MLC外放边界对宫颈癌固定野调强放疗计划的影响研究

刘茹佳，钟志鹏，杨士勇，喻刘杨，焦 杨，陈 颖

（荆门市第二人民医院放疗科，湖北荆门 448000）

0 引言

宫颈癌是常见的妇科恶性肿瘤[1-2]，术后放疗是降低肿瘤局部复发率、延长生存期的常用辅助疗法[3]。调强放疗（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）技术能兼顾靶区剂量分布、危及器官和正常组织保护，因此被广泛地应用于宫颈癌的临床治疗[4-5]。在设计IMRT计划时，为了保护计划靶区（planning target volume，PTV）以外的危及器官和正常组织，需尽量缩小射野面积。然而，一味地缩小射野面积，将减少散射辐射对吸收剂量的贡献。为了达到处方剂量覆盖率≥95%的临床治疗要求，对于未满足上述要求的IMRT计划需进行归一化处理（即整体推量以达到处方剂量覆盖率要求）。然而，整体推量会在PTV特定区域产生过高的剂量热点，继而引发放疗副反应。IMRT计划通过多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）形成与 PTV高度适形的射野，射野面积与MLC外放边界相关。因此，本研究试图分析不同的MLC外放边界尺寸对宫颈癌固定野 IMRT（fixed-field IMRT，ff-IMRT）计划的影响，寻求最佳的MLC外放边界尺寸，为设计该类ff-IMRT计划提供参考。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2018年10月至2019年9月于本院行宫颈癌术后ff-IMRT患者10例，年龄44～64岁，中位年龄53岁。依据国际妇产科联盟（Federation International of Gynecology and Obstetrics，FIGO）的临床分期标准，所选病例分期均为ⅠB～ⅡB期，病理类型为鳞癌。10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，再喝适量水憋尿以保证膀胱充盈[6]。患者均取仰卧位，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[7]；利用GE Lightspeed 64排CT采集患者增强扫描影像资料，扫描范围为第二腰椎至坐骨结节下5 cm，扫描层厚0.5 cm，将CT图像以DICOM格式传输至CMS XiO 4.80计划系统进行IMRT计划设计。

1.3 靶区和危及器官勾画

靶区和危及器官勾画由同一名经验丰富的肿瘤医师参考美国肿瘤放射治疗协作组织（Radiation Therapy Oncology Group，RTOG）指南在 Focal工作站上完成。临床靶区（clinical target volume，CTV）包括肿瘤瘤床、阴道残端、宫旁组织、盆腔淋巴引流区（髂总、髂内、髂外、骶前、闭孔淋巴引流区），CTV在三维方向上外扩0.5～1 cm得到PTV。危及器官包括直肠、小肠、膀胱、两侧股骨头、骨盆。

1.4 IMRT计划设计方法

采用医科达Precise加速器6 MV X射线，基于CMS XiO 4.80计划系统对每例患者设计10个7野均分（180°起始，逆时针分布）共面ff-IMRT计划，准直器角度均为0°[8]。10个ff-IMRT计划均设置2个限量环[9]，对于通量运算后未达处方剂量的区域，采用局部提量方法改善剂量分布[10]，目标函数预设条件均相同，子野分割算法均使用Smart Sequencing运算方式[11]，其他参数均为默认参数。10个ff-IMRT计划分别命名为 plan0.0、plan0.1、plan0.2、plan0.3、plan0.4、plan0.5、plan0.6、plan0.7、plan0.8、plan0.9，对应 MLC 外放边界尺寸分别为 0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 cm。

PTV处方剂量为45 Gy/25 f，为了便于评价，10个ff-IMRT计划PTV的处方剂量覆盖率归一到V45≥95%（V45为45 Gy所包绕的体积，以此类推），要求热点剂量（≥110%处方剂量）不落在PTV以外。危及器官保护要求为：小肠V45＜20%，直肠V45＜40%，膀胱V45＜30%，两侧股骨头V50＜5%，骨盆V30＜50%[12]。

