2. 吉安市中心人民医院，江西 吉安 343099;
3. 浙江省肿瘤医院，浙江 杭州 310005
2. Ji'an Central People's Hospital, Ji'an 343099 China;
3. Zhejiang Cancer Hospital, Hangzhou 310005 China
直肠癌是消化系统最常见的恶性肿瘤之一，受饮食结构变化、人口老龄化等因素的影响，我国直肠癌发病率及死亡率近年来都在稳步提升[1-3]。最新版《中国结直肠癌诊疗规范（2020年版）》报道，2018年中国结直肠癌发病率位居所有癌症第3位，大部分患者确诊时肿瘤已发展到中晚期[4]，直肠癌术后的局部高复发率是导致直肠癌术后死亡率升高的重要原因，放射治疗是直肠癌术后的重要治疗手段，可有效控制直肠癌复发率，延长患者生存时间[5]。直肠癌临床靶区（Clinical target volume，CTV）较复杂，体积较大，且紧邻危及器官（OARs），二维放射治疗技术(Conventional two-dimensional radiotherapy，2D-CRT)已不能满足当前精准放疗的要求，拥有更好调制性能的调强适形放射治疗技术（Intensity-Modulated Radiation Therapy，IMRT）已广泛应用在直肠癌的术后放射治疗，相比2D-CRT，IMRT的剂量适形性指数(Conformity index，CI)更好，在提高靶区剂量覆盖率的同时能有效降低OARs的剂量受量，从而减少放疗不良反应的发生，提升患者放射治疗的收益[6]。本研究使用Monaco 5.11放射治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）制定放射治疗计划，通过改变计划的通量平滑度，比较不同通量平滑度（FS）等级下计划剂量学差异，找到适用于直肠癌IMRT计划的FS参数值，为临床计划设计提供参考。
1 材料与方法 1.1 病例资料选取15例2020年1月—2020年12月在我院接受过直肠癌术后放射治疗的患者，其中男7例、女8例，年龄范围38～72岁(平均年龄54岁，年龄中位数57岁)，T3~T4分期，术前病理结果均为直肠腺癌，患者KPS（Karnofsky Performance Status）功能评分大于70。
1.2 CT模拟定位及靶区勾画CT模拟定位机使用Philips 85 cm超大孔径螺旋CT，满足大部分放疗体位要求。患者使用放疗专用碳纤维无金属平板、医用放疗固定体膜及头枕固定。考虑到摆位的可重复性和舒适度，统一采取头脚方向仰卧位，平躺于纤维板上，双手上举握杆。定位前1 h排空膀胱后立即饮水500 mL，治疗前亦采取此方式，保证患者每次治疗时膀胱充盈度尽量一致。CT扫描范围：上界至L2～L3腰椎处，下界至股骨上中1/3段，层厚5 mm[4]。获取的患者定位CT影像，经网络传输至Monaco TPS工作站。患者靶区及危及器官由一名主任放疗医师参照国际辐射单位和测量委员会(International Commission on Radiation Units and Measurements，ICRU)83号报告勾画完成。靶区包括GTV（Gross tumor volume，通过检查确定的肿瘤侵犯区域）及CTV（Clinical target volume，包含GTV及高危复发区域和淋巴引流区）。考虑到治疗过程中器官的运动和摆位误差的存在，统一将CTV外扩5 mm生成PTV（Planning target volume，计划靶区）。
1.3 放射治疗计划设计物理计划设计由高年资物理师使用Monaco 5.11 TPS系统完成。Monaco TPS系统是目前主流的放射治疗计划系统，其搭载的蒙特卡洛（Monte Carlo）算法具有高度精确度的计算能力 ，受到广泛认可[7]。Monaco放射治疗计划系统为用户提供了可修改的计划参数，进行计划设计时，可根据需要修改参数，获得更加贴合临床需求的个性化治疗方案[8]。本研究定义每位患者的4个物理计划为一组，共15组60个物理计划。所有物理计划选取PTV体积中心为计划中心，处方总剂量5 000 cGy，单次200 cGy，X光子能量为6 MV，剂量计算网格0.3 cm，蒙卡不确定度1%（Per calculation），最小子野宽度0.6 cm，均设计为7 Fields IMRT[9]，Field角度固定为150°/100°/50°/0°/310°/260°/210°，每组计划只改变FS等级，同组4个计划FS依此设定为Off、Low、Medium 和High，其它参数及约束条件保持一致。
1.4 计划剂量学评估对每个计划按照5 000 cGy处方剂量覆盖95%的PTV体积的标准进行剂量归一，通过剂量-体积直方图(Dose-volume histogram，DVH)及ICRU 83号报告对靶区及危及器官的剂量学参数进行评估。靶区评估的参数有适形性指数 (Conformity index，CI) 、均匀性指数 (Homogeneity index，HI) 、D2(2% PTV体积在DVH图中所对应的剂量值，评估剂量最大值)、Dmean(PTV平均剂量)、Dmin(PTV最小剂量)[10]；危及器官受量评估参数有：膀胱、小肠、左右股骨头的D2(2% OAR体积在DVH图中所对应的剂量值，评估剂量最大值)、Dmean(OAR平均剂量)、Vx（xGy剂量线覆盖的OAR体积）；其它参数：机器跳数（Monitor units，MUs）、子野数（Segments）、剂量计算时间（Estimated total delivery time，ETDT）、γ通过率。
