單雙弧設定對胸段食管癌容積旋轉調強計劃的劑量學比較

王銳濠，張書旭，田允鴻，沈國輝，李萬禎，廖博玉，王琳婧，李慧君

廣州醫科大學附屬腫瘤醫院 a.放療中心；b.放療一科，廣東 廣州 510095

單雙弧設定對胸段食管癌容積旋轉調強計劃的劑量學比較

王銳濠a，張書旭a，田允鴻b，沈國輝a，李萬禎a，廖博玉a，王琳婧a，李慧君a

廣州醫科大學附屬腫瘤醫院 a.放療中心；b.放療一科，廣東 廣州 510095

目的 探討胸段食管癌容積旋轉調強（Volumetic Modulation Arc Therapy，VMAT）放療計劃設計時，單雙弧設定對計劃劑量的影響。方法 選取2016～2017年間收治的11例病理確診的局部晚期胸段食管癌，在Monaco 5.11 TPS計劃系統中分別設計制定360°單弧VMAT（VMAT1）和雙弧VMAT（VMAT2）兩種放療計劃，比較兩組計劃靶區的劑量分布以及危及器官（Organs at Risk，OAR）受照劑量，并比較計劃在加速器上的執行效率。結果 兩種VMAT計劃的靶區劑量均能滿足臨床處方要求，但雙弧計劃VMAT2在靶區覆蓋率和劑量分布均勻性均優于單弧計劃VMAT1（P＜0.05）。在OAR方面，兩種VMAT計劃中雙肺的V20的劑量差異有統計學意義（P＜0.05），但其他劑量學指標如雙肺的V5、V10和V30，心臟的V30和V40以及脊髓的Dmax并無明顯差異（P＞0.05）。在執行效率方面，單弧VMAT1計劃機器跳數比雙弧VMAT2計劃的顯著減少，治療時間也明顯縮短（P＜0.05）。結論 單弧計劃雖在靶區覆蓋率和均勻性方面差于雙弧計劃的，但顯著減少了治療時間，執行效率最高。因此對于胸段食管癌容積旋轉調強放療來說，推薦選擇單弧計劃即可。

食管癌；容積旋轉調強放療；放療弧數；劑量學

引言

食管癌是我國常見的十大惡性腫瘤之一，放射治療是食管癌患者的標準治療手段之一[1]，隨著放療技術的發展，容積旋轉調強放療（Volumetric Modulation Arc Therapy，VMAT）技術已逐漸被應用于有條件的放療單位。VMAT技術改進了加速器的投照方式，它可同時利用機架旋轉、多葉光柵（Multi-Leaf Collimator，MLC）運動速率和動態變化的劑量率投遞劑量，高效率地實現調強治療的劑量[2-4]。本研究旨在對比并評估胸段食管癌VMAT計劃單雙弧設定對靶區的劑量均勻性以及周圍危及器官（Organs at Risk，OAR）的受照體積和劑量分布的差異，探討適于胸段食管癌的VMAT方式，從而為臨床應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取本院近期經病例確診并行同期放化療的11例局部晚期胸段食管癌病例（T3～4，N2～3，M0）為研究對象，其中男性6例，女性5例，年齡45～70歲，中位年齡60歲。

1.2 CT定位及靶區勾畫

患者仰臥位，雙手臂交叉于額前，熱塑體模固定，CT掃描范圍由下頜骨下緣至肝臟水平，層厚選擇5 mm，均使用靜脈造影劑帶定位裝置行增強掃描。重建CT斷層圖像經網絡系統傳到Monaco（版本5.11，Elekta公司）放射治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）。

所有患者均由有經驗的放療主治醫師，根據ICRU第62號報告逐層勾畫腫瘤靶區GTV、臨床靶區CTV和危及器官，包括雙側肺組織、脊髓和心臟等。GTV為食管原發腫瘤病灶和局部區域腫大淋巴結，CTV為GTV基礎上軸向外擴0.5 cm，上下方向各外擴3.0 cm，包括食管旁淋巴結、縱膈淋巴結引流區等。GTV和CTV在三維方向上分別外擴0.5 cm形成PTV1和PTV2。靶區和OAR組織的體積范圍，見表1。

