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脑胶质瘤放疗计划设计的探索和评价.pdf

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资源描述

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7、ous systemdiffuse large B-cell lymphoma J.Chinese Journal of Hematolo-gy,2021,42(11):917-922.(编校:谈静)脑胶质瘤放疗计划设计的探索和评价王沛沛,李金凯,李彩虹,曹远东,昌志刚,顾宵寰,狄晓珂,杨焱南京医科大学第一附属医院放射治疗中心,江苏南京2 10 0 2 9【摘要】目的:设计一种通过降低脑胶质瘤瘤床区(GTVtb)剂量均匀性来降低正常脑组织受量的放疗计划,并利用剂量学以及放射生物学指标评价。方法:选取2 0 例脑胶质瘤术后患者放疗用CT图像。处方剂量为计划靶区(PTV)60Gy/30f(2Gy/

8、f),使用容积旋转调强(VMAT)技术分别设计两组计划,一组是常规计划(PTV均匀性控制在处方剂量的95%10 7%之间),另一组适当降低GTVtb剂量均匀性(95%110%之间),分别命名为Vhomo、Vi n h o。在95%体积的PTV满足处方剂量的前提下评价两组计划。利用剂量学指标评价两组计划中靶区和正常脑组织的剂量差异。基于等效均匀剂量(EUD)编写Matlab程序计算正常组织并发症概率(NTCP),评价正常脑组织的放射性损伤概率。利用机器跳数(MU)和计划系统计算的预计出束时间评价计划执行效率。结果:两组计划PTV剂量的D2%、D 98%以及Dmean三项指标均具有显著的统计学差异

9、(P0.001)。Vi n h o 组D2%、D me a n 高于Vhomo组,Vinho组的D98%低于Vhomo组。两组计划PTV的CI均值为0.8 8 0.0 3,无统计学差异;HI均值分别为0.0 8 0.0 1、0.10 0.0 2,具有显著统计学差异(P=O)。Vi n h o 组的正常脑组织受量评价指标Vso、V4o、V2 o 以及Dmean均较低,具有显著统计学差异(P0.001),两组计划的NTCP(5.213.30vs4.792.77)具有统计学差异(P=0.048)。Vi n h o 组计划MU多于Vhomo组,具有显著统计学差异(P=0.001),但并未延长治疗时间,

10、二者的出束时间几乎相同,无统计学差异。结论:对于脑胶质瘤的放疗计划,通过降低靶区均匀性限制,可减少正常脑组织的受量,进而降低患者的放射性毒副反应,可为临床计划设计提供参考。【关键词】脑胶质瘤;容积旋转调强;剂量均匀性;正常组织并发症概率【中图分类号】R730.55【文献标识码】AD0I:10.3969/j.issn.1672-4992.2023.18.020【文章编号】16 7 2 4992(2 0 2 3)18-3442-0 5【收稿日期】2023-02-16【修回日期】2 0 2 3-0 5-0 4【基金项目】国家自然科学基金(编号:8 2 0 0 32 2 8)【作者简介】王沛沛(198

11、 6 一),女,山东济宁人,主管技师,主要从事放疗计划设计、加速器质量保证和控制工作。Ema i l:w a n g p e i p e i 56 50 【通信作者】杨焱(196 6 一),男,江苏南京人,副主任医师,主要从事肿瘤的放射治疗工作。E-mail:y y 17 2 8 1 a l i y u n.c o mModern Oncology 2023,:3442-3446Yan3443MODERNONCOL31.No.18现代肿瘤医学2023年0 9 月第31卷第18 期Exploration and evaluation of the radiothereapyplan for gl

12、iomaWANG Peipei,LI Jinkai,LI Caihong,CAO Yuandong,CHANG Zhigang,GU Xiaohuan,DI Xiaoke,YANGCenter of Radiation Oncology,the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University,Jiangsu Nanjing 210029,China.AbstractI Objective:To develop a radiotherapy plan to reduce the dose of normal brain by red

