基于MONACO計劃系統有無均整器模式對直腸癌術后SIB-VMAT計劃影響的研究

葛雙，郗會珍，陳長建，李慧，王尋，馬俊，程錦繡，魏敏，朱培軍，程淑媛，楊君東，葉書成,

濟寧醫學院附屬醫院 a. 腫瘤放療科；b. 腫瘤科；c. 醫學影像中心，山東 濟寧 272001

引言

直腸癌患者術后局部復發是影響預后的關鍵因素，行術后輔助放療可顯著降低局部復發率，提高患者治愈率[1]。均整器是常規醫用直線加速器的重要組成部件之一[2]，均整（Flattening Filter，FF）模式即引入該部件，以實現在組織一定深度處治療野內相對均勻的劑量分布；而非均整（Flattening Filter Free，FFF）模式即移除均整器，加速器產生的X線經初級準直器直接到達次級準直器（Multileaf Collimator，MLC）來照射患者部位。目前，FFF模式的應用主要集中于立體定向放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）技術[3-5]，相關研究表明，與傳統FF模式相比，FFF模式的輻射束雖存在射線質偏軟，輻射野內平坦度差的缺點，但具有葉片漏射及機頭散射少、高劑量率、治療時間短和靶區外圍劑量跌落快的特點，有利于降低正常組織所受劑量和二次癌癥的發生概率，提高治療效率[6-7]。容積旋轉調強放射治療（Volumetric-Modulated Arc Therapy，VMAT）技術可實現MLC葉片、機架旋轉速度以及劑量率的實時調節，在提高靶區適形度，降低危及器官（Organs at Risk，OAR）受照劑量的同時，減少計劃執行時間，有效提高治療效率[8]。

本研究選取16例直腸癌術后行瘤床同期加量容積旋轉調強放射治療（Simultaneous Integrated Boost of Volumetric-Modulated Arc Therapy，SIB-VMAT）的患者，采用Monaco 5.11計劃系統分別制作FF和FFF兩種模式的單弧VMAT計劃，通過比較兩者劑量學差異，為直腸癌常規放射治療開展FFF模式提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

隨機選取我院放療中心自2019年5月到2020年12月期間接受瘤床SIB-VMAT的16例直腸癌術后患者，經病理確診腺癌11例、鱗癌1例，其中術后分期ⅠC 1例、ⅡA 1例、ⅢA 6例、ⅢB 7例和ⅢC 1例，女性7例，男性9例，年齡41～85歲，中位年齡62.5歲。

1.2 CT模擬定位

患者定位1 h前需排空膀胱和直腸，分1～2次飲入溫水800～1000 mL，充盈膀胱，仰臥位+盆腔熱塑體膜固定。定位開始前，肛門處放置鉛點標記；定位采用Philips Brilliance大孔徑CT模擬定位機行靜脈注射造影劑強化掃描，以便盆腔原發病灶大體腫瘤體積（Gross Tumor Volume，GTV）勾畫，掃描范圍自第1～2腰椎，至坐骨結節下10～15 cm處，掃描層厚5 mm，采集的CT圖像傳輸到Monaco 5.11計劃系統。

1.3 靶區、OAR勾畫及計劃設計

為避免人為因素引入的不確定性，每位患者的靶區均由同1名高年資腫瘤放療醫師勾畫，并將原發病灶GTV和臨床靶區臨床靶體積（Clinical Target Volume，CTV）分別在左右、腹部方向外擴0.7～1 cm，頭腳方向外擴1 cm得到計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）（體積為881.8～1417.2 cm3,平均體積1152.5 cm3）和原發病灶靶區PGTV（體積：167.3～624.7cm3，平均體積389.4 cm3）。OAR勾畫包括膀胱、雙側（左/右）股骨頭和腸道。采用擁有80對AgilityTM多葉光柵的VersaHD加速器模型基于Monaco 5.11計劃系統的蒙特卡洛算法對16例直腸癌患者分別選用6 MV FF和 FFF兩檔光子能量，制定單個射野旋轉角度為 360°全弧照射的SIB-VMAT計劃，最大劑量率分別設置為600 MU/min和1400 MU/min，準直器角度15°來減少MLC邊緣凹凸槽效應[9]。靶區處方劑量為PGTV 50 Gy和PTV 45 Gy，分25次照射，兩組計劃的劑量優化和計算條件相同。靶區要求滿足PTV95%體積接受100%處方劑量；OAR的劑量限值要求：膀胱V40<50%；股骨頭V20<30%，D2%<50 Gy ；腸道 V30<190 cm3，V40<150 cm3，Dmax<52 Gy。

