基于Halcyon不同旋轉弧數(shù)量的VMAT計劃劑量學比較

北京協(xié)和醫(yī)院 放療科，北京 100730

引言

容積弧形調強放射治療（Volumetric Intensity-modulated Arc Therapy，VMAT）技術[1-2]的出現(xiàn)使放射治療的實施變得高效化。VMAT技術是在機架連續(xù)旋轉，動態(tài)多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）連續(xù)運動以及劑量率的調節(jié)變化下，形成可變束流來實現(xiàn)調強放射治療的一種方式，經(jīng)臨床實踐證明VMAT技術在宮頸癌術后放射治療中有著重要的地位。

目前常用的放射治療技術包括三維適形（3 Dimensional Conformal Radiation Therapy, 3D-CRT），傳統(tǒng)的調強放療（Intensity-modulated Radiation Therapy，IMRT）和 VMAT技術。許多學者針對這三種技術在臨床中的應用進行了對比研究[3-11]。龍雨松等[12]基于Trilogy加速器和RayStation放療計劃系統(tǒng)開展了不同弧數(shù)目對宮頸癌治療計劃的劑量學差異研究，分別對單弧，雙弧和三弧的靶區(qū)、危及器官及正常組織的劑量學數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并把計劃優(yōu)化時間、MU數(shù)和治療時間的差異進行對比。研究表明，隨著弧數(shù)量的增加，靶區(qū)的適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）和均勻性指數(shù)（Homogeneity index，HI）都更優(yōu)，在危機器官保護方面優(yōu)勢更加明顯。在采用相同的優(yōu)化參數(shù)時，多弧的優(yōu)化時間更短，以雙弧為例，單弧治療時間可節(jié)省18.6%，三弧增加了6.7%的治療時間。

Halcyon加速器[13]采用雙層MLC葉片，具有較小劑量漏射的特點，每次治療都必須進行圖像引導擺位，提高照射的準確性。目前已有研究更多是針對VMAT技術與傳統(tǒng)的IMRT技術的劑量學對比[14-17]，對VMAT技術影響因素的研究較少。因此本研究的目的是基于Halcyon加速器，比較不同旋轉弧數(shù)量對宮頸癌術后患者放療計劃設計的劑量學差異，根據(jù)其劑量學差異，對VMAT技術在臨床中應用有一定的參考指導作用。

1 材料和方法

1.1 材料

隨機選取我科20例宮頸癌術后患者，均采用仰臥位，熱塑體膜進行固定。定位前口服造影劑，膀胱憋尿充盈，直腸排空，靜脈增強造影。采用我科Philips Brilliance 16排大孔徑CT進行CT掃描，層厚0.5 cm，掃描圖像傳輸至Varian Eclipse 15.6計劃系統(tǒng)（ECLIPSE，Varian Medical Systems，USA），并完成靶區(qū)及器官勾畫如圖1所示。Halcyon加速器：光子能量為6MV FFF模式，采用雙層MLC動態(tài)葉片，葉片最大速度為5 cm/s，無鉛門配置，最大劑量率為800 MU/min，機架旋轉速度最大為4 RPM。

圖1 靶區(qū)及危及器官勾畫投影圖

1.2 處方劑量和計劃設計

PTV（Planning Target Volume）處方劑量（Prescription Dose，PD）給出95%的PTV體積接受劑量≥45 Gy（28次×1.8 Gy），常規(guī)分割。基于Eclipse計劃系統(tǒng)平臺，完成靶區(qū)和危及器官的勾畫并添加治療床支持結構，選定盆腔對應電子密度曲線。治療中心為勾畫靶區(qū)的幾何中心，添加MVCBCT，準直器角度為±45°。采用VMAT技術，分別設置2，3，4個360°旋轉照射野，劑量計算選擇各向異性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA），計算矩陣為2.5 mm。計劃優(yōu)化選擇光子優(yōu)化算法（Photon Optimizer，PO），采用相同的目標函數(shù)限值進行優(yōu)化，優(yōu)化靶區(qū)為PTV，危及器官包括膀胱、小腸、直腸和脊髓。

