10月合并

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1 第 35 卷第 10 期 2018 年 10 月 DOI: /j.issn X 中国医学物理学杂志 Chinese Journal of Medical Physics Vol. 35 No.10 October 2018 医学放射物理子野小数机器跳数取整对鼻咽癌静态调强放射治疗计划剂量学的影响田伟, 戴建荣国家癌症中心 / 国家肿瘤临床医学研究中心 / 中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院, 北京摘要目的 : 探讨 Prowess5.1 计划系统在鼻咽癌静态调强放疗 (IMRT) 计划设计时子野小数机器跳数 (MU) 的四舍五入取整对计划剂量学的影响方法 : 选择 33 例病理诊断明确的鼻咽癌患者的 IMRT 计划纳入研究, 分为两组计划 : 计划系统优化完成的原始计划组为 P orig; 对原始计划组的子野小数机器跳数四舍五入取整, 做最终剂量计算后生成新计划组 P new 两组计划所有子野形状未改变, 比较两组计划的 MU 变化及剂量学差异结果 : 两组计划所有靶区的和相近, 差异均无统计学意义 ;P new 组靶区覆盖率 PGTVnd 的 D 98 D 95 D 2 D mean 及 PTV2 的 D 98 D 95,P new 组均低于 P orig 组 (P<0.05), PGTVnd PTVnx 和 PTV1 的 V 100% 分别降低了 1.807% 0.655% 和 1.258%; 危及器官仅左颞叶的 D mean 差异具有统计学意义 (P<0.05); 对于 P1 计划, 单次 P new 比 P orig 跳数增加了 1.600, 差异具有统计学意义 ( ± vs ±46.693, P<0.05) 结论 :Prowess5.1 计划系统在制定鼻咽癌静态调强 IMRT 计划时, 子野小数 MU 的微小变化会引起剂量学的变化, 临床实践中应引起重视关键词鼻咽癌 ; 计划系统 ; 调强放射治疗 ; 小数跳数 ; 剂量学中图分类号 R815 文献标志码 A 文章编号 X(2018) Dosimetric effects of rounding subfield monitor units up for step-and-shoot IMRT plan of nasopharyngeal carcinoma TIAN Wei, DAI Jianrong National Cancer Center/National Clinical Research Center for Cancer/Cancer Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing , China Abstract: Objective To investigate the dosimetric effects of rounding subfield monitor units (MU) up to their nearest integers in step-and-shoot intensity-modulated radiotherapy (IMRT) plans for nasopharyngeal carcinoma (NPC) which was designed by Prowess5.1 planning system. Methods The IMRT plans for 33 NPC patients with definite pathological diagnosis were enrolled into this study. These IMRT plans were divided into two groups, namely P orig and P new. P orig was composed of all the original plans which had been optimized completely by the treatment planning system itself. P new was a new group of which all the subfield monitor unit were rounded up to their nearest integers based on P orig, and the shapes of segments in P newwere all the same as those in P orig. The dosimetric characteristics and MU differences were recorded and compared between P orig and P new. Results The conformity index and homogeneity index of target areas in two groups were similar, without statistical significance. The target coverage, the D 98, D 95, D 2, D mean of PGTVnd, and the D 98, D 95 of PTV2 in P new were lower than those in P orig (P<0.05). The V 100% of PGTVnd, PTVnx and PTV1 were decreased by 1.807%, 0.655% and 1.258%, respectively. For organs-at-risk, only the D mean of left temporal lobe showed statistical differences between two groups (P<0.05). For P1 plans, the MU per fraction in P new was increased by MU as compared with P orig ( ± vs ±46.693, P<0.05). Conclusion When Prowess5.1 planning system is used to design step-and-shoot IMRT plan for NPC, the tiny changes of subfield monitor units will cause dosimetric differences. Hence the calculation of monitor units should be paid attention to in clinical practice. Keywords: nasopharyngeal carcinoma; treatment planning system; intensity-modulated radiotherapy; decimal monitor unit; dosimetry 收稿日期作者简介田伟, 物理师, 工程师, 研究方向 : 医学物理, @qq.com 通信作者戴建荣, 博士, 二级研究员, 研究方向 : 治疗计划优化算法图像引导放疗等, dai_jianrong@163.com

