基于Monaco计划系统的最小子野面积设置值对宫颈癌调强放疗计划的影响

刘 娜，张明军，2，吴翠娥，费振乐，刘苓苓，李兵兵，李 洁

2020年全球癌症统计报告显示宫颈癌在全球女性的发病率和病死率中均排第四位，在宫颈癌的治疗中，放疗在局部控制率和生存率等方面均取得疗效[1-2]。在宫颈癌的治疗中，调强放射治疗(intensity modulated radiation therapy, IMRT)相比于3D适形放射治疗(three-dimensional conformal radiotherapy,3D-CRT)有更好的剂量学优势，不仅可以使靶区剂量分布合理、降低正常器官受照剂量，而且可以减轻肠道术后毒性反应[3-4]。IMRT通过逆向计划进行调节优化，可以达到最佳剂量分布[5]。但是静态调强计划会使得子野数目增多，子野形状复杂，机器跳数增多，延长治疗时间从而降低放疗计划准确性，影响患者预后状况[6]。该研究旨在探讨基于Monaco计划系统宫颈癌静态调强放疗计划最小子野面积(the minimum segment area，MSA)的优化设计。

1 材料与方法

1.1 病例资料选取2020年4月—2021年3月在中国科学院合肥肿瘤医院放疗中心宫颈癌患者10例，年龄37～75(54.2±16.3)岁，病理诊断均为鳞癌。根据国际妇产科联合会FIGO分期标准，其中IA期2例，ⅡA期2例，ⅡB期2例，ⅢB期2例，ⅢC期2例。

1.2 CT定位及靶区勾画患者定位前膀胱充盈，取仰卧位，双手举起抱于头顶环绕并保持至定位结束，用热塑膜快速覆盖体表，等待成形后，用飞利浦大孔径CT进行扫描定位，扫描参数为：电压120 kV,曝光325 mAs,层厚5 mm,扫描范围为腰1椎体上缘至坐骨结节下2 cm，然后导入Monaco 5.11计划系统，根据国际辐射单位与测量委员会(international commission on radiation units & measurements，ICRU)83号规范进行靶区勾画，勾出临床靶区(clinical target volume,CTV)，均匀外放0.5 cm形成计划靶区(planning target volume, PTV)，使用AccuContour 3.0软件进行危及器官(organs at risk，OAR)的自动勾画，危及器官包括膀胱、直肠、小肠、双侧股骨头和脊髓[7]。勾画完成后采用Monaco 5.11计划系统设计放疗计划。

1.3 计划设计选用Monaco 5.11放疗计划系统中的静态调强治疗方式，处方剂量为50 Gy/25次，固定5个射野角度分别为180°、252°、324°、36°和108°。最小机器跳数为4 MU, 每个计划的最大子野个数为250个，最小子野宽度为1 cm，通量平滑度选择Medium，MSA分别为1、2、4、10、20、50、80和100 cm2，每个患者均得到8个放疗计划，除MSA不同外，其余优化目标和约束条件与MSA为2 cm2的计划保持一致。以MSA为2 cm2的放疗计划为对照组，比较其他MSA设置值的放疗计划。

1.4 计划评估

1.4.1靶区评估 根据剂量体积直方图的参数评估放疗计划的靶区分布，评估参数包括肿瘤靶区V47.5、V55、D98%、D2%、D50%,以及均匀性指数 (homogeneity index，HI)和适形性指数(conformity index，CI)。根据ICRU 83号规范定义，V47.5是指达到47.5 Gy(95%的处方剂量)的体积占靶区体积的百分比，V55是指达到55 Gy(110%的处方剂量)的体积占靶区体积的百分比。其中HI和CI计算公式为： HI=(D2%-D98%)/D50%；CI=(VTref/VT)×(VTref/Vref)。其中,D2%为2%的PTV受到的照射剂量，D98%为98%的PTV受到的照射剂量，中位剂量D50%为50%的PTV受到的照射剂量。VT为PTV体积，VTref为参考等剂量线所覆盖的靶区体积，Vref为参考等剂量线所覆盖的体积。

