基于smart LMC算法的动态调强技术在舌癌术后放疗中的剂量学研究

岳堃，姚原，贾晓斌，董晓庆，袁峥玺

1.上海交通大学医学院附属第九人民医院放疗科，上海201900；2.上海大学通信与信息工程学院，上海200444；3.同济大学附属第十人民医院放疗科，上海200072

前言

全球肿瘤发病率和死亡率呈快速上升趋势，肿瘤的放射治疗是肿瘤治疗的手段之一，目前肿瘤的调强放射治疗技术为主流技术［1］。随着物理及计算机技术的发展，多叶准直器（Multileaf Collimator,MLC）技术日趋完善，使得调强放疗（IMRT）在肿瘤临床放射治疗中得到越来越广泛的应用［2-7］。在IMRT治疗中，射线强度的调制是借助MLC叶片的运动来实现剂量的不均匀分布。根据叶片运动方式和出束关系的不同，通常以两种模式来实现：静态调强［8-10］和动态调强［11-14］。在静态调强方法中，不同调制强度的子野按照特定的顺序以“步进”的方式进出束，即叶片在运动的过程中加速器处于停止出束的状态，叶片运动到达各自指定位置并保持静止后才开始出束。而在动态调强中，叶片以不断变化的速度始终保持运动，且在整个叶片运动过程中，加速器均处于出束状态。在Varian自主研发的治疗计划系统Eclipse中，这两种调强方式可通过静态调强放疗（Step-and-Shoot,SS）和动态调强放疗（Sliding Window,SW）技术分别实现。

在前期的研究中，国内外学者比较了两种优化方式在鼻咽癌、前列腺癌及乳腺癌等病例中的剂量学差异，发现采用SW技术具有较好的靶区剂量分布，而SS模式对正常组织的保护则略优于SW［15-16］。在SS技术下，优化结果也会受到强度级数的影响。Budgell［17］研究表明SS模式下，强度级数为15～25，足以满足计划需求。Keller-Reichenbecher等［18］报道，普通的调强计划，强度级数只需等级5即可。葛宁等［19］对不同强度级数SS及SW在治疗效率、靶区和危及器官的剂量学参数进行比较，建议强度级数10的SS模式进行鼻咽癌放射治疗。Chui等［15］研究发现，SS强度级数为10时，就能得出具有与SW相当的计算结果；强度级数增至20以上，优化结果也几乎没有获益。对一些非复杂计划，使用强度级数5即可完成。

13.6版本的Eclipse治疗计划系统（TPS）中，对SW技术采用一种新的叶片运动优化算法smart LMC（smart Leaf Motion Calculator），配合高精度多叶准直器（High-Definition Multileaf Collimator，HD-MLC；120叶准直器，总宽度22 cm，中心32对叶片宽度0.25 cm，两边各14对叶片宽度0.50 cm）的速锋刀（EDGE），使得调强计划具有更为优化的剂量分布。本文旨在探讨装配了全新软硬件设施的速锋刀上不同调强技术的剂量学比较。

1 材料与方法

1.1 病例选择

结合上海交通大学医学院附属第九人民医院头颈肿瘤外科的特色，选取26例舌癌（分期为T2-3N1-2M0）术后的病例，其中男16例，女10例，年龄45～68岁，中位年龄55岁。由于速锋刀的叶片总宽度仅为22 cm，在兼顾计划复杂性的同时，选取病人的靶区头脚方向长度均小于20 cm。

1.2 CT定位和靶区勾画

根据患者手术前后的临床检查、CT/MRI等影像学资料、病理及ICRU 83号报告靶区定义原则，在扫描层厚为2.5 mm的定位CT上由同一位副主任医师进行靶区和正常组织的勾画。高危亚临床靶区（术前瘤体边缘3D方向加1.0～1.5 cm，若原发灶不明或外放后未包术床时则需将术床作为靶区）及高危淋巴结区（转移淋巴区及其下一站淋巴区）给予60 Gy/30 F的照射剂量；对侧颈部低危预防区（如pN1即需包括对侧II-IV区淋巴结）给予54 Gy/30 F的剂量照射［17］。

1.3 计划制定

对26例病例分别制定3个调强计划，每个计划采用6 MV的X线以九野均分的方式进行照射。在计划优化时分别选择SW和SS两种方式进行，其中SS优化时，结合前人研究结果，强度级数选择默认等级10。EDGE作为TrueBeam系列的高端机型，结合新版本Eclipse中的smart LMC算法，可在软硬件上支持一种新的技术—铅门跟随（Jaw Tracking），因此第3个计划基于smart LMC算法的新动态调强放疗（SW-smart）即采用smart LMC算法，运用Jaw Tracking技术的SW优化方式。