13、ucing the dosehomogeneity of the tumor bed(GTVtb)for glioma,and evaluate the plans with dosimetric and radiobiological indica-tors.Methods:Twenty CT image-datasets of glioma patients treated by postoperative radiotherapy were selected.Theprescribed dose of planning target volume(PTV)was 60 Gy/30 f(2

14、 Gy/f),and two groups of plans were designed byvolume-modulated arc therapy(VMAT),one group were conventional plan(the dose homogeneity of PTV was con-trolled between 95%and 107%of prescribed dose),the other group plans were reduced the homogeneity appropriate-ly(the dose distribution homogeneity of

15、 GTVtb was controlled between 95%and 110%of prescribed dose),whichwere named Vhomo and Vinho respectively.The two groups of plans were evaluated under the condition that 95%ofthe volume of PTV met the prescribed dose.The dose differences of target and normal brain were evaluated by dosime-tric param

16、eters.The normal tissue complication probability(NTCP)were calculated by Matlab program based on e-quivalent uniform dose(EUD),which were used to evaluate the probability of radiation damage of normal brain.Theefficiencies of the plan delivery were evaluated by the machine units(MUs)and the estimate

17、d delivery time calculat-ed by the treatment planning system.Results:There were significant differences in D2%,D98%and Dmean of PTV be-tween the two groups(P0.001).Compared to the Vhomo group,the D2%and Dmean of Vinho were higher,and Dos%were lower.The mean conformity index(CI)of PTV were 0.88 0.03

18、in two groups with no significant differences.The mean values of HI were 0.08 0.01 and 0.10 0.02,respectively,with significant statistical differences(P=O).For the normal brain,the Vso,V4o,V2o and Dmean in Vinho group were all lower,showing statistically significantdifferences(P0.001),the NTCP of th

19、e two groups were statistically significant(5.21 3.30 vs 4.79 2.77)(P=0.048).Compared to the Vhomo,there was a significantly increase in MUs of the Vinho(P=0.001),but the de-livery time was not prolonged,with no significant differences.Conclusion:The dose of normal brain can be decreasedby reducing

20、the limitation of the homogeneity of the target for the glioma,thus reducing the radioactive toxicity of pa-tients,which can provide a reference for the planning design of glioma.Key words glioma,VMAT,dose homogeneity,NTCP脑胶质瘤是一种起源于神经外胚层的颅内肿瘤,是最常见的原发性恶性脑肿瘤1-2 。脑胶质瘤的治疗以手术为主,但肿瘤呈浸润性生长,单纯手术无法彻底根除,术后需要辅

21、助放射治疗并联合化疗3。放射性脑损伤是放疗常见的并发症,照射剂量和照射体积与放射性脑坏死及神经认知功能障碍密切相关4,设计放疗计划时应在保证靶区剂量的同时尽量降低正常脑组织受量。ICRU83号报告5 建议,PTV体积的95%满足10 0%的处方剂量,接受10 7%处方剂量的PTV体积不超过2%。即要求靶区剂量相对均匀,然不利因素是受到正常组织剂量限制,靶区内照射剂量难以进一步提升6-8 有研究表明,采用不均匀的剂量设计方案可提高靶区剂量,同时不增加周围重要组织和器官的剂量。然该思路是否适用于脑胶质瘤术后放疗患者尚不明确。因此,本研究的目的是,从物理计划及生物学模型两个方面,对比脑胶质瘤术区剂量

22、均匀性与不均匀计划设计对正常脑组织的受照剂量的影响,以及放疗并发症发生概率。1资料与方法1.1一般资料选择2 0 2 1年11月至2 0 2 2 年0 8 月期间在我院行脑胶质瘤术后放疗的患者2 0 例,其中男性12 例,女性8 例,年龄2 97 8 岁,中位年龄58 岁。患者计划靶区(planningtargetvol-ume,PTV)体积小于50 0 cc。患者均采用仰卧位,头部居中,双手置于体侧,头部热塑膜固定。使用CT模拟定位系统(Si e me n s Se n s a t i o n O p e n,德国)进行扫描,扫描范围从颅顶至环甲膜,扫描层厚0.3cm。CT 图像通过DICO

