两种迭代次数对鼻咽癌调强计划优化影响的研究

汤幸妮　于长辉　贾海建

[摘要] 目的 研究Eclipse 10.0計划系统中两种不同迭代次数的设置对鼻咽癌调强计划的影响。 方法 选取2013年12月～2014年12月17例鼻咽癌患者的调强计划，在原有计划的基础上，将优化参数中迭代（Iteration）选项卡中的数值改为100命名为Plan1和500命名为Plan2，然后对两个计划重新计算。统计并比较其靶区的相关剂量学参数、危及器官（Organs at risk，OARs）的剂量学参数、机器总的跳数（Monitor unit，MU）。 结果 迭代次数对计划肿瘤区（Plan gross tumor volume，PGTV）和计划靶区（Plan target volume，PTV）中D95、D5及靶区剂量均匀性指数（Homogeneity index，HI）的剂量影响较小，差异无统计学意义（P>0.05）；迭代次数增加一定程度上能降低危及器官的受量，如两侧腮腺V20、患侧腮腺、两侧视神经、健侧眼球以及喉的平均剂量均有所下降，且差异均具有统计学意义（P<0.05）；迭代次数增加，机器总跳数平均增加约100 MU，但差异无统计学意义（P>0.05）。但是迭代次数增加，平均计算时间明显增加，有统计学差异（P<0.05）。 结论 迭代次数的增加对靶区的影响比较小，但可以改善危及器官所受的剂量。考虑到计划优化时间和工作效率，建议在使用Eclipse 10.0计划系统优化时采用500之内的迭代次数，并且如果优化结果已达到要求则可以尽早结束迭代。

[关键词] 鼻咽癌；IMRT；迭代次数；计划优化

[中图分类号] R739.63 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2017）16-0069-05

[Abstract] Objective To study the effect of two kinds of dose iteration times on the intensity modulated plan for nasopharyngeal carcinoma（NPC） with Eclipse10.0 planning system. Methods 17 cases of nasopharyngeal carcinoma（NPC） IMRT plans were selected from December 2013 to December 2014. On the basis of the original plan， the optimization iteration times which were changed for 100 and 500 named Plan1 and Plan2， respectively， then the two kinds of plans were recalculated. The dosimetric parameters of the target area and organs at risk（OARs） as well as monitor units（MU） were compared. Results The iteration times had less effect on the D95， D5 and HI（Homogeneity index， HI） of the target area PGTV and PTV with no significant differences（P>0.05）； However， the increase of iteration times could reduce the dose of organs at risk（OAR）. For example： The V20 of the parotid gland on both sides， the average dose of the ipsilateral side parotid gland， optic nerve on both sides， the contralateral eye and the throat were decreased， and the differences were statistically significant（P<0.05）； The increase of iteration times increased about 100 MU in the total number of monitor units， but the differences were not statistically significant（P>0.05）. Even so， the increase of iteration times increased the optimization time， and the differences were statistically significant（P<0.05）. Conclusion The increase of iteration times has no much impact on the target area， while it can improve the dose of organs at risk. Considering the planning optimization time and work efficiency， it is recommended that the iterations should be chose within the 500 when using the Eclipse10.0 planning system. Furthermore， if the optimization results have already achieved the requirements， it can be ended as soon as possible.

[Key words] Nasopharyngeal carcinoma； IMRT； Iteration； Optimization

随着现代放疗进入精确放疗时代，调强放射治疗技术（intensity-modulated radiation therapy，IMRT）的应用也越来越广泛[1]。尤其对于鼻咽癌患者来说，由于其靶区附近危及器官较多，靶区复杂，调强技术成为鼻咽癌放射治疗的首选技术[2]。近年来被广泛运用的Eclipse计划系统是瓦里安一体化云计算平台计划系统，能够精确高效地完成三维适形计划（3DCRT）、调强放疗计划（IMRT）、容积旋转调强计划（VMAT）等计划的设计。其对靶区勾画、参数设置、剂量计算都十分方便，但对于该计划参数设置的研究目前还很少。为能够更好地运用该套计划系统，使得计划最优，如何对参数进行合理设置成为重要的研究课题。在Eclipse10.0计划系统中优化参数迭代次数Iteration选项卡主要决定了计划优化的时间和优化程度，其不同限制是否会对计划优化结果产生一定影响，本文主要通过对剂量学差异的比较，研究不同的迭代次数对计划的影响，现将初步研究结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 主要设备和仪器 美国Varian Trilogy加速器，配备120片多叶准直器，6 MV X射线，Eclipse 10.0计划系统，放疗网络系统ARIA，Discovery RT 590多功能放疗定位大孔径CT。

1.1.2 病例的选择 选取院内2013年12月～2014年12月经同一位勾画靶区医生给予相同处方剂量进行鼻咽癌调强放射治疗的患者共17例，年龄27～81岁，中位年龄为55岁，其中男10例，女7例；分期为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳa和Ⅳb期的患者分别为1例、3例、5例、6例和2例。

