Eclipse治疗计划系统NTO优化工具在脊柱转移瘤立体定向放疗靶区外剂量跌落研究.pdf

黎桂华,朱志鹏,郑莲容,等.E c l i p s e治疗计划系统N T O优化工具在脊柱转移瘤立体定向放疗靶区外剂量跌落研究收稿日期:2 0 2 2 0 4 0 1 修回日期:2 0 2 2 0 6 2 8*广西壮族自治区卫生厅自筹课题(Z 2 0 2 1 0 2 8 9)资助。【第一作者简介】黎桂华(1 9 7 8-),男,工程师,主要从事放射物理研究,E m a i l:4 1 5 5 6 4 0 1q q.c o m。【引用本文】黎桂华,朱志鹏,郑莲容,等.E c l i p s e治疗计划系统NT O优化工具在脊柱转移瘤立体定向放疗靶区外剂量跌落研究J.广西科学,2 0 2 3,3 0(3):5 9 7 6 0 4.L I G H,Z HU Z P,Z HE NG L R,e t a l.S t u d y o f N T O T o o l w i t h E c l i p s e S y s t e m i n D o s e F a l l o f f O u t s i d e t h e T a r g e t o f S t e r e o t a c t i c B o d y R a d i a t i o n T h e r a p y f o r S p i n e M e t a s t a s i s J.G u a n g x i S c i e n c e s,2 0 2 3,3 0(3):5 9 7 6 0 4.特邀栏目E c l i p s e治疗计划系统N T O优化工具在脊柱转移瘤立体定向放疗靶区外剂量跌落研究*黎桂华1,朱志鹏1,郑莲容1,黄继钦1,张 新2,祖之新2(1.广西医科大学第二附属医院放射治疗科,广西南宁 5 3 0 0 0 7;2.瓦里安医疗系统公司临床应用支持部,北京 1 0 2 6 0 0)摘要:为研究E c l i p s e治疗计划系统中正常组织目标(N o r m a l T i s s u e O b j e c t i v e,NTO)优化工具参数,对脊柱转移瘤立体定向放射治疗计划靶区覆盖剂量和靶区外剂量跌落梯度指数(G r a d i e t I n d e x,G I)的影响,本研究对1 0例脊柱转移瘤立体定向放射治疗患者设计两种类型计划。第1种添加NTO优化工具但不添加环优化条件,共得到3 6 0个计划,为参考计划;第2种添加环优化条件但不添加NTO优化条件,总共1 0个计划,为标准计划。所有计划最后剂量归一为1 0 0%处方剂量覆盖9 0%靶区体积。比较两种类型计划的靶区剂量适形度指数(C o n f o r m i t y I n d e x,C I)、靶区外剂量跌落梯度指数、靶区最大剂量(Dm a x)、实际治疗时间和计划临床合格率。结果表明,当NTO优化工具参数F a l l o f f为0.5或者1,P r i o r i t y为5 0 0、7 0 0和9 9 9时,计划的G I值相似(P0.0 5),但是小于其他F a l l o f f和P r i o r i t y的G I值(P0.0 5);随着P r i o r i t y增加,计划靶区体积(P l a n n i n g T a r g e t V o l u m e,P T V)Dm a x增加(P0.0 5)。参考计划的临床合格率最高为7 0%。与标准计划相比,最合适NTO优化工具参数计划(P r i o r i-t y、F a l l o f f分别为5 0 0和0.5)的G I值更低(3.4 4 9 v s 3.6 5 5,P=0.0 0 0,Z=-5.5 3 4),实际治疗时间没有差异(2.6 5 m i n v s 2.3 2 m i n,P=0.0 6 3,Z=0.8 3 2),P T V Dm a x偏大(1 3 2.1%v s 1 2 8.8%,P=0.0 0 2,Z=4.2 1 4),C I偏大(0.9 1 1 v s 0.8 7 9,P=0.1 5 1,Z=0.9 8 4)。综上所述,在计划可通过情况下,当NTO优化工具中参数D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r设置为0.2 c m,S t a r t D o s e设置为9 1%处方剂量,E n d D o s e设置为4 9.4%处方剂量,F a l l o f f和P r i o r i t y分别设置为0.5和5 0 0时,脊柱转移瘤立体定向放疗计划能够实现较好的靶区剂量适形度、更低的剂量梯度指数以及合适的治疗时间。关键词:脊柱转移瘤;正常组织目标优化工具;梯度指数;立体定向放射治疗;治疗计划系统中图分类号:R 7 3 0.5 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5 9 1 6 4(2 0 2 3)0 3 0 5 9 7 0 8D O I:1 0.1 3 6 5 6/j.c n k i.g x k x.2 0 2 3 0 7 1 0.0 1 9795广西科学,2 0 2 3年,3 0卷,第3期 G u a n g x i S c i e n c e s,2 0 2 3,V o l.3 0 N o.3 近年来,有许多研究表明立体定向放疗(S t e r-e o t a c t i c B o d y R a d i a t i o n T h e r a p y,S B R T)能快速缓解肿瘤脊柱转移病人疼痛,提高肿瘤局部控制率,而且能降低副反应1 4。