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宫颈癌调强放射治疗三维在体剂量验证分析及最佳γ通过率阈值

2024-07-19 10 上传者：管理员

摘要：目的：对宫颈癌调强放射治疗（IMRT）进行基于电子射野影像装置的三维在体剂量验证（EIVD）分析，研究测量剂量与计划剂量间的差异，并通过剂量学敏感性探讨EIVD质控中最佳γ通过率阈值。方法：回顾性分析浙江大学医学院附属妇产科医院行IMRT的45例宫颈癌患者，所有患者在治疗过程中行EIVD验证，获取测量剂量。采用2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%的全局γ指标进行通过率分析，采用剂量体积直方图参数评估测量剂量和计划剂量之间的差异。通过皮尔逊（Pearson）相关性分析研究γ通过率与剂量学差异间的相关性，绘制受试者工作特征（ROC）曲线确定最佳γ通过率阈值。结果：3类γ指标2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%的平均通过率分别为（83.07±5.25）%、（91.69±3.52）%、（95.02±2.46）%;EIVD测量剂量与计划剂量在计划靶区（PTV）的平均剂量(Dmean)偏差为2.43%（P=0.016），膀胱、直肠、小肠的Dmean偏差分别为0.35%、0.46%、0.30%（P>0.05）。Pearson分析显示3类γ指标与PTV的剂量偏差相关性较强（r>0.7），与危及器官相关性较弱（r<0.7）;ROC分析显示2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%最佳的γ通过率阈值分别为79.06%、90.04%、94.19%。结论：EIVD能够有效保证宫颈癌IMRT过程中PTV剂量传递的精准性，利用γ通过率阈值能够为下一步宫颈癌自适应IMRT提供一定的临床依据。

关键词：
γ通过率
剂量学
在体剂量验证
宫颈癌
癌症死亡
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宫颈癌是最常见的恶性肿瘤之一，也是导致全球女性癌症死亡的第四大原因[1]。放疗在宫颈癌的治疗中起着至关重要的作用，随着精准调强放射治疗（IMRT）技术的不断进步，患者剂量的质量保证与质量控制已成为放疗过程中不可分割的一部分。针对患者IMRT的安全性考虑，指南建议应当制定合适的患者特异性质控计划[2,3,4]。基于电子射野影像装置（Electronic Portal Imaging Device,EPID）的三维在体剂量验证（EPID-based in-vivo Dosimetry,EIVD）系统已被证明是实现可靠的患者特异性质量保证的有效工具，能够检测实际实施和计划剂量之间的差异[5,6]。γ通过率与剂量体积参数则是EIVD常用的评价指标[7,8]。然而，两者间的相关性如何备受争议[9,10]。另外，由于现有测量设备的多样性和治疗部位的复杂性，确定合适的γ通过率标准仍然是一项复杂的、充满挑战性的任务[11,12]。本研究回顾性分析宫颈癌患者IMRT实施过程中的EIVD验证数据，比较测量剂量与计划剂量的差异，探讨γ通过率与剂量体积参数间的相关性，并通过剂量学敏感性确定最佳的γ通过率阈值。

1、资料与方法

1.1病例资料

回顾性分析收集2023年3月至9月于浙江大学医学院附属妇产科医院收治的45例宫颈癌患者临床资料。入组患者FIGO分期为IB～IVB期，组织学分级为G1～G3，患者平均年龄（58.20±15.41）岁，所有患者依从性好，能顺利完成整个治疗过程，所有患者均知情同意。

1.2患者定位及计划实施

患者采用仰卧位热塑膜固定，使用西门子公司的SOMATOM Conference大孔径CT模拟定位机获取5 mm层厚的计划CT图像，扫描范围为髂脊至坐骨结节。在计划CT图像上勾画肿瘤靶区与危及器官，处方剂量为4 500～5 040 cGy(180 cGy/次）。使用医科达Infinity直线加速器的6 MV FFF光子线能量在Monaco治疗计划系统（V6.0.）上设计7野均分的IMRT计划。经高年资临床医师与高年资物理师审核后，计划分别发送至加速器网络与EIVD系统（Master V1.0，瑞多思，中国）。