23、M格式传输至医生工作站(MonacoSimVersion5.1,Elekta,瑞典)。本研究为回顾性研究,经医院伦理委员会批准。1.2靶区勾画及放疗方案靶区勾画:参照患者术前和术后的MRI,由同一位放疗医师勾画靶区及危及器官(organatrisk,OAR)。放疗靶区为术后瘤床区(tumor bed of the gross tumor volume,GTVtb),临床靶区(clinicaltargetvolume,CTV)根据患者的病理类型由GTVtb三维外扩2 3cm并考虑周围的OARs加以修改,PTV由CTV三维外扩0.3cm获得。OARs包括脑、脑干、晶体、视神经、视交叉、叶等。放疗方

24、案:PTV的处方剂量为6 0 Gy/30次,5次/周,要求至少95%的靶区满足处方剂量。尽量降低正常脑组织受量,其中重要组织器官限量为:晶体最大点剂量(Dmax)9Gy,脑干以及视神经、视交叉的Dmax54 Gy。使用三维治疗计划系统(MonacoV5.1,Elekta,瑞典)设计容积旋转调强(v o l u me-mo d u l a t e d a r c t h e r a p y,VM A T)计划,采用医用直线加速器(Axesse,El e k t a,瑞典)6 MV光子线,部分弧往返设计,弧度范围根据靶区位置调整。2 0 例病例分别设计两组计划,对照组(Vhomo)为常规设计(均匀

25、性控制在95%10 7%处方剂量之间),实验组(Vinho)适当降低GTVtb剂量均匀性3444:脑胶质瘤放疗计划设计的探索和评价王沛沛,等(95%110%之间)。相比于Vhomo组,Vinho组仅降低了GTVtb的剂量均匀性限制,其他优化条件和计划参数均相同。1.3计划评价所有计划按照PTV的Vo(6 0 G y 剂量的体积)=95%归一,并由经验丰富的放疗医生审核。利用剂量体积直方图(d o s e-v o l u me h i s t o g r a m,D VH)的剂量学参数和基于等效均匀剂量(equivalentuniformdose,EUD)的生物学模型评价靶区和正常脑组织剂量。1

26、.3.1靶区评价(1)靶区剂量评估:根据ICRU83号报告5 建议,比较PTV的D2%(2%PT V接受的剂量,为近似最大剂量)、Dgs%(98%PT V接受的剂量,为近似最小剂量)、Dmean(PT V的平均剂量)。(2)适形性指数(conformity index,CI):CI=(T Vp r v/Vprv)/(Vr v p/T Vp r v),式中,TVprv为PTV内参考等剂量线即60Gy包绕的体积,Vprv为PTV的体积,Vrvp为6 0 Gy包绕的区域体积。CI值越接近1说明适形度越好。(3)均匀性指数(homogeneity index,HI):HI=(D 2%-D98%)/D

27、50%,其中,Ds50%为PTV50%体积接受的剂量,即PTV的中位剂量。HI值越接近0 说明靶区剂量均匀性越好。1.3.2OAR评价(1)OAR剂量评估:因脑胶质瘤发病位置不同,各病例涉及的QARs有所不同,因此本文仅讨论正常脑组织(全脑除去GTVtb的区域,命名为BrainG T Vt b)的受量。评价参数有Vso(正常脑组织受照50 Gy的体积百分比,以此类推)、V40V20D,meano(2)生物学参数评价:本文采用NIEMIERKO提出的EUD模型9 表达式为式,它表示与不均匀照射产生相同的细胞存活所需的均匀照射剂量。该模型通用性强,且相同的模型可用于肿瘤控制概率(tumorcont

28、rolprobability,T CP)和正常组织并发症概率(normal tissuecomplicationprobability,NTCP)的计算。NTCP的计算公式10 为式EUD=(Z(u,D)1/a其中和D,表示某一体积受到剂量D,的照射;a是描述正常组织或肿瘤的剂量体积的无单位参数因子。依照临床上现在依然常用的EMAMI 的放射生物学数据,可得到当单次剂量为1.8 2 Gy的时候,不同组织的a值。脑组织的 a值为 512 1NTCP=TD1+CUD其中TDso为正常组织5年发生50%并发症概率时均匀接受的耐受剂量,为无单位模型参数,特定于正常组织或肿瘤,可由临床剂量响应数据拟合获

