胸中段食管癌容积调强放射治疗计划孔径形状控制器参数的优化研究

凌 志, 叶 倩, 侯思聪, 袁 昕, 殷旭东

(扬州大学附属医院, 1. 放疗科, 2. 消化内科, 江苏 扬州, 225000)

食管癌是原发于食管黏膜上皮的恶性肿瘤，对射线比较敏感，故放射治疗(简称放疗)是食管癌有效的治疗方式之一[1]。目前，容积旋转调强放射治疗(VMAT)因其剂量学优势已被越来越广泛地应用于食管癌的治疗中。VMAT在机架旋转的同时，通过使多叶准直器(MLC)的照射野形状复杂化来获得所希望的靶区剂量分布[2]。照射野形状的复杂化会导致计划的复杂性升高，增加剂量计算及验证过程的不确定性。为了限制计划的复杂性，临床推出了一种新工具——孔径形状控制器(ASC)。ASC是光子优化算法中用于VMAT的叶片定序器中的新部件，可控制叶片结构的大小及形状，该工具按不同调制强度分为6个级别降低MLC孔径的复杂度，减少由MLC过度调制引起的交付精度影响[3]。相关研究[2-4]报道，在鼻咽癌和口咽、前列腺部位的放疗中, ASC可以通过不同的设置水平降低VMAT中MLC孔径的复杂度，在不影响整体质量的情况下降低放疗计划的复杂性和提高交付能力。目前，关于ASC在食管癌放疗计划中的应用研究极少见。本研究以胸中段食管癌患者为研究对象，比较ASC各参数设置对VMAT计划质量、剂量学评价指标及危及器官(OAR)的影响，探讨优选的ASC参数设置，以提高放疗质量及剂量执行精度，更好地保护OAR, 进而改善患者预后。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取10例在扬州大学附属医院放疗科行VMAT计划治疗的胸中段食管癌患者作为研究对象，其中男6例，女4例，年龄50～81岁，中位年龄65.8岁。10例患者均经病理确诊为鳞状细胞癌，临床分期为cT2～3N+M0, 卡氏功能状态(KPS)评分均>80分。

1.2 治疗计划参数设置

1.2.1 靶区勾画: 嘱患者取仰卧位，双手置于前额，予真空成型垫固定体位，给予CT扫描定位，层厚0.5 cm, 扫描范围从环甲膜至肝脏下缘(包括食管、双肺和淋巴结区域)，并将扫描所得的CT图像传输至Eclipse系统。根据食管癌调强放疗靶区及剂量设计指引，由放疗科高年资副主任及以上医师按照国际辐射单位与测量委员会(ICRU)83号报告勾画靶区(包括肿瘤病灶区域及可能侵犯的区域)和OAR(包括双肺、脊髓)。

1.2.2 处方剂量和基础参数设置: 本研究中所有计划均在Eclipse15.6治疗计划系统中完成。由于ASC不能用于调强放疗或静态调强放疗、三维适形调强放疗计划，本研究只设计了VMAT计划。所有计划均设置为单弧(179～181 °), 准直器旋转角度设置为5 °, 最高剂量率为600 机器跳数(MU)/min。处方剂量为50 Gy, 2 Gy/次，共照射25次, 5次/周。计划靶区(PTV)要求100%处方剂量(50 Gy)所包绕的体积≥95%PTV体积。OAR的限制剂量中，肺平均剂量(MLD)≤15 Gy, 双肺接受20 Gy的体积百分比(V20)≤25%, 双肺接受30 Gy的体积百分比(V30)≤20%, 脊髓最大剂量(Dmax)≤45 Gy。

1.2.3 ASC参数及优化设置: ASC参数调制分为Off、Very Low、Low、Moderate、High、Very High这6个级别，按以上6组ASC参数进行自动优化并生成治疗计划，分别设为Off、VL组、L组、M组、H组和VH组。制作各计划时，同一病例均使用相同的PTV及OAR优化目标函数，只变更ASC参数设置，不变更优化参数等。每次使用不同的ASC设置进行优化时，均清除先前存在的MLC位置，并使用相同剂量-体积直方图(DVH)标准重新启动优化。所有患者的DVH对PTV95%体积满足的处方剂量进行归一。

1.3 评价指标

1.3.2 计划剂量学评价指标: ① PTV剂量参数，包括Dmax、平均剂量(Dmean)、均匀性指数(HI)和适形性指数(CI)。Dmax用2%体积所受剂量(D2)表示。CI范围为0～1, 越接近1说明靶区适形度越好,CI=(Vt,ref)2÷(Vt×Vref),Vt,ref为参考等剂量曲面(取95%的剂量线)所包含的靶区体积,Vref为参考等剂量曲面(取95%的剂量线)包含的身体区域体积,Vt为靶区体积。HI用于评估靶区范围内的剂量异质性,HI越接近于0时，表明剂量分布越均匀,HI=(D2%-D98%)÷D50%, 其中Dx%表示x%的靶区体积所受到的照射剂量。② OAR评价指标，包括肺Dmax、MLD、肺受照剂量(V20、V30), 其中Vx指双侧肺接受的MLD≥xGy的体积占全肺的百分比; 脊髓Dmax, 脊髓Dmean; MU/min为每分钟加速器输出的跳数。