1.3 計劃評估

治療計劃的劑量學分為靶區(qū)和危及器官兩部分，分別統(tǒng)計三類計劃劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram，DVH）。靶區(qū)部分評估包括98%的PTV所接受的最小照射劑量（D98%），PTV內不小于107%的處方劑量的體積（V107%），PTV內不小于110%的處方劑量的體積（V110%），PTV內的平均劑量（Dmean），PTV內的最大劑量（Dmax），PTV的CI和HI；危及器官部分包括膀胱、直腸、小腸和脊髓的絕對（D0.1cc）和相對體積受量（D5等）。根據(jù)ICRU No.83報告，CI和 HI定義為公式 (1)～(2)[17-18]。

其中，Vptv,ref為PTV接受大于等于處方劑量的體積，Vptv為PTV的體積，Vref為PD劑量線所覆蓋的體積，D2為2%的PTV體積所接受的最小照射劑量。

1.4 統(tǒng)計學處理

為使評估數(shù)據(jù)更具可比性，所有治療計劃均作歸一化處理使處方劑量覆蓋95%的PTV。采用SPSS 22.0軟件對三類計劃的劑量學數(shù)據(jù)進行兩兩配對t檢驗，P＜0.05說明差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 PTV劑量統(tǒng)計結果

基于Halcyon加速器治療平臺的2Arc、3Arc和4Arc計劃均滿足處方劑量覆蓋95%的靶區(qū)體積，各組靶區(qū)劑量學參數(shù)結果如表1所示。三組中V107%體積隨著Arc數(shù)量的增加而減小；三組計劃靶區(qū)內最大劑量和平均劑量比較為：2Arc＞3Arc＞4Arc。在靶區(qū)均勻度和適形度方面，適形度指數(shù)CI越接近1，說明處方劑量對靶區(qū)體積的覆蓋程度越準確，正常組織受量更低；靶區(qū)均勻度指數(shù)HI越低，說明靶區(qū)內劑量梯度越小，分布越均勻。三組結果中4Arc組的適形度指數(shù)最高，適形度最好；4Arc組的HI指數(shù)最低，靶區(qū)均勻度最好，三組結果比較均具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

表1 2Arc、3Arc和4Arc組計劃的PTV數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2 危及器官劑量統(tǒng)計結果

表2為三組VMAT計劃危及器官劑量分布和統(tǒng)計結果，分別對每個危及器官進行劑量參數(shù)對比。

表2 2Arc、3Arc和4Arc組計劃的危及器官劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2.1 膀胱

Dmax，2Arc組和4Arc組、3Arc組和4Arc組的統(tǒng)計結果無統(tǒng)計學差異（P＞0.05），2Arc組和3Arc組有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。D20，D30，D40，D50，D60，Dmean， 三組統(tǒng)計結果均具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。從表2中膀胱部分可以得到，3Arc組和4Arc組的體積受量相對2Arc組均有明顯降低，最大相差約為3 Gy，4Arc組劑量結果比3Arc組低，但相差不大。

2.2.2 直腸

Dmax，2Arc組和4Arc組、3Arc組和4Arc組的統(tǒng)計結果無統(tǒng)計學差異（P＞0.05），2Arc組和3Arc組有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。對于 D20，D30，D40，D50，D60，Dmean，三組統(tǒng)計結果均具有統(tǒng)計學差異。從表2中直腸部分可以得到，4Arc組＜3Arc組＜2Arc組，依次相差1 Gy左右，最大相差約為3.5 Gy。

2.2.3 小腸

Dmax，2Arc組和3Arc組、3Arc組和4Arc組的統(tǒng)計結果無統(tǒng)計學差異（P＞0.05），2Arc組和3Arc組有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。對于 D40，D50，D60，3Arc組和 4Arc組均沒有統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。從表2中小腸部分可以得到，D10，D20，D30，Dmean，三組統(tǒng)計結果均具有統(tǒng)計學差異，且4Arc組＜3Arc組＜2Arc組，4Arc組比2Arc組劑量統(tǒng)計最大降低1.3Gy。

2.2.4 骨髓

D80，D90，三組的統(tǒng)計結果均無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）；D70，2Arc組和4Arc組、3Arc組和4Arc組無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。對于 D40，D50，D60，Dmean，Dmax，三組均有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。從表2中骨髓劑量學參數(shù)統(tǒng)計比較可知，4Arc組＜3Arc組＜2Arc組，4Arc組和3Arc組相差不大，4Arc組比2Arc組劑量約降低0.8 Gy。

