HTML
-
得益于离子束的倒转深度剂量分布特征,离子束调强放射治疗技术在为靶区提供高度适形剂量分布的同时,能够减少其周围正常组织的受照剂量[1]。然而,在实际治疗过程中调强放疗技术产生的剂量分布容易受各种不确定性因素的影响,导致患者实际接受的剂量分布与计划的剂量分布出现偏差。研究表明,不确定性因素的主要来源包括患者摆位不确定性、与剂量计算有关的射程不确定性[2–4]。其中,摆位不确定性主要与治疗过程中患者摆位和照射束流位置偏差有关。射程不确定性主要与患者组织结构变化(如肿瘤变小、患者体重下降等)以及由CT值转换为阻止本领而产生的误差等有关[5-6]。为了减少不确定性因素对治疗计划中剂量分布的影响,传统光子治疗主要采用外放临床靶区(CTV)形成计划靶区(PTV)的方法来保证靶区获得足够的剂量,然而该方法在离子束调强放疗技术中仍存在局限性,即难以精确考虑射程和摆位偏差带来的剂量变化[7]。
针对上述问题,基于CTV的鲁棒优化方法[8]被引入到离子束调强放射治疗计划中,用来补偿射程和摆位等误差,从而得到较为理想的治疗计划方案。国外学者提出了若干鲁棒优化模型,大致可分为两类:最差场景优化模型和概率组合优化模型。最差场景优化模型要求在优化过程中取出每个体素在所有场景下最差的一个剂量值,从而得到一个最差剂量分布,并将其带入目标函数中进行最小化计算[9-10]。概率组合优化模型则是将所有场景下的剂量分布及其出现的概率带入目标函数进行最小化计算[11]。此前,一些学者基于不同鲁棒优化模型将射程和摆位不确定性因素纳入质子调强放射治疗(IMPT)中,结果表明,与基于PTV的常规优化方法相比,鲁棒优化方法减少了射程和摆位误差对靶区和危及器官(OAR)物理吸收剂量的影响,有效提高了计划的鲁棒性[12–16]。
相对生物学效应(RBE)是一个复杂的变量,表示导致相同生物学效应终点时,参考射线与待测射线所需剂量的比值。RBE值取决于众多因素,包括分次数量、传能线密度(Linear Energy Transfer,LET)、组织类型以及组织特征参数(
$\alpha / \beta $ )等[17]。在碳离子放射治疗中,RBE值对物理和生物参数的依赖程度更加复杂,所以在治疗计划中常采用复杂的模型来描述$ \mathrm{R}\mathrm{B}\mathrm{E} $ 的分布。目前,已有学者提出了用于减少不确定性因素对质子生物学效应影响的鲁棒优化方法。Bai等[18]通过比较基于PTV的常规优化、最差场景鲁棒优化以及考虑生物学效应的鲁棒优化方法发现,考虑生物学效应的鲁棒优化方法不仅能减少CTV和OAR的生物剂量变化,还能够减少OAR的生物剂量热点。Liu等[19]提出了LET引导的鲁棒优化方法,并将其与最差场景鲁棒优化方法相比,前者在保证物理吸收剂量和计划鲁棒性的同时,有效降低了OAR的高LET值。An等[20]则提出在最差场景鲁棒优化算法中加入OAR区域的LET惩罚项,实现在保证计划质量的前提下有效降低OAR区域的LET值。目前,有关基于生物学效应鲁棒优化方法的相关研究均是以质子为主,而与碳离子相关的研究则非常少。因此,本文提出一种基于RBE混合束模型的RBE加权剂量鲁棒优化方法,通过制定针对物理吸收剂量和RBE加权剂量的两套碳离子束治疗计划,比较在射程和摆位误差影响下鲁棒优化方法与基于PTV的常规优化方法所产生的剂量分布及生物学效应,并评估计划的鲁棒性。
-
与基于PTV的常规优化计划相比,鲁棒优化充分考虑了不确定性因素的影响,但加入的不确定性因素越多,优化过程的计算时间便会越长。因此,现有研究通常会对实际情况进行适当的离散化处理。本文主要考虑射程和摆位误差,射程不确定性为
$ \pm 3 $ %,间隔3%;摆位不确定性在x、y、z方向上均为$ \pm 3\; \mathrm{m}\mathrm{m} $ ,离散为3 mm。基于PTV常规优化和鲁棒优化计算后,将每种场景下的剂量分布整理得到感兴趣区域的剂量体积直方图(DVH),如图3所示,其中黑线代表标称场景下的剂量分布,深灰色阴影展示了考虑不确定性后治疗计划的鲁棒性,其范围越大,代表在不确定性因素影响下剂量变化越大,计划的敏感性越强,即鲁棒性越差。相关研究将CTV的$ \Delta {D}_{95{\text{%}} } $ 用作计划鲁棒性的评估指标[9],本研究将CTV的$ \Delta {D}_{50{\text{%}} }\mathrm{、}\Delta {{D}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 以及OAR的$ \Delta {D}_{5{\text{%}} }\mathrm{、}\Delta {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 参数指标用来辅助鲁棒性评估,值越小,则表明计划的鲁棒性越好。将CTV的$ {D}_{95{\text{%}} }\mathrm{、}{D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 以及OAR的${{D}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ 用作标称场景下计划质量的评估指标,上述参数指标误差均为$ \pm 0.05 $ 。计算物理吸收剂量分布时,射程不确定性为
