射線能量和均整特性對直腸癌容積旋轉調強計劃質量的影響

梁 惠, 沈笑飛, 周 銳

(安徽省六安市中醫院 腫瘤放療科, 安徽 六安, 237006)

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射線能量和均整特性對直腸癌容積旋轉調強計劃質量的影響

梁 惠, 沈笑飛, 周 銳

(安徽省六安市中醫院 腫瘤放療科, 安徽 六安, 237006)

目的 探討光子射線能量和均整特性對直腸癌VMAT計劃質量的影響。方法 回顧性選取30例直腸癌術前輔助放療患者，每例患者使用4種能量模式(6 MV、10 MV、非均整射線6 FFF和10 FFF), 用同樣的處方和優化函數分別設計VMAT計劃。通過劑量體積直方圖計算靶區劑量、適形指數(CI)、均勻性指數(HI); 統計膀胱、小腸、股骨頭和正常組織的劑量; 記錄每個計劃的機器跳數(MU)和計劃執行時間，比較4種能量模式下VMAT計劃的質量差異。結果 4種計劃的靶區的劑量參數D98%、D50%、D2%、CI、HI均值無顯著差異; 6 FFF、10 FFF能量模式下小腸的最高劑量D2%比6 MV計劃的結果小0.7%和1.5%(P<0.05), 其余OAR的DVH結果無顯著差異。正常組織NT的低劑量區域V5Gy、V10Gy和V20Gy、6 FFF、10 FFF計劃比6 MV計劃的結果分別減少了0.9%、1.4%、1.1%、1.4%和1.2%、2.4%(P<0.05)。與6 MV能量計劃相比, 6 FFF、10MV和10 FFF VMAT計劃的MU變化了24%、-3%、29% (P<0.05)。結論 光子射線能量的變化對直腸癌VMAT計劃質量的影響微小，非均整射線可以稍微降低VMAT計劃的低劑量照射區體積。

射線能量; 均整特性; 容積弧形調強治療; 計劃質量; 直腸癌

隨著放療設備和技術的發展，非均整光子線(FFF)因其高劑量率在臨床中得到了越來越多的應用，但射線的均整特性和能量對容積弧形調強放射治療(VMAT)計劃的影響的報道不多。VMAT技術是目前先進的放療技術之一，與傳統放療技術相比, VMAT可以提供更好的計劃適形性，并能極大地縮短治療執行時間[1-6]。本研究通過分析6、10 MV光子射線和其非均整(FFF)6、10 FFF能量模式下直腸癌VMAT計劃的劑量學差異，評估光子射線能量及均整特性對VMAT計劃質量的影響，現報告如下。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2016年4—11月六安市中醫院放療科收治的經直腸鏡病理確診的直腸腺癌Ⅱ、Ⅲ期患者(直腸癌, UICC第6版分期), ECOG評分≤2分，隨機入組，其中男20例，中位年齡58歲; 女10例，中位年齡55歲。所有患者資料經統計學分析證實具有均質可比性，無放療禁忌證。

1.2 射線特性

使用醫科達infinity醫用直線加速器, Agility治療頭配備80對多葉準直器(MLC), 每個葉片在等中心位置處的投影寬度為5 mm, 每個葉片的最大運動速度為3.5 cm/s。配備均整射線6、10 MV(也稱為6 FF和10 FF)和非均整射線6、10 FFF, 共4檔光子線能量模式。6 MV、10 MV、6 FFF、10 FFF X射線能量擋的劑量率連續可變，上限分別為600、600、1400和2200 MU/min, 四種能量的射線質指數(PDD20/10)分別為0.59、0.63、0.58、0.61。6 FFF與6 FF及10 FFF與10 FF射線能量之間差異很小。

1.3 計劃設計

在Monaco計劃系統(Version 5.1)內，回顧性選取30例直腸癌術前輔助放療患者，每例患者分別使用相應的4種能量模式設計VMAT計劃。4種計劃使用相同的優化參數和目標函數設置。靶區劑量處方為PTV 150 Gy/25 F, PTV 246 Gy/25 F; 正常組織劑量限量為：小腸Dmax≤ 52.5 Gy, V45 Gy< 150 cc; 膀胱D5%≤ 50 Gy; 雙側股骨頭V40 Gy< 5%; 全局最大劑量小于55 Gy。計劃設計參數為單弧順時針360度，控制點數量限制為150, 劑量計算格點為0.3 cm, 蒙特卡羅計算的不確定性設為3%每個控制點，最小子野寬度設為0.8 cm。

