PINNACLE系統優化參數對宮頸癌術后VMAT計劃質量和照射精度的影響

李娜，尹策，馮革，賈明軒中國醫科大學附屬盛京醫院放療計劃設計室，沈陽110022

容積旋轉調強放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術是一種弧形調強放射治療技術，機架旋轉的同時多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC）同步運動，劑量率和機架運動速度也隨之不斷變化[1-2]。VMAT技術不僅能夠達到腫瘤靶區劑量的高適形度，保護周邊正常組織，而且還可以減少機器跳數（monitor units，MU）、縮短治療所需時間。目前，多種放射治療計劃系統支持VMAT計劃設計，國內外文獻均對優化參數如子野數量、最小MU、劑量率、照射弧數量等對VMAT計劃質量以及照射精度的影響進行了探討[3-5]。PINNACLE計劃系統采用Smart Arc算法優化VMAT計劃，其中參數MLC motion speed（單位為cm/deg）與MLC的運動速度和機架旋轉速度有關。目前，較少文獻報道關于參數MLC motion speed對VMAT照射精度的影響。因此，本研究針對計劃優化參數MLC motion speed對VMAT計劃質量和照射精度的影響進行探討，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年6月至2017年12月于中國醫科大學附屬盛京醫院接受宮頸癌術后輔助放療的患者。納入標準：①國際婦產科聯盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）分期[6]為Ⅱa～Ⅲa期；②無放療禁忌證。排除標準：合并其他系統惡性腫瘤者。根據納入和排除標準，本研究共納入60例宮頸癌患者，年齡為31～64歲，中位年齡為49歲；FIGO分期：Ⅱa期31例，Ⅱb期22例，Ⅲa期7例。

1.2 計算機斷層掃描模擬定位

患者取仰臥位，雙腿并攏，雙手上舉至頭頂，交叉互抱對側手肘。使用盆腔固定板、低溫熱塑膜固定，模擬計算機斷層掃描（computed tomography，CT），掃描范圍自第一腰椎上緣至坐骨結節下5 cm，掃描層厚5 mm，將CT圖像傳輸至治療計劃系統（treatment planning system，TPS）（PINNACLE，version 9.10，荷蘭飛利浦公司），由放療醫師勾畫腫瘤靶區和危及器官。

1.3 靶區和危及器官勾畫

根據Small等[7]總結的宮頸癌術后放療靶區勾畫方式以及Tyalor等[8]建議的淋巴結勾畫方式，宮頸癌術后盆腔臨床靶體積（clinical target volume，CTV）包括陰道上段1/2及殘端、陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區域（包括髂總、髂外、髂內、閉孔及骶前淋巴結區），范圍：上界達第4～5腰椎間，下界達閉孔下緣水平。CTV上下、左右、前方向各外擴8 mm，后方向外擴5 mm生成計劃靶體積（planning target volume，PTV）。危及器官（organ at risk，OAR）包括脊髓、直腸、結腸、小腸、膀胱、左右股骨頭。

1.4 治療計劃設計

在PINNACLE計劃系統上行治療計劃設計，采用Smart Arc算法，雙弧照射，旋轉角度分別為181°順時針至180°（CW），180°逆時針至181°（CCW），準直器旋轉5°，計算網格0.3 cm。其中優化參數MLC motion speed定義為機架旋轉1°過程中任何給定葉片可移動的距離，最大值為0.46 cm/deg；將優化參數MLC motion speed設置為0.30 cm/deg（作為 0.30 cm/deg 組）、0.46 cm/deg（作為 0.46 cm/deg組）及默認值（不勾選，作為默認值組），每例患者均行上述3組治療計劃。處方總劑量為45 Gy，單次劑量1.8 Gy，共照射25次，靶區劑量要求95%PTV受照劑量不低于處方劑量，最高劑量不高于處方劑量的107%。脊髓限制劑量為Dmax＜40 Gy，直腸、結腸限制劑量為V35＜40%，小腸限制劑量為V35＜25%，膀胱限制劑量為V35＜50%，股骨頭限制劑量為V40＜5%。