1.2 方法和步骤

1.2.1 患者定位和图像传输 输入患者信息至电脑，患者在Discovery RT 590多功能放疗定位大孔径CT上采取仰卧位，头过伸，下巴微抬，双臂平放在身体两侧，用头颈热塑膜进行固定，扫描层厚为2.5 mm，扫描范围从颅顶到气管分叉处。扫描采集的图像通过瓦里安ARIA网络传至Eclipse 10.0 TPS放疗计划系统。

1.2.2 确定解剖结构和处方剂量 由临床医生勾画临床靶区和危及器官，鼻咽部及上颈部靶区勾画方法定义GTVnx（鼻咽部肿块）、GTVnd（颈部淋巴结）、CTV1（高危临床靶区）、CTV2（低危临床靶区），根据实际头部摆位误差的情况将临床靶区GTV和CTV上下、左右和前后统一外放0.3 cm分为计划靶区PGTV和PTV，物理师在与临床医生沟通后将PTV和PGTV进行适当的修回。处方剂量为PGTV给予70 Gy，PTV1给予60 Gy，PTV2给予54 Gy，共33次，1次/d，治疗5 d，休息2 d。具体靶区勾画参见前文选[3-5]。

1.2.3 计划设计 物理师使用Eclipse 10.0 TPS计划系统对鼻咽癌患者进行调强计划设计，采用滑窗技术（Sliding window），布野方式为等分9野（0°、40°、80°、120°、160°、200°、240°、280°和320°），所用算法为AAA算法[6]，剂量限值参考RTOG0225进行剂量限制。在既往的工作经验中，我们发现对于鼻咽癌患者根据其靶区的不同、计划难易的不同，通常迭代次数在100次左右时计划的目标函数优化曲线基本达到坪区，因此将优化时间Time统一设置为100，计划Plan1中Iteration的值限定为100，计划Plan2中Iteration的值限定为500，其他所有剂量限值完全一致，对两个计划分别计算，得到结果。

1.2.4 剂量学评估参数 根据剂量体积直方图，评估计划靶区剂量的均匀性指数HI（Homogeneity index，HI）[7-8]，HI =D5/D95。其中D5表示5%的靶体积所受剂量，D95表示95%的靶体积所受剂量，HI值越大说明计划的剂量分布均匀性越差，HI值越接近1，则均匀性越好。

记录危及器官部分：脑干、脊髓、晶体、视神经、眼球、内耳、颞叶、喉、下颌骨、舌、气管和垂体的最大剂量及平均剂量；腮腺的V20、V40及平均剂量；以鼻咽病灶重心所在侧为患侧，对称器官分别比较患侧与健侧。另外还有机器跳数（MU）和计划计算时间。

1.3 统计学分析

运用SPSS17.0统计软件，采用配对t检验方法，比较Plan1与Plan2 两组计划中机器跳数（MU）、靶区、正常组织剂量数值差异。并使用皮尔逊相关性（Pearson）分析，当P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 两组靶区剂量比较

Plan1与Plan2两组计划中靶区PGTV和PTV1中D95、D5的剂量及HI比较差异无统计学意义（P>0.05）。见表1。

2.2 两组腮腺低剂量比较

比较Plan1与Plan2两组计划中腮腺剂量V20（20 Gy剂量所占腮腺体积百分比）、V40（40 Gy所占腮腺体积百分比）和腮腺平均剂量Dmean。其中患侧腮腺的V20在Plan1和Plan2中分别为（89.22±5.42）%和（83.85±6.50）%，其体积减少，差异有统计学意义（t=5.12，P<0.001）；而其平均剂量分别为（3578.70±128.92）cGy和（3548.36±138.14）cGy，剂量减少，差异具有统计学意义（t=2.98，P<0.05）；而健侧腮腺的V20在Plan1和Plan2中分别为（92.39±4.77）%和（88.80±5.15）%，差異有统计学意义（t=6.65，P<0.001）；说明当迭代次数增加，腮腺低剂量部分体积有所减少，且患侧的腮腺平均剂量也有所减少。见表2。

2.3 两组危及器官剂量比较

比较Plan1与Plan2两组计划中危及器官受量情况，发现对于除脊髓外的危及器官来说所受最大量并无明显差异，脊髓的最大剂量分别为（4274.66±210.73）cGy和（4307.02±204.88）cGy，其随迭代次数增加，所受最大剂量也增加，差异具有统计学意义（t=-2.47，P<0.05）；两侧视神经、健侧眼球以及喉的平均剂量均有所减少，且差异具有统计学意义，分别为（3369.71±1752.09）cGy和（3177.39±1645.79）cGy（t=2.37，P<0.05）、（3297.31±1424.65）cGy和（3125.71±1300.31）cGy（t=3.74，P<0.05）、（1018.40±313.99）cGy和（963.46±292.25）cGy（t=3.55，P<0.05）、（4928.01±355.51）cGy和（4905.49±355.38）cGy（t=2.69，P<0.05）。其余各项均无统计学差异（P>0.05）。见表3。

