李 軍,張西志,錢杰偉,張先穩(wěn),桂龍剛,柏正璐,侯笑笑,陳雪梅
(江蘇省蘇北人民醫(yī)院 腫瘤科,江蘇 揚(yáng)州,225001)
直腸癌作為常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤,其主要治療手段為手術(shù)結(jié)合術(shù)后放化療的綜合療法。目前,固定野靜態(tài)調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)已成為直腸癌術(shù)后放療的主要方式,相較于傳統(tǒng)的三維適形放療(3D-CRT),IMRT不僅提供了更高的適形性指數(shù)(CI)與更好的劑量分布,還能對(duì)危及器官進(jìn)行更好的保護(hù),以減少因放療產(chǎn)生的各種并發(fā)癥。在臨床的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中,需要對(duì)多種參數(shù)條件進(jìn)行確定,包括患者治療體位、射線能量、放射野個(gè)數(shù)、劑量算法、多葉光柵(MLC)調(diào)強(qiáng)方式以及計(jì)算網(wǎng)格尺寸等。對(duì)于直腸癌術(shù)后患者的體位選擇,俯臥位和仰臥位都能符合臨床治療需求,但體位不同對(duì)放療計(jì)劃會(huì)產(chǎn)生一定的影響;對(duì)于射線能量的選擇,6、15 MV的X線能量均可以用于直腸癌術(shù)后的放射治療,能量也會(huì)對(duì)劑量計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響;對(duì)于MLC調(diào)強(qiáng)方式的選擇,無(wú)論是讓MLC動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)亦或是保持靜態(tài)固定,均會(huì)影響劑量計(jì)算的結(jié)果。
鑒于各向異性解析算法(AAA算法)與筆形束卷積算法(PBC算法)的不同,其劑量計(jì)算結(jié)果也不同。對(duì)于計(jì)算網(wǎng)格的尺寸,不同尺寸的網(wǎng)格也會(huì)對(duì)劑量計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。通常來(lái)說(shuō),直腸癌術(shù)后的調(diào)強(qiáng)放療計(jì)劃設(shè)計(jì)采用7野或9野,野數(shù)設(shè)置越多,則靶區(qū)劑量分布以及均勻性越好,但其危及器官的低劑量區(qū)較高,而高劑量區(qū)較低;野數(shù)設(shè)置越少,則靶區(qū)劑量分布和均勻性越差,但其危及器官的低劑量區(qū)較低,而高劑量區(qū)較高。本研究探討在維持最佳的靶區(qū)劑量分布的同時(shí)又能最大限度地保護(hù)好危及器官的變量組合,現(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。
抽樣選取2022年1—10月行調(diào)強(qiáng)放療的24例直腸癌術(shù)后患者,Dukes(2003年版)分期為Ⅰ~Ⅳ期,術(shù)后病理為中、低分化腺癌,患者年齡40~75歲,中位年齡58歲。
16排大孔徑螺旋定位CT(通用電氣公司,General Electric Company),仰臥位體位固定真空墊、俯臥位體位的體部固定架(廣州科萊瑞迪公司),配套使用ACUITY模擬定位機(jī)和Eclipse version 13.5三維治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)和Clinac IX醫(yī)用電子直線加速器(瓦里安公司,Varian Company)。
12例患者采取仰臥位,雙手上舉并使用真空墊固定;其余12例患者采取俯臥位,雙手抱頭并使用體部固定架固定。所有患者均進(jìn)行層厚5 mm的增強(qiáng)CT掃描,掃描范圍包括全腹部并外放5 cm。
