等效均匀剂量优化方法在前列腺癌患者放射治疗中的应用

王沛沛，顾宵寰，李金凯，曹远东，王亭亭（通信作者）

江苏省人民医院放射治疗中心 （江苏南京 210029）

放射治疗是治疗前列腺癌患者的主要手段，治疗技术从常规二维、三维适形放射治疗（CRT）发展到调强放射治疗（IMRT）、容积旋转调强放射治疗（VMAT），在提高肿瘤剂量的同时降低了周围正常组织受量。等效均匀剂量（EUD）最初是Niemierko提出的一种生物等效剂量[1-3]，其表示的是产生与不均匀照射相同的细胞存活所需要的均匀照射的剂量。

EUD是生物剂量的一种等效形式，其具有生物效应上的意义，因此也称为生物等效均匀剂量[4]。目前调强计划多采用剂量-体积（DV）优化法，每个约束条件只代表一个感兴趣区的剂量体积直方图（DVH）曲线上一个点的期望值，不能对整个曲线的每个点进行约束，而使用EUD代替DV约束，可能克服其局限性[5-6]。本研究分别采用DV和EUD优化算法作为靶区的目标函数，对前列腺癌设计VMAT计划，比较两组不同优化算法的优化结果，从而评估EUD优化算法在前列腺癌VMAT计划优化中的应用价值，为临床计划设计提供参考，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取南京医科大学第一附属医院2018年9月至2019年6月收治的行前列腺癌术后辅助放射治疗的20例患者，年龄54～80岁，中位年龄67.5岁。

患者均采取仰卧位，盆腔热塑膜固定；定位前排空大小便，然后饮水800 ml，使膀胱充盈，并用膀胱测量仪定量分析；使用CT模拟定位系统（Siemens Sensation Open，德国）进行扫描，扫描范围从腰1椎体上缘至坐骨结节下5 cm，层厚0.5 cm；获得的CT图像通过DICOM格式传输至医科达医师工作站 Monaco Sim（Version 5.1）。

由放射治疗医师勾画靶区及危及器官（OARs）；参照ICRU 50号和62号报告及其他影像资料，勾画计划肿瘤靶区（PGTV）和计划靶区（PTV），勾画的OARs有直肠、膀胱及双侧股骨头。

1.2 计划设计

使用医科达Monaco Sim（Version 5.1）三维治疗计划系统对20例患者分别采用DV和EUD优化算法为目标函数的VMAT计划，其他优化条件均不变。VMAT的弧度范围为200°～160°（起始角度为200°，顺时针旋转至160°，弧长为320°），顺时针旋转。处方剂量：PGTV给予74.25 Gy/33 F、2.25 Gy/F，PTV给予66 Gy/33 F、2.0 Gy/F，要求至少95%的靶区满足处方剂量，V110%（靶区接受处方剂量的110%的体积）＜2%，靶区外无剂量热点（高于110%处方剂量的区域）。OARs剂量限量要求：直肠V70＜15%（直肠受照70 Gy的体积百分比小于15，以此类推），V60＜25%，V50＜50%；膀胱V50＜50%；双侧股骨头V30＜50%，V50＜5%。

1.3 计划评价

每个计划完成后，按照PGTV的V74.25=95%剂量归一；利用DVH评价靶区剂量分布和OARs受量。

1.3.1 靶区评价参数

（1）靶区剂量评估：根据ICRU 83号报告[7]，比较D2%（2%靶区体积接受的剂量，为靶区的近似最大剂量）、D98%（98%靶区体积接受的剂量，为靶区的近似最小剂量）、D50%（50%靶区体积接受的剂量，近似于靶区的平均剂量）。（2）适形性指数（CI）：CI=（TVPTV/VPTV）/（VTVp/TVPTV），式中，TVPTV为靶区内参考等剂量线包饶的体积，VPTV为靶区体积，VTVp为参考等剂量线包饶的区域体积，CI值越接近1说明靶区适形度越好。（3）均匀性指数（HI）：HI=（D2%-D98%）/Dp，式中，Dp为靶区的处方剂量，HI值越接近0表示靶区剂量均匀性越好。

