官受照体积评估。统计小肠、直肠、膀胱V20、V30、V40、V45，双侧股骨头V20、V30、V45，骨盆V10、V20、V30、V45，评估4 种ff-IMRT 计划之间的差异。

（3）正常组织受照体积评估。统计正常组织V5、V10、V15、V20、V25、V30、V35、V40，评估4 种ff-IMRT 计划之间的差异。

（4）二维剂量验证。采用SunNuclear 公司的Map-CheckⅠ，以3%/3 mm 的误差标准对所选取30 例患者的4 种ff-IMRT 计划进行二维剂量验证，比较其通过率。

（5）机器跳数及治疗时间评估。统计机器跳数及治疗时间，评估4 种ff-IMRT 计划之间的差异。

1.6 统计学方法

采用SPSS 18.0 软件对计量数据进行统计学分析。计量数据均进行正态性检验，服从正态分布时以均数±标准差（±s）表示，不服从正态分布时以中位数（四分位数）表示。计量数据服从正态分布且方差齐时，多组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用Tukey 检验；不服从正态分布或方差不齐时，多组间比较采用Kruskal-Wallis 秩和检验，两两比较采用Dunnett T3 检验。P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量学参数比较

表1 为4 种ff-IMRT 计划靶区剂量学参数比较结果。由表1 可以看出，4 种计划靶区分布均满足临床治疗要求，PTV 的D2%、Dmean、D98%、靶区覆盖率、CI和HI 差异均无统计学意义（P＞0.05），表明限量环个数不影响靶区剂量分布。

表1 4 种ff-IMRT 计划的靶区剂量学参数比较结果（±s）

表1 4 种ff-IMRT 计划的靶区剂量学参数比较结果（±s）

注：4 种计划比较，P＞0.05

计划名称 D2%/cGy Dmean/cGy D98%/cGy 靶区覆盖率/% CI HI Plan_0 4 768.7±35.1 4 615.9±48.0 4 460.1±34.5 95.05±0.03 0.816±0.003 0.095±0.002 Plan_1 4 750.0±42.4 4 669.1±46.6 4 450.1±32.0 95.03±0.02 0.818±0.003 0.095±0.002 Plan_2 4 743.7±54.6 4 647.0±49.4 4 449.9±42.6 95.04±0.03 0.818±0.003 0.094±0.002 Plan_3 4 743.5±45.8 4 632.0±29.3 4 477.4±45.4 95.05±0.04 0.816±0.003 0.093±0.002

2.2 危及器官剂量学参数比较

4 种ff-IMRT 计划危及器官剂量限制均能达到临床治疗要求。对于小肠，Plan_2 与Plan_3 的V20、V30、V40均低于另外2 种计划，差异有统计学意义（P＜0.05），4 种ff-IMRT 计划的V45差异无统计学意义（P＞0.05）；对于直肠，Plan_2与Plan_3 的V20、V30、V40均低于另外2 种计划，差异有统计学意义（P＜0.05），Plan_1、Plan_2 的V45与Plan_3 比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）；对于膀胱，Plan_2 与Plan_3 的V20、V30、V40均低于另外2 种计划，差异有统计学意义（P＜0.05），且Plan_3 的V30低于Plan_2 的V30，4 种ff-IMRT 计划的V45差异无统计学意义（P＞0.05）。4种ff-IMRT 计划的小肠、直肠、膀胱剂量学参数比较结果见表2。

表2 4 种ff-IMRT 计划小肠、直肠、膀胱剂量学参数比较结果（±s）%

表2 4 种ff-IMRT 计划小肠、直肠、膀胱剂量学参数比较结果（±s）%

注：a 表示与Plan_0 比较，P＜0.05；b 表示与Plan_1 比较，P＜0.05；c 表示与Plan_2 比较，P＜0.05；d 表示与Plan_3 比较，P＜0.05；e 表示Plan_0 与Plan_1 的参数无比较意义

小肠 直肠膀胱V20 V30 V40 V45 V20 V30 V40 V45 V20 V30 V40 V45 Plan_0 81.6±0.3bcd 50.7±0.9bcd 30.8±0.4bcd 16.0±0.6 100.0±0.0cde 100.0±0.0cde 78.0±2.4bcd 48.5±1.2bcd 100.0±0.0cde 100.0±0.0bcd 65.6±0.6bcd 33.5±1.3 Plan_1 73.3±0.5acd 45.7±0.9acd 27.6±0.8acd 16.0±0.8 100.0±0.0cde 100.0±0.0cde 68.6±2.1acd 45.1±0.4a 100.0±0.0cde 98.2±0.5acd 62.5±0.5acd 33.1±0.8 Plan_2 69.6±0.6ab 39.8±1.3ab 24.7±0.8ab 16.2±0.5 96.7±0.4ab 88.5±1.0ab 59.0±1.0ab 45.4±0.9a 96.2±0.5ab 75.1±0.5abd 45.8±0.6ab 33.8±0.9 Plan_3 69.4±0.4ab 39.1±0.7ab 24.9±0.5ab 15.8±1.5 97.1±0.3ab 88.6±0.9ab 59.3±1.3ab 45.4±0.9a 96.2±0.7ab 70.2±1.2abc 44.8±1.4ab 33.4±0.8计划名称