1.4.2危及器官评估 危及器官评估包括直肠V50(表示直肠接受50 Gy的照射区域占直肠总体积的百分比)、直肠平均剂量Dmean、膀胱V50(表示膀胱接受50 Gy的照射区域占膀胱总体积的百分比)、膀胱平均剂量Dmean、小肠平均剂量Dmean、L-V40及R-V40(分别表示左、右侧股骨头接受40 Gy的照射区域占该侧股骨头体积的百分比)和脊髓接受的最大剂量Dmax。

1.4.3机器跳数和子野数目评估 评估内容包括各个治疗计划的后台文件中所生成的机器跳数和子野数目，记录后进行统计学分析。

1.5 统计学处理采用SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，并用Tamhane′s T2检验(基于t检验的保守成对比较检验)进行事后多重比较，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布10例宫颈癌患者的全部静态调强计划的剂量靶区覆盖率均超过95%。随着MSA依次增大，V47.5总体呈减少趋势，V47.5在各个MSA数值间差异有统计学意义(P<0.001)；D98%变化不大，D98%在各个MSA数值间的差异无统计学意义；V55、D2%和D50%总体均呈增加趋势，每个参数在各个MSA数值间差异有统计学意义(P<0.001)。V55和D2%的增大表明靶区内的热点在增加。随着MSA依次增大，HI总体增大，均匀性变差，HI在各个MSA数值间的差异有统计学意义(P<0.001)；CI总体减小，适形性变差，CI在各个MSA数值间的差异有统计学意义(P<0.05)。进一步研究，其余7个计划与对照组进行事后比较，所得各个参数结果见表1。由表1可知，与对照组相比，靶区V47.5在MSA为80 cm2(P<0.05)和100 cm2(P<0.01)的计划中均减少；V55在MSA为50 cm2(P<0.01)、80 cm2(P<0.001)和100 cm2(P<0.001)的计划中均增加；D2%在MSA为50 cm2(P<0.05)、80 cm2(P<0.05)和100 cm2(P<0.05)的计划中均增加；D50%在MSA为50 cm2(P<0.05)和80 cm2(P<0.05)的计划中均增加；D98%在其余7个计划中变化均很小，差异无统计学意义；HI在50 cm2(P<0.05)、80 cm2(P<0.05)和100 cm2(P<0.01)的计划中均增大；CI在不断减小，但差异无统计学意义。

表1 宫颈癌患者IMRT计划在MSA下的靶区剂量分布

2.2 危及器官受量随着MSA依次增大，10例宫颈癌患者静态调强计划中的直肠V50、直肠Dmean、膀胱V50、膀胱Dmean、L-V40和R-V40总体均呈先减少后增加的趋势，每个参数在各个MSA数值间的差异都有统计学意义(P<0.001)。脊髓Dmax随着MSA增大呈现先减少后增加趋势，脊髓Dmax在各个MSA数值间的差异有统计学意义(P<0.05)。小肠Dmean随MSA变化不大，各个MSA数值间差异无统计学意义。进一步研究，将其余7个计划与对照组的计划进行事后比较，所得各个参数结果见表2。由表2可知，随着MSA增大，与对照组相比，直肠V50在MSA为50 cm2(P<0.01)、80 cm2(P<0.001)和100 cm2(P<0.001)的计划中均有不同程度增加，差异有统计学意义；直肠Dmean在MSA为80 cm2(P<0.01)和100 cm2(P<0.05)的计划中均增加；膀胱V50在MSA为80 cm2(P<0.01)和100 cm2(P<0.01)的计划中均增加；膀胱Dmean在MSA为80 cm2(P<0.01)和100 cm2(P<0.01)的计划中均增加；脊髓Dmax总体随MSA增大而增加，但差异无统计学意义；L-V40和R-V40在MSA为100 cm2(P<0.05和P<0.01)的计划中均增加。

表2 宫颈癌患者IMRT计划在MSA下的危及器官受量

2.3 机器跳数和子野数目的变化趋势随着MSA依次增大，10例宫颈癌患者静态调强计划中的机器跳数和子野数目总体均呈减少趋势，每个参数在各个MSA数值间的差异有统计学意义(P<0.001)。见图1。

