張南大夫
Reports of Practical Oncology and Radiotherapy》 2020 年5-6月雙月刊載[25(3):336-344.]印度的Patel G , Mandal A , Choudhary S 等撰寫的綜述《計劃評估指數：演變歷程。Plan evaluation indices: A journey of evolution》。( doi: 10.1016/j.rpor.2020.03.002. )
【目的】
對文獻中關於適形性指數(CI)、同質性指數(HI)、梯度指數(GI)等指標的演變歷程進行系統綜述和分析。
【背景】
現代放射治療技術如VMAT、SRS和SBRT產生高度適形性計劃，提供更好的重要關鍵結構和正常組織的保留。這些治療技術可以為具有不同劑量分佈的同一患者制定若干競爭性的計劃。因此，CI、HI、GI等指標在進行對計劃評估時，除了逐個層面進行可視化等劑量線驗證外，還可作為補充工具。這些指標的可靠性和準確性已經在過去進行了測試，並在相互比較中，發現不足之處和獲益。
【材料和方法】
通過使用“適形性指數（conformity index）”、“均質性指數（Homogeneity index）”、“梯度指數（Gradient index）”、“立體定向放射外科（Stereotactic radiosurgery）”、“立體定向體部放射治療（ stereotactic Body radiotherapy）”、“複雜性度量（complexity metrics）”和“計劃評估指數（plan evaluation index）”等詞檢索pubmed和“web of science”以確定1993年以後發表的可能相關的研究。使用“計劃評估指數適形性指數（plan evaluation index conformity index）”的組合詞檢索以及審查下載論文的參考書目。
【結果和結論】
計劃評價指標的數學定義隨時間變化而變化。不同作者提出的適形性指數（CI）的定義都經過了自己的檢驗，但不能將其泛化（could not be generalized）。在對適形性指數（CI）的數學定義中，考慮到危及器官（OAR）的保留，使得對計劃評估更有信心。梯度指數是除適形性指數（CI）外的一個重要的計劃評估指標，均質性指數則失去了可信度（homogeneity index losing its credibility）。基於計劃評估的生物指數正在得到普及，它可以取代或改變劑量測定指數的作用（may replace or alter the role of dosimetrical indices.）。
引言
現代放射治療的最終目標是均勻性地以極好的適形性交付靶體積最大治療劑量，同時使周圍正常組織和重要關鍵器官的受照劑量最小化。到目前為止，臨床醫生依賴常規的層厚切面方法，通過逐層可視化驗證處方等劑量線是否計劃靶體積(PTV)相適形，以及劑量體積直方圖(DVH)。經常發生的情況是，對於同一患者，可以產生幾乎相同劑量分佈的若干治療計劃。這種情況通常使臨床醫生感到困惑，因為他們不知道應該根據什麼批准治療計劃。這就要求有一種工具能夠以一種更簡單的方式集成這些數據，從而對治療計劃的質量進行定量評估。適形性指數、均質性指數和梯度指數是治療計劃分析的工具。
在2006年，Loic Feuvret等人調查了由不同作者開發的適形性指數(CI)，並進行了批判性分析。雖然它可能不是對審查的文章中所有適形性指數都加以考慮的面面俱到的審查。作者遺漏了一些直到2006年才發表的關於CI的定義，無法作為他評論文章的一部分。作者沒有考慮計劃靶區體積（PTV）中的熱點（hotspot）和冷點(cold spot)的作用等問題。在使用適形性指數（CI）對計劃評估中，空間劑量信息(spatial dose information)和不同劑量處方對不同靶體標準的作用等。在這篇文章中，我們結合了Feuvert等人的研究並進行了進一步的推算（extrplocated）。我們包括了遺漏的適形性指數（CI）的定義，以及2006年至2018年期間開發的新定義。