$ \pm 3{\text{%}} $ 这2种场景,摆位不确定性为三维方向上$ \pm 3\;\mathrm{mm} $ 共6种场景,进行排列组合后共计12种场景,加上标称场景后总的场景数$ R=13 $ 。从图3和表1可以看出,与基于PTV的常规优化相比,采用鲁棒性优化方法后CTV和OAR的DVH阴影面积更加狭窄,且CTV的$ \Delta {D}_{95{\text{%}} }\mathrm{、} \Delta {D}_{50{\text{%}} } \mathrm{和}\Delta {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 和OAR的$ \Delta {D}_{5{\text{%}} }\mathrm{、}\Delta {D}_{\mathrm{max}} $ 参数指标分别下降10.00、3.00、3.21、21.50和35.97 cGy,表明计划的鲁棒性得到了很好的提升。但鲁棒性优化后,标称场景下CTV的$ {D}_{95{\text{%}} } $ 指标从95.00 cGy降低到93.00 cGy,${D}_{\mathrm{max}} $ 指标从116.56 cGy上升到118.76 cGy,在一定程度上牺牲了标称场景下的计划质量。同时,OAR的$ {D}_{\mathrm{max}} $ 参数指标从65.38 cGy降低到58.99 cGy,说明鲁棒优化方法减少了标称场景下OAR的剂量热点。cGy 感兴趣区 剂量参数 常规优化 鲁棒优化 $ \Delta $值 临床靶体积 ${D}_{95{\text%}}$ 95.00 93.00 ↓2.00 $ {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 116.56 118.76 ↑2.18 ${\Delta D}_{95{\text%}}$ 46.50 35.50 ↓10.00 ${\Delta D}_{50{\text%}}$ 4.00 1.00 ↓3.00 $ {\Delta D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 8.32 5.11 ↓3.21 危及器官 $ {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 65.38 58.99 ↓6.40 ${\Delta D}_{5{\text%}}$ 70.50 49.00 ↓21.50 $ {\Delta D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 85.21 49.25 ↓35.97 ${D}_{95{\text%}}$表示95%靶区体积所接收的剂量,$\Delta {D}_{95\text{%} }$表示 D95%变化值,也称为 DVH band width。$ {\Delta D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $表示感兴趣区内接受的最大剂量。 计算RBE加权剂量(RWD)分布时,分别考虑射程不确定性2种场景和摆位不确定6种场景,加上标称场景后总的场景数R=9。从图4和表2可以看出,对第一种计划鲁棒性优化后,CTV和OAR的DVH阴影明显变窄,且CTV的
$ \Delta {D}_{95{\text{%}} }\mathrm{、}\Delta {D}_{50{\text{%}} }\mathrm{、}\Delta {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 以及OAR的$ \Delta {D}_{5{\text{%}} }\mathrm{、} \Delta {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 参数指标分别下降14.00、3.00、8.04、19.00和26.28 cGy(RBE),说明基于RBE加权剂量的治疗计划鲁棒性得到了很好的提升,并且减少了OAR的剂量变化值,从而降低了OAR区域的生物学效应,进而降低了并发症风险。此外,鲁棒优化后CTV的$ {D}_{95{\text{%}} } $ 值没有发生变化,保证了标称场景下的剂量分布质量。虽然CTV的$ {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 由117.69 cGy(RBE)增加了1.40 cGy(RBE),但是对于CTV来说,是增加了对肿瘤靶区的生物学效应,更有利于杀死肿瘤细胞,增强了治疗效果。OAR的$ {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 参数指标从55.94 cGy(RBE)降低到55.84 cGy (RBE),说明鲁棒优化后并没有对标称场景下的OAR区域造成生物剂量热点。总的来说,无论基于物理吸收剂量或RBE加权剂量,鲁棒优化后靶区和危及器官的剂量变化明显减少,计划的鲁棒性得到了很好的提升。然而,鲁棒优化方法在一定程度上牺牲了标称场景下的计划治疗质量[25]。cGy(RBE) 感兴趣区 剂量参数 常规优化 鲁棒优化 $\Delta $值 临床靶体积 ${D}_{95{\text%}}$ 95.00 95.00 0.00 $ {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 117.68 119.08 ↑1.40 ${\Delta D}_{95{\text%}}$ 32.50 18.50 ↓14.00 ${\Delta D}_{50{\text%}}$ 5.50 2.50 ↓3.00 $ {\Delta D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 13.11 5.07 ↓8.04 危及器官 $ {D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 55.94 55.84 ↓0.10 ${\Delta D}_{5{\text%}}$ 58.00 39.00 ↓19.00 $ {\Delta D}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $ 62.46 36.17 ↓26.28