1.5 治療計劃評估

評估3組計劃的PTV靶區適形度指數（coverage index，CI）和均勻度指數（homogeneity index，HI），其中CI=（PTVref/VPTV）×（PTVref/Vref），式中PTVref為參考等劑量面（本文取95%）所包裹的PTV靶區體積，VPTV為PTV靶區總體積，Vref為參考等劑量面所包裹的總體積。CI的范圍為0～1，其值越大，則適形度越好。HI=（D2%～D98%）/D50%，式中D2%、D50%、D98%分別代表2%、50%、98%靶區體積接受照射的劑量，HI越接近0，均勻度越好。

1.6 治療計劃驗證

將60例宮頸癌患者共180個治療計劃的CT圖像、勾畫的靶區和器官、治療計劃參數、劑量分布從TPS導入COMPASS系統，計劃傳至直線加速器上執行。COMPASS系統是一種三維劑量驗證系統，由一個帶有角度探測器的二維電離室矩陣和一套基于患者CT圖像進行患者體內劑量分布重建計算的軟件系統組成。該系統將患者的CT圖像、勾畫的靶區和器官、治療計劃參數、劑量分布從TPS導入，既可以由內嵌的模型根據導入的治療計劃參數得到預測通量，在各個機架角度實際測量相應的子野通量并與預測通量比較，修正重建后獲得患者CT圖像上三維的劑量分布；又可以進行獨立計算作為第3方驗證系統。COMPASS系統根據在加速器上實際測量的數據，重建每個治療計劃的劑量分布，重建網格與計算網格一致為0.3 cm，并與TPS優化的劑量分布作γ（3%，3 mm）分析，獲得腫瘤靶區和危及器官的劑量體積參數偏差值和γ通過率，γ值小于1表示被驗證的點通過。

1.7 統計學方法

采用SPSS 20.0統計軟件對數據進行分析。非正態分布的計量資料以中位數（M）和四分位數間距（QR）表示，采用Kruskal-Wallis檢驗，進一步兩兩比較，采用Mann-Whitney檢驗；正態分布的計量資料以均數±標準差（±s）表示，采用單因素方差分析法，進一步兩兩比較采用獨立樣本t檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 劑量學參數的比較

3組計劃的PTV靶區D2%、Dmean、HI比較，差異均有統計學意義（χ2=22.30、9.83、13.21，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的D2%、Dmean、HI均大于 0.46 cm/deg組和默認值組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。3組計劃的PTV靶區D98%、CI及其余危及器官（脊髓、直腸、結腸、小腸、膀胱、左股骨頭、右股骨頭）的劑量學參數比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。（表1）

表1 參數MLC motion speed 采用 3組設置值優化的治療計劃的劑量學參數比較

2.2 TPS優化與COMPASS測量重建之間差值的比較

3組計劃的PTV靶區ΔDmean比較，差異有統計學意義（χ2=18.35，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的PTV靶區ΔDmean明顯小于0.46 cm/deg組和默認值組，差異均有統計學意義（P＜0.01）。3組計劃的PTV靶區ΔD95%和其余危及器官（脊髓、直腸、結腸、小腸、膀胱、左股骨頭、右股骨頭）的劑量體積參數差值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。（表2）

表2 參數MLC motion speed 采用 3組設置值優化的治療計劃TPS與COMPSS測量重建之間差值的比較[%，M（QR）]

2.3 γ通過率的比較

3組計劃的PTV靶區γ通過率比較，差異有統計學意義（F=4.05，P＜0.01）；默認值組的PTV靶區γ通過率低于0.30 cm/deg組與0.46 cm/deg組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。3組計劃的結腸γ通過率比較，差異有統計學意義（F=3.49，P=0.01）；0.30 cm/deg組的結腸γ通過率高于0.46 cm/deg組與默認值組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。3組計劃的其余危及器官（脊髓、直腸、結腸、小腸、膀胱、左股骨頭、右股骨頭）的γ通過率比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。（表3）