許多作者提出了關於適形性指數（CI）的新想法，我們將逐一加以研究。大部分新開發的指標都是個體化的，且使用MATLAB、C語言、Visual basic等語言創建，因此其應用僅限於這些語言，不能推廣。本研究將文獻中提出的多個指標分為兩類:第1類和第2類。第1類所包含的有關CI的公式用於評估時不考慮重要關鍵結構的保留，而包括如表(1)所示的正常組織和PTV覆蓋率。第2類包含的有關CI的公式，將PTV覆蓋率、正常組織和重要關鍵結構保留加以同時考慮，如表(2)所示。形成這兩個分類的背後的意圖是為了提高讀者對文獻中各種CI定義的有效理解。計劃評估的第二個重要參數是均質性指數(HI)。均質性指數（HI）是導致PTV內劑量分佈不均勻的主要原因，但未受到如CI般的重視。它基本上是靶體積中最大劑量與最小劑量的比率。
近年來，立體定向放射外科治療(SRS)和立體定向體部放射治療(SBRT)成為臨床常用的治療方法。在SRS劑量中，對典型體積範圍為1-35立方厘米的小型靶區的大約（in the order of）10-50Gy的劑量以單次分割的形式交付照射；因此，SRS需要較高的定位和劑量照射的準確性。梯度指數(GI)是第三個計劃評估的參數，是對靶體積之外的陡峭劑量梯度的測量；因此，除了適形性指數外，梯度指數也起著重要的作用。在SRS中，作為計劃質量的一種測量方法，特別是作為併發症的一個預測指標，靶體積之外的劑量下降是非常重要的。提出的梯度指數用來比較適形性相同的治療方案。立體定向體部放射治療(SBRT)是一種顱外大分割（hypofraction）的治療方法，尤其適用於早期非小細胞肺癌。隨著時間的推移，SBRT已經被證明是有效的，並開始在胰腺和肝臟腫瘤的治療中得到應用。SBRT的潛在優勢包括較高的生物有效劑量。RTOG 0915推薦梯度指數、R50%、HDloc和D2cm指數，以及適形性和均質性指數用於SBRT計劃評估。均質性指數在立體定向放射外科治療(SRS)和立體定向體部放射治療(SBRT)計劃中可能不是優先考慮的指標，因為異質性是可取的（heterogeneity is desirable.）。在本研究中，我們對1993年至2019年6月計劃評估指數的演變進行了全面的分析和嘗試理解。這篇文章旨在激勵研究人員發現更精緻的工具(sophisticated tools)來進行計劃評估。
梯度指數
在1999年，Lucullus leung等人假設等效衰減距離(Equivalent Fall Off Distance，EFOD)來比較立體定向放射外科治療方案。該研究為考慮靶體積外的劑量梯度奠定了基礎。劑量梯度如圖(2)所示。
圖(2)。顯示PTV外的劑量梯度。
2003年，Wagner等人率先提出了梯度指數（gradient index）這一術語，用來測量靶體積之外的劑量衰減（falloff）。被稱作適形性梯度指數(Conformity Gradient Index，CGI)，由表(2)所示的兩部分組成。適形性梯度指數依賴於通過治療計劃系統可以方便地計算出的靶區的有效半徑。從處方等劑量線體積到一半的處方等劑量線體積允許有3毫米的衰減（A 3 mm fall off is allowed from prescription isodose volume to half of the prescription isodose volume）。Shaw的適形性指數是已知會產生虛假的完美分數（false perfect scores）的適形性梯度指數（CGI）的一部分。
表2.第二類包含的考慮到危及器官（OAR）的適形性指數（CI）的數學公式。
在2006年，Ian Paddick和Lippitz等人提出了一個簡單的梯度指數公式來補充適形性指數。梯度指數（GI）被用於比較適形性相同的治療方案。梯度指數可以作為比較不同放射外科治療方法的有效工具，如直線加速器(微多葉光柵[MLC]加速器)、伽瑪刀(gamma knife)、射波刀(cyberknife）、斷層治療(tomotherapy)、質子治療(proton therapy）等不同類型機器的治療計劃。