2 前言鼻咽癌是我国常见肿瘤之一, 易发于华南地区, 放射治疗是鼻咽癌的主要治疗手段 [1] 基于三维适形放疗技术发展起来的调强放射治疗 (IMRT), 掀起了放射肿瘤学史上的一次技术变革, 它提高了肿瘤内剂量, 改善了靶区适形度和均匀性, 更好地保护了危及器官 (Organs-at-Risk, OAR), 大大降低了肿瘤局部复发率和正常组织并发症发生率 [2-4], 目前已成为鼻咽癌的主要放疗技术其中静态 IMRT 是通过一系列固定射野角度, 利用多叶准直器 (MLC) 形成若干子野 (Segment) 分步照射达到要求的剂量强度分布, 所有参数通过逆向治疗计划系统 (TPS) 精确优化得出, 然后传输到医用直线加速器中执行一般地,TPS 优化出来的每个子野的机器跳数 (MU) 至少保留小数点后两位数值, 若子野 MU 越小, 则会增加剂量投照的不确定性 [5-7] 鼻咽癌静态 IMRT 计划包含的子野数较多, 子野形状复杂, 如果在传输计划前子野小数 MU 未做归整处理, 则有可能带来实际投照剂量更大的不确定性本研究旨在 Prowess5.1 计划系统中分析子野小数机器跳数取整对鼻咽癌静态 IMRT 计划剂量学的影响, 从而为计划传输前的质量控制及临床实践提供必要依据 1 材料与方法 1.1 病例选择回顾性随机选择 2013 年 3 月 ~2014 年 5 月常德市第一人民医院肿瘤科收治的 33 例经病理和 MRI 确诊为无远处转移的鼻咽癌初治患者, 所有患者均已行 IMRT 其中男 19 例, 女 14 例, 年龄 33~75 岁 ( 中位年龄 55 岁 );TNM 分期参照鼻咽癌中国福州 2008 版 [8] : 6 例 T2 14 例 T3 13 例 T4 5 例 N0 9 例 N1 16 例 N2 3 例 N3 第 10 期田伟, 等. 子野小数机器跳数取整对鼻咽癌静态调强放射治疗计划剂量学的影响仪器设备采用德国西门子大孔径 CT 模拟定位机 SOMATOM AS40; 德国西门子直线加速器 Oncor impression plus; 美国 Prowess Panther5.1 计划系统 1.3 定位扫描患者均采用仰卧位, 头颈肩热塑模和全碳纤维头颈肩架固定, 双手置于体侧 ; 行 CT 增强扫描, 扫描上界为头顶, 下界为锁骨下 2 cm, 层厚与层间距均为 3 mm, 扫描完成后行图像质控检查, 确认无误后传输至 Prowess panther5.1 计划系统, 由临床放疗医师按统一标准勾画 1.4 靶区和危及器官勾画及处方规定靶区定义和勾画参照 ICRU50 60 号及 2010 年鼻咽癌调强放疗专家共识 [9] 原发肿瘤区 GTVnx, 颈部淋巴结肿大区 GTVnd, 高危临床靶区 CTVnx, 亚临床靶区 CTV1, 临床预防照射区 CTV2, 所有靶区外扩 3 mm 分别变成计划靶区 PGTVnx PGTVnd PTVnx PTV1 和 PTV2 处方剂量规定 :PGTVnx 74.8 Gy/34 次 PGTVnd Gy/34 次或 74.8 Gy/34 次 PTVnx Gy/34 次 PTV Gy/34 次和 PTV Gy/ 28 次勾画 OAR: 脊髓脑干晶体视神经视交叉垂体颞叶下颌骨腮腺和喉等, 剂量限值参照 RTOG0225/0615 [10-11] 1.5 计划设计所有患者 IMRT 计划均采用 9 野 ( ) 均分共面等中心设计, 射线能量 6 MV, 采用直接子野优化, 每个射野最大子野数为 9, 最小子野面积为 3 cm 2, 最小子野跳数为 3 MU 所有计划设计分两程完成 : 首先, 第一程计划按 34 次总处方优化, 满足临床需求后, 其中 28 次计划作为 P1; 其次, 第二程计划优化时舍弃 PTV2, 同样按 34 次处方优化, 待满足临床要求后, 其中 6 次计划作为 P2; 最后合成 P1 和 P2 即完成整个计划设计, 本研究所有对比均在合成计划中评价子野 MU 处理方式如下 :P orig 组为 TPS 原始输出, 每个子野 MU 保留小数点后两位 ;P new 组是在 P orig 组基础上对每个子野 MU 四舍五入取整数, 子野形状未改变 1.6 计划评估靶区剂量学评估包括 :(1) 最小近似剂量 D 98 最大近似剂量 D 2 和 D 95, 分别表示为 98% 2% 95% 的靶区体积受到的照射剂量 ;(2) 平均剂量 D mean;(3)v 100% 表示 100% 的靶区处方所包含的体积占靶区体积的百分比 ;(4) 均匀性指数 (Homogeneity Index, ) [12], =(D 2-D 98)/Dp, 式中 Dp 为靶区剂量, 理想值为 0, 并且随着计划不均匀而增大 ; 适形指数 (Comformity Index, ) [13],=V t,ref/v t V t,ref/v ref, 式中 V t,ref 为接受剂量等于或大于参考剂量的靶区体积,V t 为靶区体积,V ref 为接受剂量等于或大于参考剂量的体积, 取值 0~1, 值越大适形度越好本研究中 OAR 主要考察脊髓脑干晶体视神经视交叉和颞叶, 剂量学评估为 : 脊髓脑干评估最大剂量 D max,1% 的体积受照剂量 D 1; 晶体视神经视交叉评估最大剂量 D max; 颞叶评价最大剂量 D max,1% 的体积受照剂量 D 1 和平均剂量 D mean 除此之外, 还比较两组计划的 MU 差异 1.7 统计学处理应用 SPSS 20.0 软件进行统计学分析, 数据以均数 ± 标准差表示, 两组数据间进行配对 t 检验,P<0.05 表示差异具有统计学意义