1.4 统计学分析

2 结 果

2.1 DVH和PTV剂量比较

不同ASC参数调制下, PTV的DVH曲线在51 Gy以下区域无显著差异，在51～57 Gy区域差异较大，提示不同ASC参数设置对于PTV较大剂量区域存在一定程度影响; 右肺、左肺的DVH曲线显示, 6种ASC参数调制结果之间相差较大，其中Very High参数的平均DVH最高, Off参数最低，说明ASC参数为高调制水平时，对肺的保护有所下降; 脊髓的DVH曲线显示，另5种ASC参数调制的结果与Off参数相差较小，提示ASC参数调制对脊髓无明显影响。见图1。

根据S-W检验结果，以Off组数据为参考，对数据符合正态分布(P>0.05)的2组行配对样本t检验，反之则行相关样本非参数检验。L组治疗计划的CI为(0.832±0.024), 与Off组治疗计划的CI(0.816±0.038)比较，差异有统计学意义(t=2.946,P=0.016); VL组、M组、H组、VH组治疗计划的CI与Off组比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。L组治疗计划的HI为(0.106±0.020), 与Off组治疗计划的HI(0.121±0.021)比较，差异有统计学意义(t=-4.813,P=0.001); VL组、M组、H组、VH组治疗计划的HI与Off组比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 6组治疗计划的靶区适形度和均匀性比较

6组治疗计划的PTV的Dmax、Dmean数据统计结果显示, VL组、L组、M组、H组、VH组的PTVDmean与Off组比较，差异均有统计学意义(P<0.05); 6组治疗计划的PTVDmax比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表2。由此提示, PTVDmean在除Off以外的不同ASC参数调制时均有所升高，但参数调制水平并不与各参数对应治疗计划的PTVDmean呈正相关。

图1 不同孔径形状控制器参数下治疗计划的剂量-体积直方图

表2 6组治疗计划的计划靶区Dmax和Dmean比较

2.2 OAR评价指标比较

6组治疗计划的肺和脊髓的Dmean均服从正态分布，另5组数据相对Off组数据进行配对样本t检验，结果显示, VL组、L组、M组、H组、VH组放疗计划均基本可满足所有OAR限量要求。VL组、L组、M组、H组、VH组肺和脊髓的Dmean均高于Off组，提示ASC参数调制不利于降低OAR平均受量。H组、L组、VL组的肺Dmean和VH组、M组的脊髓Dmean与Off组比较，差异均有统计学意义(P<0.05); H组、VL组的脊髓Dmax与Off组比较，差异均有统计学意义(P<0.05)。VL组、L组、M组、H组、VH组的肺Dmax、V20、V30与Off组比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。见表3、表4。

表3 6组治疗计划的OAR剂量学指标比较

表4 6组治疗计划的肺剂量学相关指标比较

2.3 MU和ACM比较

6组ASC参数调制生成的治疗计划的MU和ACM见图2。VL组、L组、M组、H组、VH组的MU均低于Off组。各组MU经S-W检验显示，除VH组、H组外，其他组均服从正态分布，以Off组为参考，分别行配对样本t检验或相关样本非参数检验。VH组(Z=-2.803,P=0.005)、H组(Z=-2.701,P=0.007)、M组(t=-5.049,P=0.001)、L组(t=-4.478,P=0.002)、VL(t=-4.798,P=0.001)的MU与Off组比较，差异均有统计学意义。ASC参数调制水平与ACM呈负相关，各组数据均服从正态分布，行配对t检验示差异均有统计学意义(VL组、L组、M组、H组、VH组的t分别为9.863、16.070、15.700、14.578、17.681,P<0.001), 表明ASC参数调制水平的增高与射野形状复杂度的降低呈正相关，并可提高计划的剂量交付精度。

ACM: 孔径形状复杂性指数; MU: 机器跳数。图2 6组治疗计划的ACM和MU比较

3 讨 论

食管癌是中国常见的消化道恶性肿瘤之一，多数患者确诊时已为中晚期，预后较差，发病率及病死率均较高。放疗是食管癌重要的治疗手段之一，能显著提高食管肿瘤局部控制率和患者总生存率，且毒副作用小，已被广泛应用于临床[6]。调强放射治疗(IMRT)使针对食管癌的精准放疗得到了飞跃发展，其不仅可保证靶区照射剂量，而且可最大限度地保护周边OAR[7]。VMAT能够提高肿瘤的受照剂量并降低OAR的受照剂量，实现高度共形的剂量分布，还能通过改变机架转速、剂量率和MLC位置缩短治疗时间[8-9]。在VMAT治疗计划中，计划复杂性与剂量交付精度之间的关系已被广泛研究与讨论。VMAT在机架旋转的同时，通过MLC使射野形状复杂化来获得靶区内更好的剂量分布[2], 但这会形成非常陡峭的剂量梯度，且产生密集的MLC调制(大量小MLC亚场)以及增加MU。大量小MLC亚场所致的复杂性会导致剂量计算中的重大误差，并增加剂量验证过程的额外不确定性[10-12]。

