Bias_Dose在脑转移...瘤序贯放疗计划设计中的应用_刘灏.pdf

医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023Bias Dose 在脑转移肿瘤序贯放疗计划设计中的应用刘灏1，2，费振乐1，3*，郝远翔2，牛振洋3，武曼莉2（1.安徽医科大学生物医学工程学院，合肥 230032；2.皖北煤电集团总医院（蚌埠医学院第三附属医院）放射治疗室，安徽宿州 234000；3.联勤保障部队第 901 医院放疗科，合肥 230031）摘要目的：分析医科达 Monaco 计划系统的 Bias Dose 计划设计功能应用于脑转移肿瘤的序贯放疗计划设计的可行性及优缺点。方法：选择 10 例脑转移肿瘤患者，以同一首程计划为基础，分别使用常规方法和 Bias 方法（采用Bias Dose 计划设计功能）设计再程计划，作为常规计划组和 Bias 计划组，比较 2 组计划的剂量分布情况、机器跳数及计划设计时间（包括优化时间和预估执行时间）。使用 SPSS 22.0 软件进行统计学分析。结果：相较于常规计划组，Bias 计划组计划肿瘤区（planning gross tumor volume，PGTV）的 D2偏高 0.64%，计划靶区（planning target volume，PTV）的 Dmean偏低 1.18%，差异均具有统计学意义（P0.05），且结果均在临床可接受范围。2 组计划靶区覆盖率均在96%以上，危及器官受量均在临床限值内，差异均无统计学意义（P0.05）。Bias 计划组的适形性指数、PGTV 靶区的均匀性指数、机器跳数和预估执行时间均高于常规计划组，PTV 靶区的均匀性指数低于常规计划组，差异均具有统计学意义（P0.05）。结论：应用 Bias Dose 计划设计功能设计脑转移肿瘤序贯放疗计划，虽然在机器跳数和预估执行时间方面有一定的劣势，但在靶区剂量分布方面具有一定的优势，同时也给计划设计和评估带来很大便利，因此在脑转移肿瘤序贯放疗中应采用 Bias Dose 计划设计功能以取得更优的剂量分布。关键词Monaco 计划系统；Bias Dose；序贯放疗；剂量分布；脑转移瘤中国图书资料分类号R318；R815文献标志码A文章编号1003-8868（2023）01-0064-05DOI：10.19745/j.1003-8868.2023011Application of Bias Dose in sequential radiotherapy planning ofbrain metastasesLIU Hao1,2,FEI Zhen-le1,3*,HAO Yuan-xiang2,NIU Zhen-yang3,WU Man-li2(1.School of Biomedical Engineering,Anhui Medical University,Hefei 230032,China;2.Department of Radiation Oncology,Anhui Wanbei Coal-Electricity Group General Hospital,the Third Affiliated Hospital of Bengbu Medical College,Suzhou234000,Anhui Province,China;3.Department of Radiation Oncology,the 901st Hospital of Joint Logistics Support Force,Hefei 230031,China)AbstractObjectiveTo analyze the feasibility,advantages and disadvantages of Bias Dose planning of Elekta Monacoplanning system in the design of sequential radiotherapy plans for brain metastatic tumors.MethodsTen patients with brainmetastatic tumors were selected and the same first course plan was used as the background dose.The re-course plans of thepatients were designed with the conventional method and Bias method respectively