相比传统模式下的放疗,S B R T治疗时需要其靶区外剂量迅速跌落,以减少对正常组织的伤害5,6,R TOG 0 8 1 35和R TOG 0 9 1 56对靶区外剂量跌落梯度指数(G r a d i e t I n d e x,G I)定义如下:5 0%处方剂 量 体 积 与 计 划 靶 区 体 积(P l a n n i n g T a r g e t V o l u m e,P T V)的比例,即剂量梯度指数越小,剂量跌落越迅速,正常组织受损程度越小。对于瓦里安加速器,它的治疗计划系统E c l i p s e带有正常组织目标(N o r m a l T i s s u e O b j e c t i v e,NTO)优化工具,可以在靶区周围生成较陡峭的剂量跌落区域。然而很少有文献报道关于E c l i p s e治疗计划系统中脊柱转移瘤S B R T计划的NTO优化工具参数设置。因此,本文通过设置不同NTO优化工具参数,研究不同参数下靶区剂量和剂量梯度指数的差异,以期为使用NTO优化工具进行脊柱转移瘤S B R T计划设计提供一定的数据参考。1 材料与方法1.1 病例选择 选取2 0 1 9年1月至2 0 2 0年1 0月广西医科大学第二附属医院收治的1 0例脊椎转移瘤患者。其中男性4人,女性6人,年龄3 4-6 2岁,中位年龄4 6岁。其中乳腺癌转移2例,鼻咽癌转移3例,肝癌转移2例,肺癌转移3例。脊柱转移瘤位置有9例仅在椎体部位,1例在椎体和同侧锥弓根部位。肿瘤位置分别是胸椎T 7、T 8、T 1 0各一处,胸椎T 6和T 1 1各两处,腰椎T 1 2、L 1、L 2各一处。靶区体积为3 3.3-1 8 5.0 c c,中位大小为5 4.3 c c,病例入选的标准参考R TOG 0 6 3 1报告7。1.2 C T模拟定位 患者体位固定采用自然仰卧位,使用美国C I V-C O生产厂家的B o d y P r o L o k装置进行病人摆位固定。使 用P h i l i p s大 孔 径C T(型 号:B r i l l i a n c e B i g B o r e)实施定位扫描,层厚3 mm,注射碘造影剂进行增强扫描,扫描至少包括病灶上下各1 0 c m内范围。扫描后 将C T图 像 数 据 通 过 网 络 传 送 到 瓦 里 安E c l i p s e治疗计划系统工作站上。1.3 靶区及危及器官勾画和剂量限值 肿瘤靶区体积(G T V)定义为影像学或病例提示的肿瘤病灶,参考脊柱增强核磁共振(MR I)进行勾画。P T V为G T V再向各方向均匀外扩0.3 c m,根据脊髓位置适当调整而形成的。危及器官包括脊髓、马尾、食管、气管、双肺、双肾、胃肠等,至少勾画出脊柱病灶上下各1 0 c m内范围。P T V处方剂量为4 0 G y/5次。根据R TOG 0 6 3 1报告7和AA PM 1 0 1报告8,要求至少9 0%的P T V接受1 0 0%处方剂量。正常器官限制剂量分别为脊髓最大剂量Dm a x3 0 G y,体积限制剂量D0.3 5 c c2 3 G y,D1.2 c c1 4.5 G y;马尾Dm a x3 2 G y,D5 c c3 0 G y;气管Dm a x4 0 G y,D4 c c1 6.5 G y;食管Dm a x3 5 G y,D5 c c1 9.5 G y;双肺D1 0 0 0 c c1 3.5 G y,D1 5 0 0 c c1 2.5 G y;双 肾D2 0 0 c c1 7.5 G y;胃Dm a x3 2 G y,D1 0 c c1 8 G y;十二指肠Dm a x3 2 G y,D5 c c1 8 G y,D1 0 c c1 2.5 G y;空场/回肠Dm a x3 5 G y,D5 c c1 9.5 G y。1.4 计划设计 本研究设计两种类型计划,一种只使用NTO优化工具但不添加环(R i n g),为参考计划;另一种只添加环但不使用NTO优化工具,为标准计划。其中标准计划环的设置如下:R i n g 1距离靶区0 c m,R i n g 2距离靶区0.2 c m,R i n g 3距离靶区1 c m。两种类型计划都采用瓦里安V i t a l b e a m加速器F F F 6 MV X线,剂量率为1 4 0 0 MU/m i n。使用两个共面镜像全弧,准直器角度分别为1 5 和3 4 5。优化计算网格为1.2 5 mm,算法为A X B。整个受照体积(即B o d y)限制条件统一如下:U p p e r d o s e的V o l u m e为0,D o s e为5 2 0 0,P i o r i t y为5 0 0。两种计划的P T V优化限制条件统一如下:U p p e r d o s e的V o l u m e为0,D o s e为5 2 0 0,P i o r i t y为2 0 0;L o w e r d o s e的V o l u m e为1 0 0,D o s e为4 1 0 0,P i o r i t y为2 5 0。正常器官优化限制条件根据AA PM 1 0 1报告8进行调整,P i o r i t y统一为4 0 0。标准计划环的限制条件如下:R i n g 1 的U p p e r d o s e的V o l u m e为0,D o s e为4 3 0 0,P i o r i t y为5 0 0;R i n g 2的U p p e r d o s e的V o l u m e为0,D o s e为3 4 0 0,P i o r i t y为2 5 0;R i n g 3的U p p e r d o s e的V o l u m e为0,D o s e为1 9 5 0,P i o r i t y为5 0 0。