Plan IQ 和Monaco 优化乳腺癌改良根治术后放射治疗计划的剂量学研究

胡项英（通信作者），罗翼，冼绍波，梁增健

柳州市中医医院肿瘤科放疗室 （广西柳州 545000）

乳腺癌是女性的常见恶性肿瘤之一，全球乳腺癌发病率自20世纪70年代末开始一直呈上升趋势。手术、化疗、放射治疗以及内分泌治疗和生物治疗等多学科的综合应用提高了乳腺癌的局部控制率[1]。目前，乳腺癌术后改良根治术是国内的主要手术方式，能显著提高乳腺癌的局部控制率和患者的生存率[2-3]。乳腺癌改良根治术实施辅助放射治疗时，照射的靶区范围主要包括胸壁和锁骨上、下淋巴结区[4]。传统的乳腺癌放射治疗多使用三维适形放射治疗（three dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT）或正向调强技术。3D-CRT 在保证疗效的同时，增加了患侧肺和心脏的受量，可能会导致患者肺功能和心脏功能下降，从而降低生命质量。随着放射治疗技术的发展，采用静态、动态调强方式逆向计划的静态调强（static intensity modulated radiotherapy，IMRT）和 动 态 滑 窗 调 强（dynamic intensity modulated radiotherapy，DMLC）技术广泛运用于乳腺癌患者的治疗中[3-4]，不仅能得到较好的靶区剂量均匀性和较高的适形度，也能较好地保护心脏、肺、脊髓等危及器官组织。但是，随着对靶区覆盖度和危及器官保护要求的增加，一种基于容积弧形调强（volume arc intensity modulated radiotherapy，VMAT）的新技术应运而生。作为一种剂量率不断变化的动态调强技术，VMAT 已经在头颈部肿瘤[5]、盆腔肿瘤[6-7]和胸部肿瘤[8]患者的治疗中体现出了很大的优势。

Plan IQ 是Sun Nuclear 公司近两年推出的计划预测和评估软件，根据射线的物理性质预测靶区剂量和危及器官受量的范围关系，评估计划质量，从而达到提高优化计划速度和质量的目的。本研究的目的是研究分析Monaco 计划系统设计乳腺癌改良根治术放射治疗DMLC 计划和VMAT 计划的剂量学特性，并与乳腺癌的3D-CRT 计划进行剂量学比较，归纳得到DMLC、VMAT、3D-CRT 3种放射治疗技术的剂量学特点，并利用Plan IQ 软件技术预测和评估乳腺癌改良根治术放射治疗计划质量水平和难易程度。目前，国内还很少有用Monaco 计划系统研究探讨乳腺癌改良根治术后胸壁和锁骨上及腋窝淋巴结等预防区照射的相关剂量学问题，本研究结合Plan IQ 和Monaco 计划系统，从最新的动态调强和容积调强技术方面探讨乳腺癌改良根治术后放射治疗的相关剂量学问题，从而为物理师和临床医师优化放射治疗计划提供指导。

1 材料与方法

1.1 仪器与设备

Sun Nuclear 公 司 的Plan IQ 软 件 和ARCCheck 三 维 矩阵验证系统，放射治疗专用飞利浦32排螺旋CT，医科达公司网络系统Mosaiq，医师工作站，放射治疗计划系统（treatment planning system，TPS）Monaco5.11.01和飞利浦计划系统Pinnacle9.8，医用直线加速器 Synergy，配备 40对多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC），叶片宽度为10 mm。

1.2 一般资料

选取2017年6月至2018年6月我院收治的乳腺癌改良根治术后患者10例，其中左、右乳腺癌各5例，中位年龄50岁，均在我院原西门子Primus 加速器上接受过3D-CRT。

1.3 定位方法

患者采取仰卧及两侧上肢抬至头顶交叉放置的治疗体位进行摆位固定和CT 扫描，采用我院自制的有一定倾斜角度的乳腺托架固定，使用大小合适的头枕，且头枕位置固定。在CT 模拟定位机下进行平静呼吸CT 扫描，扫描层厚5 mm，扫描范围包括整个患侧乳腺和上下界外放5 cm 左右的距离，获得CT 影像后通过配套网络传输至治疗计划系统（treatment planning system，TPS） 中。