2.4 两组机器跳数（MU）和计算时间比较

比较Plan1与Plan2两组计划中的机器跳数（MU），如图1所示，Plan2比Plan1的机器总跳数平均增加约100 MU，但差异无统计学意义（P>0.05）。另外，Plan2计划组的计划计算平均时间约为35 min，Plan1计划组的计划计算平均时间约为10 min，两组比较有明显差异（P<0.05），见图2。

3 讨论

鼻咽癌同步放化疗治疗已经成为根治的标准，局部控制疗效好，长期生活质量的改善是目前研究的热点。在鼻咽癌放疗中，调强放射治疗手段因其局控率，剂量分布较传统的适形放疗有着明显的优势，所以在目前是主要治疗手段[9-10]。

鼻咽癌周围所涉及的危及器官较多，靶区复杂，在设计调强放射治疗计划时需要考虑较多因素。Eclipse计划系统的各项异性分析算法（AAA）是目前使用较为广泛的计划优化算法之一，是一种三维笔形束卷积迭代算法[11-12]，其对于散射射线的修正较为准确，选择AAA算法有利于计算的精确度。在杨海燕等[13]研究中，AAA算法和PBC算法在靶区中的差异不大，而在危及器官中的剂量差异较大，这是由于AAA算法考虑了原射线、电子污染和散射的影响[14]。Llacer J等[15]认为调强优化中的退化性质对确定优化的迭代次数和初始强度有指导意义。根据其论述，调强优化过程中迭代次数过少会出现退化现象，计算结果无法满足目标函数的要求，而当迭代次数大到一定值时，计划已经达到最优，继续计算不但计划结果得不到进一步的优化，反而出现低特征值的高频部分[16]，不利于治疗计划的实施，优化的质量下降。庄建发等[17]也对迭代次数进行过一定研究，其研究所得的数据中迭代次数的增加对于危及器官，如脊髓、脑干和腮腺的影响可以忽略不计。然而，本研究结论与其所得数据结果有所不同，从上述的数据统计可以看出，迭代次数的增加对靶区的剂量并没有影响，而对危及器官的影响较为显著，其差异具有统计学意义。究其原因认为主要是计划系统不同计算方法不同，其受到退化性质的影响也有所不同，所以计算结果不同。庄建发等[17]采用CMSXIO 4.64计划系统为卷积叠加算法，而Varian Eclipse计划系统采用各项同异性算法。

本研究中，选用的迭代次数分别为100次（Plan1）和500次（Plan2），原因是在使用Eclipse10.0计划系统制作鼻咽癌计划时，由于靶区的不同，其计划的难易程度也不同，计划的目标函数优化曲线达到坪区所需的迭代次数也不同。根据既往的经验，其计划优化的迭代次数为100时可以基本保证达到优化平衡，即DVH圖中靶区和危及器官的受量值基本稳定；而在庄建发等[17]的研究中，迭代次数达到300时与100时的计划差异不具有统计学意义（P>0.05），因此选择了更高的迭代次数500与迭代次数为100时的计划进行比较。本研究中，迭代次数为500次时（Plan2）相较于100次（Plan1）的计划，发现从危及器官所受最大剂量来说，除脊髓所受的最大剂量有所增加外，其他危及器官差异不具有统计学意义（P>0.05），脊髓的最大剂量增加，差异具有统计学意义（t=-2.47，P<0.05），但是部分危及器官的受量明显降低，患侧视神经、健侧视神经、健侧眼球、患侧的腮腺和喉的平均剂量分别降低，差异具有统计学意义（t=2.37、3.74、3.55、2.98和2.69，P<0.05）。另外，由于在目标函数优化中腮腺的剂量限制条件为V30小于50%，因此选取腮腺的低剂量区V20与高剂量区V40进行比较，发现患侧腮腺的V20，Plan2相较于Plan1降低，健侧腮腺的V20，Plan2相较于Plan1降低，差异均具有统计学意义（t=5.12和6.65，P<0.001），由此，我们猜想迭代次数的增加主要通过降低危及器官的低剂量部分的照射体积来降低其平均剂量。由于Eclipse10.0采取的是滑窗技术（sliding window），因此不存在子野数目的多少，但是比较两组计划的机器跳数，Plan2比Plan1平均增加约100MU，但差异无统计学意义（P>0.05）。但是，统计两组的计划计算平均时间，Plan2比Plan1平均增加25 min左右，有统计学明显差异。

杨瑞杰等[18]指出迭代次数过多会出现低特征值的高频部分，不利于治疗计划的实施，需要对其进行滤波处理，并且计划优化时间增加，降低了工作效率。然而各项研究表明，调强放疗计划优化的迭代次数过少时会出现退化现象[19]，因此迭代次数应该有一个最优值，而在Eclipse10.0计划系统中优化次数为100时虽然已经达到优化平衡，但并不是最优，从两组计划对比可知，迭代次数为500的计划仍然优于迭代次数为100的计划，更有利于危及器官的保护。然而，迭代次数增加势必会增加计划优化的时间，因此，考虑到计划优化的结果以及工作的效率[20]，我们认为应该选择500之内的迭代次数，在保证计划优化达到平衡的前提下，可以尽早结束优化，这样既可以减少优化时间，也提高工作效率[21]。

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（收稿日期：2016-11-16）