- 1130 - 中国医学物理学杂志第 35 卷 2 结果 ( 虚线 ) 与 TPS 原始计算的 DVH( 实线 ) 的差异主要体现在靶区上, 而危及器官几乎无差异图 2 为横断面 2.1 靶区剂量对比上等剂量分布比较, 差异不明显 2.1.1 剂量分布与剂量体积直方图 (DVH) 从图 1 可以看出, 对于此患者计划, 子野 MU 取整后的 DVH Volume/% 100 90 80 70

2 Isodose line distribution of transvere section was composed of all the original plans which had been optimized completely by the treatment planning system itself; was a new group of which all the

3 中国医学物理学杂志第 35 卷 2 结果 ( 虚线 ) 与 TPS 原始计算的 DVH( 实线 ) 的差异主要体现在靶区上, 而危及器官几乎无差异图 2 为横断面 2.1 靶区剂量对比上等剂量分布比较, 差异不明显剂量分布与剂量体积直方图 (DVH) 从图 1 可以看出, 对于此患者计划, 子野 MU 取整后的 DVH Volume/% Relative dose/% Dose/cGy 图 1 某例患者 DVH 图 Fig.1 Dose-volume histogram of a patient 图 2 横断面等剂量线分布比较 Fig.2 Isodose line distribution of transvere section was composed of all the original plans which had been optimized completely by the treatment planning system itself; was a new group of which all the subfield monitor unit were rounded up to their nearest integers based on. The shapes of segments in were all the same as those in 靶区剂量比较由表 1 可知,PGTVnd 的 D 98 D 95 D 2 和 D mean PTV2 的 D 98 和 D 95, 子野取整组 P new 均低于 TPS 原始计算组 P orig, 差异具有统计学意义 (P<0.05); 对于靶区覆盖率, 所有靶区 P new 组均低于 P orig 组,PGTVnd PTVnx 和 PTV1 的 V 100% 差异具有统计学意义 (P<0.05), 分别降低了 1.807% 0.655% 和 1.258%; 两组计划所有靶区的和相近, 均无统计学意义 2.2 主要危及器官剂量比较由表 2 可以看出, 两种 MU 处理方式下, 对于所考察的 OAR, 所有 P new 的 D max 较 P orig 稍小, 右视神经视交叉及左右颞叶的 D 1 亦稍小 ; 脊髓脑干左视神经的 D 1 及右颞叶的 D mean,p new 较 P orig 稍大, 但以上均无统计学意义, 仅左颞叶的 D mean 差异具有统计学意义 (P<0.05) 2.3 机器跳数的变化由图表 3 可知, 两种 MU 不同处理方式下, 对于 P1 计划, 单次 P new 比 P orig 跳数增加了 1.600, 差异具有统计学意义 (P<0.05)

4 第 10 期田伟, 等. 子野小数机器跳数取整对鼻咽癌静态调强放射治疗计划剂量学的影响表 1 与的靶区剂量学参数比较 ( xˉ ± s ) Tab.1 Dosimetric comparison of target areas between and (Mean±SD) Target area Parameter P value PGTVnx ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± PGTVnd ± ± * ± ± * ± ± ± ± * ± ± * 0.069± ± ± ± PTVnx ± ± * ± ± ± ± ± ± ± ± * 0.159± ± ± ± PTV ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± * 0.319± ± ± ± PTV ± ± * ± ± * ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± : Homogeneity index; : Conformity index; *P<0.05