表3 參數MLC motion speed 采用 3組設置值優化的治療計劃的 γ通過率比較（%，± s）

表3 參數MLC motion speed 采用 3組設置值優化的治療計劃的 γ通過率比較（%，± s）

注：a與默認值組比較，P＜0.05；b與0.3 cm/deg組比較，P＜0.05

感興趣區域PTV脊髓直腸大腸小腸膀胱左股骨頭右股骨頭0.30 cm/deg組94.78±2.44a 100.00±0.00 99.56±0.29 99.42±0.34a 98.90±0.53 99.61±0.28 99.27±0.48 97.58±2.87 0.46 cm/deg組91.80±3.24a 100.00±0.00 99.53±0.32 98.54±1.13b 98.81±0.53 99.03±0.66 98.99±0.70 98.29±0.98默認值組89.29±2.29 99.96±0.10 99.31±0.51 98.83±0.76 98.31±0.94 99.71±0.36 99.07±1.57 97.54±1.79

2.4 MU和治療時間的比較

3組計劃的治療時間比較，差異有統計學意義（χ2=16.51，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的治療時間短于0.46 cm/deg組與默認值組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。3組計劃的MU比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。（表4）

表4 參數MLC motion speed 采用 3組設置值優化的治療計劃的MU和治療時間的比較[M（QR）]

2.5 實際執行時機架旋轉速度和MLC運動速度

3組計劃的實際機架旋轉速度比較，差異有統計學意義（F=3.37，P＜0.05）；0.30 cm/deg組的機架旋轉速度快于0.46 cm/deg組與默認值組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。3組計劃的MLC運動速度比較，差異有統計學意義（F=47.12，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的MLC運動速度慢于0.46 cm/deg組與默認值組，0.46 cm/deg組的MLC運動速度慢于默認值組，差異均有統計學意義（P＜0.05）。（表5）

表5 參數MLC motion speed采用 3組設置值優化的治療計劃的實際機架旋轉速度和MLC運動速度的比較（± s）

表5 參數MLC motion speed采用 3組設置值優化的治療計劃的實際機架旋轉速度和MLC運動速度的比較（± s）

注：a與0.30 cm/deg組比較，P＜0.05；b與0.46 cm/deg組比較，P＜0.05

比較參數機架旋轉速度（deg/s）MLC運動速度（cm/s）0.30 cm/deg組3.12±0.25 0.93±0.08 0.46 cm/deg組3.03±0.10a 1.39±0.08a默認值組2.96±0.06a 1.52±0.14a b

3 討論

本研究探討了PINNACLE系統優化VMAT計劃時參數MLC motion speed設置不同數值對計劃質量和照射精度的影響。本研究治療用加速器（Synergy，瑞典，Elekta）的物理參數MLC運動速度最大值為1.9 cm/s，機架旋轉速度最大值為5.5 deg/s，優化參數MLC motion speed最大值為0.46 cm/deg。MLC motion speed參數值對計劃優化的影響結果顯示，3組計劃的PTV靶區最小劑量D98%、CI指數及危及器官的劑量學參數比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；0.30 cm/deg組的PTV靶區D2%、Dmean均高于0.46 cm/deg組和默認值組（P＜0.05），而對PTV靶區HI的統計結果也顯示，0.30 cm/deg組的HI高于0.46 cm/deg組和默認值組（P＜0.05）。表明0.30 cm/deg組PTV靶區的均勻性較0.30 cm/deg組和默認值組略差；但0.30 cm/deg組的HI統計數值小于0.11，仍然能夠滿足臨床治療要求。在實際執行所需時間上，0.30 cm/deg組的治療時間最短，默認值組的治療時間最長，通過讀取系統log文件，得到0.30 cm/deg組的機架旋轉速度快于0.46 cm/deg組與默認值組。