1.5 IMRT计划评估

CMS XiO 4.80计划系统推荐的MLC外放边界尺寸为0.6 cm，故以plan0.6为参考计划，除plan0.6之外的9个ff-IMRT计划均与plan0.6进行比较。参考ICRU 83号报告，使用剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）[13]按以下指标评估PTV剂量：最大剂量Dmax、平均剂量Dmean、最小剂量Dmin、靶区覆盖率（处方剂量包绕的靶区体积与靶区体积之比）、靶区适形指数（conformity index，CI）、靶区均匀性指数（homogeneity index，HI）。CI的计算公式如下：

式中，IC为靶区适形指数；VT，ref为处方剂量所包绕的靶体积；VT为靶体积；Vref为处方剂量所包绕的体积。CI值越接近于1，说明靶区适形度越好。

HI的计算公式如下：

式中，IH为均匀性指数；D2%、D98%、D50%分别为2%、98%、50%PTV体积的受照剂量。HI值越接近于0，说明靶区均匀性越好。

评估参数：小肠、直肠、膀胱、两侧股骨头、骨盆、正常组织受照体积的百分数Vx及机器跳数、子野个数、出束时间（包括机架转动时间）。

1.6 统计学方法

采用SPSS 20.0软件对计量数据进行统计学分析，计量数据均行正态性检验和方差齐性检验。计量数据服从正态分布时，以均数±标准差（±s）表示；反之，以中位数（四分位间距）表示。计量数据若服从正态分布且方差齐性时，多组间数据比较采用ANOVA分析，两两比较采用Tukey检验；反之，多组间数据比较采用Kruskal-WallisH检验，两两比较采用Dunnett's T3检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PTV剂量学参数比较

10个ff-IMRT计划的PTV剂量学参数见表1，经归一化处理后，各计划的靶区覆盖率均满足临床要求。由表 1 可知，plan0.0、plan0.1、plan0.2的Dmax、HI，plan0.0、plan0.1、plan0.2、plan0.3的Dmin劣于 plan0.6，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表1 10个ff-IMRT计划的靶区剂量学参数比较

2.2 危及器官剂量学参数比较

10个ff-IMRT计划的危及器官剂量学参数见表2、3，各计划的危及器官保护均满足要求。由表2、3 可知，plan0.0、plan0.1的小肠V20、V30、V40及直肠、膀胱V30、V40、V45，plan0.0的两侧股骨头V30，plan0.2的小肠V20及直肠、膀胱V30、V40优于 plan0.6，差异具有统计学意义（P＜0.05）。plan0.7的小肠、直肠V45，plan0.8、plan0.9的小肠、直肠V20、V30、V40、V45，膀胱V45，两侧股骨头V20、V30、V40，plan0.9的膀胱V30、V40劣于 plan0.6，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表2 10个ff-IMRT计划的小肠、直肠、膀胱剂量学参数比较单位：%

2.3 正常组织剂量学参数比较

10个ff-IMRT计划的正常组织剂量学参数见表 4，可知 plan0.0、plan0.1的正常组织V5、V10、V15，plan0.2的正常组织V5低于plan0.6，差异具有统计学意义（P＜0.05）；plan0.8、plan0.9的正常组织V5、V10及 plan0.9的正常组织V15、V20高于plan0.6，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

2.4 治疗参数比较

10个ff-IMRT计划的机器跳数及治疗时间见表5，可知 plan0.0、plan0.1的机器跳数比 plan0.6多，子野个数、出束时间优于 plan0.6，plan0.8、plan0.9的子野个数、出束时间劣于plan0.6，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

表3 10个ff-IMRT计划的两侧股骨头、骨盆剂量学参数比较单位：%

表4 10个ff-IMRT计划的正常组织剂量学参数比较单位：%

表5 10个ff-IMRT计划的治疗参数比较

3 讨论

虽然放疗技术不断发展进步，但是IMRT技术依然是众多基层放疗科常用的宫颈癌辅助疗法[14-15]。宫颈癌放疗靶区与危及器官相邻或重叠，意味着危及器官不可避免地暴露在射野范围内。缩小射野面积一方面有利于保护危及器官，另一方面会影响散射辐射对放疗靶区剂量的贡献，因此，有必要寻找靶区剂量分布、危及器官和正常组织保护之间的平衡点。本研究设计10个不同MLC外放边界的宫颈癌ff-IMRT计划，比较其中9种计划与参考计划plan0.6的差异。

