苦参凝胶对近距离放射治疗患者的直肠壁剂量学特征的影响

孟皓宇 何强 张柏霖 甄鑫 靳怀志 王学涛＊

1 广东省中医院放射治疗区 （广东 广州 510000）

2 南方医科大学 （广东 广州 510000）

内容提要： 目的：验证注射苦参凝胶对近距离放射治疗患者的直肠壁剂量学特征的影响。方法：回顾性采集到25例宫颈癌患者注射苦参凝胶前后的临床数据，包括治疗计划、CT图像。对各个治疗分次的直肠壁用精确点配准算法对直肠表面剂量进行累加，并将3D剂量分布映射到二维平面上，将直肠人为地分成近端和远端，并从中分别提取剂量体积特征和剂量几何特征。利用配对样本t检验筛选出具有显著性差异的特征。结果：直肠壁表面配准精度高，显示较好鲁棒性。精确点配准后，直肠近端筛选出具有显著性差异的DVP特征2个、DGP特征50个，直肠远端筛选出26个DVP特征，共30个DGP特征。直肠与直肠未充盈状态下的对比可以发现直肠后壁受照剂量减少。结论：注射苦参凝胶对直肠后壁具有保护作用。

宫颈癌是女性最常见的恶性癌症之一，病死率高居女性癌症第二位[1]。近距离放射治疗是宫颈癌最常用的治疗方法，放射直肠炎是放射治疗最常见的并发症[2]。本研究将苦参凝胶注射直肠内，增大直肠后壁与宫颈癌的距离，以期减少直肠受照剂量。采用ICRU89号报告推荐的剂量体积参数D0.1cc、D1cc、D2cc（最高剂量点处0.1、1、2cm3体积内的最小点剂量）结合基于精确表面剂量累加的方法评价危及器官放射性毒性，更好地评估器官的形变、位移、摆位误差以及剂量的空间几何分布信息[3]。精确点配准得到总剂量分布后，加大采样密度，从3D剂量分布和2D剂量分布图中提取剂量体积特征，剂量几何特征[4]。采用配对样本t检验的方法比较苦参凝胶充盈直肠前后的特征变化。

1.资料与方法

1.1 临床资料

本文回顾性收集25例宫颈癌放疗患者临床数据。所有患者均注射苦参凝胶，注射前后各行CT扫描，同一个医生勾画直肠外轮廓线得到直肠掩模图像，同一个物理师用PLATO系统（Nucletron 14.3.7 9）做后装治疗计划。患者均接受近距离放疗，剂量为30Gy/5F。

1.2 方法

1.2.1 剂量累加和3D-2D剂量映射

通过精确点配准算法对放疗间各个分次的直肠壁进行配准，得到各个点的变形场，通过过B-spline插值计算总变形场，通过该变形场对各个分次的直肠壁进行变形和剂量累加，得到总的3D受照剂量[5]。将直肠3D受照剂量映射到2D平面上，对每一层的直肠轮廓线计算其几何中心，从几何中心等间隔引出n（n=30）条射线交于直肠轮廓线上n个点，对应n个剂量值（见图1）。即将3D剂量展开得到z×n的2D剂量矩阵（z为直肠物理长度）[3]。将直肠分为3份，靠近放射源一端为近端NEAR（1/3），远离放射源为远端FAR1、FAR2（各为1/3）。

1.2.2 剂量特征参数

采用剂量几何特征（DGPs）和剂量体积特征（DVPs）具有显著性差异的个数来评价注射苦参凝胶对直肠壁的保护作用。在最高剂量点周围Xcm3内最小点剂量，本文中x∈[0.1,10]，间隔为0.1cm3，共100个剂量体积特征。不同剂量水平下（45～100Gy）的剂量区域（剂量区间的间隔为1Gy）提取几何特征，包括剂量区域的周长、面积、剂量区域相对于RSDM中直肠表面面积的相对面积、相对宽度即相应CT切片上剂量区域最大宽度相对于直肠周长的比率等，以最高剂量的1/20等间隔将所有剂量由低到高分为20组，以特证名-组序命名，每组11个特征，共220个。

图1.二维直肠受照剂量分布图（红色为高剂量区，蓝色为没有剂量的区域，其余颜色为低剂量区域）

1.3 统计学分析

采用配对样本t检验分析DVPs、DGPs和纹理特征对于注射苦参凝胶实验组和没有注射苦参凝胶对照组之间的统计学差异。P＜0.05表示为两组数据存在显著性差异。

2.结果

2.1 直肠表面配准结果

直肠配准结果如图2所示。从图中可以看出直肠无论是大形变还是小形变TOP-DIR均获得满意的配准结果，显示其较好的鲁棒性。图中，黄色网格线是待配准直肠轮廓线，红色网格线是第一次治疗计划的直肠轮廓线，配准前两次CT图像显示直肠形变度不同，各个方向吻合效果差，通过变形场精确匹配后分次间直肠轮廓线高度吻合。

图2.直肠形变较大（左）、直肠形变较小（右）2种情况下TOP-DIR的配准情况

2.2 二维剂量分布图对比

图3是注射苦参凝胶前后二维剂量对比图。红色代表高剂量区，浅蓝色代表低剂量区，绿色代表中剂量（过度区），深蓝色剂量为0。注射苦参凝胶后的二维剂量图直观显示直肠受照剂量明显减少，外围低剂量区收缩更圆滑、浅红色部位明显收缩，中剂量区范围减小。

2.3 特征提取结果

FAR端提取到的具有显著性差异的DVP特征有26个。NEAR端提取到的具有显著性差异的DVP特征有2个。FAR1提取到的具有显著性差异的DGP特征有17个，FAR2提取到的具有显著性差异的DGP特征有13个，NEAR端提取到的具有显著性差异的DGP特征有50个。直观数据量显示注射苦参凝胶明显影响直肠后壁剂量学特征。详细数据见表1。

表1.特征提取结果

图3.二维剂量对比图

3.讨论

放射性直肠炎是宫颈癌放疗最常见的并发症，常见放疗后的患者生活质量低[6]。接受高剂量照射的直肠体积大小是发生放射性直肠炎的主要原因。本文回顾性研究中，在直肠中注射苦参凝胶。可以根据直肠的形状而变化，克服了栓剂接触面积小、难以渗入黏膜和灌肠液作用时间短等缺点。注射苦参凝胶后，使直肠后壁远离高剂量区域，增加与放射源之间的距离从而达到保护直肠的目的。

本文在评估塞入苦参凝胶对直肠的保护作用时，采用的是基于精确点配准的参数的筛选。由于D0.1cc/1cc/2cc是不考虑器官形变的基础上计算得到的，因而无法准确反映受照剂量。需要通过准确的变形算法，得到总的受照剂量。TOPDIR算法能解决分次间直肠的变形问题，获取到精确的直肠表面剂量分布，进一步准确地反映直肠毒性与受照剂量之间的关系。

本文通过精确点配准算法得到直肠表面受照总剂量，通过3D-2D的转化能将3D受照剂量映射到2D平面上，从3D总剂量和2D平面上提取剂量体积参数和剂量几何特征，筛选出注射苦参凝胶前后显著性差异最大的特征。结果表明，基于精确点配准基础之上，注射苦参凝胶后对直肠后壁剂量学特征影响明显，直肠后壁受照剂量减少，对直肠后壁起到保护作用。