1.4 計劃質量評價和指標

通過劑量體積直方圖(DVH)計算靶區的適形指數(CI)、均勻指數(HI); 使用ICRU 83號報告推薦的D98%、D50%、D2%劑量體積參數來表示最低劑量，中位劑量和最高劑量[7]。CI和HI分別計算[8]為: CI = TVRI/VPTV× TVRI/VT, HI = D5%/D95%。其中TVRI是100%的處方等劑量線所覆蓋的PTV體積, VPTV是PTV的體積, VT是該等劑量線所覆蓋的全部受照射體積; CI值越接近1, 表示計劃的適形性越好; D5%是指5%靶體積所接受的照射劑量, D95%指95%靶體積所接受的照射劑量，HI值越接近1, 表示靶區劑量的均勻性越好。

計算小腸、膀胱和雙側股骨頭等危及器官(OAR)和正常組織(NT，NT定義為Body減去靶區和勾畫的OAR后剩下的體積)的DVH參數。統計OAR和NT接受一定劑量的體積占該結構體積的百分數, V10Gy、V20Gy、V30Gy…等(其中VxGy表示該結構接受x Gy照射劑量的體積占該OAR體積的百分數)。同時統計每個計劃的機器跳數(MU)和計劃執行時間(即Beam on到Beam off之間用時)。

1.5 統計學分析

數據以均值和標準偏差形式表示，通過SPSS軟件分析四種能量模式下的計劃劑量結果，以6 FF為參考組，另外三種能量模式與其進行配對t檢驗,P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 靶區劑量

在4種能量模式下，直腸癌VMAT靶區劑量的計算顯示4種能量的結果非常接近，可以看到6 FFF、10 MV和10 FFF能量下的計劃結果與常規6 FF能量的計劃結果無顯著差異(只有10 FFF下PTV 2 的D98%結果要稍小，但數值上的差異非常小)。這也說明不同的射線能量和均整模式下VMAT計劃有相似的靶區劑量覆蓋。見表1。

2.2 OAR和NT劑量

與常規6 FF能量計劃相比，另外3種能量模式計劃的膀胱的DVH結果平均偏差均在0.5%以內，差異無統計學意義(P>0.05), 見表2; 6 FFF, 10 FFF能量模式下小腸的最高劑量D2%比6 FF能量計劃的結果小0.7%和1.5%(P<0.05), 其余小腸的DVH參數無顯著差異(P>0.05); 兩側股骨頭10 FF能量計劃的V30Gy的劑量體積偏大，其余結果無顯著差異(P>0.05)。四種計劃的正常組織NT的平均劑量Dmean差異在1 Gy以內，見表3。6 FFF和10 FFF計劃的5 Gy、10 Gy和20 Gy低劑量的NT體積百分數比6 FF計劃的結果要低約1%～2%。10 FF計劃的NT結果與6 FF計劃NT的劑量結果之間無顯著差異。

表1 4種能量模式下直腸癌VMAT計劃靶區劑量

P1、P2、P3分別對應6 FFF、10 FF、10 FFF能量計劃與6 FF計劃配對t檢驗的P值。

表2 4種能量模式下30例直腸癌VMAT計劃OAR劑量

P1、P2、P3分別對應6 FFF、10 FF、10 FFF能量計劃與6 FF計劃配對t檢驗的P值。

表3 4種能量模式30例直腸癌VMAT計劃NT劑量

P1、P2、P3分別對應6 FFF、10 FF、10 FFF能量計劃與6 FF計劃配對t檢驗的P值。

2.3 機器跳數和計劃執行時間

6 FF、6 FFF、10 FF和10 FFF計劃的機器跳數分別為: 439±30、543±52、425±37、566±46 MU。與6 FF能量計劃相比，另外三種能量模式計劃的MU變化了24%, -3%, 29%; 與FF能量相比, FFF射線計劃的MU明顯增加24%(6 FFF∶6 FF,P<0.05)和33%(10 FFF∶10 FF,P<0.05)。4種計劃的執行時間差異不大，分別為(96±6)、(103±6 )、(95±6)、(106±4) s。

3 討 論

在常規和三維放療時代，射線能量的提升對深部腫瘤，特別是盆腔腫瘤的放療計劃質量的影響比較明顯，普遍認為高能射線會帶來益處[9]; Prizkall等[10]研究結果顯示，隨著靜態調強(IMRT)射野數量的增加，光子射線能量對計劃質量的影響變小。VMAT計劃旋轉照射，臂架可以在360度空間出束，射野(控制點)數量大大增加，因此射線能量對計劃的影響可能更小。Ost P[11]和Pasler M等[12]的研究表明，對前列腺癌VMAT計劃，高能射線(18、15、10 MV)對計劃劑量的影響非常小。本研究結果顯示，10 MV和6 MV光子射線的直腸癌VMAT計劃劑量參數中，除了股骨頭的10 MV計劃的V30Gy稍大，無論是靶區劑量(包括最高劑量D2%、中位劑量D50%、最低劑量D98%、適形性指數CI和均勻性指數HI)，還是OAR(膀胱，小腸，左右股骨頭)劑量, 10 MV能量的計劃結果與6 MV計劃的結果相似，并無顯著差異。考慮到光子射線能量高于10 MV后，會產生中子輻射，引起次級污染，對輻射防護要求更高，帶來的使用成本相對較高。因此，對直腸癌VMAT計劃而言, 10 MV射線并無使用上的優勢。