射野复杂性较高的治疗计划在剂量计算过程中MLC位置精度误差较大，且在不规则小射野区域精度误差更大，导致实际交付剂量与治疗计划预期目标相差较大[13-18]。相关研究[19-21]报道，由于剂量算法的计算精度不同, MLC形成的小尺寸不规则照射野的剂量计算偏差较大，从而影响到剂量交付精度，提示其对剂量算法的计算精度的依赖性较强。鉴于此, ASC作为一种新工具被引入VMAT计划方案中，其可通过设置不同参数水平，在优化期间降低不规则射野形状及数目来限制计划复杂性，规避调制过程中由射野复杂性引发的剂量精度问题。

SCAGGION A等[4]使用ASC工具对先前治疗的10个前列腺和10个口咽部平面进行重新优化，发现经ASC优化后的方案MU减少，且MLC调制的特点是形状更大且不那么复杂，计划的复杂性降低。KAMIMA T等[2]创建鼻咽癌VMAT计划时，将计划分为极高、高、中、低、极低和关闭设置，分析PTV和OAR的调制复杂性分数和剂量学参数，发现各VMAT计划之间无显著剂量学差异，且ASC可根据不同设置水平降低MLC孔径复杂度从而降低计划复杂度。研究[5]显示，在直肠癌术前VMAT计划中，提高ASC参数调制水平可有效降低ACM, 对靶区的平均DVH影响较小，有利于提高治疗计划的剂量交付精度。此外，降低VMAT计划的复杂性还具有许多重要优点，包括改善计划的可交付性和减少治疗时间[21]。

相关研究[22]表明, IMRT和VMAT均能满足胸中段食管癌的临床治疗需求，但VMAT的靶区HI与CI更优，且其对肺、脊髓、心脏的保护效果也优于IMRT。本研究应用Eclipse治疗计划系统的ASC工具设置不同参数调制水平来调节胸中段食管癌VMAT计划中照射野形状的复杂度，并比较不同ASC参数对计划质量的影响。本研究结果显示: ① ASC调制参数水平的增高可有效降低射野复杂性即降低ACM, 从而有利于提高VMAT治疗计划的剂量交付精度。② ASC参数调制对于PTV的高剂量区域DVH影响较大。L组的靶区CI、HI相较于Off组具有显著优势，且另5组的PTVDmean与Off组比较均有显著差异，而6组治疗计划的PTVDmax均无显著差异。由此说明，Low参数调制水平能够在保证靶区剂量学要求的前提下，一定程度上降低计划复杂度并提高计划质量，而其余4种ASC参数对于计划质量无提高作用。③ 在OAR方面, VL组、L组、H组的肺Dmean显著高于Off组, VL组、L组、M组、H组、VH组的肺Dmax、V20、V30与Off组无显著差异; M组、VH组的脊髓Dmean显著高于Off组, VL组、H组的脊髓Dmax显著高于Off组。由此提示, ASC参数调制不利于OAR复杂剂量的分布。食管癌放疗过程中放疗剂量的增加往往会导致放射性肺炎的发生率显著升高[23-24]。目前，研究[25-27]认为肺V20/MLD可作为放射性肺炎的预测因子。GRAHAM M V等[28]报道，肺癌患者肺V20与放射性肺炎的发生密切相关。本研究中，各组肺V20无显著差异，提示ASC参数调制不会升高放射性肺炎的发病率; L组的脊髓Dmean和Dmax均与Off组无显著差异，而另4组的脊髓的Dmean或Dmax显著高于Off组，不利于脊髓剂量分布的调制。④ 相较于Off参数，另5种ASC参数可不同程度显著降低MU。MCGARRY C K等[29]报道, VMAT治疗计划中照射野形状的复杂程度越低, MU越小，与本研究结果相符。MU降低具有减少治疗时间和减少全身散布剂量的双重益处[8-9]。研究[30-33]报道, MU增加会在一定程度上升高二次致癌的概率，而MU降低可一定程度上降低风险及改善安全性。

综上所述，设置胸中段食管癌患者的VMAT治疗计划时，本研究推荐选择较低的调制参数Low, 可在保证PTV和OAR剂量学要求的前提下，提高PTV的CI、HI, 并一定程度降低ACM和MU, 从而保障治疗计划的剂量交付精度。本研究不足之处在于纳入的胸中段食管癌形状较为简单，未来还需继续探索ASC参数在食管癌复杂治疗计划中的表现及其与患者治疗效果和生存质量的相关性。