and enrolled into a conventional plangroup and a Bias plan group.The dose distribution,monitor unit and plan design time were compared between the two groups.Statistical analysis was performed using SPSS 22.0 software.ResultsWhen compared with the conventional plan group theBias plan group had the D2value of the planning gross tumor volume(PGTV)0.64%higher,the Dmeanvalue of the planningtarget volume(PTV)1.18%lower,both with statistically significant differences(P0.05).The Bias plan group had the conformity index,homogeneity index of PGTV,monitor unit and estimated execution time all higher than those of the conventional plan group,while the homogeneity index of PTV lower,with all the differences being statistically significant(P0.05）；PGTV 靶区 D2偏高 0.64%，但低于 110%的处方剂量；PTV 靶区 Dmean偏低 1.18%，差异具有统计学意义（P0.05）。对于靶区覆盖率（target coverage，TC），无论是 PGTV 还是 PTV，Bias 计划组均略低于常规计划组（P0.05）。虽然 2 组计划叠加了同一背景剂量，且再程计划均进行了剂量归一操作，但由于 2 组再程计划剂量分布的差异，总的 TC 仍略有差异，但差异无统计学意义（P0.05）。2.22组计划靶区的适形性、均匀性比较如图 1、2 所示，对于 PGTV 靶区来说，Bias 计划刘灏，费振乐，郝远翔，等.Bias Dose 在脑转移肿瘤序贯放疗计划设计中的应用J.医疗卫生装备，2023，44（1）：64-68.Thesis论著Thesis论著 65 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023表1放疗计划评估指标评估指标释义最大剂量 D22%的靶区体积受到的剂量平均剂量 Dmean靶区受到的平均剂量TCTC=TVp/TV100%，其中 TVp为处方剂量覆盖的靶区体积，TV 表示靶区总体积HIHI=D5/D95，其中 D5表示 5%的靶区体积受到的剂量，D95表示 95%的靶区体积受到的剂量7。HI 的取值范围为 01，越接近 1 表示靶区剂量的均匀性越好CICI=（VTref/VT）（VTref/Vref），其中 VTref为参考等剂量线所包绕区域体积，VT 为总的靶区体积，Vref为参考等剂量曲线包绕的 PTV 体积8-9。CI 的取值范围为 01，越接近 1 表示适形性越好优化时间Monaco 计划系统优化计划所用的时间预估执行时间Monaco 计划系统计算出的预估治疗时间靶区（PGTV、PTV）最小剂量 D9898%的靶区体积受到的剂量危及器官最大剂量 Dmax在本研究中用于评估串行器官的最大剂量。晶体、眼睛、视神经等成对器官统计结果取最大值计划参数机器跳数直线加速器需要输出的跳数组的适形性指数（conformity index，CI）和均匀性指数（homogeneity index，HI）均高于常规计划组，差异具有统计学意义（CI：P0.001，HI：P=0.008）；对于 PTV靶区，Bias 计划组的 CI 高于常规计划组，差异具有统计学意义（P=0.011），Bias 计划组的 HI 低于常规计划组，差异具有统计学意义（P=0.005）。2.32组计划参数比较2 组计划机器跳数、优化时间和预估执行时间比较结果见表 3。常规计划组和 Bias 计划组的优化时间无明显差异（P0.05）；但 Bias 计划组的预估执行时间及机器跳数均大于常规计划组，2 组差异具有统计学意义（P0.05）。2.42组计划危及器官剂量比较2 组计划危及器官最大剂量比较结果见表 4。