基于外轮廓的虚拟限量环在宫颈癌固定野调强放疗中的应用

陈 颖，刘茹佳，钟志鹏，杨士勇，焦 杨，王娟芬

（1.荆门市第二人民医院肿瘤防治中心，湖北荆门 448000；2.荆门市第二人民医院影像中心，湖北荆门 448000）

0 引言

宫颈癌是常见的妇科恶性肿瘤之一，手术和放疗是其重要的治疗方法[1-4]。固定野调强放疗（fixedfieldsintensity-modulated radiotherapy，ff-IMRT）技术能兼顾靶区剂量分布、危及器官和正常组织保护，被基层医院普遍采用[5-6]。为了提高处方剂量的适形性并减小靶区周围危及器官和正常组织低剂量照射范围，放疗物理师在设计放疗计划时通常设置若干个限量环并给予其权重较小的约束条件[7-8]。Monaco是常用的商用计划系统之一，其Shrink Margin功能可使某结构远离其上级结构指定距离，在患者外轮廓的基础上利用该功能可形成虚拟限量环，继而达到与实际限量环类似的功能。因此，本研究通过比较无限量环计划、基于实际限量环计划和基于患者外轮廓的虚拟限量环计划三者间的区别，探讨基于患者外轮廓创建虚拟限量环的应用价值，为放疗物理师设计放疗计划提供参考。

1 资料与方法

1.1 患者资料

选取2019年10月至2020年5月在某医院放疗科接受宫颈癌术后ff-IMRT的患者20例，年龄42～58岁，中位年龄52岁。纳入标准：根据国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）的分期标准，分期为ⅠB～ⅡB期，病理类型为鳞癌，首次接受放疗，无放疗禁忌证，肝肾功能正常的患者。排除标准：骨髓抑制患者（周围血白细胞总数＜3×109/L，血小板总数＜7×109/L），急性或亚急性盆腔炎症未获控制的患者，尿毒症患者，精神病发作期患者，严重心血管疾病未获控制的患者。

1.2 定位方法

患者以仰卧位平躺于碳纤维治疗床，用体部热塑膜固定体位[9]。扫描前确保直肠清空、膀胱充盈[10]。利用Philips Brilliance Big Bore CT获取所选病例平扫和增强CT图像，扫描范围为第二腰椎～坐骨结节下5 cm，扫描层厚0.5 cm。将CT图像经网络以DICOM格式传输至Monaco 5.11.03计划系统进行ff-IMRT计划设计。

1.3 靶区和危及器官勾画

由同一名临床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）指南完成靶区和危及器官勾画。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），计划靶区（planning target volume，PTV）由CTV在三维方向上外扩0.5～1.0cm得到。经统计，所选病例PTV体积范围为602～785 cm3，平均705 cm3。危及器官包括小肠、直肠、膀胱、股骨头、骨盆。

1.4 计划设计方法

基于Elekta Precise加速器（含40对多叶准直器，所有叶片厚度均为1 cm）6 MV X射线，采用Monaco 5.11.03计划系统对20例患者分别设计3种ff-IMRT计划（plan_1、plan_2和plan_3）。3种ff-IMRT计划射野角度均为180°、129°、77°、26°、334°、283°、251°，准直器角度均为0°[11]。3种计划剂量率均为600MU/min，计算网格为0.3 cm，采用蒙特卡罗算法（Monte Carlo algorithm，MCA），子野个数限值为100，最小子野面积为2 cm2，最小机器跳数为5 MU，处方剂量均为4 500 cGy/25f。

plan_1为无限量环ff-IMRT计划。plan_2为基于布尔运算创建2个实际限量环，其环形弧间距（环外径与内径之差）均为0.6 cm。其中第1个实际限量环远离PTV 0.6 cm，目标函数为Quadratic Overdose，限制条件：Maximum Dose为3 900 cGy，RMSDose Excess为30 cGy，Shrink Margin为0；第2个实际限量环远离PTV 1.2cm，目标函数为Quadratic Overdose，限制条件：Maximum Dose为3300 cGy，RMSDose Excess为50 cGy，Shrink Margin为0。plan_3为基于患者外轮廓创建2个虚拟限量环，第1个虚拟限量环目标函数为Quadratic Overdose，限制条件：Maximum Dose为3 900 cGy，RMSDose Excess为30 cGy，Shrink Margin为0.6cm；第2个虚拟限量环目标函数为Quadratic Overdose，限制条件：MaximumDose为3300cGy，RMSDose Excess为50 cGy，Shrink Margin为1.2 cm。其中，Maximum Dose表示限量环的最大剂量；RMS Dose Excess表示限量环最大剂量的均方根，其取值在2～1 500 cGy范围内变化，值越小，限量环约束力度越大；Shrink Margin的值为限量环远离PTV的距离，不同的取值对应限量环不同的约束范围。3种ff-IMRT计划除上述限量环限制条件不同之外，其他目标函数限制条件均相同。