1.4 靶区和危及器官勾画

所有靶区均由我院两名放射治疗副主任医师参照美国肿瘤放射治疗协作组织（radiation therapy oncology group，RTOG）和乳腺癌放射治疗计划图谱在Pinnacle9.8系统上勾画完成。临床靶区1（clinical target volume 1，CTV1）定义为胸壁区域，CTV2 定义为腋窝及锁骨上相关预防照射区域。计划靶区（planning target volume，PTV）由CTV1、CTV2在三维方向上外扩得到，前界在皮肤表面下3 mm，其他方向上各扩5 mm，实际勾画过程中根据肿瘤分期及部位进行适当调整。危及器官包括患侧肺、健侧肺、全肺、心脏、脊髓、周围软组织。每例患者的靶区、危及器官及CT 影像以Dicom 格式传至Monaco 计划系统。

1.5 计划设计

3D-CRT 计划是患者实际实施治疗的计划，使用Pinnacle9.8系统三维治疗计划设计，主要是乳腺胸壁2个切线野，加上切线野方向上4个子野的正向调强；锁骨上和腋窝淋巴结预防区主要用345°和165°或者15°和205°2个对穿野照射；另外，对每例患者使用Monaco 计划系统设计DMLC 和VMAT 两种计划，均选用医科达医用直线加速器 Synergy 6 MV X 线，计算网格3 mm，设置相同的射野中心点，采用相同的优化函数和算法进行优化。DMLC 计划采用7 野照射，先确定好等中心的位置，起始野分别在胸壁靶区内外侧界的切线上，而后依次向中间选取相差 10°的 4 个野，加上1个垂直胸壁靶区的射野共7个照射野。VMAT 计划则运用2个半弧，当病灶位于左侧时， 顺时针从305°至125°，再反转至305°；当病灶位于右侧，则逆时针从55°至235°，再反转至55°。具体射野角度在执行过程中会根据靶区形状不同稍微不同。

3种计划设计中的靶区处方剂量均为50 Gy/25 F，约束条件参照ICRU83号报告[9]，根据患者实际情况，DMLC和VMAT 计划在以下两种情况下进行优化计划：（1）PTV V95≥95%（95%的处方剂量应包含不少于 95%的靶体积），患侧肺 V20≤30%，V30≤ 20% ，健侧肺V5≤5%，脊髓最大量（Dmax）≤30 Gy，心脏 V30≤10% ；（2）PTV V100≥95%（100%的处方剂量应包含不少于 95%的靶体积），患侧肺 V20≤35%，全肺V20≤20%，V30≤15%，脊髓最大量（Dmax）≤30 Gy，心脏 V30≤10% 。其中，Vx表示某危及器官受≥x Gy 剂量的辐照体积占总体积的百分比，Vx越大则受照剂量越大。

1.6 计划评估

本研究主要比较DMLC和VMAT两种计划的剂量体积直方图（Dose volume histogram，DVH）并评估两种计划在医科达直线加速器的治疗出束时间T。PTV：评估靶区的最大剂量、最小剂量、平均剂量（Dmean）、适形性指数（conformability index，CI）以及均匀性指数（homogeneity index，HI）。CI=（VT，ref/VT）×（VT，ref/Vref），其中VT，ref 为参考等剂量面所包绕的靶区体积，Vref 为参考等剂量面所包绕的所有区域的体积，VT为靶体积，参考等剂量面取 95% 的处方剂量线[10]；CI 越接近1，说明靶区的适形度越好。HI＝1+（D5-D95）/Dmean，其中D5、D95分别表示5%、95%体积的靶区所接受的照射剂量，HI 越接近1，表明PTV 内部剂量分布越均匀[11]。危及器官：主要评估健侧肺、患侧肺、全肺、心脏、脊髓等的相关剂量体积参数Vx、Dmean，脊髓的最大剂量用D1（1%体积所受剂量）表示。

2 结果

从靶区的角度看，与3D-CRT 计划相比，Monaco 计划系统优化的DMLC 和VMAT 计划在靶区的覆盖、均匀性和适形性上有绝对优势，图1是左右乳腺DMLC 计划和VMAT计划的处方剂量覆盖V50Gy 满足95%对应的DVH 图。从图中的DVH 和表1、表2中靶区剂量分布可以看出,与3D-CRT相比，7野DMLC 和VMAT 计划在很大程度上提高了靶区剂量均匀性和适形性，且对危及器官的保护较好，脊髓Dmax＜30 Gy，心脏V30＜5%；在靶区剂量覆盖基本相同的情况下（表1～2），考虑危及器官受量（表3～4），7野DMLC计划可以获得更加良好的靶区剂量分布，高量V110值较低，HI 值较低，尤其是对肺、心脏等危及器官保护较好；而VMAT 计划CI 值较高，具有更好的适形性，且计划执行时间相对较短。