1.3在体剂量验证

在实际治疗中，展开加速器机载的非晶硅EPID影像探测板，治疗射线透过患者，在EPID上进行能量沉积，产生测量图像。EIVD系统会通过数据采集软件DAS自动获取每个射野的出束信息，重建射线在空气中穿过人体后的通量分布图，再用迭代算法，反推出穿过人体前的通量分布，输入到卷积算法引擎，结合患者计划CT图像，计算体内剂量分布，进行三维剂量验证。通过EIVD的测量计划与治疗计划进行γ分析与剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram,DVH）比较。

1.4评价指标

在EIVD系统中采用全局分析方法计算分次放疗的γ通过率，按照指南与文献推荐[13,14]，采用剂量阈值为10%的3类γ指标（2 mm/2%、2 mm/3%和3 mm/3%）。采用DVH指标评估计划剂量与测量剂量的差异。计划靶区（PTV）的评估采用平均剂量（Dmean）、百分体积接受的辐射剂量D2、D98；危及器官的评估包括：膀胱、直肠、小肠的Dmean。根据ICRU 83号报告[15]的建议，PTV的剂量学指标绝对百分剂量差异小于3.5%视为临床可接受计划，否则视为临床不可接受计划。

1.5统计学方法

采用SPSS 19.0软件进行统计学分析,应用Shapiro-Wilk方法检验数据正态性，符合正态分布的计量资料采用均数±标准差表示，采用配对样本t检验。采用皮尔逊（Pearson）相关性分析计算3类γ指标与剂量学差异间的相关性。结合受试者工作特征（ROC）曲线与约登指数确定最佳γ通过率阈值，并通过计算敏感性和特异性判断最佳γ通过率阈值识别假阴性和假阳性情况的能力。P<0.05为差异有统计学意义。

2、结果

2.1γ通过率

对宫颈癌IMRT计划2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%的γ通过率进行统计分析。γ(2 mm/2%）的平均通过率为（83.07±5.25)%,γ(2 mm/3%）的平均通过率为（91.69±3.52)%,γ(3 mm/3%）的平均通过率为（95.02±2.46）%，基于EIVD的3类γ指标分布如图1所示。

2.2测量剂量与计划剂量的差异

在EIVD系统中对验证数据进行统计分析，测量剂量与计划剂量在PTV与危及器官的剂量学差异见表1。PTV测量剂量与计划设计数据相比，Dmean减少2.43%,D2增加2.45%,D98减少2.92%；膀胱、直肠、小肠的Dmean偏差分别为0.35%、0.46%、0.30%。在3类γ标准下患者经EIVD验证的剂量差异如图2所示。

图1基于EIVD验证的3类γ通过率

2.3γ通过率与剂量学差异间的相关性

通过Pearson相关性分析计算3类γ指标与PTV、危及器官剂量学差异间的相关性。结果显示2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%3类γ指标与PTV的剂量学差异相关性较强（r>0.7），与危及器官相关性较弱（r<0.7）。γ指标与PTV、危及器官剂量学差异的Pearson相关性分析见表2。

2.4 3类γ指标的最佳通过率阈值

通过ROC曲线分析，2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%3类γ指标在ROC曲线下的面积（AUC）分别为0.888、0.825、0.767，结合约登指数确定最佳γ通过率截断值分别为：γ(2 mm/2%）为79.06%（敏感性=1.000，特异性=0.711),γ(2 mm/3%）为90.04%（敏感性=0.793，特异性=0.770),γ(3 mm/3%）为94.19%（敏感性=0.759，特异性=0.687）。ROC曲线分析见图3，最佳γ通过率阈值见表3。

表1基于EIVD测量剂量与计划剂量在PTV与危及器官的剂量学参数比较（cGy)

图2基于EIVD验证的剂量分布差异

图A1、A2:γ通过率在2 mm/2%的剂量分布差异；图B1、B2:γ通过率在2 mm/3%的剂量分布差异；图C1、C2:γ通过率在3 mm/3%的剂量分布差异。橙黄色区域为测量剂量与计划剂量的偏差；图A2、B2、C2中红色区域为γ计算不通过区域

3、讨论与结论

使用EIVD系统进行剂量验证具备诸多优势，例如不增加患者治疗时间与额外剂量，且大多数加速器均配备EPID，适用性较广[16,17,18]。与此同时，EIVD系统能够为患者IMRT计划提供有效的特异性检查，识别实际治疗过程中相关的剂量学偏差[19,20]。一般来说，治疗过程中的剂量学偏差是由一些误差引起的，例如机器相关[21]、计划相关或患者相关[22]，而检测这些误差通常需要额外的技术专长和人力成本[23]。因此，建立适用于EIVD系统的剂量评估方案，便于理解剂量学偏差至关重要。本研究旨在通过相关性分析和ROC曲线选择基于剂量学灵敏度的γ标准，以发现宫颈癌患者IMRT中的剂量学偏差。

