DMPO优化法在鼻咽癌调强放射治疗计划设计中的应用

 Implementation of Direct Machine Parameter Optimization  (DMPO) in  IMRT for  Nasopharyngealcancer

浙江省肿瘤医院  祝成龙 狄小云

 

摘要 目的: 研究DMPO优化法在鼻咽癌调强放射治疗计划设计中的作用。材料和方法：采用水模资料和一组鼻咽癌病例资料，在完成影像传输和轮廓勾画后，设置相同的目标函数和优化条件，用传统的二步法和DMPO方法分别进行优化计算，对结果进行比较分析。结果：用DMPO优化计划的靶区DVH和V95较理想，危及器官（例如眼球、晶体、脊髓）受照剂量较小，子野数和机器跳数（MU）明显小于两步法。结论：对鼻咽癌靶区形状不规则的病例，用DMPO进行调强逆向计划设计有较明显的优势。

 

关键词 DMPO优化法 鼻咽癌调强放射治疗

 

传统的静态调强计划使用的是两步法，即首先对每个射野进行强度分布优化，得到射野强度分布图，然后将强度分布图转换为子野序列。对鼻咽癌进行调强放射治疗，由于靶区形状非常不规则，两步法优化结果的一个主要问题是计划的子野数及机器跳数（MU）很多，所需治疗时间很长。而直接机器参数优化法（DMPO）通过直接计算子野的形状及权重来得到一个可实施的调强治疗计划。它的特点是物理师可以预先设置计划的子野数，从而有效地减少子野数量，减少治疗时间提高加速器的工作效率。我们对水模和一组鼻咽癌调强病例分别使用两种优化方法进行逆向计划设计，并对结果进行了研究，报道如下：

 材料和方法：研究在ADAC Pinnacle v7.6c版本计划系统上进行，该版本含有直接机器参数优化（DMPO）功能，SIMENS PRIMUS2直线加速器物理剂量数据。研究过程中使用一方形水模（30×30×20cm）和一组鼻咽癌全程调强病例（20例）。水模和患者均在在GE highspeed大孔径CT模拟机下进行扫描，层间距为3～5mm，影像经专用网络传入Pinnacle计划系统。①在水模影像中模拟鼻咽癌靶区形状勾画一鞍形靶区（TUMOR）及一重危器官（OAR）（见图1）。设置共面七个照射野，机架角度为0、50、100、150、200、250、310度，对靶区和重要器官的剂量分别设置为60Gy和40Gy，目标函数和优化条件设置见表1，首先使用两步法进行优化计算，得到子野序列转换后的计划（PLAN1），以该计划子野数的80%、60%、50%做为子野数条件，其他设置不变，用DMPO进行优化计算，得到DMPO方法产生的3个计划（P80%、P60%、P50%），并对以上计算结果进行比较评估。

②30例鼻咽癌患者影像均由医生勾画靶区及危及器官，所有计划采用七野～九野方案，靶区（CTV）剂量设置为60～66Gy，按临床要求对靶区和重危器官分别设置目标函数及约束条件，同时设置子野转换条件，首先用两步法进行逆向计算，得到子野序列转换后的计划（PLAN2），以该计划子野数的60%作子野数限制，其他设置和约束条件不变，用DMPO进行优化计算，得到计划结果（PLAN3）。二种优化方法得到的结果以DMPO计划结果数据归一进行比较。

2 结果

2.1水模实验表明，用DMPO进行优化的靶区剂量和两步法优化结果基本相符，而重危器官的受照剂量较小,子野数和MU单位数均明显较低。（见表2）。DVH图显示DMPO进行优化的剂量曲线更为理想一些（见图2）。

2.2 30例鼻咽癌调强治疗计划结果显示:二种优化方法产生的靶区最小剂量和平均剂量差异基本可以忽略，DMPO优化的靶区最大剂量较大一些，靶区V95的比较显示DMPO优化结果较优，靶区剂量包绕要好于两步法优化的结果。腮腺、脑干、脊髓等重危器官的受照剂量明显较小，同时子野数和MU数明显减少（见表3、表4）。