1.4 劑量學評價

每一個計劃的劑量體積參數均通過劑量體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）進行評價。靶區評價指標包括均勻性指數（Homogeneity Index，HI）和適形性指數（Conformity Index，CI），PTV 和 PGTV 的 Dmin、Dmax、Dmean、D98%、D2%和D50%，OAR膀胱、左右側股骨頭和腸道的相關劑量-體積參數（V20、V30和V40等），以及機器跳數（Monitor Unit，MU）和控制點數（Control Point，CP）。CI和 HI的 計 算 公 式 為 ：CI=(VT,ref)2/(VT×Vref) 和HI=(D2%-D98%)/D50%，其中T為靶體積，VT,ref為處方劑量線重疊的靶體積，Vref為處方劑量線覆蓋的體積，D2%、D50%與D98%分別為包括靶區2%、50%及98%體積最大照射劑量，CI值越接近1靶區劑量適形度越好；HI值越小靶區內劑量分布越均勻。

1.5 計劃劑量驗證和執行時間

劑量驗證采用MatriXX探測器（瑞典IBA公司）進行二維劑量測量，測量前需對MatriXX進行校準。首先將治療計劃的二維通量數據文件導出并加載到MyQA系統，然后同治療計劃在MOSAIQ系統QA模式下實施照射采集的數據作二維平面γ通過率分析，分析標準設置為3%/3 mm、2%/2 mm和1%/1 mm。實施照射時，記錄下MOSAIQ系統顯示的計劃出束時間。

1.6 統計學分析

各參數結果的分析均采用SPSS 20.0軟件首先進行正態性檢驗，如若配對樣本的差值服從正態分布則分別進行配對 t檢驗，反之則進行Wilcoxon 符號秩和檢驗。經檢驗，所有配對樣本差值均服從正態分布，行配對樣本t檢驗。差異具有統計學意義須滿足95%的置信區間P<0.05，結果以x-±s表示，平均值偏差為ε（%）。

2 結果

2.1 靶區PTV與PGTV劑量學參數

兩種模式下患者VMAT計劃的劑量分布與DVH結果如圖1～2所示。為便于比較，需對每個計劃行相同劑量標準條件歸一處理，即保證PTV95%體積接受100%處方劑量。在PGTV方面，FFF模式的D2%較FF模式降低0.85%，差異有統計學意義（P<0.05），其他劑量參數的均值有一定差異，但是無統計學意義（P>0.05）。在PTV方面，FFF模式的Dmean、D50%較FF分別降低0.69%和0.88%，差異有統計學意義（P<0.05），而D98%較FF提高了0.63%，CI和HI也明顯好于FF，差異有統計學意義（P<0.05），結果如表1和圖3所示。

表1 FF與FFF兩種模式靶區各項參數結果（±s）

表1 FF與FFF兩種模式靶區各項參數結果（±s）

注：Dmin：最小劑量；Dmax：最大劑量；Dmean：平均劑量；D2%、D98%和D50%：2%、98%和50%覆蓋體積最大劑量；V100/%：處方劑量覆蓋靶區的相對體積。