1.3.2 OARs评价参数

由于直肠、膀胱以及股骨头的毒副反应发生率与受照平均剂量、受照体积均有关，所以对3者的受照平均剂量Dmean以及不同剂量照射的体积百分比进行评价，评价指标具体为：直肠以及膀胱的Dmean、V70、V60、V50、V40；双侧股骨头的Dmean、V30（因双侧股骨头的V50受量均为0，所以在此不做评价）。

1.3.3 治疗相关参数

控制点（CPs）、机器跳数（MU）。

1.4 统计学处理

采用SPSS 20.0统计软件对两组计划方式的结果进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量学比较

两组目标优化算法的结果均能满足靶区处方剂量要求。

PGTV 的 处 方 剂 量 为74.25 Gy，D98%、D2%、D50%3项数据越趋近于74.25 Gy越理想。表1结果显示，Plan_DV与Plan_EUD计划中PGTV的D2%、D98%、D50%差异非常小，Plan_DV的D98%、D50%分别低于Plan_EUD计划组78.76 cGy、55.86 cGy，更接近靶区剂量，但差异无统计学意义（P=0.19、0.32）；Plan_DV 的D2%高于 Plan_EUD 计划组73.45 Gy，更接近靶区剂量，但差异无统计学意义（P=0.49）；Plan_DV与Plan_EUD两组计划的CI和HI相近，Plan_DV组CI略好，Plan_EUD组HI略好，但差异均无统计学意义（P=0.11、0.67）。

PTV 的处方剂量为66 Gy，D98%、D2%、D50%3者 Plan_DV组均优于Plan_DV组。表2结果显示，Plan_DV组的D98%为6 476.21 cGy，高于 Plan_EUD 组的6 457.20 cGy，差异有统计学意义（P=0.01）；两组计划的D2%比较，差异无统计学意义（P=0.4）；Plan_DV组的D50%为7 022.24 cGy，优于Plan_EUD组的7 055.94 cGy，差异有统计学意义（P=0.00）；两组计划的CI和HI相当，Plan_EUD组CI略好，两组HI相同，差异均无统计学意义（P=0.69、0.17）。

表1 PGTV剂量学参数比较（）

表1 PGTV剂量学参数比较（）

参数 Plan_DV Plan_EUD D98%（cGy） 7 400.83±54.56 7 479.59±105.36 D2%（cGy） 7 900.65±75.76 7 883.06±119.01 D50%（cGy） 7 641.54±69.41 7 697.94±100.69 CI 0.64±0.09 0.59±0.08 HI 0.07±0.01 0.05±0.01

表2 PTV剂量学参数比较（）

表2 PTV剂量学参数比较（）

注：与Plan_EUD比较，aP＜0.05

参数 Plan_DV Plan_EUD D98%（cGy） 6 476.21±39.66a 6 457.20±26.51 D2%（cGy） 7 781.10±69.82 7 802.36±108.64 D50%（cGy） 7 022.24±130.22a 7 055.94±102.54 CI 0.85±0.03 0.86±0.03 HI 0.20±0.01 0.20±0.02

2.2 OARs剂量学比较

两组计划均能满足所有OARs剂量限量要求，见表3。（1）直肠：Plan_DV组的Dmean和V40低于Plan_EUD组，差异有统计学意义（P=0.00、0.00）；Plan_EUD组的V70、V60、V50均低于Plan_DV组，其中V70差异无统计学意义（P=0.29），V60、V50差异有统计学意义（P=0.02、0.00）。（2）膀胱：Plan_DV 组的Dmean、V70、V50、V40均低于Plan_EUD组，差异有统计学意义（P=0.00、0.00、0.00、0.00）；Plan_EUD组的V60低于Plan_DV组，差异有统计学意义（P=0.00）。（3）左侧股骨头：两组计划的Dmean和V30相近，差异无统计学意义（P=0.21、0.28）。（4）右侧股骨头：两组计划的Dmean相近，差异无统计学意义（P=0.13）；Plan_DV组的V30低于Plan_EUD组，差异有统计学意义（P=0.02）。