图1 MSA对宫颈癌患者放疗计划的机器跳数和子野数目的影响A：机器跳数；B：子野数目

3 讨论

本研究基于Monaco计划系统，通过设置不同MSA值来研究此参数对静态调强计划的影响。结果表明，MSA设置值对靶区剂量分布、危及器官受量、机器跳数和子野数目都会产生影响。当MSA在1～20 cm2的范围内，与对照组相比，靶区V47.5、V55、D2%、D98%、D50%、HI和CI变化不大，危及器官变化也不大。当MSA从50 cm2开始，与对照组相比，靶区V55明显增加，表明靶区内热点增多，落在靶区外的剂量增加。当MSA在80和100 cm2的范围内，与对照组相比，直肠V50、直肠Dmean、膀胱V50和膀胱Dmean均增加，差异有统计学意义。直肠V50在MSA为50 cm2时增加较快，比对照组增加了105.12%，差异有统计学意义；而L-V40和R-V40在MSA为100 cm2时增加较快，差异有统计学意义。与对照组相比，小肠Dmean随MSA增大而增加，在100 cm2达到最大值，但差异无统计学意义，可能是因为小肠在靶区中体积较少。脊髓Dmax在MSA为80 cm2时有最大值，比对照组增加了20.68%，但差异无统计学意义，原因可能是在CT断层上靶区穿过的脊髓体积并不多，射束穿过靶区时经过脊髓的范围较小。随着MSA依次增大，机器跳数和子野数目在不断减少，在10 cm2和20 cm2的计划中，机器跳数相比于对照组分别减少14.66%、21.99%，而子野数目相比于对照组分别减少32.65%、57.39%，随着MSA进一步增大，机器跳数和子野数目进一步减少，在100 cm2的计划中达到最小值。

与3D-CRT相比，IMRT具有剂量学优势，并且可以在确保临床疗效的同时显著降低急性毒性反应的发生率[8]。孙海涛 等[9]在Pinnacle39.10计划系统的宫颈癌固定七野的自动静态调强计划设计中研究表明,MSA在14～50 cm2范围内可在满足临床要求的同时减少子野数目和机器跳数，结果与本文有一点差异，可能是由于在不同的放疗计划系统中运行的算法不同。由于肿瘤发生的部位不同，可能会对MSA的设置有一定影响，Ayala et al[10]在脊柱立体定向放射外科研究中认为子野数目为5、MSA为4 cm2的参数设置可以提高计划质量、输送效率和计划剂量精确性；伍海琼[11]在颈段及胸上段食管癌的子野参数研究中认为，当肿瘤毗邻危及器官时，MSA和最小机器跳数分别选择3 cm2、5 MU较好，当肿瘤离危及器官较远时，可以适当提高MSA和最小机器跳数，这些研究结果均证明了MSA的参数设置对于放疗计划的优化十分重要。机器跳数增多不仅会直接导致治疗时间延长，增加靶区剂量的不确定性，而且会增加周围正常组织低剂量辐射，会使二次辐射诱发恶性肿瘤风险变高。该研究中机器跳数有一个明显下降趋势，但是由于兼顾其他方面不能选择最小值，这在一定程度上没有将机器跳数的优势发挥彻底。文献[12-14]报告，延长光束照射时间将会造成辐射泄露，可能会导致正常组织最多能够接收规定剂量的20%，因此尽量选择低一点跳数对计划优化是有益的。迟子峰 等[15]认为，在临床可以接受的放疗计划设计中，子野数目应控制在80个以内，这样可以减少调强放疗计划验证时间，这与本研究结果相符合——较少的子野数目可以减少子野的形状变化，减少叶片移动时产生射线泄露，提高放疗精准性。

综上所述，合理增大MSA，保证MSA在10～20 cm2范围内，可以在满足宫颈癌静态调强计划的靶区剂量分布和危及器官受量的同时减少机器跳数和子野数目，有效减少治疗时间，提高放疗计划精确性，减少正常组织的毒副反应。