靶區 參數 6 MV_FF 6 MV_FFF t值 P值 ε/%PGTV Dmin 4667.5±261.3 4706.3±224.9 -1.546 0.143 0.82 Dmax 5529.8±102.6 5498.1±64.85 1.299 0.213 -0.58 Dmean 5229.1±77.52 5191.6±53.45 2.071 0.056 -0.72 D2% 5374.4±92.15 5329.0±56.92 2.159 0.047 -0.85 D98% 5040.6±51.12 5024.7±40.23 1.202 0.248 -0.33 D50% 5235.4±81.95 5196.2±56.23 2.090 0.054 -0.75 V100/% 98.64±1.265 98.59±0.9857 0.1475 0.885 -0.05 CI 0.6927±0.1953 0.7148±0.1983 -0.7181 0.484 3.09 HI 0.0636±0.0128 0.0585±0.008 2.087 0.054 -8.72 Dmin 3631.6±431.5 3714.6±452.4 -1.647 0.120 2.23 Dmax 5529.9±102.6 5498.1±64.81 1.300 0.213 -0.58 Dmean 4925.8±111.6 4892.2±106.7 2.261 0.039 -0.69 D2% 5336.5±92.49 5294.0±66.11 2.086 0.055 -0.80 D98% 4385.8±62.18 4413.7±41.26 -2.401 0.030 0.63 D50% 4935.8±186.6 4892.7±190.1 2.230 0.042 -0.88 CI 0.8117±0.0377 0.8254±0.0315 -2.609 0.020 1.66 HI 0.1921±0.0254 0.1795±0.0154 2.391 0.030 -7.02 PTV

圖1 直腸癌患者 FF（上）與FFF（下）模式下VMAT計劃劑量分布情況

圖2 直腸癌患者FF與FFF模式下靶區及OAR的DVH

圖3 16例直腸癌患者PTV的CI與HI在FF與FFF兩種模式下分布箱線圖

2.2 OAR和靶區間及外部劑量學參數

FFF模式下膀胱的Dmin、V20、V30及Dmean較FF明顯下降，降低2.11%～11.6%，差異有統計學意義（P<0.05）；腸道的Dmax和V45較FF降低了1.18%和12.5%，差異有統計學意義（P<0.05）；而在膀胱高劑量區、腸道低劑量區及雙側股骨頭方面，兩種模式差異無統計學意義（P>0.05）。FFF模式的PTV與PGTV之間區域P-G的Dmean較FF降低了1.07%，并且PTV與PGTV對應50%處方劑量覆蓋體積即V22.5/cm3和V25/cm3較FF分別降低了2.07%和1.42%，差異有統計學意義（P<0.05），可見FFF模式可獲得更好的靶區外部及不同劑量靶區間劑量梯度，更有利于保護靶區周圍重要組織和器官，結果如表2所示。

表2 FF與FFF兩種模式OAR和靶區間及外部各項參數結果（±s）

表2 FF與FFF兩種模式OAR和靶區間及外部各項參數結果（±s）

注：V20/%、V30/%和V40/%：20 Gy、30 Gy和40 Gy覆蓋OAR的相對體積；V20/cm3、V30/cm3、V40/cm3和V45/cm3：20 Gy、30 Gy、40 Gy和45 Gy覆蓋OAR的絕對體積；V25/cm3和V22.5/cm3：25 Gy和22.5 Gy劑量覆蓋區域的絕對體積。