1.5 N T O优化工具参数设置 E c l i p s e 治疗计划系统的NTO优化工具有5个参数。(1)P r i o r i t y:NTO优化工具在计划优化时的权重大小,可以设置为0-1 0 0 0。(2)D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r(rs t a r t):系统开始计算剂量跌落区域距离靶区的距离长度(c m)。(3)S t a r t D o s e(F0):P T V的最小U p p e r值,如该靶区无U p p e r值,则将最大L o w e r值 的1 0 5%被 认 为 开 始 剂 量1 0 0%。895黎桂华,朱志鹏,郑莲容,等.E c l i p s e治疗计划系统N T O优化工具在脊柱转移瘤立体定向放疗靶区外剂量跌落研究(4)E n d D o s e(F):NTO最远端剂量值,NTO优化工具不会对 小于此数 值的剂 量 进 行 剂 量 罚 分。(5)F a l l o f f(k):决定NTO曲线形状的陡度,其值越大意味着靶区外剂量越陡峭,其计算公式为(其中r为剂量跌落距离)F r =F0e-k(r-rs t a r t)+F(1-e-k(r-rs t a r t),rrs t a r tF0,rrs t a r t。本研究对所有参考计划的D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r、S t a r t D o s e和E n d D o s e 3个参数进行相同设置,原因如下。所有参考计划的P T V优化条件是相同的。参数D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r设置越小意味着开始计算剂量跌落区域离靶区越小。为保证靶区 剂量覆盖,本 研 究D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r统一设置为0.2 c m。参数D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r和S t a r t D o s e是相互关系,D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r设置越小意味着S t a r t D o s e需要设置越高。AA PM 1 0 1报告8中认为S B R T计划靶区与脊髓方向之间的剂量梯度可以设置为1 mm下降1 2%处方剂量。考虑到靶区外其他方向的剂量梯度,本研究采用1 mm下降5%处方剂量,即1 mm下降2 0 0 c G y的原则,参数S t a r t D o s e统一设置为9 1%处方剂量。本研究剂量跌落指数针对的是靶区外5 0%处方剂量体积大小,所以参数E n d D o s e统一设置为4 9.4%处方剂量,意味着NTO优化工具不会对小于1 9 7 6 c G y区域进行罚分。参数P i o r i t y代表了NTO优化工具在计划优化时的权重大小,参数F a l l o f f决定了剂量跌落速度,因此本研究参数P i o r-i t y设置为1 0 0、2 0 0、3 0 0、5 0 0、7 0 0、9 9 9,参数F a l l o f f设置为0.0 1、0.1 0、0.2 0、0.3 0、0.5 0、1.0 0。每个病人得到3 6个计划,共得到3 6 0个计划。1.6 放疗评估指标 所有计划最后剂量归一为1 0 0%处方剂量覆盖9 0%P T V,放疗计划评估基于E c l i p s e治疗计划系统生成的剂量体积直方图(D VH)。基于本次研究病例的肿瘤位置,本研究评估参数为靶区剂量适形度指数(C o n f o r m i t y I n d e x,C I),其表达式为 C I=Vt,r e fVtVt,r e fVr e f,式中:Vt,r e f为处方剂量线包绕的靶区体积,Vt为靶区体积,Vr e f为处方剂量线包绕的所有区域体积。G I表达式为 G I=V5 0%,p t vVp t v,式中:V5 0%,p t v为5 0%处方剂量线包绕的所有区域体积,Vp t v为P T V体积。其他评价指标分别为P T V Dm a x(%)、机器跳数(MU)、实际治疗时间(加速器出射线时间,不包括摆位时间)。根据R TOG 0 6 3 1报告7,超过靶区1 c m区域剂量不能大于1 0 5%处方剂量,靶区外1 0 5%处方剂量体积不能大于3 c c,靶区外区域剂量不能大于1 1 0%处方剂量。根据上述规定以及结合正常组织剂量限制,本研究所有计划如果超过上述规定或者正常组织限制剂量则被认为不合格计划,临床合格率(%)=合格计划总计划1 0 0%。1.7 计划验证 对每个计划在E c l i p s e T P S中创建P o r t a l d o s e验证计划,在E c l i p s e T P S的P o r t a l d o s i m e t r y工具中将电子射野影响装置(E l e c t r o n i c P o r t a l I m a g i n g D e v i c e,E P I D)测量的图像与T P S计算的预测剂量图像进行 比 对 分 析。根 据T G 2 1 8报 告9和 其 他 报告1 0,指数采用更严格的2%/2 mm标准,当9 0%表示计划验证通过。