表1 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V50 Gy满足95%时靶区剂量分布情况（±s）

表1 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V50 Gy满足95%时靶区剂量分布情况（±s）

项目 PTV（%） HI CI V107 V110右肺型 DMLC 95.88±0.78 1.06±0.01 0.78±0.01 4.12±2.52 0.01±0.01 VMAT 95.91±0.71 1.07±0.01 0.82±0.02 5.26±4.59 0.05±0.07左肺型 DMLC 95.90±0.67 1.06±0.01 0.79±0.01 5.02±2.90 0.03±0.03 VMAT 95.73±0.59 1.07±0.00 0.82±0.03 4.56±1.95 0.03±0.03

表2 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V47.5 Gy满足95%时靶区剂量分布情况（%，±s）

表2 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V47.5 Gy满足95%时靶区剂量分布情况（%，±s）

项目 PTV1 PTV2 CTV1 CTV2右肺型 DMLC 96.82±0.58 96.89±2.35 98.03±1.68 99.25±0.98 VMAT 95.82±1.05 96.15±1.58 98.23±1.11 99.23±0.79 3D-CRT 94.97±3.34 83.93±4.09左肺型 DMLC 96.52±2.03 97.26±1.84 97.99±0.47 99.63±0.70 VMAT 96.73±0.85 98.37±1.70 96.97±1.10 99.87±0.24 3D-CRT 94.85±1.20 82.95±4.24

图1 左右乳腺癌型DMLC 计划和VMAT 计划的处方剂量覆盖V50 Gy满足95%的DVH 图

在两种靶区剂量覆盖情况下危及器官受量比较见表3～4。从危及器官受量方面分析：（1）3D-CRT 计划虽然在危及器官受量方面较低，尤其是肺的受量很低，但是由于三维计划特点的限制，其靶区剂量覆盖只是在CTV 不满足95%的情况下得到的危及器官受量；（2）在临床要求允许的情况下，无论是左肺型还是右肺型的计划，DMLC 计划肺受量的各项指标都比VMAT 计划的值低，其他危及器官心脏和脊髓的受量也较低，因此在相同靶区剂量要求的情况下，Monaco 计划系统计算的7野DMLC 计划较好，对患者的保护较好；（3）两种不同靶区剂量覆盖下，左肺型计划比右肺型的计划算出的肺V5受量值较低，而V20和V30较高，即左肺型患者在肺损伤方面较右肺型患者稍大。

表3 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V47.5 Gy满足95%时危及器官肺剂量分布情况（±s）

表3 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V47.5 Gy满足95%时危及器官肺剂量分布情况（±s）

项目 V5（%） V20（%） V30（%） 平均值（cm3）右肺型 3D-CRT 38.01±5.52 24.37±0.63 20.40±0.80 1 217.06±35.06 DMLC 56.23±4.75 28.02±1.78 21.80±2.27 1 511.34±105.81 VMAT 62.08±2.22 31.04±0.71 22.66±0.45 1 622.50±14.89左肺型 3D-CRT 41.25±5.42 23.80±5.72 19.54±5.26 1 203.18±249.64 DMLC 63.40±4.42 28.49±3.75 21.79±4.02 1 560.68±168.22 VMAT 69.63±11.31 28.96±6.50 20.65±5.24 1 587.92±292.44

Plan IQ 预测值方面分析：图2为各靶区剂量、危及器官受量实例和Plan IQ 预测值的比较图，图中带有箭头的曲线是Monaco 计划系统计算的实例结果，而4种有颜色的曲线区块是Plan IQ 预测值，在一定的靶区剂量下，首先是黑色曲线区块表示某一正常危及器官受量很容易达到这个范围内，深灰色曲线区块表示有一定的难度，浅灰色曲线区块是很难达到的要求范围，白色表示基本不可能达到这个要求；从图2中的4个小图可以看出，实际计算的靶区剂量和各危及器官受量已经基本达到极限，很难再继续优化，另外一方面证实在一定的靶区处方剂量要求下，Plan IQ 软件可以很好地预测各危及器官受量，从而为临床医师提供指导，提高效率。

表4 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V50 Gy满足95%时危及器官肺剂量分布情况（±s）