2.3 治疗相关参数比较

Plan_DV组的CPs少于Plan_EUD组，Plan_EUD组的MU少于Plan_DV组，差异均有统计学意义（P=0.00、0.02），见表4。注：与Plan_EUD比较，aP＜0.05

表3 OARs剂量学参数比较（）

表3 OARs剂量学参数比较（）

注：与Plan_EUD比较，aP＜0.05

OARs Plan_DV Plan_EUD直肠Dmean（cGy） 3 927.98±328.19a 3 941.61±333.41 V70（%） 4.77±2.60 3.85±2.04 V60（%） 21.31±3.22a 19.18±3.12 V50（%） 35.65±4.17a 34.34±4.21 V40（%） 49.18±5.39a 49.19±5.91膀胱Dmean（cGy） 2 391.25±435.98a 2 501.74±408.63 V70（%） 4.05±2.29a 4.72±2.39 V60（%） 13.23±3.73a 13.07±3.69 V50（%） 17.81±4.87a 18.46±4.19 V40（%） 22.67±5.91a 23.94±5.42左侧股骨头Dmean（cGy） 2 144.74±307.7 2 144.34±266.17 V30（%） 11.14±7.59 11.38±6.68右侧股骨头Dmean（cGy） 2 056.75±347.9 2 135.9±248.64 V30（%） 10.89±9.37a 11.77±7.59

表4 两组计划治疗相关参数比较（）

表4 两组计划治疗相关参数比较（）

参数 Plan_DV Plan_EUD CPs 132.70±14.24a 146.70±19.69 MU 1 006.21±128.93a 851.42±87.19

3 讨论

EUD是一种生物等效形式，在放射治疗计划设计和优化中的价值日益受到广泛关注。国内外多项研究显示，基于EUD优化的IMRT计划可以在保证靶区剂量的同时，有效降低OARs的受量[8-11]。Monaco治疗计划系统采用蒙特卡洛计算算法，为靶区提供了基于EUD和基于DV的两组优化方式。本研究分别采用两组靶区优化方式为20例前列腺癌患者设计VMAT计划，并对两组计划的剂量学参数和效率参数进行了对比，为临床前列腺癌计划设计提供参考。

本研究结果显示，两组靶区优化方式的结果均能满足临床使用。前列腺邻近的重要OARs为直肠和膀胱，特别是直肠，因此与放射治疗相关的放射反应主要为直肠和泌尿系统反应，这也是前列腺癌患者放射治疗后生命质量降低的主要原因。多项研究表明，前列腺癌放射治疗中直肠并发症与受照剂量和体积有明确的关系[12-13]。有研究显示，25%直肠体积照射剂量≤70 Gy时，直肠2级及2级以上的晚期并发症可控制在16%以内[14-15]。Fiorino等[16]研究为直肠2级RBL提供了有效的剂量-体积参数预测：接受50 Gy、60 Gy和70 Gy的直肠体积分别在60%、45%和25%以下。本研究结果显示，直肠受量的V70、V60、V503项Plan_EUD组均低于Plan_DV组，对直肠有更好的保护，进一步降低了直肠并发症的发生率。

前列腺的位置变化还受膀胱充盈状态的影响，定位前，使膀胱充盈，并用膀胱测量仪定量，在保护膀胱的同时尽量保证前列腺的位置固定。Boersma等[17]总结大量文献后得出30%膀胱照射50～65 Gy 或20%膀胱照射65～75 Gy 则泌尿系统的并发症可控制在5%～10%。本研究中两组计划膀胱受量均较低，完全满足膀胱的剂量限制要求。两组比较，Plan_EUD组膀胱的V60较低，其他对比参数Plan_DV组受量较低。

两组计划的治疗参数比较，Plan_EUD组明显降低了MU，平均降低了约15%，明显缩短了治疗时间并减少了加速器的损耗，提高了靶区的生物效应和机器的治疗效率。

综上所述，基于DV和EUD优化算法作为靶区的目标函数的前列腺癌VMAT计划均能满足靶区处方剂量和OARs的剂量限制要求。Plan_EUD组肿瘤靶区的均匀性更好，对于直肠的保护更有优势，且Plan_EUD组MU明显较低，加速器执行更加高效。