由表 4 可以看出，Bias 计划组危及器官的最大剂量除眼睛外均低于常规计划组，但差异无统计学意义（P0.05）。2.52组计划总体剂量分布比较选取某例患者的计划，其总剂量分布及 2 种计划剂量差异分布如图 3 所示。图 3（a）、（b）中显示剂量范围为 4065 Gy，蓝色区域表示低剂量，红色区域表示高剂量。由图 3（a）、（b）可以看出，2 种计划的低剂量区域基本一致，但在PGTV 和 PTV 中间区域内，Bias 计划的高剂量区域明显少于常规计划。图 3（c）是常规计划剂量减去 Bias 计划剂量生成的剂量分布，红色区域为正值，表示常规计划剂量更高，颜色越深，差值越大；蓝色区域为负值，表示 Bias 计划剂量更高，颜色越深，差值越大。从图 3（c）中可看出，红色区域明显多于蓝色区域，且集中于 PGTV 外。3讨论目前，脑转移肿瘤的序贯放疗仍是大部分医院采取的主要治疗方式。研究10-12表明，序贯放疗可以在保证肿瘤得到足够剂量的同时最大限度地保护危表22组计划靶区剂量比较（x?s）分组PGTVPTVD98/GyDmean/GyD2/GyTC/%D98/GyDmean/GyD2/GyTC/%常规计划组61.201.1962.930.4464.050.5099.321.1839.380.8947.292.1461.972.1196.971.72Bias 计划组60.651.2563.060.5264.460.5998.761.4439.340.8746.741.8161.762.5696.911.75P0.0780.1560.0010.1730.1710.0250.3500.190图12组计划靶区CI分布比较0.950.850.750.650.550.450.350.250.1512345678910患者序号CI常规计划组的 PGTVBias 计划组的 PGTV常规计划组的 PTVBias 计划组的 PTV图22组计划靶区HI分布比较表32组计划参数比较（x?s）分组机器跳数/MU优化时间/s预估执行时间/s常规计划组556.77154.05138.2565.98179.8440.22Bias 计划组756.34190.29140.4372.67197.8140.27P0.0010.8190.0121.61.51.41.31.21.11.0HI12345678910患者序号常规计划组的 PGTVBias 计划组的 PGTV常规计划组的 PTVBias 计划组的 PTV刘灏，费振乐，郝远翔，等.Bias Dose 在脑转移肿瘤序贯放疗计划设计中的应用J.医疗卫生装备，2023，44（1）：64-68.Thesis论著注：HI 为均匀性指数，CI 为适形性指数，TC 为靶区覆盖率。注：TC 为靶区覆盖率。66 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023表42组计划危及器官最大剂量比较（x?s）单位：Gy分组脑干脊髓晶体眼睛视交叉视神经常规计划组47.333.4734.712.355.760.7533.274.2545.103.3640.291.20Bias 计划组46.722.8234.562.215.700.5533.674.4444.822.9739.981.07P0.1320.2300.5140.9590.2850.093及器官。序贯放疗的常规方法是分别设计首程计划和再程计划，采用直接叠加法对剂量进行评估13。但该方法存在着较大的弊端：（1）需要人工计算串行器官余量，对于并行器官很难评估余量；（2）人工计算余量很难将适形性、均匀性等指标定量地转换为点剂量分布，无法在再程计划中做针对性优化；（3）难以针对同一结构的不同部位进行单独限量，因此对于较复杂的病例来说，叠加后靶区及危及器官剂量不理想的情况时有发生，需返工修改再程计划乃至首程计划，增大了物理师的工作量，降低了计划设计的效率。国外研究14-16结果表明，常规方法设计的计划直接相加会产生更高的剂量和未优化的剂量分布，最终导致正常组织剂量过高。Mavroidis等16的研究表明，剂量分布应该在求和之前进行优化，以减少对患者真实剂量的低估。本研究使用了 Bias Dose 计划设计功能，可直接在首程剂量的基础上设计再程计划，省去了人工计算余量的过程，克服了常规方法的不足，简化了计划设计流程。通过与常规方法的结果进行比较，应用 Bias Dose 计划设计功能设计的计划在满足靶区剂量的同时，提高了靶区的适形性，提供了更优的剂量分布。对于与常规计划组有显著差异的几个参数，虽然 Bias 计划组的 PGTV 的最大剂量和 PTV 的平均剂量差异明显，但偏差在 1%左右，且剂量在临床可接受范围。