表1 11例患者靶區和危及器官的體積（cm3）

1.3 VMAT計劃設計

IMRT計劃設計在Monaco TPS進行，每位患者均設計360°單弧和雙弧兩種VMAT計劃，選用Synergy S 加速器6 MV X線照射，搭配Agility 80對葉片的MLC準直小機頭，葉片寬度在等中心平面投影均為0.5 cm。單弧VMAT（VMAT1）計劃優化時采用360°順時方向單弧設計，機架從181°順時旋轉至179°。而雙弧VMAT（VMAT2）計劃則在單弧VMAT基礎上，再加一個起始角度179°，逆時針旋轉360°至181°的弧。兩組計劃采用相同劑量約束條件和優化參數，計劃均采用快速蒙特卡羅算法計算，劑量計算網格和方差分別為3 mm和1%，默認設置最大劑量率為600 MU/min。

處方劑量為PTV1 60 Gy/30次、PTV2 50 Gy/30次，靶區劑量的優化目標為：95%處方劑量線圍繞的體積＞95%靶區體積，靶區內最高劑量不超過110%處方劑量。危及器官限量約束條件如下：雙肺組織V5＜60%、V20＜30%、V30＜20%， 脊 髓 最 大 劑 量 ＜45 Gy， 心 臟 V30＜40%、V40＜30%。優化權重：靶區（PTV1、PTV2）＞脊髓＞肺＞心臟。VMAT計劃設計時若以上均能滿足劑量學要求時則著重考慮降低肺受照劑量。

1.4 計劃評估

通過劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram，DVH）獲取靶區和危及器官受照劑量及體積進行對比分析。靶區劑量的分析指標為PTV的V95%體積（95%處方劑量包含的靶區體積）、最小和最大劑量（Dmin和Dmax）、適形度指數（CI）、均勻性指數（HI）等指標。其中CI[5]的計算公式為：其中Vt為靶區體積，Vt.ref為參考等劑量等劑量線面包繞的靶區體積，Vref為參考等劑量線面所包繞的所有區域的體積，CI值的范圍是0～1，值越大，適形度越好。HI[6]的計算公式為其中D2%和D98%分別是指2%、98%靶區體積所受到的照射劑量，DRx是指計劃給定的處方劑量，HI值越大說明超過處方劑量越大，靶區內劑量分布也越不均勻。危及器官的評估指標為全肺分別受到5、10、20和30 Gy劑量的體積（V5、V10、V20和V30）、脊髓的Dmax和心臟的V30、V40等。

1.5 統計學分析

采用SPSS 19.0統計軟件對各評估指標的均數間行配對t檢驗，P＜0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區劑量分布比較

兩種VMAT計劃的靶區劑量均能滿足臨床處方要求，但雙弧計劃VMAT2在靶區覆蓋率和劑量分布均勻性均優于單弧計劃VMAT1（P＜0.05）。對于PTV1來說，與VMAT1比較，VMAT2中的V95%、Dmin和HI的差異性有統計學意義（P＜0.05）；而對于PTV2來說，與VMAT1相比，VMAT2中的V95%和HI的差異性有統計學意義（P＜0.05）。詳見表2。

2.2 危及器官劑量分布比較

從雙肺受量情況來看，兩種VMAT計劃中雙肺的V20的劑量差異有統計學意義（P＜0.05），但其他劑量學指標V5、V10和V30并無明顯差異（P＞0.05），在其他危及器官方面，兩種VMAT計劃中心臟、脊髓的劑量學評估指標的差異性并無統計學意義（P＞0.05）。但與VMAT1計劃比較，VMAT2計劃中心臟V30、V40略有降低，分別平均降低2.61%、3.02%；而脊髓Dmax略有升高，平均升高1.98%左右。詳見表3。

表2 兩種VMAT計劃靶區劑量分布比較（ x-±s）

表3 兩種VMAT計劃危及器官劑量分布比較（ x-±s）

2.3 治療執行效率

在機器總跳數（MU）方面，單弧VMAT1計劃平均MU數為686.67±114.40，雙弧VMAT2計劃平均MU數為816.83±70.15。與VMAT1相比，VMAT2的平均MU數顯著增加了15.94%左右（P＜0.05）；預估VMAT2的治療執行時間（5.19±0.34）min比VMAT1的（3.22±0.53）min相對增加了2 min左右（P＜0.05）。

3 討論

調強放療是放射治療的主流技術，其目標是在最大程度提高腫瘤靶區照射劑量的同時最大限度地保護OAR組織器官[7]。而VMAT是近幾年來逐漸普及的，實現調強放療的新方式，其利用旋轉的放射治療弧，在射線出束過程中，機架同時旋轉，MLC的子野形狀以及加速器出束射線劑量率也隨著連續變化，在減少機器跳數和治療執行效率方面優勢明顯，具有“快、準、優”的特點[8-10]。本研究比較了單雙弧VMAT計劃在局部晚期胸段食管癌病例中靶區和OAR的劑量分布差異。