29、得。本研究中脑组织的值为 3,TDso 为 6 0 Cy13 利用Matlab(R2 0 18 b)软件编写NTCP程序,参考文献12 代码编写计算脑胶质瘤两组放疗计划正常脑组织的NTCP算法。1.3.3治疗相关参数机器跳数(monitorunits,M U)和计划系统计算的预计出束时间(deliverytime,以Dtime标记)1.4统计学处理采用SPSS20.0统计软件对计划结果进行分析。所有计量资料均符合正态分布,数据用均数土标准差表示,评价参数两两比较行配对t检验,P0.05为差异有统计学意义。2结果计划由高年资主任医师评价审核,两组计划结果均能满足临床治疗要求。图1和图2 分别展示

30、了两种计划设计方式的剂量分布的横断面对比和DVH对比。图2 显示出两组计划PTV和Brain-GTVtb的剂量差异,Vinho计划的Brain-CTVtb受量低于Vhomo组,VhomoPTV的均匀性较好。AB6600.06000.05700.05S00.0Off500.04500.0OffD400.03000:0Off2000.0图11例脑胶质瘤患者VMAThomo与VMATinho剂量分布对比图中绿色涂色区域为PTV,红色涂色区域为GTVtb;图A、B、C为VMAThomo横断面、矢状面、冠状面剂量分布,图D、E、F为VMATinho横断面、失状面、冠状面剂量分布;剂量线为绝对剂量显示(单

31、位:cGy)。Fig.1Dose distribution of VMAThomo and VMATinho in one patient with gliomaThe green area is PTV and the red is GTVtb.Figure A,B and C show the dose distribution of VMAThomo in transverse,sagttal and coronal plane,whilefigure D,E and F show the dose distribution of VMATinho in transverse,sagit

32、tal and coronal plane.The displayed dose lines are absolute dose(Unit:cGy).3445.MODERNONC.31.No.18第31卷第18 期现代肿瘤医学2023年0 9 月AVinhoVhomoVinhoVhomoB100-100-ColorStructureName80-ColorStructureName80Brain-GTVtbGTVtbBrain-GTVtb(%)aunTo(%)ounToA60-60-40-40-20-200-0010002000300040005000600070008000010002000

33、300040005000600070008000Dose(cGy)Dose(cGy)图2 1例脑胶质瘤患者VMAThomo与VMATinhoDVH对比图图A为两组计划中GTVtb与Brain-GTVtb的剂量差别,图B为两组计划中PTV与Brain-GTVtb的差别。Fig.2Comparison of DVH between VMAThomo and VMATinho of one patient with gliomaA shows the dose differences of GTVtb and Brain-GTVtb between the two groups of plans,a

34、nd B shows the differences of PTV and Brain-GTVtb be-tween thetwogroups of plans.2.1靶区剂量比较两组计划PTV的剂量统计结果见表1。结果显示,两组计划的D2%、D 98%以及Dmean三项指标均具有显著的统计学差异(P0.001)。Vi n h o 组D2%、D me a n 高于Vhomo组,Vinho组的Dg8%低于Vhomo组,其值仍在最低95%处方剂量(57 0 0cGy)的要求范围以内。两组计划的CI均值为0.8 8 0.0 3,显示具有较好的适形性,二者无统计学差异。两组计划PTV的HI均值分别为0

35、.0 8 0.0 1、0.10 0.0 2,具有显著统计学差异(P=0)。PT V-G T Vt b 的平均剂量,分别为(6 17 6.0 2 33.98)cGy、(6 196.7 143.36)c G y,且剂量均在处方剂量的107%以内,二者有统计学差异(P=0.016)。表1PTV剂量学参数比较Tab.1PTV dosimetric parameters comparisonxsParametersVhomoVinhoPD2%(cGy)6379.18 53.386510.97 111.270.001Do8%(cGy)5908.68 42.455871.56 51.220.001Dmean