表2γ指标与PTV、危及器官剂量学差异的相关性分析

∆Dmean、∆D2、∆D98表示测量剂量与计划剂量在Dmean、D2、D98上的剂量差异

图3 3类γ指标的ROC曲线分析

表3 3类γ指标的最佳通过率阈值

采用2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%的全局γ分析，3类γ指标的平均通过率分别为（83.07±5.25）%、（91.69±3.52）%、（95.02±2.46）%。γ通过率的结果与Feng等[24]先前报道的基于EPID的在体剂量学研究结果大致相似。在测量剂量与计划剂量的DVH比较中，PTV的Dmean偏差为2.43%,D2偏差为2.45%,D98偏差为2.92%；膀胱、直肠、小肠的Dmean偏差分别为0.35%、0.46%、0.30%,PTV与危及器官剂量学差异符合ICRU 83号报告的要求。然而，在剂量学差异的比较中，PTV的剂量学偏差高于危及器官，这可能由于IMRT中PTV周围的剂量迅速跌落，导致任何随机误差或系统误差都会对PTV产生较大的剂量扰动，而危及器官所受的影响较小。因此，选择合适的γ标准对提高EIVD系统检测剂量学偏差的可靠性至关重要，尤其是在PTV的高剂量梯度区域。图2展示了基于EIVD验证的不同γ指标下的剂量分布差异，使用更严格的γ指标，能够检测出高剂量区域更多的剂量偏差。

Bojechko等[25]指出γ指标和剂量差异之间的相关性高度依赖于治疗部位和技术。本研究3类γ指标与PTV、危及器官剂量学差异的相关性分析显示，2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%与PTV的剂量学差异相关性较强（r>0.7），与危及器官相关性较弱（r<0.7）。这些结果可能提示，使用2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%的全局γ标准对于PTV来说，能够检测到临床实际治疗中的显著剂量差异；但是对于危及器官来说，无法检测到用于EIVD验证的临床显著偏差，可能需要更加严格的全局γ指标（如1 mm/1%等）或者与危及器官相关的局部γ指标。

ROC曲线分析显示，2 mm/2%、2 mm/3%、3 mm/3%的AUC值分别是0.888、0.825、0.767，且最佳γ通过率截断值分别为79.06%、90.04%、94.19%。2 mm/2%、2 mm/3%较3 mm/3%具有更好的AUC值，这表明EIVD系统在使用2 mm/2%或者2 mm/3%的γ指标时，具有潜在的能力区分剂量学上可接受和不可接受的IMRT计划。在敏感度与特异性计算方面，使用2 mm/3%的γ指标，其敏感性与特异性数值更为接近（0.793、0.770），说明其在阻止临床不可接受计划的同时，也降低了将可接受的计划判定为不可接受计划的机会。

综上所述，本研究证明了基于EIVD验证的全局γ分析与IMRT剂量学参数之间存在一定的相关性，能够有效保证宫颈癌IMRT过程中肿瘤靶区剂量传递的精准性。在γ标准的选择上，可以选择全局分析2 mm/3%，以有效地检测宫颈癌放疗的剂量学偏差，为下一步宫颈癌自适应IMRT提供一定的临床依据。此外，对于使用更严格的全局γ指标或者局部γ指标来检测特定误差所引起的剂量学偏差是下一步需要深入研究的。

参考文献:

[13]国家癌症中心/国家肿瘤质控中心.基于EPID和MLC运行日志文件的调强放疗在线剂量验证实践指南[J].中华放射肿瘤学杂志,2024, 33(1):1-6.

[20]李玉成,程品晶,蒋璐,等.基于EPID三维剂量重建在肿瘤患者中应用[J].中华放射肿瘤学杂志, 2018, 27(11):984-988.

基金资助:浙江省基础公益研究计划(ZCLTGY24H1602);

文章来源:王佳浩,谢洪玲,陈玉凯,等.宫颈癌调强放射治疗三维在体剂量验证分析及最佳γ通过率阈值[J].中国医学物理学杂志,2024,41(07):803-807.