本研究中，在給定處方劑量的前提下，單雙弧VMAT計劃均能滿足臨床要求，但在靶區的劑量覆蓋率和均勻性方面，雙弧VMAT2計劃明顯優于單弧計劃VMAT1（P＜0.05），表明通過增加弧的數目可以改善計劃質量，原因可能是雙弧計劃的劑量調制空間更自由[10]。此外，在控制腫瘤靶區（PTV1）的冷、熱點方面，雙弧VMAT2計劃具有一定的優勢，這一結果與前期研究的報道相似[9-10]。對于雙肺組織來說，前期臨床研究認為放射性肺炎與肺受量密切相關，減少肺的受照體積和劑量能夠更好的降低肺的放射性肺炎等并發癥[11-12]。本研究中，單雙弧VMAT計劃中雙肺的受照劑量差異并不明顯，僅V20的體積差異有統計學意義（P＜0.05），但在總體趨勢上，雙弧VMAT2計劃中雙肺受照體積偏高于單弧VMAT1計劃，可見雙弧計劃對肺受量照射的保護并沒有優勢。在其他OAR方面，兩種VMAT計劃中心臟、脊髓的劑量學評估指標的差異也不明顯。

而在治療執行效率方面，單弧VMAT1計劃明顯優于雙弧VMAT2計劃，VMAT1相對于VMAT2顯著減少了機器跳數，縮短了治療時間，提高加速器的使用與運行效率。在短時間內完成治療，減少了患者的不自主運動，有利于提高放療的準確度[13]；也為圖像引導節約出時間，為減少計劃靶區體積提供可能[14-16]。

綜上所述，對于胸段食管癌容積旋轉調強放療，單雙弧VMAT計劃均能滿足臨床處方劑量要求。雙弧計劃相對于單弧計劃雖能夠實現更好的靶區覆蓋率和均勻性，但顯著增加了治療時間。因此對于胸段食管癌來說，推薦選擇單弧計劃即可。

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Dosimetric Comparison of Single-Arc and Double-Arc VMAT Plan for

Treatment of Thoracic Esophageal Cancer
WANG Ruihaoa, ZHANG Shuxua, TIAN Yunhongb, SHEN Guohuia, LI Wanzhena, Liao Boyua, WANG Linjinga, LI Huijunaa.Center of Radiotherapy; b.First Ward, Department of Radiotherapy, Affiliated Cancer Hospital and Institute of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

Objective To explore the dosimetric characteristics of single arc and double arc volumetic modulation arc therapy (VMAT)for thoracic esophageal cancer. Methods Eleven thoracic esophageal cancer patients confirmed by pathology were reviewed and analyzed in the Monaco 5.11 treatment planning system (TPS). In this study, single arc VMAT (VMAT1) and double arc VMAT(VMAT2) plans were generated for each patient. The dose distribution to target and organs at risk (OAR), monitor units (MU)and delivery time were all recorded as dosimetric indices for plan comparison. Results The targets could meet the requirements of clinical prescription in two kinds of VMAT plans. The VMAT2 plan was superior to VMAT1 plan concerning target coverage and dose heterogeneity, and the difference had statistical significance (P＜0.05). Compared with VMAT1 plan, the whole lung dose difference of V20in VMAT2 plan had statistical significance (P＜0.05), while the volume V5, V10,V30of whole lung, V30,V40of heart and the Dmaxto spinal cord had no statistical significance (P＜0.05). In terms of execution efficiency, the number of MUs in VMAT1 plan was significantly reduced and the delivery time was significantly shortened (P＜0.05), comparing with VMAT2 plan. Conclusion Although the single-arc VMAT plan is worse than double-arc VMAT plan in terms of target coverage and dose heterogeneity, the treatment delivery time is significantly reduced and the implementation efficiency is highest. Therefore, it is recommended to choose single-arc VMAT plan for thoracic esophageal cancer.

esophageal cancer; volumetric modulated arc therapy; number of arc radiation; dosimetry.

R735.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.009

1674-1633(2017)12-0040-04

2017-08-09

國家自然青年科學基金項目（81502342）；廣東省科技計劃項目（2016A02021517）；廣州市衛生局醫藥衛生科技一般引導項目（20161A011083；20161A011084；20161A011085）。

張書旭，教授，博士生導師，主要研究方向為腫瘤放射物理學與醫學圖像處理。

通訊作者郵箱：gthzsx@163.com

本文編輯 袁雋玲