研究结果显示，10个ff-IMRT计划经归一化处理后，靶区覆盖率均满足临床要求。与plan0.6相比 ，plan0.0、plan0.1、paln0.2的PTV的Dmax升高约8.8%、8.5%、4.9%，HI增大约 8.2%、7.1%、5.9%，且Dmax、HI随 MLC 外放边界尺寸缩小呈升高趋势；plan0.0、plan0.1、plan0.2、plan0.3的PTV的Dmin降低约 17.8%、16.9%、11.6%、6.9%，且Dmin随 MLC外放边界尺寸缩小呈降低趋势。上述规律说明在一定范围内缩小MLC外放边界尺寸不利于优化PTV的靶区剂量学参数，其原因在于：靶区的剂量贡献由主要辐射和散射辐射组成[16]，MLC外放边界尺寸过小，使PTV边缘区域的散射辐射的贡献减少，导致该区域存在欠量的情况，经处方剂量覆盖率归一化处理后，在PTV特定区域产生过高的剂量热点（Dmax升高），导致靶区剂量学参数变差。虽然本研究的10个ff-IMRT计划对于危及器官的保护满足临床要求，但是有研究表明，放射性损伤与危及器官和正常组织的受照体积有关[17-19]。本研究中，plan0.0、plan0.1、plan0.2危及器官的诸项受照体积较plan0.6有一定幅度的降低；plan0.8、plan0.9危及器官的部分剂量学参数较plan0.6均有较大幅度的升高，说明随着MLC外放边界尺寸增大，危及器官暴露于射野范围内的体积增大，放射性损伤的风险随之增大。10个ff-IMRT计划骨盆受照体积相当，其中骨盆V10、V20与Platta等[20]的报道近似，且均低于Rose等[21]报道的引发骨髓抑制风险的阈值。10个ff-IMRT计划正常组织受照体积的差异，主要体现在部分计划低剂量区范围（V5、V10、V15、V20）不同，呈现出的规律与危及器官剂量学参数类似。正常组织高剂量区范围相当，可能与处方剂量包绕PTV较紧且剂量梯度较大有关，该现象符合IMRT计划的特点。10个ff-IMRT计划机器跳数与射野面积近似呈反比，与孙文钊等[22]报道的靶区外扩边界对治疗参数的影响相符。子野个数与射野面积近似呈正比，可能是由于IMRT计划须将面积较大的射野分割成更多的子野来满足靶区剂量分布的均匀性导致的。子野个数多会导致MLC走位变复杂，射野面积大会导致MLC走位行程变长，这两点因素可能是出束时间与射野面积呈正比的原因。

本研究通过探讨MLC外放边界尺寸对宫颈癌ff-IMRT计划的影响发现：从PTV剂量分布来看，10个ff-IMRT计划归一化后均满足剂量覆盖要求，但是MLC 外放边界较小时（plan0.0、plan0.1、plan0.2、paln0.3），存在剂量热点较高和剂量分布均匀性较差等问题；从危及器官和正常组织保护方面来看，10个ff-IMRT计划均满足临床要求，但是MLC外放边界较大时（plan0.8、paln0.9），危及器官和正常组织受照体积增大；从治疗参数方面考虑，MLC外放边界越大，出束时间越长。

综上所述，MLC外放边界尺寸为0.4～0.7 cm时，基于CMS XiO 4.80计划系统的宫颈癌ff-IMRT计划能在剂量分布、危及器官和正常组织保护、治疗参数优化三者间达到平衡，为最优选择。需要指出的是，由于各计划系统的算法都具有自身特点，该结论对于其他计划系统能否适用有待后续研究。