1.8 统计学方法 采用S P S S 1 9.0软件对结果进行统计学处理,采用W i l c o x o n检验法评价各指标的差异性,检验水准=0.0 5,P0.0 5),但小于其他P i o r i t y和F a l l o f f参数的G I值(P0.0 5),表明F a l l o f f和P r i-o r i t y对实际治疗时间没有影响。标准计划机器跳数平均值 为2 7 8 1.2,实 际 治 疗 时 间 平 均 值 为2.3 2 m i n。2.4 P T V Dm a x 图4显示P T V Dm a x平均值,其值为1 2 3.4 3%-1 4 5.0 4%。从 图 中 看 出 随 着P r i o r i t y增 加,P T V Dm a x增加(P0.0 5),但小于其他P i o r i t y和F a l l o f f参数的G I值(P0.0 5)。随着P r i o r i t y增加,P T V Dm a x增加(P0.0 5),b u t s m a l l e r t h a n o t h e r F a l l o f f a n d P r i o r i t y G I v a l u e s(P0.0 5).W i t h t h e i n c r e a s e o f P r i o r i t y,t h e P l a n n i n g T a r g e t V o l u m e(P T V)Dm a x i n c r e a s e s(P0.0 5).T h e h i g h e s t c l i n i c a l q u a l i f i e d r a t e o f t h e r e f e r e n c e p l a n w a s 7 0%.C o m p a r e d w i t h t h e s t a n d a r d p l a n,t h e G I v a l u e o f t h e m o s t s u i t a b l e NTO o p t i m i z a t i o n t o o l p a r a m e t e r p l a n(P r i o r i t y a n d F a l l o f f w e r e 5 0 0 a n d 0.5,r e s p e c t i v e-l y)w a s l o w e r(3.4 4 9 v s 3.6 5 5,P=0.0 0 0,Z=-5.5 3 4),t h e a c t u a l t r e a t m e n t t i m e w a s n o t d i f f e r e n t(2.6 5 m i n v s 2.3 2 m i n,P=0.0 6 3,Z=0.8 3 2),a n d t h e P T V Dm a x w a s l a r g e r(1 3 2.1%v s 1 2 8.8%,P=0.0 0 2,Z=4.2 1 4).C I w a s l a r g e r(0.9 1 1 v s 0.8 7 9,P=0.1 5 1,Z=0.9 8 4).I n s u mm a r y,i f t h e p l a n c a n b e p a s s e d,w h e n t h e NTO o p t i m i z a t i o n t o o l p a r a m e t e r D i s t a n c e f r o m T a r g e t B o r d e r i s s e t t o 0.2 c m,S t a r t D o s e i s s e t t o 9 1%o f t h e p r e s c r i p t i o n d o s e,E n d D o s e i s s e t t o 4 9.4%o f t h e p r e s c r i p t i o n d o s e,F a l l o f f a n d P r i o r i t y a r e s e t t o 0.5 a n d 5 0 0 r e s p e c t i v e l y,t h e s t e r e o t a c t i c r a d i o t h e r a p y p l a n f o r s p i n a l m e t a s t a s e s c a n a c h i e v e b e t t e r t a r g e t d o s e c o n f o r m i t y,l o w e r d o s e g r a d i e n t i n d e x a n d a p p r o p r i a t e t r e a t m e n t t i m e.K e y w o r d s:s p i n e m e t a s t a s i s;n o r m a l t i s s u e o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n t o o l s;g r a d i e n t i n d e x;s t e r e o t a c t i c b o d y r a d i-a t i o n t h e r a p y;t r e a t m e n t p l a n n i n g s y s t e m责任编辑:米慧芝微信公众号投稿更便捷联系电话:0 7 7 1 2 5 0 3 9 2 3邮箱:g x k x g x a s.c n投稿系统网址:h t t p:/g x k x.i j o u r n a l.c n/g x k x/c h406