1.4 计划评估

将计划归一为60 Gy处方剂量覆盖95%的PTV60体积，参考ICRU 83号报告，分别对3个计划进行剂量学的分析与评估。

1.4.1 靶区评估在评估靶区时，主要评估靶区的以下几项参数：近似最小剂量D98%，近似最大剂量D2%，中位剂量D50%，均匀性指数（HI）及适形度指数（CI）。HI=(D2%－D98%)/D50%，CI=VT，ref/VT×VT，ref/Vref，其 中 D2%、D98%、D50%分别表示2%、98%和50%PTV所受的照射剂量；VT,ref为参考等剂量线包绕的靶区体积，VT为靶区体积，Vref为全身接受处方剂量的体积。HI值越接近0，靶区均匀性越好；CI值小于等于1，越接近1，靶区适形度越高。考虑到PTV60的影响，PTV54的CI值此处不作评估。

1.4.2 危及器官评估脊髓和脑干的最高剂量（Dmax），喉的平均剂量（Dmean）及50 Gy剂量线包绕的体积V50，左右腮腺Dmean及30 Gy剂量线包绕的体积V30，咽缩肌及唇Dmean。

1.5 机器跳数及治疗时间的测量

分别记录所有病人3种计划的平均机器跳数和治疗时间（不包括摆位时间，从第一个野出束开始至最后一个野出束完成所需的时间），比较不同计划的临床实施效率。

1.6 统计学分析

用SPSS软件对优化数据进行统计学处理。每个病例的3种优化结果均采用均数±标准差表示，均值比较采用单因素方差分析（one-wayANOVA）。组间的两两比较选用LSD-t检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区评估

3种不同技术优化结果中，靶区的剂量学评估比较及统计学分析结果如表1和表2所示。由结果可以看出，3种算法的靶区评估比较对于高危靶区和预防靶区，体现出相同的规律：（1）与SS相比，SW可有效控制靶区的高量，且运用Jaw Tracking技术SW-smart靶区D2%最低，高量控制最好；3种算法结果之间的比较均具有统计学意义。（2）对靶区近似最小剂量D98%的评估，3种算法之间不存在统计学差异。（3）动态调强技术在降低中位剂量D50%、提高靶区HI及CI方面体现出明显的优越性。SW与SW-smart的靶区D50%均小于SS（更接近处方剂量），CI值均高于SS（更接近1），HI值均小于SS（更接近0），结果均具有统计学意义；SW-smart这3项参数指标略优于SW，但二者之间的比较没有统计学意义。

表1 不同计划的靶区评估比较（±s）Tab.1 Comparison of target evaluations among different treatment plans(Mean±SD)

表1 不同计划的靶区评估比较（±s）Tab.1 Comparison of target evaluations among different treatment plans(Mean±SD)

images/BZ_22_1308_842_2303_917.pngPTV60 PTV54 D2%/cGy D98%/cGy D50%/cGy CI HI D2%/cGy D98%/cGy D50%/cGy HI 6 278.89±43.87 5 942.69±23.18 6 157.04±25.34 0.91±0.03 0.06±0.01 5 647.25±44.85 5 411.71±44.47 5 554.47±39.62 0.04±0.01 6 402.45±47.93 5 932.09±22.72 6 197.23±34.57 0.85±0.08 0.07±0.01 5 745.21±56.00 5 389.19±47.29 5 594.79±39.65 0.07±0.01 6 334.30±49.56 5 935.75±21.79 6 170.17±36.49 0.89±0.04 0.06±0.01 5 679.80±56.32 5 403.58±41.82 5 571.02±40.18 0.05±0.01

2.2 危及器官评估

各危及器官的剂量学评估比较及统计学分析结果如表3和表4所示。对于所有危及器官的计算结果，均是SW-smart最优，SS次之，SW计划对正常组织的保护最差。但是统计学分析表明，SW与SS之间的比较没有统计学意义，仅SW-smart与其余两项技术相比，在正常组织的保护上具有统计学意义上的优势。同时，对于评估剂量体积的参数，如喉的V50及左右腮腺的V30，3种计划的优化结果之间均不存在统计学意义。

2.3 机器跳数及治疗时间的比较

3种计划的平均跳数及治疗时间如表5所示。在这3种计划中，SS的跳数最少，SW-smart和SW之间没有明显差异。SS的治疗时间则是三者当中最长的，SW-smart和SW之间同样没有明显差异，二者治疗用时比SS节省约22%。

3 讨论

本文对舌癌病例不同优化方法的比较研究，结果显示在新机型EDGE上，无论是传统的SW技术还是结合新算法的SW-smart技术与强度级数为10的SS模式比较，靶区剂量分布具有统计学优势［20］。固定野动态调强能更好地控制靶区高量，且有更优的靶区适形度、均匀性及更接近处方的中位剂量。如图1所示，SS和SW的不同优化方法导致上述的结果。图1中实线表示剂量强度曲线，左右点线分别表示一对叶片（leading leaf&trailing leaf）的运动路径。SS的优化方式是步进式的，其剂量强度曲线是离散的，而SW方式是在叶片运动的过程中不断出束，剂量强度曲线的变化是连续的。与SS阶梯状的剂量强度相比，SW的分布曲线更加圆滑，这也使得SW方法的优化结果更加接近最终实际的剂量分布。