在适形性和均匀性方面，由于常规计划组首程与再程是独立的计划设计过程，剂量叠加后很难得到理想的适形性与均匀性，也很难进行针对性的优化，导致计划质量降低，而 Bias 计划组直接使用相应的约束函数来调整适形性和均匀性，从而生成满意的放疗计划。在本研究中，靶区的 CI 值与国内学者17-19在脑转移肿瘤同步推量与序贯推量对比研究中的数据类似。Bias 计划组 CI 值虽然较高，但由于剂量的不均匀，与同步推量计划 CI 值仍存有一定的差距，但明显优于常规计划组。在靶区均匀性方面，Bias 计划组的 PGTV 的 HI 值较高，但PTV 的 HI 值更低，表明 Bias 计划组虽然减少了PTV内高剂量区域，但过紧的剂量约束，导致 PGTV 内剂量分布不均。Bias 计划组在优化 CI 和 HI 的同时导致计划机器跳数的大量增加，主要原因为首程剂量的不均匀导致再程优化时形成更多的小子野，以避免产生大量的冷点和热点。机器跳数的增加无疑会延长患者的治疗时间，给患者带来不适。此外，在危及器官剂量方面，虽然 2 组数据无明显差异，但Bias计划组除眼睛外，其余各危及器官的 Dmax均有一定程度的降低，该结果与 Mavroidis 等16的研究结果类（b）Bias 计划剂量分布（c）常规计划与 Bias 计划剂量差值分布注：蓝色线条表示 PGTV 区域，红色线条表示 PTV 区域。图3某例患者的2种计划剂量分布比较百分剂量（%）10.007.785.563.331.11-1.11-3.33-5.56-7.78-10.00剂量（cGy）6 5006 2225 9445 6665 3895 1114 8334 5554 2784 000（a）常规计划剂量分布剂量（cGy）6 5006 2225 9445 6665 3895 1114 8334 5554 2784 000刘灏，费振乐，郝远翔，等.Bias Dose 在脑转移肿瘤序贯放疗计划设计中的应用J.医疗卫生装备，2023，44（1）：64-68.Thesis论著Thesis论著 67 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023似。影响优化时间的因素较多，计划设计方法、约束条件数目、计算网格、不确定度、计划系统工作站硬件配置等都会对优化时间产生影响，由于计划优化过程中有大量数据需要运算，计划系统工作站硬件配置对该参数有着巨大的影响。本研究使用的是惠普 Z840 单机工作站，使用其他型号工作站必然会与本研究结果略有差异。本研究仍存在不足之处：（1）研究样本量较少，后续可大量扩充样本量以获得更精确的结果。（2）仅分析了机器跳数过高的原因，并未进行解决该问题的相关研究。根据相关研究成果9，20-23，可尝试从通量平滑模式的角度研究降低机器跳数的方法，为临床提供更优的放疗计划方案。综上，虽然应用 Bias Dose 计划设计功能设计脑转移肿瘤序贯放疗计划在机器跳数和计划执行时间方面有一定的劣势，但在靶区剂量分布方面具有一定的优势，同时也给计划设计和评估带来很大的便利，因此在脑转移肿瘤序贯推量放疗中应采用 BiasDose 计划设计功能以取得更优的剂量分布。参考文献1青东.全脑放疗序贯或同期推量治疗非小细胞肺癌有限个数脑转移D.南充：川北医学院，2019.2JIANG L，ZHANG Y，YANG Z，et al.A comparison of clini-cal outcomes between simultaneous integrated boost（SIB）versus sequential boost（SEQ）intensity modulated radiationtherapy（IMRT）for head and neck cancer：a meta-analysisJ.Medicine，2019，98（34）：e16942.3罗庆斌，刘铁斌，齐胜，等.评价全脑放疗后序贯加量与同步加量技术在非小细胞肺癌脑转移瘤患者中的疗效J.中国医药指南，2020，18（5）：81-82.4王晗，张芹，王思伟.同步推量调强放疗治疗肺癌脑转移的效果J.青岛大学学报（医学版），2019，55（1）：114-117.5HODAPP N.The ICRU Report 83：prescribing，recording andreporting photon-beam intensity-modulated radiation therapy（IMRT）J.Strahlenther Onkol，2012，188（1）：97-99.6杭霞瑜，李益坤，刘海，等.