5 中国医学物理学杂志表 2 与的危及器官剂量学参数比较 ( xˉ ± s ) Tab.2 Dosimetric comparison of organs-at-risk between and (Mean±SD) 第 35 卷 Organs-at-risk Parameters/cGy P value Spinal cord ± ± ± ± Brain stem ± ± ± ± Lens-L ± ± Lens-R ± ± Optic nerve-l ± ± ± ± Optic nerve-r ± ± ± ± Optic chiasm ± ± ± ± Temporal lobe-l ± ± ± ± Dmean ± ± * Temporal lobe-r ± ± ± ± Dmean ± ± *P<0.05 Plan P1 P2 3 讨论表 3 与的 MU 数比较 ( xˉ ± s ) Tab.3 Comparison of monitor units between ± ± (Mean±SD) 相对传统放疗技术, 鼻咽癌 IMRT 具有明显的剂量学优势, 不仅改善患者生存质量, 而且大大提高了肿瘤局控率 [14] 静态 IMRT 则是利用 MLC 形成多个子野分步照射, 每个子野照射完毕后, 照射切断,MLC 形成下一个子野, 继续照射, 待所有子野照射完成, 束流强度叠加形成所需剂量分布为达到一个满意的临床需求, 鼻咽癌静态 IMRT 计划往往包含多个子野, 并且子野形状复杂子野 MU 较小, 由于加速器的启动特性射线开 / 关动作以及靶区本身运动等, 小子野及小 MU 投照具有 [15-16] [17] 很大不确定性如徐英杰等在研究西门子加速器启动特性时报道 :MU<2 时射线束不稳定, 所有指标 ± ± and P value 重复性差, 部分或所有指标不符合临床要求 ;MU 2 时每个 MU 的剂量差别 <0.1%, 射野平坦度和对称性能满足临床要求目前有关小数位 MU 的研究非常少, 多数 [16] 集中在对小 MU 的研究 Nithya 等报道 : 对于剂量线性, 当执行 1 MU 时误差达到 4.2%, 当大于 1 MU 时误差 <2% 另外, 对小 MU 的剂量特性研究, 不同厂家的加 [15] 速器, 得出的结果不尽相同 :Bhangle 等在 Siemens Oncor impression 加速器上研究 6 MV 和 15 MV 线 [18] 性, 2 MU 时只有 2%,1 MU 时大概 12%;Kang 等发现 Varian 21EX 加速器在小 MU 时剂量误差超过 10%, 射野平坦度和对称性在 MU 减少至 1 时有变差 Fujimoto [19] 等报道医科达机器 1 MU 时标准差在 ±5%, 每个子野 2 MU 时则降至 ±1.2% 本研究试图在小子野和小 MU 的基础上分析鼻咽癌静态 IMRT 计划中, 小数 MU 取整对计划质量的影响, 由图 1 表 1 不难看出, 小数 MU 取整后, 部分靶区剂量学参数影响较大, 尤其是对 PGTVnd 较敏感, 其 D 98 D 95 D mean 及 V 100% 差异均有统计学意义, 这可能与 PGTVnd 靶区体积较小有关 ; 其次,PGTVnd 剂量 - 体积曲线图较徒陡, 且相对较好,MU 微小变化可能会引起靶区覆盖

6 第 10 期田伟, 等. 子野小数机器跳数取整对鼻咽癌静态调强放射治疗计划剂量学的影响率等参数较大的变化 ; 另外, 有研究报道 MLC 的叶片宽度与靶区覆盖率等剂量学参数相关 [20-21] 本研究 MLC 在等中心的宽度为 1 cm, 对于淋巴结这样精细靶区的剂量学控制欠佳, 小数 MU 的变化可能会影响计划质量临床研究表明鼻咽癌的局部控制率与靶体积的照射剂量呈正相关 [22], 放疗后 GTV 等靶区体积缩小明显 [23], 并且原发肿瘤及颈部淋巴结体积大小与鼻咽癌的预后相关 [24] 因而在保护 OAR 的同时应最大限度提高目标剂量的靶区覆盖率本研究中 PGTVnx PGTVnd PTVnx PTV1 以及 PTV2 靶区覆盖率 V 100% 在小数 MU 取整后分别降低了 1.608% 1.807% 0.655% 和 1.258%, 故小数 MU 在 TPS 中的处理问题不容忽视对于 Prowess Panther5.1 系统, 若子野 MU 取整前后 DVH 评价差异超出临床允许范围, 应该重新优化计划, 待小数 MU 处理后再评估, 直至实际投照的计划满足临床需求综上所述, 对于 Prowess Panther5.1, 每个子野小数 MU 的取整 ( 实际执行需要 ) 对计划质量会有一定影响, 应引起物理师和放疗医师足够重视, 计划传输前做好必要质控 ( 计划再评估小野小数 MU 核查及处理等 ) 以确保放疗实施的精确性未来, 期待伴随放疗新设备放疗技术和计算机技术的发展,TPS 中子野 MU 的计算精度在加速器中能如实执行参考文献 [1] ANONYMOUS. Cancer incidence in five continents. Volume Ⅷ[J]. IARC Sci Pub, 2002, 155: [2] YU C X, AMIES C J, SVATOS M. Planning and delivery of intensitymodulated radiation therapy[j]. Med Phys, 2008, 35(12): [3] THAM I W, HEE S W, YEO R M, et al. 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