Plan_2 与Plan_3 中双侧股骨头V20均低于另外2 种计划，差异有统计学意义（P＜0.05），4 种ff-IMRT计划双侧股骨头V30、V45差异均无统计学意义（P ＞0.05）；Plan_2 与Plan_3 的骨盆受照剂量均低于另外2 种计划（P＜0.05）。4 种计划双侧股骨头、骨盆剂量学参数比较结果见表3。

表3 4 种ff-IMRT 计划双侧股骨头、骨盆剂量学参数比较结果（±s）%

表3 4 种ff-IMRT 计划双侧股骨头、骨盆剂量学参数比较结果（±s）%

注：a 表示与Plan_0 比较，P＜0.05；b 表示与Plan_1 比较，P＜0.05；c 表示与Plan_2 比较，P＜0.05；d 表示与Plan_3 比较，P＜0.05

右侧股骨头 左侧股骨头 骨盆V20 V30 V45 V20 V30 V45 V10 V20 V30 V45 Plan_0 56.8±0.9bcd 19.0±0.8 5.3±1.2 57.0±0.6bcd 18.9±0.6 6.1±1.2 93.0±0.3cd 63.4±1.0cd 49.8±0.8cd 34.4±0.9cd Plan_1 52.1±1.2acd 18.3±0.6 5.1±0.5 56.9±1.5acd 18.2±0.6 5.9±0.7 92.8±0.5cd 62.6±1.5cd 49.8±0.3cd 34.9±0.6cd Plan_2 48.8±1.3ab 18.1±0.7 4.8±0.8 48.1±1.4ab 17.9±0.9 6.0±1.1 85.2±0.5ab 58.2±1.1ab 42.0±0.5ab 28.1±0.6ab Plan_3 49.0±1.1ab 17.9±0.6 4.5±0.9 48.4±1.3ab 17.6±0.5 5.8±0.9 85.2±0.4ab 57.7±1.2ab 42.4±1.0ab 28.0±0.8ab计划名称

综上表明，2 个限量环与3 个限量环保护危及器官的作用基本相同，均优于无限量环和1 个限量环。

2.3 正常组织剂量学参数比较

4 种ff-IMRT 计划正常组织剂量学参数比较结果见表4。由表4 可以看出，4 种IMRT 计划正常组织V5、V10和V40差异均无统计学意义（P＞0.05）；Plan_2 与Plan_3 的正常组织受照剂量V15、V20和V25明显低于Plan_0、Plan_1，差异有统计学意义（P＜0.05）；Plan_0 的正常组织受照剂量V30、V35明显高于另外3 种计划，差异有统计学意义（P＜0.05）。

综上表明，2 个限量环与3 个限量环保护正常组织的作用相当，且优于无限量环和1 个限量环。

表4 4 种ff-IMRT 计划正常组织剂量学参数比较结果（±s）%

表4 4 种ff-IMRT 计划正常组织剂量学参数比较结果（±s）%

注：a 表示与Plan_0 比较，P＜0.05；b 表示与Plan_1 比较，P＜0.05；c 表示与Plan_2 比较，P＜0.05；d 表示与Plan_3 比较，P＜0.05

计划名称 V5 V10 V15 V20 V25 V30 V35 V40 Plan_0 58.9±1.2 49.7±1.1 43.7±0.3cd 36.6±1.4bcd 32.8±1.0bcd 21.7±1.4bcd 14.8±0.4bcd 2.2±0.2 Plan_1 59.5±1.2 49.8±0.8 44.2±0.6cd 35.1±0.4acd 26.0±0.4acd 15.2±0.6a 10.1±1.0a 2.3±0.3 Plan_2 59.4±1.7 49.5±0.7 40.9±1.0ab 32.3±1.2ab 23.0±0.6ab 15.2±0.3a 10.0±0.5a 2.2±0.3 Plan_3 59.5±1.2 49.1±0.5 40.8±1.0ab 31.9±1.2ab 23.4±0.8ab 15.1±0.4a 10.4±1.0a 2.1±0.3

2.4 二维剂量验证通过率、机器跳数、子野个数及治疗时间比较

4 种ff-IMRT 计划二维剂量验证通过率差异无统计学意义（P＞0.05），表明限量环个数不影响二维剂量验证通过率；4 种ff-IMRT 计划机器跳数、子野个数及治疗时间变化规律类似，均为Plan_3＞Plan_2＞Plan_1＞Plan_0（P＜0.05），表明限量环个数越多，机器跳数和子野个数越多，治疗时间越长。详见表5。