OAR 參數 6 MV_FF 6 MV_FFF t值 P值 ε/%膀胱Dmin 1207.6±385.1 1082.2±376.4 7.397 <0.001 -11.6 Dmax 5354.0±161.2 5156.8±756.0 1.026 0.321 -3.82 Dmean 3335.2±164.9 3266.3±168.1 6.262 <0.001 -2.11 V20/% 84.15±10.94 80.37±10.74 5.659 <0.001 -4.70 V30/% 56.19±5.680 54.47±5.700 4.243 0.001 -3.16 V40/% 36.83±5.569 36.46±5.473 1.667 0.116 -1.02腸道Dmin 492.9±183.7 492.7±181.7 0.0193 0.985 -0.04 Dmax 4841.8±105.6 4785.4±75.80 2.569 0.021 -1.18 Dmean 2566.1±324.2 2569.6±309.3 -0.2693 0.791 0.14 V20/cm3 256.2±95.74 253.5±86.08 0.6401 0.532 -1.06 V30/cm3 120.2±52.36 122.3±51.06 -1.477 0.160 1.72 V40/cm3 49.58±27.23 50.53±28.08 -1.220 0.241 1.88 V45/cm3 20.04±16.04 17.81±14.76 3.021 0.008 -12.5右側股骨頭Dmeam 1299.7±100.6 1270.2±95.35 1.610 0.128 -2.32 V20/% 15.24±4.237 14.47±4.190 1.362 0.193 -5.32 D2% 2894.0±287.9 2910.7±237.9 -0.5872 0.566 0.57左側股骨頭V25/cm3 3564.9±470.8 3514.9±472.0 4.529 0.001 -1.42 V22.5/cm3 4265.9±577.9 4179.3±576.5 4.748 <0.001 -2.07 Dmeam 1391.6±81.90 1404.3±90.07 -1.619 0.126 0.90 V20/% 24.50±4.327 25.36±5.150 -1.477 0.160 3.39 D2% 3003.6±223.8 3091.7±199.8 -1.861 0.082 2.85 P-G Dmean 4807.3±67.72 4756.5±55.72 3.178 0.006 -1.07外部劑量

2.3 MU及CP

FFF模式的MU與CP較FF明顯增加了19.1%和9.46%，差異有統計學意義（P<0.05），結果如表3和圖4所示。平均子野跳數表示為計劃總MU與總CP的比值，反映計劃整體每個子野機器跳數的分布情況，結果如圖5所示，FFF模式的平均子野跳數（7.67±0.53）大于FF模式（6.89±0.68）。任意選取1例患者的VMAT計劃，從Monaco TPS中分別導出FF與FFF模式下各自CP與MU的數據列表，MU分布范圍在區間（2，20），將區間分為9組，作不同MU下對應子野數百分比的直方圖，見圖6，可以看出FF模式小于6MU的子野百分比（42.7%）遠大于FFF模式（29.6%）。

圖4 16例直腸癌患者的MU和CP在FF與FFF兩種模式的分布圖

圖5 16例直腸癌患者的平均子野跳數分布

圖6 不同MU下對應子野百分比分布情況

表3 FF與FFF兩種模式OAR和靶區間及外部各項參數結果（±s）

表3 FF與FFF兩種模式OAR和靶區間及外部各項參數結果（±s）

模式 MU CP 6 MV_FF 607.36±53.65 88.5±8.327 6 MV_FFF 751.16±71.90 97.75±5.119 t值 -16.07 -5.315 P值 <0.001 <0.001 ε/% 19.14 9.463

2.4 VMAT計劃驗證通過率及計劃出束時間

FF與FFF兩種模式計劃的驗證γ通過率結果在3%/3 mm標準下相近，均大于99%，差異無統計學意義（P>0.05）；在2%/2 mm和1%/1 mm標準下，FFF模式的γ通過率結果均明顯高于FF，差異有統計學意義（P<0.05）。兩種模式下VMAT計劃的出束時間相近，均在1.4 min左右完成，差異無統計學意義（P>0.05），結果如表4所示。

表4 FF與FFF兩種模式VMAT計劃驗證通過率及計劃出束時間（±s）

表4 FF與FFF兩種模式VMAT計劃驗證通過率及計劃出束時間（±s）

模式 γ通過率 出束時間/min 3%/3 mm 2%/2 mm 1%/1 mm 6 MV_FF 99.81±0.23 95.00±3.35 73.37±5.20 1.49±0.06 6 MV_FFF 99.93±0.13 99.46±0.64 84.11±5.85 1.48±0.10 t值 -2.01 -6.10 -14.6 0.565 P值 0.058 0.002 <0.001 0.580