6 FFF和10 FFF兩種能量模式下直腸癌的VMAT計劃的靶區劑量與均整射線6 FF計劃的結果相近，無顯著差異; OAR中膀胱，股骨頭劑量也無顯著差異，但6 FFF、10 FFF計劃下小腸的最高劑量D2%分別降低了0.7%和1.5%(P<0.05)。對沒有勾畫出的正常組織NT, 6 FFF, 10 FFF計劃的低劑量區域V5Gy、V10Gy和V20Gy分別減少了0.9%、1.4%、1.1%、1.4%和1.2%、2.4%(相對6 FF計劃的結果)，這主要是由于FFF射線均整器移除后減少了機頭的散射線和漏射線[13]。上述研究表明, 6 FFF、10 FFF 直腸癌的VMAT計劃質量比6 FF射線的計劃質量要稍好。已有的鼻咽癌的VMAT計劃研究結果也表明, 6 FFF非均整射線VMAT計劃能夠滿足臨床劑量要求，FFF射線在保護正常組織上有微小優勢，但計劃質量與6 FF得計劃質量相當[14-17]。

10 FF計劃與6 FF計劃相比，MU數減少了約3%，變化不大; 但6 FFF和10 FFF計劃的MU數明顯比6FF計劃增加了24%、29%。可見，射線的均整特性對VMAT計劃的MU數影響很大。這主要是由于FFF射線與FF射線相比，雖然中心軸劑量相同[18-19](本研究中VersaHD的FFF射線與FF射線的射線質非常接近，分別為0.58∶0.59, 0.61∶0.63), 但離軸劑量相對偏低，故照射相同的劑量時，需要FFF射線的機器跳數要更多。但由于FFF射線劑量率的提升較多(6 FFF、10 FFF射線劑量率上限1 400, 2 200 MU/min, 是相應FF射線的2倍和4倍左右)，故四種能量計劃執行時間差異不大(差異在10 s以內)[20]。

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Effect of photon beam energy and flattening-filter characteristic on plan quality of volumetric modulated arc therapy in patients with rectal cancer

LIANG Hui, SHEN Xiaofei, ZHOU Rui

(DepartmentofTumorRadiotherapy,Lu′anHospitalofTraditionalChineseHospital,Lu′an,Anhui, 237006)

Objective To explore the influence of beam energy and FFF on plan quality of volumetric modulated arc therapy (VMAT) in patients with rectal cancer. Methods A total of 30 rectal cancer patients with preoperative radiotherapy were retrospectively selected, and 6 MV, 10 MV, 6 FFF and 10 FFF VMAT plans were generated for each patient by using the same prescription and optimization functions. Through dose volume histogram (DVH) parameters, PTVs dose, conformal index (CI), homogeneity index (HI), bladder, intestine, femoral heads and normal tissue doses were calculated and compared, and themonitor units (MU) and delivery time of all plans were recorded. Results There were no significant differences among the four VMAT plans in target doses, CI and HI. The maximum dose, D2%of the small intestine from the 6 FFF, 10 FFF VMAT plans were 0.7% and 1.5%, which were significantly smaller than the result of 6 MV VMAT plans (P< 0.05). The other OAR DVH parameters results showed no significant difference between the four VMATs. Compared with 6 MV VMAT results, the NT low dose volumes, V5Gy, V10Gy, V20Gyof 6 FFF and 10 FFF VMATs were decreased by 0.9%, 1.4%, 1.1%, 1.4% and 1.2%, 2.4% respectively (P<0.05). Compared with 6 MV plans, 6 FFF, 10MV and 10 FFF plans′MUs changed by 24%, -3% and 29% (P< 0.05). Conclusion Effect of beam energy on plan quality of VMAT in patients with rectal cancer can be almost neglected. The FFF VMATs can slightly reduce the low dose irradiated volume of normal tissue.

beam energy; flattening-filter free; volumetric modulated arc therapy; plan quality; rectal cancer

2017-02-05

R 735.3

A

1672-2353(2017)13-095-05

10.7619/jcmp.201713025