2010年，Charles Mayo等人評估了適形性、均質性和劑量梯度的劑量學指數，並將其與其他無框架顱內SRT技術(包括射波刀[Cyber- Knife]、斷層治療和固定射線束調強放射治療[static-beam IMRT])發表的結果進行比較。梯度指數[GI]的數學定義如下表(3)所示。
表3:發表的文獻中梯度指數的數學公式。
均質性指數
均質性指數受靶體積、靶位置、處方劑量等諸多因素的影響，這一點已被多位學者所證實，但仍有一些因素有待揭示我們知道，身體的不同部位有不同程度的異質性。與頭頸、胸部、腹部和骨盆相比，大腦在密度差異方面的異質性最小。頭頸部由於口腔、鼻腔、高密度骨骼、高密度牙齒、舌、有時是種植牙等結構對靶體積內部的劑量分佈有顯著影響，所以其密度差異性最高。已經觀察到，與其他位置的治療方案相比，腦病患者的治療計劃存在PTV內的劑量分佈更為均勻，但SRS/SRT治療計劃所存在的劑量異質性是可能發熱。頭頸部治療計劃，特別是同步整合推量 (SIB)計劃，被發現具有最高程度的異質性，或者如果針對不同的靶體積個別計算，則均質性指數（HI）值較差。另一個有用的發現是，HI指數也受到危及器官（OAR）的接近程度、與PTV重疊的程度和各自的耐受劑量的影響。確定PTV中劑量不足和劑量過量（underdose and overdose）的冷點和熱點（cold spot and hotspot）是計劃評估的關鍵步驟。理想情況下，應注意HI的這些方面，但現有的HI公式不能令人滿意地表達它，因此，逐層驗證劑量分佈始終是臨床醫生的首要選擇。因為在評估方案時，往往在GTV或CTV中存在熱點和在PTV中的與OAR毗鄰的冷點是可以接受的。臨床上認可存在GTV的熱點提供了被稱為TCP(腫瘤控制概率）的放射生物學上的優勢。現有HI公式不能顯示PTV內多個熱點和冷點的位置，只能提供異質性的程度。讓我們討論一下各種HI定義的優缺點。
2007年，Myonggeun Yoon等人引入了一種新的均質性指數，並稱之為Sigma指數(Sindex)。Sigma指數比文獻中已有的其他均質性指數更強，因為它首次利用了微分（differential）DVH（體積劑量直方圖）信息。在他們的研究中，作者報告常規的和改良的均質性指數的定義可能產生不正確的信息。這意味著在同質性上一種計劃方案優於另一種計劃方案，兩種不同方案的積分（cumulative）DVH計算得到的HI值也可以相同。根據作者的想法，任何基於積分DVH中有限數量的點劑量的HI，都可能提供關於PTV劑量均質性的錯誤信息。我們知道，積分DVH是至少受照一定劑量的給定結構的繪圖（plot），並且很容易解釋。然而，微分DVH攜帶關於結構內劑量變化程度的獨特信息。微分（differential）DVH是在特定劑量範圍內接受特定劑量的容積圖（plot of volume）。利用微分DVH的這一獨特性質，Sigma指數有效地提供了更好的劑量均勻性，而不會產生虛假的評分(false scoring)。Sigma指數由Pushpraj Pathak等人進一步測試，並與現有HI定義進行比較。P S Manikandan等人也對Sigma指數進行了評價，並與常規和改良的HI進行了比較，發現S-指數優於它們。Sigma指數的結果看起來很有希望和令人信服。但有一個小問題，許多治療計劃系統不方便使用微分DVH，如Monaco系統和Elekta醫療系統。
2012年，T J Kataria等人在對文獻中除sigma指數外的各種HI公式得到的HI值之間進行了一致性水平的檢驗。作者展示HI與處方劑量、計劃靶區體積和在患者體內的PTV的位置之間的相關性的強度。作者的結論是，HI指數與計劃靶區體積之間沒有直接的相關性，但在較高處方劑量的計劃中有改善HI的跡象。他們沒有討論他們研究中使用的各種公式的缺點。2015年，Azza Helal等人也在他們的研究中證實，HI、靶區體積和處方劑量之間存在很強的相關性。HI的28個數學定義如表(4)所示。
表4:發表的文獻中均質性指數的數學公式。
分享到:
閱讀更多 醫學科普顧事 的文章