由臨床放療醫(yī)師勾畫臨床靶區(qū)(CTV),將CTV的前后、左右外放0.7 cm,上下外放1.0 cm,得到計(jì)劃靶區(qū)(PTV)。危及器官(OARs)包括脊髓、膀胱、小腸和股骨頭。處方劑量均為5 000 cGy,分25次照射,每次200 cGy,要求99%的PTV體積最低受到95%(4 750 cGy)的處方劑量[1],PTV的最高劑量不超過(guò)5 400 cGy。OARs的耐受劑量要求分別是膀胱接受 4 000 cGy劑量的體積不超過(guò)膀胱總體積的50%(V40≤50%),脊髓最大劑量(Dmax)≤4 500 cGy,小腸Dmax≤5 000 cGy,股骨頭Dmax≤5 000 cGy。
在1 cGy和1 cm3的分辨率下生成的劑量-體積直方圖(DVH)是評(píng)估放療計(jì)劃的重要依據(jù)。在進(jìn)行不同計(jì)劃的對(duì)比時(shí),將所有患者的靶區(qū)PTV均歸一到其體積的99%至少能達(dá)到其處方劑量的95%。將平均劑量(Dmean,越小越好,但至少>5 000 cGy)、最大劑量(Dmax)、最小劑量(Dmin)、適形性指數(shù)(CI)和均質(zhì)性指數(shù)(HI)作為評(píng)價(jià)PTV的劑量學(xué)參數(shù)。對(duì)OARs的評(píng)價(jià)則選取脊髓(考慮擺位誤差,將實(shí)際脊髓外放3 mm進(jìn)行評(píng)估)的Dmax、小腸的Dmax、股骨頭的Dmax、膀胱V40、機(jī)器跳數(shù)(MU)和出束時(shí)間。CI取值范圍為0~1,該值越大則表示適形度越高[2-3]。HI值越小則劑量均勻性越佳[4-5]。
采用IBM SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,采用配對(duì)t檢驗(yàn),設(shè)置α=0.05,P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
為了探尋不同體位下放療效果的差異性,在設(shè)計(jì)放療計(jì)劃時(shí)需排除其他因素的影響,因此將24例患者的其他優(yōu)化條件設(shè)為完全一致,即將準(zhǔn)直器和機(jī)架以及治療床角都固定為0 °,選擇劑量率為400 MU/min下的6 MV的X線且設(shè)定MLC調(diào)強(qiáng)方式均為動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)(SW),劑量算法均為AAA,計(jì)算網(wǎng)格尺寸均為0.25 cm。不斷優(yōu)化直至每個(gè)計(jì)劃都滿足劑量學(xué)要求,將PTV歸一到99%的體積至少滿足處方劑量的95%(即4 750 cGy)的劑量,并采用SPSS 21.0將結(jié)果進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。對(duì)12例仰臥位患者采用7野共面的等中心布野方式,根據(jù)腹部的結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)機(jī)架角度為27、78、129、180、231、282、333°;對(duì)另外12例俯臥位患者同樣采用7野共面的等中心布野方式,且分別設(shè)計(jì)機(jī)架角度為0、51、102、153、204、255、306 °。與仰臥位相比,俯臥位PTV的Dmean和Dmax更低且HI也更低,小腸的Dmax及膀胱V50也更低,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表1。
表1 不同治療體位的劑量參數(shù)比較