表5 4 种ff-IMRT 计划二维剂量验证通过率、机器跳数、子野个数及治疗时间比较结果（±s）

表5 4 种ff-IMRT 计划二维剂量验证通过率、机器跳数、子野个数及治疗时间比较结果（±s）

注：a 表示与Plan_0 比较，P＜0.05；b 表示与Plan_1 比较，P＜0.05；c 表示与Plan_2比较，P＜0.05；d 表示与Plan_3 比较，P＜0.05

计划名称 二维剂量验证通过率/% 机器跳数/MU 子野数/个 治疗时间/min Plan_0 98.2±0.6 284.0±16.6bcd 34.0±5.9bcd 5.2±0.3bcd Plan_1 97.6±0.8 478.0±20.7acd 93.0±5.0acd 7.2±0.8acd Plan_2 98.2±0.7 640.2±7.9abd 109.7±4.4abd 11.8±0.8abd Plan_3 97.9±0.6 750.7±4.3abc 122.0±2.2abc 14.1±0.8abc

3 讨论

宫颈癌是最常见的女性生殖道恶性肿瘤，放射治疗是其主要治疗手段之一[8]。宫颈癌术后放疗的靶区形状较大且不规则，肿瘤病灶与小肠、直肠、膀胱等危及器官紧邻[9]，导致这些组织器官不可避免地暴露在照射野内，进而造成一定程度的放疗并发症。如何降低放射性损伤导致的不良反应，一直是宫颈癌放疗中重点关注的问题。本研究比较4 种限量环模式下宫颈癌ff-IMRT 计划的剂量学差异，探讨限量环个数对ff-IMRT 计划的影响。研究结果表明，4 种ff-IMRT 计划靶区剂量学参数均满足临床要求且无统计学差异，部分危及器官、正常组织在受照体积、机器跳数、子野个数和治疗时间方面存在差异。

危及器官的受照体积和受照剂量是导致放射性损伤的主要影响因素[10]。本研究结果表明，通过增加限量环个数，Plan_2 与Plan_3 中小肠V30大幅度降低，与邓海军等[11]的研究中关于小肠V30＜40%的限量要求符合；Plan_2 与Plan_3 中直肠V40明显降低，与Kerkhof 等[12]的有关减少直肠平均受照剂量及V40有利于减轻直肠放射性损伤的思想符合；Plan_2 与Plan_3 中膀胱的受照体积由于增加限量环个数和患者定位前喝水憋尿、保证膀胱充盈度而得到了较好的限制[13]，降低了放射性膀胱炎的发生率[14]；Plan_2与Plan_3 中双侧股骨头V20亦因增加限量环个数而比Plan_0 与Plan_1 低，一定程度上降低了放射性骨损伤的风险；骨盆V10、V20是急性骨髓抑制的重要影响因素[15-16]，骨盆V10＞90%、V20＞72%会显著提高患者发生Ⅲ级及以上骨髓抑制风险[17]，Plan_2 与Plan_3 中骨盆V10＜90%、V20＜72%，与Platta 等[18]报道的骨盆V10、V20参数基本一致，可见增加限量环个数有利于降低骨盆的受照剂量。此外，Plan_2 与Plan_3中正常组织V15、V20、V25亦有不同程度的降低，符合放疗须保护正常组织的原则。

Plan_3 较Plan_2 而言，机器跳数增加约111 MU，子野数增加约12 个，治疗时间延长约2.3 min。分析其原因，是由于IMRT 技术通过多叶光栅实现对射线强度与子野形状的控制，Plan_3 比Plan_2 增加1个约束条件（增加1 个限量环），导致子野形状变复杂、子野个数增多，从而引起机器跳数增多、治疗时间延长。

本研究通过探讨限量环个数对宫颈癌ff-IMRT计划的影响发现：从靶区剂量分布来看，4 组ff-IMRT计划均满足临床要求；从危及器官和正常组织保护方面考虑，设置2 个或3 个限量环较好；结合治疗效率考虑，当设置2 个限量环时，保护作用趋于稳定，增加更多的限量环，可以在一定程度上增强保护危及器官和正常组织的作用，但是会增加治疗时间、降低治疗效率。此外，分析射线能量跌落特性和计划系统的算法特性可知，限量环与靶区的距离对剂量分布也有影响，本研究根据日常工作经验设置相应的限量环与限量条件，期待后续对此展开进一步研究。设置限量环与设置基于剂量-体积物理优化函数或EUD 生物优化函数的限制条件，均是设计放疗计划时常用的方法。目前，主流放射治疗计划系统（如Pinnacle、Eclipse 和Monaco 等）可以通过布尔运算生成感兴趣区域，进而实现与本研究中限量环类似的功能。由于不同计划系统（甚至同一计划系统不同版本）的限量方法与算法都有自身特点，本研究所得结论仅供其他计划系统用户参考。

综上所述，建议在采用CMS XiO 4.80 计划系统设计宫颈癌ff-IMRT 计划时设置2 个限量环。