其中，适形指数CI反应放射治疗的剂量分布与靶区形状适合情况，公式[11]如下：
| $ {{CI = }}\frac{{{V_{50}}}}{{{V_T}}} \times \frac{{{V_{50}}}}{{{V_R}}} $ | (1) |
式中V50为处方剂量50 Gy包绕PTV体积；VR为处方剂量50 Gy剂量线覆盖体积；VT为PTV体积。CI值越接近1，表明剂量与靶区的适形度越好；
均匀性指数HI反应靶区内诸点剂量偏离靶区规定剂量的程度，公式如下：
| $ {{HI}}= \frac{{{D_2} - {D_{98}}}}{{{D_{50}}}} $ | (2) |
式中，D2 、D50、D98分别为2%、50%、98%PTV体积在DVH图中所对应的剂量值。HI值越接近0，表明靶区剂量的均匀性越好。
1.5 剂量验证使用IBA公司MatriXX Evolution二维矩阵平板电离室（具有1 020个电离室，灵敏度为2.4 nC/Gy，灵敏体积为0.08 cc，有效测量范围为24 cm×24 cm，搭配SP34固体水）验证计划γ通过率。测量前制作出束角度归零的验证计划并对平板电离室校准，剂量验证过程采用电影模式，采集到的数据传输到IBA公司MyQA软件进行γ通过率(Gamma passing rate，GPR)分析，分析标准为：剂量差异2%，距离符合度2 mm，γ通过率大于95%时计划剂量验证通过[12-13]。
1.6 统计学方法采用SPSS 20.0软件对获取的各项数据进行分析处理，具有正态分布特征的数据以
综合表1及图1，不同FS等级下，靶区D2、Dmin、Dmean、CI、HI数据结果均能满足临床需求，除CI外，差异均具有统计学意义（P < 0.05）。单个参数来看，通量平滑度为FS-High时，靶区剂量 D2、Dmin、Dmean均为最大，数据具有统计学意义（P < 0.05）；通量平滑度为FS-Off时，CI数值最大，FS-Low时，CI数值最小，但差异无统计学意义（P＞0.05）。同组计划，不同FS等级的剂量梯度分布如图2，观察整体剂量分布及放大部分的剂量分布，4组计划适形度差异无统计学意义；通量平滑度为FS-Medium时，HI数值最小，靶区剂量均匀性最好，差异具有统计学意义（P < 0.05）。图3为不同FS等级，15组计划剂量适形度及均匀度分布图，据图可知CI与HI的数值大小与FS等级无紧密关联性，且同组计划CI与HI数值相近。
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表 1 靶区（PTV）剂量学参数比较（n = 15） Table 1 Comparison of dosimetric parameters of planning target volume (n = 15) |
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图 1 同组计划，不同FS等级，DVH曲线图 Figure 1 Dose-volume histogram with different FS levels in the same plan group |
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图 2 同组计划，不同FS等级，剂量梯度分布图 Figure 2 Dose gradient distribution with different FS levels in the same plan group |
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图 3 不同FS等级，15组计划剂量适形度及均匀度分布图 Figure 3 Distribution of dose conformity index and homogeneity index in 15 plan groups with different FS levels |
4种FS等级计划危及器官的剂量统计结果如表2，小肠除V50差异具有统计学意义（P < 0.05），D2、Dmean、V20、V30、V40差异均无统计学意义；左股骨头V20、右股骨头D2、V40及膀胱D2差异均无统计学意义，其它差异均有统计学意义（P < 0.05）。
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表 2 危及器官（OARs）剂量学参数比较（n = 15） Table 2 Comparison of dosimetric parameters of organs at risk (n = 15) |
直接读取Monaco TPS物理计划参数，分析不同FS等级Segments、MUs及ETDT的数据，如表3，FS-Off下Segments、Mus及ETDT数值均为最大，随着FS等级的提高，数值随之减小，在FS-High时达到最小，Segments、Mus及ETDT的变化同FS的等级提升呈反比关系，差异具有统计学意义（P < 0.05）。执行15组60个物理计划，采集分析数据得到不同FS等级的γ通过率，图4为不同FS等级下的γ通过率，γ通过率随FS等级提升而变大，在FS-High时达到最大，差异具有统计学意义（P < 0.05）。