1.5 ff-IMRT计划评估

通过剂量-体积直方图（dose-volume histogram，DVH）评估PTV的以下剂量学参数：最大剂量D2%、平均剂量Dmean、最小剂量D98%、靶区覆盖率V100%（4 500 cGy剂量包绕的PTV体积与PTV体积之比）、靶区适形性指数（conformity index，CI）、靶区均匀性指数（homogeneity index，HI）。

参考ICRU83报告，CI计算公式如下：

式中，VPTV，45为4 500 cGy等剂量线所包绕的PTV体积，VPTV为PTV体积，Vref为4 500 cGy等剂量线所包绕的体积。CI值与1越接近，说明靶区适形性越好。

HI计算公式如下：

式中，D2%为2%PTV体积的受照剂量，以此类推。HI值与0越接近，说明靶区均匀性越好。

对于3种ff-IMRT计划小肠、直肠、膀胱、股骨头、骨盆等危及器官及正常组织，评估其受照体积的百分 数Vx（V10、V20、V30、V45），并 评 估3种ff-IMRT计划的治疗参数，包括机器跳数、子野个数、出束时间（包括机架转动时间）。

1.6 统计学方法

基于SPSS20.0软件完成计量数据的统计学分析，分析计量数据前均行正态性检验和方差齐性检验。若计量数据服从正态分布且方差齐，多组间数据比较和两两比较分别采用单因素方差分析（analysis of variance，ANOVA）和Tukey检验；反之，则采用Kruskal-Wallis H检验和Dunnett’s T3检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PTV横断面剂量分布图

某例患者3种ff-IMRT计划横断面剂量分布如图1所示。由图1可知，处方剂量线均能较好地覆盖PTV，但PTV处方剂量的适形性和低剂量线的覆盖范围存在差异，按从优到劣排序为plan_3、plan_2、plan_1。

图1 某例患者3种ff-IMRT计划横断面剂量分布图

2.2 PTV剂量学参数比较

3种ff-IMRT计划PTV剂量学参数比较见表1。3种ff-IMRT计划PTV处方剂量分布均满足临床治疗要求，D2%、D98%、HI按从优到劣排序为plan_1、plan_2、plan_3（P＜0.05），CI则反之（P＜0.05），Dmean、V100%差异无统计学意义（P＞0.05）。

表1 3种ff-IMRT计划PTV剂量学参数比较

2.3 危及器官剂量学参数比较

3种ff-IMRT计划危及器官的剂量学参数比较见表2。由表2可知，小肠、直肠、膀胱、股骨头的V30，骨盆的V10、V20、V30按从优到劣排序为plan_3、plan_2、plan_1（P＜0.05）；plan_2、plan_3直肠、膀胱、股骨头、骨盆的V45优于plan_1（P＜0.05），且plan_2与plan_3相比差异无统计学意义（P＞0.05）。

表2 3种ff-IMRT计划危及器官剂量学参数比较单位：%

2.4 正常组织剂量学参数比较

3种ff-IMRT计划正常组织的剂量学参数比较见表3。由表3可知，正常组织的V5、V10、V15、V20、V25、V30、V35按从优到劣排序为plan_3、plan_2、plan_1（P＜0.05）；plan_2、plan_3正常组织的V40优于plan_1（P＜0.05），且plan_2与plan_3相比差异无统计学意义（P＞0.05）。

表3 3种ff-IMRT计划正常组织的剂量学参数比较单位：%

2.5 治疗参数比较

3种ff-IMRT计划的治疗参数比较见表4。由表3可知，plan_2与plan_3的治疗参数比较差异无统计学意义（P＞0.05），且劣于plan_1（P＜0.05）。

表4 3种ff-IMRT计划的治疗参数比较

3 讨论

术后盆腔放疗有利于提高早期宫颈癌患者肿瘤的局部控制率、延长其生存时间[12-13]。但放疗在提高肿瘤治愈率和延长生存期的同时，也会导致靶区外正常组织不可避免地受到低剂量照射，从而增加了二次致癌风险[14-15]。因此，减小靶区外危及器官和正常组织低剂量照射范围，从而尽可能提高治疗增益比是设计宫颈癌放疗计划的研究重点之一。