３ 讨论

研究结果表明，使用传统二步法进行优化，当强度分布图转化为子野序列时，靶区的剂量分布会发生明显的变化，各项剂量指标均会发生偏离或变劣，这是因为计划从一个理想的强度分布（ODM）向物理传输设备（MLC子野）转换过程中，受转换条件（最少MU数及最小子野面积）的限制，删除了一些不符合转换条件的子野从而使剂量分布发生变化，而这种变化在二步法中不可避免，除非把转换条件放的很低，但是这会产生许多多余并且没有实际剂量意义的子野，应对的策略是对一些重要的临床目标设置目标函数和约束条件，通过在优化过程中降低剂量，在子野转换后增加剂量来最大限度的满足治疗的剂量要求。使用DMPO优化方法进行优化，没有转换过程，子野形状（MLC设置）和各子野的权重直接在优化过程中产生，不存在剂量指标发生偏离或变劣问题。我们在水模的研究中，分别以两步法所得结果的子野数的80%、60%、50%作为DMPO优化子野数限制条件，所得结果的靶区剂量与两步法结果基本没有很大差异，而从V95和DVH二项指标看DMPO有一定优势，这对肿瘤控制是有意义的。同时在子野数减少的情况下重危器官受照剂量也有一定程度的降低。鼻咽癌病例资料的研究中，在减少40%子野数的条件下，我们对脑干、脊髓和腮腺的目标函数分别设定为最大剂量和最大DVH，相应对这些重危器官分别进行最大点剂量和最大体积剂量的限制，结果表明DMPO优化方法更为有利于保护需要有最大剂量限制的串形器官。对于鼻咽癌静态调强来说，由于靶区形状非常不规则以及周围器官复杂，两步优化法得出的计划往往会有较多的子野，需要较长的治疗时间，而使用DMPO优化方法，子野数量是可控的，我们的研究结果显示在相同剂量效果情况下，DMPO优化方法可将子野数量减少40～50% ，从而可以大量减少治疗所需的时间。从质控的观点来看，让患者在紧扣的面部固定装置中，在较短的时间完成整个调强治疗过程也有利于减少患者的移动，提高治疗的精确性 。对于静态调强，较短的治疗时间对加速器的效率和维护都有重要的意义。综上所述，DMPO优化法在鼻咽癌调强计划设计中具有一定的优势,当然，类似DMPO的优化方法也有相同作用[1]。

参考文献：

D．M．Shepard,M.A.Eari,et alDieect aperture optimization :“ A turnkey solution for step-and-shootIMRT”,Med.Phys.29(6):1007-1017,June 2002


图1      水模中鞍形靶区及危及器官

 

 

表1      水模中目标函数及优化条件设置

目标函数

　

　

　

　

 

项目

值

体积(95%)

权重

tumor

mindose

60Gy

　

80

tumor

maxdose

63Gy

　

80

tumor

mindose

60Gy

95

80

OAR

maxdose

40Gy

　

80

转换条件

　

　

　

　

 

最小子野面积

4cm2

 

 

　

最小MU

4

　

　

 

表2      水模中计划结果

 

最小剂量

最大剂量

平均剂量

V95

子野数

MU

 

TUMOR   OAR

TUMOR   OAR

TUMOR    OAR

TUMOR

 

 

PLAN1

5332    1510

6730    4326

6163    2811

99.20%

58

780

P80%

5450    1290

6565    4037

6200    2242

99.50%

46

760

P60%

5426    1275

6516    4106

6175    2363

99.56%

35

754

P50%

5375    1239

6524    4111

6165    2242

99.52%

29

735

 

图2  水模中两步法与DMPO的计划DVH对比示意图

 

 

 

表3      鼻咽癌病例组计划对比结果（λ）

　

最小剂量

最大剂量

平均剂量

V95

gtv

100%

90.5%

99.5%

98.2%

ctv

98.8%

92.0%

99.0%

95.8%

ptv

100.2%

93.5%

98.7%

93.0%

眼睛

 

110.7%

122.5%

 

晶体

 

126.0%

114.0%

 

脊髓

 

102.4%

105.2%

 

脑干

 

104.5%

100.4%

 

腮腺

 

112.4%

107.2%

 

注：λ=[∑（PLAN2i/PLAN3i）]/n

 

表4      鼻咽癌病例组计划子野数和总MU的对比

 

子野数

MU

PLAN2

78

764

PLAN3

57

685