為了只研究劑量算法對(duì)放療效果的影響,使用已定好的12例俯臥位患者的TPS計(jì)劃,保持計(jì)劃中其他條件不變,只將AAA算法改為PBC算法并重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,同樣將PTV歸一到99%的體積至少4 750 cGy的劑量。相較于PBC算法,AAA算法PTV的Dmean和Dmax更低且CI更高、HI更低,且小腸Dmax和膀胱V40也更小,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表2。
表2 不同劑量算法的劑量參數(shù)比較
選擇上述12例體位選擇為俯臥位且算法選擇為AAA計(jì)劃的患者,在其他參數(shù)條件不變的情況下,只在優(yōu)化結(jié)束后將調(diào)強(qiáng)方式從SW改為靜態(tài)調(diào)強(qiáng)(MSS)再進(jìn)行劑量計(jì)算,同樣將PTV歸一到99%的體積至少4 750 cGy的劑量。相較于MMS,SW的PTV的Dmean和Dmax更低且CI更高、HI更小,且小腸Dmax以及膀胱V40也更小,MU和出束時(shí)間偏大,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表3。
表3 SW與MSS的劑量參數(shù)比較
為了只研究不同X線能量對(duì)劑量計(jì)算結(jié)果的影響,將上述采用AAA算法和SW方式的12例俯臥位患者治療計(jì)劃中的X線能量改為15 MV并進(jìn)行重新優(yōu)化計(jì)算,同樣將PTV歸一到99%的體積至少滿足4 750 cGy的劑量。相較于6 MV,15 MV能量的PTV的Dmean、Dmax、Dmin均偏小,CI更高而HI更低,脊髓Dmax、膀胱V40、股骨頭Dmax偏小,MU和出束時(shí)間偏小,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表4。
表4 6 MV與15 MV的X線劑量參數(shù)比較
為了只研究不同計(jì)算網(wǎng)格尺寸對(duì)劑量計(jì)算結(jié)果的差異,將上述采用AAA算法和SW方式以及6MV X線能量的12例俯臥位患者計(jì)劃中的計(jì)算網(wǎng)格尺寸由0.25 cm改為0.50 cm,然后同樣將PTV歸一到99%的體積至少滿足4 750 cGy的劑量。相較于0.50 cm的計(jì)算網(wǎng)格尺寸,采用0.25 cm計(jì)算網(wǎng)格尺寸的PTV的Dmean、Dmax更小,CI更高而HI更低,膀胱V40、股骨頭Dmax偏小,MU和出束時(shí)間偏小,上述差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表5。
表5 0.25 cm與0.50 cm的計(jì)算網(wǎng)格尺寸參數(shù)比較
為了只研究放射野個(gè)數(shù)對(duì)放療計(jì)劃的影響,選擇上述采用AAA算法、SW方式以及6 MV X線能量且計(jì)算網(wǎng)格尺寸為0.25 cm的12例俯臥位患者的放療計(jì)劃,在保持其他參數(shù)設(shè)置不變的情況下,分別按7野(0、51、102、153、204、255、306 °)以及9野(0、40、80、120、160、200、240、280、320 °)進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì),同樣將PTV歸一到99%的體積至少滿足4 750 cGy的劑量。相較于7野調(diào)強(qiáng),9野調(diào)強(qiáng)PTV的CI更高而HI更低,膀胱V40更低,但股骨頭Dmax則是7野更低,但是9野的Dmax、MU和出束時(shí)間略微偏大,上述差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表6。
表6 7野與9野參數(shù)比較