表4 DMLC 和VMAT 计划的处方剂量覆盖V50 Gy满足95%时危及器官肺剂量分布情况（±s）

项目 左肺型 右肺型DMLC VMAT DMLC VMAT单肺 V5（%） 64.22±7.77 66.62±7.88 70.52±7.19 85.98±6.01 V20（%） 33.82±1.60 36.04±4.40 33.30±3.08 34.27±7.42 V30（%） 27.36±1.41 26.52±2.53 26.37±3.31 24.88±6.60 平均值（cm3） 1 807.98±91.15 1 834.08±160.27 1 806.18±141.66 1 920.48±308.25全肺 V5（%） 33.31±1.90 36.39±2.93 42.21±5.17 53.12±4.01 V20（%） 15.54±1.59 16.41±1.84 19.06±1.46 19.61±4.05 V30（%） 12.56±1.37 12.14±1.36 15.17±1.65 14.30±3.59 平均值（cm3） 962.80±54.08 1 001.88±75.13 1 109.12±67.15 1 210.18±174.74

3 讨论

与其他肿瘤相比，乳腺癌术后照射区域较广、靶区分散，形状较不规则，且胸部的重要器官较多。放射治疗是乳腺癌患者术后的主要治疗方式。近年来，调强技术发展日趋成熟，DMLC 和VMAT 是目前两种主流的放射治疗技术，两者在乳腺癌的治疗中虽有较多研究[12-19]，但应用Plan IQ预测评估和Monaco 系统优化设计乳腺癌术后计划的应用研究较少。

图2 各靶区剂量、危及器官受量实例和Plan IQ 预测值的比较图

本研究结果表明，DMLC 和VMAT 两种放射治疗技术均能满足临床处方要求，但剂量学上存在一定的差异。7野DMLC 计划在保证靶区处方剂量的同时可以获得较低HI 值，高量也较低，尤其是肺、心脏等危及器官受量较低。从表3、表4中可以看出计算结果与何亚男等[15]和贺先桃等[16]的研究结果有所不同，主要由3种原因引起：（1）本研究是将锁骨上肿瘤靶区和乳腺胸壁靶区剂量分开单独计算的，而其他研究是将这两个靶区合在一起计算的；（2）我院是中医医院，一般来治疗的患者病情较晚期，肿瘤靶区较大，故正常危及器官的受量也较大；（3）本计划设计是在临床靶区外扩3 mm 的计划靶区计算的数据，这是考虑摆位误差为保证靶区不脱靶，而何亚男等[15]和贺先桃等[16]是直接在临床靶区上设计的计划，靶区体积较小，正常危及器官的受量就更低。VMAT 计划CI 值较高，具有更好的适形性，计划计算和执行时间相对较短。这是因为DMLC 主要是在切线野或接近切线野方向上布野，在牺牲靶区适形性的情况下（CI 较差），得到较低的危及器官受量。而VMAT 计划在本研究中没有明显的优势，可能与我院的加速器光栅的宽度和运动速度有关，从而限制VMAT 技术的发挥。

本研究中，Plan IQ 能预测评估计划中靶区和危及器官受量，Plan IQ 的原理是导入医师勾画靶区和危及器官的CT图像，给靶区一定处方剂量的6 MV 的X 线照射，靶区周围组织的受量是以每厘米下降1 000 cGy 的辐射量向外均匀的扩散，因此，Plan IQ 在预测靶区和危及器官受量时只是考虑射线在人体组织中辐射的物理性质。而实际计划在优化过程中会综合考虑射线性质、直线加速器和光栅的性能以及其他正常危及器官的相互制约性质等，所以Plan IQ 预测的靶区剂量和危及器官受量在总体上是最理想化的结果，而实际用Monaco 计划系统优化的计划中有的危及器官的受量不能很好地符合预测值，但能准确地预测各靶区剂量和危及器官受量范围和难易程度，而且可以预测各危及器官之间的制约关系，当需要某一危及器官受量在某个固定值，其他危及器官的受量也会相应改变。如本研究中，当心脏或脊髓的受量限制较严时，肺的受量就会越难达到理想的预测值。

综上所述，在使用Monaco 计划系统设计乳腺癌改良根治术放射治疗计划时，7野DMLC 和VMAT 两种调强计划均能满足临床要求，如果对肺等危及器官要求较严格时，推荐使用7野DMLC 技术，以获得更好的靶区剂量分布和较低的危及器官受量；在对肺的V5不作要求的情况下，则推荐VMAT 计划，可以得到较低的危及器官受量和较好的均匀性以及较短的计划执行时间，提高效率。而Plan IQ 在乳腺癌计划预测靶区剂量和危及器官受量以及计划评估和优化方面具有很好的临床指导作用。