表2 靶区各评估参数统计学分析Tab.2 Statistical analysis on evaluation parameters of target areas

对危及器官受量的分析比较可知，SS和SW对于正常组织的保护没有统计学上的差异。Eclipse的SW方法是叶片对按照从左往右的固定方向运动，开始出束时叶片对位于靶区的左边界。靶区需接受大剂量照射的部分，叶片对是开放的，且处在靶区内部。需低剂量照射的部分，叶片对会在治疗开始时，在左侧准直器后面停留一段时间，之后这些叶片对在安全的情况下开始以最快的速度向右移动。当出束结束时，所有的叶片对都将停留在靶区的右边界。而在出束过程中，每对叶片中至少有一根叶片在以最大速度运动（值得注意的是，此处的最大速度和每对叶片起始及终止位置及强度分布的复杂度有关，因此每对叶片有独特的最大速度，并不是设备所允许的固定的最大机械运动速度）。SW连续的剂量强度曲线在提供比SS方法更好的靶区剂量分布的同时，不可避免地增加正常组织暴露在射野内的时间和体积。但是上述的SW优化策略尽可能缩短了出束时间，减少了漏射剂量。因此SS方法对正常组织的保护虽然略优于SW，但是二者之间没有统计学差异。而SW-smart方法在传统优化方法的基础上采用Jaw Tracking技术，在MLC运动过程中，铅门位置并不是停留在靶区左右边界之外，而是在不影响靶区剂量的情况下一直跟随MLC一同运动，更好地减少叶片间的漏射。因此SW-smart与其余两种方法相比，对正常组织的保护有统计学意义上的优势。

表4 不同计划的危及器官评估比较（±s）Tab.4 Comparison of organs-at-risk evaluation among different treatment plans(Mean±SD)

表4 不同计划的危及器官评估比较（±s）Tab.4 Comparison of organs-at-risk evaluation among different treatment plans(Mean±SD)

images/BZ_24_541_578_718_652.pngimages/BZ_24_541_787_718_921.pngimages/BZ_24_541_1056_718_1131.pngimages/BZ_24_718_578_907_652.pngimages/BZ_24_907_578_1261_652.pngimages/BZ_24_1261_578_1616_652.pngan/cGy 50/cc 2 965.52±72.61 1.56±0.70 3 013.20±70.5 1.76±0.72images/BZ_24_718_787_907_921.pngimages/BZ_24_718_1056_907_1131.pngimages/BZ_24_907_787_1261_921.pngimages/BZ_24_907_1056_1261_1131.pngimages/BZ_24_1261_787_1616_921.pngimages/BZ_24_1261_1056_1616_1131.png结构脊髓喉右侧腮腺唇Dmax/cGy Dme V Dmean/cGy V30/cc Dmean/cGy参数 SW-smart 3 488.01±90.22 2 276.70±34.26 26.10±5.43 1 401.67±21.71 SS 3 568.03±100.98 6 2 355.70±50.33 27.25±5.51 1 428.11±21.34 SW 3 595.07±82.24 3 418.78±139.07 3 040.03±75.67 1.85±0.72 2 343.45±58.41 28.94±5.32 2 359.25±52.25 27.85±5.23 4 089.01±128.06 1 435.36±21.13

表5 不同技术机器跳数及治疗时间比较Tab.5 Comparison of delivery time and monitor units among different techno logies

图1 SW和SS出束方式示意图Fig.1 Delivery modes of SW and SS

评估喉和腮腺的剂量体积参数时，3种方法之间均没有统计学上的差别。导致这一现象的原因可能是优化参数的目标设定过于宽松，3种方法的优化结果均远远低于目标（喉的V50＜20%，左右腮腺的V30＜50%），并不能体现出各方法的优劣。这也为今后的计划设计提供思路，这些较轻易达到的正常组织限量可适当严格目标函数，为患者提供更好的保护。

与传统的SW方法相比，新技术并未增加计划跳数和计划的执行时间，虽然连续出束导致的跳数比SS方法增加，但计划执行时间却减少约22%。在临床实践中可有效提高工作效率，并减少因治疗时间过长而引入的靶区位置误差，提高治疗精度。

综上所述，Varian的速锋刀机型结合新版本Eclipse中的smart LMC算法，与传统静态及动态调强相比，在头颈部舌癌术后放射治疗计划的优化上具有明显的优势。新技术可提供更好的靶区剂量分布，提高HI及CI，降低靶区高量。不同于传统的动态调强，新技术在提升靶区优化的同时，新算法的Jaw Tracking技术为危及器官提供更好的保护。新技术并未增加计划跳数和计划的执行时间，结合医院的特色，是提高效率、改善舌癌术后放射治疗计划的有效可行方案。