為了比較采用不同條件組合的治療模式的劑量學(xué)差異,在其他條件不變的情況下,將12例俯臥位患者設(shè)為A組,其余12例仰臥位患者設(shè)為B組,對(duì)2組中每例患者分別設(shè)計(jì)放療計(jì)劃,其中A組患者采用俯臥位、AAA算法、SW方式、15 MV、0.25 cm、9野的條件,B組患者采用仰臥位、PBC算法、MSS方式、6 MV、0.50 cm、7野的條件。圖1顯示,A組的劑量分布以及均勻性優(yōu)于B組。為了滿足靶區(qū)劑量要求,將各例患者的劑量分布?xì)w一到99%的PTV體積至少滿足4 750 cGy的劑量,令a為A組中的典型患者,b為B組中的典型患者,正常組織定義為皮膚所包圍的體積除去PTV而剩下的體積。圖2顯示,a患者與b患者的靶區(qū)和危及器官的劑量受量均滿足臨床要求;與b患者相比,a患者PTV的DVH曲線明顯更陡,劑量分布更好;危及器官中,小腸、股骨頭的最大劑量更低且膀胱V40也更低。圖3顯示,b患者的正常組織受量均低于a患者的正常組織受量。采用配對(duì)t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法分析各劑量學(xué)參數(shù),與B組相比,A組PTV的Dmean、Dmax更小,CI較大而HI較小,小腸Dmax、膀胱V40、股骨頭Dmax均較小,MU和出束時(shí)間更大,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表7。
表7 A組與B組的劑量學(xué)參數(shù)比較
本研究顯示,相較于仰臥位,俯臥位可以在保證CI和HI的同時(shí)更好地保護(hù)膀胱和小腸,并且仰臥位患者是使用真空墊進(jìn)行體位固定,而放療技師的擺位依據(jù)是真空墊上的中心標(biāo)記點(diǎn)以及源皮距(SSD),因此其呼吸運(yùn)動(dòng)以及膀胱充盈度等差異都會(huì)影響實(shí)際SSD的大小。與之相比,使用俯臥位體部固定架的俯臥位患者則不存在上述差異,這是因?yàn)楦┡P位患者的腹部可以位于俯臥位固定架上的腹部固定孔中,而患者的呼吸運(yùn)動(dòng)、膀胱充盈以及背部的提莫垂直標(biāo)記點(diǎn)對(duì)SSD的影響微乎其微,大大降低了擺位誤差,提高了放療精準(zhǔn)性,更好地保護(hù)了正常組織器官[5]。DRZYMALA M等[6]研究顯示,在5~15 Gy的小腸受量時(shí),仰臥位小腸受照體積顯著大于俯臥位;在小腸受量為20~45 Gy時(shí)的差異則無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。KIM T H等[7]對(duì)4種不同體位固定方法時(shí)小腸受照體積差異的研究得出,最佳的固定方法是在保持膀胱充盈的狀態(tài)下采用俯臥位并加上腹部平板。
目前Eclipse中常用的2種劑量算法為PBC算法和AAA算法,每種算法都有其局限性,這是因?yàn)殡娮釉诓煌叽缃橘|(zhì)分界面的轉(zhuǎn)移近似時(shí)存在的問(wèn)題不同[8-10]。參考國(guó)內(nèi)外對(duì)于PBC算法的研究[11-13],PBC算法的優(yōu)點(diǎn)在于其計(jì)算精度能滿足大多數(shù)情況下的劑量計(jì)算要求[14],其缺點(diǎn)為對(duì)射線穿過(guò)2種不同組織尺寸時(shí)存在的二次建成效應(yīng)體現(xiàn)不夠完全,因此會(huì)對(duì)靶區(qū)內(nèi)尺寸較低組織的吸收劑量計(jì)算結(jié)果偏高。目前國(guó)際上認(rèn)為AAA算法在理論上相較于PBC算法更加精準(zhǔn)[15],這是因?yàn)锳AA算法同時(shí)將原射線、準(zhǔn)直器散射線以及電子線污染均加入了模型建立,這就使得其可以更準(zhǔn)確地修正不同尺寸介質(zhì)中的劑量計(jì)算結(jié)果,從而使結(jié)果更加真實(shí)可靠,因此又被稱為三維筆形束卷積疊加算法。國(guó)內(nèi)外對(duì)于這2種劑量算法的研究多集中于肺癌放療中的肺部受量的差異[16],根據(jù)R?NDE H S等[17]研究結(jié)果,相較于PBC算法,AAA算法在不均勻組織尺寸中的劑量計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。