36、(cCy)6188.14 37.476228.85 49.190.001CI0.88 0.030.88 0.030.114HI0.08 0.010.10 0.0202.2OAR评价结果两组计划正常脑组织(Brain-GTVtb)的评价参数统计见表2。结果显示,Vinho组的Brain-GTVtb剂量较低,Vso、V40、V2 o 以及Dmean均具有显著统计学差异(P0.001),两组计划的NTCP具有统计学差异(P=0.048)表2正常脑组织评价参数比较xsTab.2Parameters comparison of normal brainxsParametersVhomoVinhoPV50

37、(%)25.30 7.6223.58 6.750.001V40(%)31.27 9.3428.79 8.00.001V20(%)51.0 13.0446.31 11.180.001Dmean(cGy)2748.32 632.502550.23 565.530.001NTCP5.21 3.304.79 2.770.0482.3治疗相关参数比较Vinho组计划MU多于Vhomo组,具有显著统计学差异(P=0.0 0 1),但并未延长治疗时间,二者的预计出束时间几乎相同(10 4.97 30.91)svs(10 5.992 8.6 7)s,无统计学差异。具体见表3。表3两组计划治疗相关参数的比较xs

38、Tab.3Comparison of treatment-related parameters between the twoplan groupsParametersVhomoVinhoPMU557.83 104.11600.74 98.270.001Dtime(s)104.97 30.91105.99 28.670.2403讨论脑胶质瘤是一种难治愈、高复发性以及高致死性的恶性肿瘤14。术后放疗是脑胶质瘤的标准治疗方式,特别是高级别脑胶质瘤15-16 。与其他恶性肿瘤不同,局部复发是脑胶质瘤的主要失败模式,脑脊液播散及中枢神经系统外转移少见17 。这种局部复发的模式,使得临床上更注重对放疗剂

39、量以及放疗方式的研究,以期提高脑胶质瘤的局部控制率和降低并发症。研究表明,提高放疗剂量在一定程度上可改善脑胶质瘤患者的生存,但靶区内辐射剂量的增加受正常脑组织辐射毒性的限制17-19。可能会产生急性毒副反应,如疲劳、脱发、颅内压升高等,以及晚期毒性,如认知功能下降、放射性脑坏死等。这些毒副反应的发生率及严重程度与脑组织受照的剂量和体积密切相关5.13。因此,设计脑胶质瘤计划时应尽量降低正常脑组织受量。本文借鉴在肺癌、肝癌等使用非均匀靶区剂量计划设计的经验,采用VMAT技术,探究降低脑胶质瘤GTVtb剂量的均匀性,是否可以减少正常脑组织的受量。从统计结果看,降低GTVtb均匀性得到的脑胶质瘤计划

40、提高了靶区的平均剂量和最大剂量,最大剂量为6 510.97cGy,其值在处方剂量110%以内,临床上可接受。正常脑组织的Vso、V4o、V2 o 以及Dmean均有显著降低。从剂量学角度分析,降低脑胶质瘤 GTVtb均匀性设计计划是可行的。然而剂量-体积数据仅能反应正常脑组织接受剂量的程度,不能在生物学上反应出正常组织并发症的情况2 0 ,因此本文使用基于EUD的NTCP模型评估正常脑组织的辐射反应。该模型由NIEMIERKO在19 9 9 年提出,随后多名学者完善和发展2 1-2 3。模型中带有多项参数,这些参数是通过相关的临(编校:谈静)3446脑胶质瘤放疗计划设计的探索和评价王沛沛,等床

41、或试验数据拟合得到,本文采用EMAMI等人的研究成果,其建立了比较完整的各正常组织或器官参数。从NTCP计算结果看,相比于Vhomo计划,Vinho计划降低了正常脑组织的并发症概率约8.1%,对于降低正常脑组织的辐射损伤具有优势。综上,对于脑胶质瘤的放疗计划,通过降低靶区均匀性限制,可减少正常脑组织的受量,进而降低患者的放射性毒副反应。该计划设计方法,可为临床应用提供参考。但对于是否改善患者的生存率以及复发率有待后续的随访数据。【参考文献】1SUNG H,FERLAY J,SIEGEL RL,et al.Global cancer statistics2020:GLOBOCAN estimat

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