2.2.5 脊髓

脊髓評估D0.1cc，2Arc組和3Arc組、2Arc組和4Arc組具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。由表2中脊髓劑量學參數(shù)統(tǒng)計可知，4Arc組＜3Arc組＜2Arc組，4Arc組和3Arc組相差不大，4Arc組比2Arc組劑量約降低1.4 Gy。

2.2.6 股骨頭

左、右股骨頭臨床評價D5，2Arc組和3Arc組、2Arc組和4Arc組具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05），左側股骨頭4Arc組和3Arc組無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。由表2中股骨頭劑量學參數(shù)統(tǒng)計可知，4Arc組＜3Arc組＜2Arc組，4Arc組比2Arc組劑量約降低1.1 Gy（左側）和1.3 Gy（右側）。

2.3 MU數(shù)統(tǒng)計結果

三組VMAT計劃MU數(shù)統(tǒng)計結果分別為715.18±63.43（2Arc），785.74±31.61（3Arc），785.57±30.98（4Arc）。表3為三組VMAT計劃MU數(shù)結果分析，3Arc組和4Arc組的MU數(shù)相差不大，與2Arc組相比，差異具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）。

表3 2Arc、3Arc和4Arc組計劃的MU數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 討論

Halcyon加速器獨特的硬件配置，包括雙層MLC葉片和5 cm/s的葉片運動速度減少了葉片間的漏射，封閉的環(huán)形機架配合較高的旋轉速度，使得VMAT計劃的執(zhí)行變得更加高效。經(jīng)臨床測試，Halcyon的VMAT計劃平均執(zhí)行時間約為2Arc/min，大大縮短了臨床的治療時間。基于Halcyon加速器和Eclipse計劃系統(tǒng)，對2Arc，3Arc和4Arc進行劑量學比較，分析發(fā)現(xiàn)4Arc組在靶區(qū)適形度和均勻度方面均表現(xiàn)最好，且4Arc組的靶區(qū)內最大劑量和平均劑量均低于另外兩組。由危及器官劑量學參數(shù)統(tǒng)計得到，3Arc組和4Arc組的危及器官受量明顯低于2Arc組，而3Arc組和4Arc組相比，4Arc組的各器官體積受量低于3Arc組的器官受量，但相差不大，因此對于危及器官而言，3Arc組和4Arc組的劑量學差異相當。統(tǒng)計3組MU數(shù)發(fā)現(xiàn)，3Arc組和4Arc組的MU數(shù)差異較小，無統(tǒng)計學意義。龍雨松等[12]基于Trilogy加速器和RayStation放療計劃系統(tǒng)對單弧，雙弧和三弧的VMAT計劃進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在采用相同的優(yōu)化參數(shù)時，多弧的優(yōu)化時間更短，但治療時間更長，均值4 min左右。參考其他文獻可知，相比于IMRT固定野調強技術，VMAT技術綜合動態(tài)多葉準直器調整、可變射線劑量率和可變機架轉速，來實現(xiàn)高質量的劑量分布，同時對于機器的執(zhí)行效率也有所提高[19]。參考大多已有研究發(fā)現(xiàn)，對于VMAT技術，主要對雙弧和7野固定野調強進行劑量學比較，結果發(fā)現(xiàn)VMAT技術可以實現(xiàn)相當甚至更好的靶區(qū)和危及器官受量，射線利用率高，可以大大降低治療時間和機器跳數(shù)。昌志剛等[20]研究了全弧和半弧對于宮頸癌術后放療的劑量學比較，研究發(fā)現(xiàn)全弧照射，靶區(qū)可以獲得更好的均勻性。Yeginer等[21]研究發(fā)現(xiàn)與1Arc和2Arc相比，3Arc可以得到較低的危及器官受量，并且相對于IMRT固定野調強計劃，大大降低MU數(shù)。

綜上所述，宮頸癌術后采用Halcyon加速器進行治療，相比于2Arc和3Arc，4Arc的VMAT計劃的靶區(qū)及危及器官的投照劑量更優(yōu)。2Arc、3Arc和4Arc的治療時間比約為2:3:4，4Arc的VMAT計劃治療時間大約為2 min，與Trilogy加速器的單弧計劃執(zhí)行時間相近；MU數(shù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)弧目數(shù)量沒有統(tǒng)計學差異，因此針對Halcyon加速器，對宮頸癌術后患者推薦使用4Arc的VMAT計劃進行計劃設計，滿足臨床高效的同時，提高計劃設計的質量。