AARUP L R等[18]研究顯示,相較于PBC算法,AAA算法的劑量計(jì)算結(jié)果更加真實(shí),但對(duì)于肺部放療中肺的受量仍會(huì)存在一定程度的低估,然而由于腹部不像肺部一樣存在大量空腔,因此在腹部放療時(shí)選用AAA算法更為合適。本研究顯示,在其他條件都一致的情況下,采用AAA算法時(shí)的靶區(qū)CI更高而HI更低,同時(shí)危及器官中小腸Dmax和膀胱V40均更低,因此對(duì)于直腸癌術(shù)后放療應(yīng)選擇AAA算法。
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)的本質(zhì)區(qū)別在于每個(gè)固定野出束過(guò)程中MLC是否持續(xù)運(yùn)動(dòng)。二維強(qiáng)度圖的空間分辨率以及子野優(yōu)化算法[19]是影響MSS狀態(tài)下MLC運(yùn)動(dòng)的主要原因,而KUBO H D等[20]研究發(fā)現(xiàn)其就是導(dǎo)致子野數(shù)目差異的原因,這也導(dǎo)致了治療效率的差異。相較于MSS而言,SW的子野數(shù)目更多,因此其治療時(shí)間就更長(zhǎng)一些,但也是由于其更多的子野,對(duì)于靶區(qū)的掃描式照射也就更為精細(xì),同時(shí)漏射線更少,所以其在提高了CI和HI的同時(shí)更好地保護(hù)了危及器官[21-22]。本研究顯示,相較于MSS,選用SW的機(jī)器條數(shù)以及治療時(shí)間更長(zhǎng),但是選用SW在CI和HI方面更優(yōu),并且具有更低的小腸Dmax和膀胱V40。因此,直腸癌術(shù)后放療選擇SW的方式更優(yōu)。
由于高能射線的穿透能力更強(qiáng),因此其對(duì)正常組織的保護(hù)效果更好,尤其是對(duì)于存在腹部腫瘤、體型較胖、靶區(qū)較大、腫瘤位置較深等情況的腫瘤患者,使用高能射線時(shí)的CI以及HI會(huì)更好[23]。究其原因是15 MV的X線的建成區(qū)較6 MV的X線更深,因此高能射線更加適合深部腫瘤治療[24]。AOYAMA H等[25]研究發(fā)現(xiàn),相較于6 MV的X線,選用20 MV的X線可以降低11.2%的正常組織受量。WEISS E等[26]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于存在肺不張或者肺部原發(fā)灶較大或轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)較多的患者,選用18 MV能量的X線要優(yōu)于6 MV。本研究顯示,選用15 MV的X線得到的PTV的CI更高且HI更低,同時(shí)對(duì)于脊髓、膀胱、股骨頭的保護(hù)也更好。調(diào)強(qiáng)放療中是否使用高能射線的主要爭(zhēng)議在于更高的射線能量會(huì)增加透射線、漏射線以及中子污染,這些因素都會(huì)增加輻射誘導(dǎo)的二次原發(fā)癌的風(fēng)險(xiǎn)[27]。HUQ M S等[28]研究發(fā)現(xiàn),6 MV的X線多野葉準(zhǔn)直器的平均漏射率為2.5%,而20 MV的X線的平均漏射率為3.5%,但是透射和漏射線的劑量還與機(jī)器跳數(shù)有關(guān)。本研究顯示,15 MV較6 MV的X線的平均總MU降低了7.5%,15 MV的X線的總透射漏射劑量仍低于6 MV的X線。至于中子污染,有研究[29]表明,由中子污染導(dǎo)致的二次原發(fā)癌的風(fēng)險(xiǎn)非常低,因此不予考慮。由于15 MV的X線的MU較低,其T也更短,臨床上需要綜合考慮患者年齡、身體素質(zhì)、預(yù)期壽命以及腫瘤局部控制率和危及器官的保護(hù),進(jìn)而決定是否選擇高能射線進(jìn)行放療。一般而言,對(duì)于腹部或者較深部位的腫瘤建議選擇高能射線(≥10 MV),對(duì)于直腸癌術(shù)后的調(diào)強(qiáng)放療,高能射線帶來(lái)的臨床收益要大于其潛在風(fēng)險(xiǎn),因此選擇高能X線更佳。