减小低剂量照射范围，可通过采取更先进的放疗技术或优化放疗计划限量方式实现。关于放疗技术对低剂量照射范围影响的相关研究，多为宫颈癌放疗中常用的ff-IMRT技术与容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技术的对比研究。如苏晓科等[16]的研究认为，VMAT技术小肠、膀胱的V30、V40、Dmean较ff-IMRT技术低。胡丽娟等[17]的研究显示，VMAT技术膀胱的V30、V40，直肠的V30、V45，肠管的V30、V40、V45，脊髓的V20、V30、V35、Dmax均优于ff-IMRT技术。关于优化放疗计划限量方式，鲍志荣等[18]发现，限制髋骨和腰骶骨计划可在满足靶区临床要求以及危及器官保护的基础上，有效降低骨盆受量，更好地保护脊髓。笔者前期的一项研究表明，设置2个实际限量环可在靶区剂量覆盖、危及器官和正常组织保护以及治疗效率三者间达到平衡[8]。由此可见，设置限量环是优化设计ff-IMRT放疗计划的常用方法之一。

目前，主流商用计划系统对于限量环的勾画大多基于布尔运算或脚本语言实现[7，19]。前者在使用过程中存在需要大量重复的操作、运算过程耗时较长及所创建限量环尺寸受限（Monaco计划系统结构外扩尺寸≤10 cm）等问题，不利于放疗物理师提高工作效率和放疗计划对于距靶区较远区域低剂量的约束；后者则要求放疗物理师具备一定的编程语言基础，技术门槛较高，不易推广。Monaco计划系统的Shrink Margin功能可使某结构远离其上级结构指定距离（0～5 cm），故在患者外轮廓基础上利用该功能可创建出远离靶区指定距离的虚拟限量环。本研究基于此功能设计ff-IMRT计划，并比较其与无限量环ff-IMRT计划及基于布尔运算创建实际限量环的ff-IMRT计划各项剂量学参数的差异。研究结果显示，3种ff-IMRT计划PTV处方剂量分布均满足临床治疗要求，但PTV的D2%、D98%、CI、HI，小肠、直肠、膀胱、股骨头的V30，骨盆的V10、V20、V30，正常组织的V5、V10、V15、V20、V25、V30、V35及治疗参数均存在统计学差异。分析3种ff-IMRT计划上述剂量学参数表现出统计学差异的原因，可能是由于限量环的存在使PTV以外低剂量照射范围减小所致。对于PTV而言，限量环挤压等剂量线，在提高适形性的同时也导致D2%、HI稍微增大及D98%稍微减小，考虑到D2%、HI、D98%变化幅度不大且与刘茹佳等[20]报道的结果相当，故本研究认为该变化是可被接受的。对于危及器官和正常组织而言，多数剂量学参数因限量环的存在而较大幅度地减小，可见限量环在保护危及器官和正常组织上的正面作用。需要指出的是，3种ff-IMRT计划小肠的V45并未表现出统计学差异，其原因可能是处方剂量所包绕的小肠体积与小肠体积之比较小，处方剂量线的变化对小肠的V45影响不大所致。另外，plan_2与plan_3直肠、膀胱、股骨头、骨盆的V45、正常组织的V40亦未表现出统计学差异，可能是由于plan_2与plan_3限量环的重叠部分对等剂量线的约束范围集中于高剂量区域且约束力度相同，而plan_3限量环的环形弧间距较plan_2的大且该部分限量环对等剂量线的约束范围集中于低剂量区域所引起。对于治疗参数而言，机器跳数、子野个数、出束时间均因限量环的存在而增多或延长，这可能与限量环约束范围较广，从而导致子野分割方式变复杂有关。考虑到plan_2与plan_3的出束时间差异不大且较plan_1仅分别增加2.3、2.8 min，而PTV、危及器官和正常组织剂量学参数因限量环的存在得到较大幅度的优化，因此本研究认为限量环对出束时间的影响是可被接受的。

综上所述，采用Monaco计划系统设计宫颈癌ff-IMRT计划时，利用Shrink Margin功能可简便地创建基于患者外轮廓的虚拟限量环。综合比较各项参数，该虚拟限量环可实现优于无限量环及等同于甚至优于基于布尔运算创建实际限量环的功能。本研究中Shrink Margin的取值为计算网格（0.3 cm）的整数倍，且依据PTV外吸收剂量跌落梯度约为100 cGy/0.1 cm的日常工作经验设置限量环目标函数中Shrink Margin、Maximum Dose及RMSDose Excess的值，并未详细研究该目标函数中各参数其他取值方式对ff-IMRT计划的影响，期待后续以此为研究方向展开进一步的研究。总之，利用Monaco计划系统自带的Shrink Margin功能，可以优化放疗计划并提高放疗物理师设计放疗计划的效率，建议采用Monaco计划系统设计宫颈癌ff-IMRT计划时利用该功能创建基于患者外轮廓的虚拟限量环。