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表 3 机器参数比较（n = 15） Table 3 Comparison of machine parameters (n = 15) |
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图 4 γ通过率随FS等级变化图 Figure 4 Gamma pass rate at different FS levels |
基于蒙特卡洛[14]算法的Monaco 5.11 TPS系统是目前主流的放射治疗计划系统，可出色完成IMRT计划的设计及计算[15]。Monaco TPS系统可以调整PTV及OARs剂量目标、正常组织计算参数、计算网格尺寸、通量平滑度等参数，进行计划优化，得到适用于临床治疗目标的计划。直肠癌靶区体积较大，为凹形靶，且紧邻膀胱、股骨头、小肠等危及器官，IMRT放射治疗可实现射野内的剂量调节，在三维空间上实现良好的靶区和危及器官适形度，被广泛应用在直肠癌的根治及辅助治疗[16]。通过调节通量平滑度，可以改变计划控制点下的射野复杂度及照射面积，FS-Off至FS-High的变化过程中，射野复杂度降低，照射面积增大，同时，射野复杂度的降低将减少Segments、Mus、及ETDT。直肠癌术后患者如何设置FS等级以得到最优计划，需要放射剂量学数据的支撑。
本文比较了15组共60个直肠癌术后IMRT物理计划在Off、Low、Medium、High 4种FS等级下的剂量学数据。从靶区剂量学差异来看，4种FS等级下靶区D2、Dmin、Dmean、CI、HI数据结果均能满足临床剂量需求，同组计划，不同FS等级DVH图中的4条PTV曲线基本重合且符合临床剂量标准；虽除CI外，差异均有统计学意义，但各FS等级下PTV数据差异不大，无一致的涨落趋势，不同FS等级下15组计划剂量均匀度及适形度分布及变化图也证实了这一表现，各组计划的CI及HI数值涨落同FS等级没有相关性，同样的，同组计划，4种FS等级下的剂量梯度分布图也无明显差异。从危及器官剂量学差异来看，小肠、左右股骨头及膀胱的D2、Dmean、各评估参数的剂量体积百分数均符合临床剂量限值要求；虽然左股骨头D2,右股骨头Dmean、V30的数值随FS等级提升呈增长趋势，右股骨头V20、膀胱Dmean、V40、V50的数值随FS等级提升呈下降趋势，且差异均有统计学意义（P < 0.05），但股骨头及膀胱表现的剂量数值随FS等级变化的趋势不统一，此时的剂量变化规律与FS等级的改变无关，可能与设置的计划约束函数及结构优先度有关；其中小肠除 V50差异具有统计学意义（P < 0.05），D2、Dmean、V20、V30、V40差异均无统计学意义，所有小肠的评估参数在整个平滑范围内没有显示出任何趋势或可重复性，这可能和小肠空间体积不规则、生理位置相对不固定，个体之间的小肠形态分布相差较大有关。以上结果表明，4种FS等级下得到的15组直肠癌IMRT计划质量都能满足临床剂量学的要求，不同FS等级下剂量分布无明显差异，这与国内学者吴凡等[17]关于Monaco系统改变通量平滑度对中上段食管调强治疗的剂量学研究所得到的结果一致：高组FS可以获得与中组和低组类似的计划质量；国外学者Puzhakkal Niyas[18]对20个鼻咽癌和肺癌患者在不同FS等级下的IMRT计划研究结果也表明：靶区和大多数危OARs的剂量在不同FS等级下无明显差异。
目前的研究均表明，Segments、MUs及ETDT会随通量平滑度的改变而变化，随着通量平滑度的增加，射野复杂度降低，计划复杂度下降，表现为子野数、机器跳数、剂量计算时间的减少，计划效率及收益提高[19]。本文中由FS-Off至FS-High，Segments、MUs及ETDT分别平均减少了15.2%、11.8%、6.7%，符合以上趋势；γ通过率随FS等级提升而变大，由FS-Off至FS-High γ通过率提高了1.6%，这是由于计划的复杂性对剂量输送的准确性有相当大的影响[20]，随着通量平滑度增加，计划复杂度下降，剂量输送的准确性提高，γ通过率升高，计划的可交付有所改善[21-22]。相反，FS等级由High降低至Off，会增加IMRT 计划复杂性，使MUs迅速增加，进而导致治疗时间延长和辐射泄漏的增加，从而增加了患者的全身剂量增高和继发性癌症产生的风险[23]
综上，Monaco TPS 系统4种通量平滑度的直肠癌术后IMRT计划质量差异无统计学意义，均能满足临床剂量要求，并且随着通量平滑度的提升，Segments、MUs及ETDT均减少，γ通过率升高，计划效率提高。因此，建议在直肠癌术后IMRT计划设计中使用FS-High平滑度，同时，由于直肠癌靶区形状的复杂性及位置的特异性，本结果仅作为直肠癌术后IMRT计划设计的参考，后期需要进一步的工作来明确其它疾病部位放疗计划剂量学与通量平滑度的关系。
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