計(jì)算網(wǎng)格尺寸的不同會(huì)對(duì)劑量計(jì)算準(zhǔn)確性、劑量分布和計(jì)算用時(shí)造成影響,國(guó)內(nèi)外的多篇文獻(xiàn)[30-31]均證實(shí)了這點(diǎn)。CHUNG H等[30]發(fā)現(xiàn)在實(shí)際劑量計(jì)算過(guò)程中,計(jì)劃系統(tǒng)能夠計(jì)算的計(jì)算點(diǎn)數(shù)目是存在一定限制的,多余的計(jì)算點(diǎn)的劑量則是通過(guò)插值的方式得出的。因此網(wǎng)格尺寸越小,即網(wǎng)格劃分的越小,則相鄰網(wǎng)格體之間的劑量梯度線性程度越高,從而插值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性越高;反之網(wǎng)格尺寸越大,則計(jì)算結(jié)果越差。本研究顯示,網(wǎng)格尺寸越小靶區(qū)的CI以及HI越好,同時(shí)對(duì)于危及器官膀胱和股骨頭的保護(hù)更好,雖然計(jì)算用時(shí)稍長(zhǎng),但是MU和T更低。綜合比較后得出,直腸癌術(shù)后調(diào)強(qiáng)放療的計(jì)算網(wǎng)格尺寸應(yīng)選擇0.25 cm。
在放療計(jì)劃設(shè)計(jì)中,放射野個(gè)數(shù)以及角度的布置將會(huì)直接影響劑量分布以及最終的治療效果。MA H等[32]比較5野與7野的胃癌術(shù)后調(diào)強(qiáng)放療的劑量學(xué)結(jié)果顯示,相較于5野調(diào)強(qiáng),7野調(diào)強(qiáng)在靶區(qū)適形度以及均勻性方面更占優(yōu)勢(shì),同時(shí)對(duì)大部分危及器官的保護(hù)更好,但是5野調(diào)強(qiáng)肝臟的平均劑量更低。本研究顯示,相較于7野均分調(diào)強(qiáng),9野調(diào)強(qiáng)的靶區(qū)平均劑量與處方劑量更相近,并且其靶區(qū)適形度以及劑量分布均勻性都優(yōu)于7野。對(duì)于OARs的保護(hù)方面,9野的膀胱V40更低;7野調(diào)強(qiáng)的股骨頭Dmax要低于9野,這是因?yàn)?野相較于7野新增的2個(gè)射野正好穿過(guò)股骨頭所在位置,導(dǎo)致了股骨頭所受的劑量不可避免的增高。同時(shí)9野調(diào)強(qiáng)的MU和T均略大于7野,但是相較于選擇9野調(diào)強(qiáng)帶來(lái)的諸多收益,這點(diǎn)治療時(shí)間的增加是可以接受的。本研究認(rèn)為直腸癌術(shù)后的調(diào)強(qiáng)放療應(yīng)選用9野均分的方式。
本研究顯示,在滿足劑量要求的前提下,相較于B組,盡管A組MU和T平均增加了16.8%,但PTV的Dmean平均降低了1.2%,CI平均增加了10.0%,HI平均降低了30.3%;小腸Dmax平均降低了3.0%,膀胱V40平均降低了31.2%,股骨頭Dmax平均降低了3.6%。上述結(jié)果表明A組的條件設(shè)計(jì)比B組更適用于直腸癌術(shù)后調(diào)強(qiáng)放療,這與相關(guān)研究[33-35]結(jié)論類似。
綜上所述,使用Eclipse version 13.5 TPS設(shè)計(jì)的直腸癌術(shù)后IMRT應(yīng)選用俯臥體位、AAA算法、SW方式、15 MV、0.25 cm以及9野均分的治療模式。盡管選用SW、0.25 cm、15 MV和9野均會(huì)在一定程度上增加劑量計(jì)算以及治療時(shí)間,但其在CI、HI以及OARs保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)更大。