本研究采用COMPASS系統對VMAT計劃進行治療前驗證，已有國內外文獻表明COMPSS系統可以應用于臨床治療前計劃驗證[9-10]。COMPASS通過比較TPS優化計劃與測量重建計劃，獲得PTV靶區和危及器官的劑量體積參數偏差值，偏差值越大，代表實際照射與優化計算值之間的偏差越大。本研究結果顯示，3組計劃的PTV靶區ΔDmean比較，差異有統計學意義（P＜0.01），0.46 cm/deg組和默認值組的PTV靶區ΔDmean值均明顯高于0.3 cm/deg組（P＜0.01），表明0.46 cm/deg組和默認值組計劃在實際照射中PTV靶區接受的Dmean與TPS優化的Dmean之間的差值增大；3組計劃的其余危及器官的劑量體積參數差值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），表明MLC motion speed設置值改變沒有使其余劑量體積參數值在實際照射中發生顯著變化。

COMPASS通過比較TPS優化計劃與測量重建計劃，同時得到PTV靶區與各危及器官的γ通過率，γ通過率越高，表明實際照射與優化計算之間的劑量分布差異越小。本研究對3組計劃的γ通過率進行比較，結果顯示3組計劃的PTV靶區和部分危及器官（結腸）γ通過率比較，差異均有統計學意義（P＜0.05）；而默認值組的PTV靶區γ通過率低于0.3 cm/deg組和0.46 cm/deg組（P＜0.05），默認值組的PTV靶區γ通過率均值為89.29%，其余兩組均在91%以上；對結腸γ通過率的分析結果顯示，0.3 cm/deg組的結腸γ通過率高于0.46 cm/deg組和默認值組（P＜0.05），表明參數MLC motion speed設置不同值時，PTV靶區與危及器官的γ通過率也隨之發生改變，即對VMAT照射精度產生影響。隨著參數值的變化，例如該參數值設置為默認值的默認值組，VMAT照射精度下降，實際照射與優化計算之間的劑量分布差異增大，從而使γ通過率降低。

本研究中PTV靶區和危及器官的劑量體積參數偏差值數據顯示，除了股骨頭的ΔDmean大于3%，其余均在3%以內，臨床上可以接受，股骨頭由于體積小，而且照射過程中有部分時間位于照射野邊緣，有效測量點數相對較少，導致其測量值與TPS計算值產生較大偏差。本研究結果還顯示，危及器官γ通過率的變化沒有PTV靶區γ通過率的變化顯著，原因可能為PTV靶區始終處于照射野范圍內，而危及器官不同，可能有大部分體積位于照射野外，導致危及器官整體劑量分布的變化不如PTV靶區變化的明顯。

進一步分析MLC motion speed參數值影響照射精度的原因，通過讀取系統log文件發現，默認值組的MLC運動速度最快。相關研究表明，隨著MLC運動速度增加，VMAT照射精度下降[11-12]。劑量率、機架旋轉速度雖然也對VMAT照射精度產生影響，但有研究認為MLC運動速度是影響照射精度的關鍵因素，而且他的影響作用比劑量率和機架旋轉速度大[12-14]。本研究中，當TPS優化參數MLC motion speed設置不同值時，使3組治療計劃的MLC運動速度發生改變，從而影響VMAT照射精度，與上述研究結果相一致。

本文選取了0.30 cm/deg、0.46 cm/deg、默認值（不勾選）3個參數值優化的計劃相比較，因為當選值小于0.20 cm/deg時，優化結果沒有達到臨床目標，所以不列入本研究。結果表明，宮頸癌術后VMAT計劃MLC motion speed參數設置不同值會影響VMAT照射精度，特別是當使用系統默認值優化VMAT計劃時，照射精度在3組計劃中最差。

綜上所述，PINNACLE計劃系統優化參數MLC motion speed設置值的改變會影響VMAT照射精度，劑量師應避免使用系統默認值，而是選擇0.30～0.46 cm/deg值優化計劃，盡量降低對VMAT照射精度的影響，從而保證VMAT照射能夠安全、有效、精確的實施。