多发脑转移瘤常规调强放疗与螺旋断层放疗的剂量学分析J.医疗卫生装备，2016，37（7）：78-80.7PATEL G，MANDAL A，CHOUDHARY S，et al.Plan evalua-tion indices：a journey of evolutionJ.Rep Pract Oncol Ra-diother，2020，25（3）：336-344.8魏敏，牛振洋，刘苓苓，等.最小子野宽度对肺癌容积调强弧形治疗计划质量的影响J.中国医学物理学杂志，2020，37（3）：277-281.9吴哲，庞亚.Eclipse 系统中通量平滑对单发脑转移瘤调强放疗的剂量学影响研究J.医疗卫生装备，2021，42（4）：45-49.10 谢辉，颜卓鑫，尹陈艳，等.二程放射治疗计划在肿瘤调强放射治疗中的可行性研究J.中国医学装备，2019，16（4）：20-24.11 孙荣刚.食管癌两次放疗计划融合与单次放疗计划疗效比较J.现代肿瘤医学，2014，22（2）：337-339.12 彭倩，黎杰，冯梅，等.鼻咽癌调强放疗过程中进行计划调整后的剂量分析J.肿瘤预防与治疗，2011，24（1）：14-17.13 ZHOU G，SUN Y Z，QIAN J J，et al.The dosimetric compa-rison of the radiotherapeutic plans between composite andsynchronous planning approaches in sequential IMRT for na-sopharyngeal carcinomaJ.Int J Clin Exp Med，2015，8（9）：15 975-15 982.14 SINGH G，KAMAL R，THAPER D，et al.Voxel based eva-luation of sequential radiotherapy treatment plans with diffe-rent dose fractionation schemesJ.Brit J Radiol，2020，93（1 112）：20200197.15 OLSSON C，JOHANSSON K A.Do we need fractionation-corrected doses in sequential two-phase treatments？A quan-tification of dose differences between non-corrected and cor-rected combined non-uniform dose distributions in normaltissueJ.Acta Oncol，2010，49（8）：1 253-1 260.16 MAVROIDIS P，FERREIRA B C，PAPANIKOLAOU N，et al.Analysis of fractionation correction methodologies for multi-ple phase treatment plans in radiation therapyJ.Med Phys，2013，40（3）：031715.17 肖志季，罗青松，谢悦.全脑放射治疗联合病灶同步推量治疗多发性脑转移瘤的剂量学及预后研究J.中国医学装备，2021，18（8）：38-43.18 丁巍，王晓萍，刘丽，等.脑转移瘤调强同步推量照射与适形序贯推量照射的剂量学研究J.临床肿瘤学杂志，2012，17（9）：845-847.19 孔琪.脑转移瘤放射治疗的剂量学研究D.合肥：安徽医科大学，2018.20 李阔，张友九，李林林，等.在 Eclipse 计划系统中减少治疗野总 MU 数的可行方法J.国际生物医学工程杂志，2019（2）：150-153.21 葛双，王寻，郗会珍，等.Monaco 计划系统不同通量平滑方式对直肠癌术后容积旋转调强放射治疗计划影响的分析J.河北医学，2021，27（11）：1 888-1 894.22 贾晓斌，董晓庆，朱皓，等.Eclipse 系统的通量平滑技术在头颈部肿瘤放疗中的应用J.中国医学物理学杂志，2020，37（10）：1 224-1 229.23 吴凡，刘敏，康盛伟，等.通量平滑度在胸中上段食管癌容积弧形调强中的剂量学比较J.中华放射医学与防护杂志，2020（1）：32-33.（收稿：2022-02-09修回：2022-08-19）刘灏，费振乐，郝远翔，等.Bias Dose 在脑转移肿瘤序贯放疗计划设计中的应用J.医疗卫生装备，2023，44（1）：64-68.Thesis论著 68