3 討論與總結

直腸癌術后輔助放射治療是控制其局部復發、提高患者治愈率的重要手段，然而放射治療造成的輻射損傷和局部晚期反應也嚴重影響著患者的生活質量，因此計劃設計時，在滿足靶區劑量臨床要求的同時，盡可能地降低周圍正常組織器官的受照劑量和受照體積，避免放射損傷的發生。VMAT技術的開展可實現MLC葉片、機架旋轉速度以及劑量率的實時調節，在提高靶區適形度、降低OAR受照劑量、減少計劃執行時間、提高治療效率等方面有著明顯的優勢[8]。Monaco計劃系統采用的快速X射線體積元蒙特卡羅算法，是基于統計學概率理論對均勻物質或非均勻物質進行劑量計算最精確的劑量算法[10-13]，其在制作6 MV FF與FFF兩種模式光子束VMAT計劃方面，多數研究集中在肺癌及腦部轉移瘤SBRT治療方面，而針對常見病種常規放射治療方面的研究相對較少。Sun等[9]和牛銳等[14]分別針對食管癌、乳腺癌等做了FF與FFF兩種模式下相關劑量學研究，指出FFF模式在移除均整器之后，會獲得較快跌落的劑量分布，對周圍OAR可形成更有效的保護。但關于兩種模式在盆腔深部大體積腫瘤同期推量的劑量影響方面，目前還未有相關文獻參考。

本文基于Monaco 5.11計劃系統，通過對比研究了直腸癌術后行SIB-VMAT計劃在6 MV光子束FF與FFF兩種模式下的劑量學差異。結果表明：在PGTV方面，唯有高劑量區域（D2%）的劑量在FFF模式下降低0.85%，而CI、HI及其他參數結果與FF模式是相近的，并且靶區覆蓋率均在98.0%以上；在PTV方面，FFF模式CI和HI也明顯好于FF，主要是因為FFF模式能更好地提高低劑量區（D98%）0.63%劑量的同時，也能降低Dmean和D50%大約1%的劑量，并且移除均整器后，靶區外部劑量跌落加快[15]，有效減少了外圍100%處方劑量體積，提高靶區的適形性和均勻性。如結果所示：FFF模式的PTV與PGTV之間區域P-G的Dmean較FF降低了1.07%，且PTV與PGTV相應50%處方劑量覆蓋體積即V22.5/cm3和V25/cm3較FF分別降低了2.07%和1.42%，可見FFF模式能獲得更好的靶區外部及不同劑量靶區間劑量梯度，更有利于保護靶區周圍重要組織和器官[16]。Viswanathan等[17]在對放射治療關于膀胱受照射體積與毒副反應的研究中指出，降低受照劑量和體積，可以有效減少毒副反應，在直腸癌放療中，膀胱的受照劑量和體積過高會導致患者后期膀胱功能下降，不能達到照射初期的充盈狀態，影響治療效果和患者生活質量，因此要盡可能地降低膀胱受照劑量。相對于FF模式，FFF模式膀胱的V20、V30以及Dmean可有效降低2.11%、3.16%和4.70%，小腸的高劑量區Dmax和V45也能明顯降低1.18%和12.5%，主要原因在于膀胱位于直腸癌靶區的前部，形狀規則，因此FFF模式較好的靶區劑量適形性和較快的劑量跌落，更有利于降低膀胱的受照劑量；而腸道一般散在分布，常并與靶區交疊，體積不規則，因此低劑量區優勢不明顯，但是FFF模式在P-G區域劑量降低更有利于與靶區交疊區腸道的保護。

FFF模式的MU與CP遠高于FF，這與Sun等[9]及Zwahlen等[18]的研究一致。由于移除均整器之后，FFF模式輻射束的離軸比劑量分布變成中間高兩側低的“筆尖形”分布，在VMAT計劃中為實現較好靶區適形性和均勻性的劑量分布，要求對MLC葉片移動位置優化更加精細，導致額外的機器跳數和子野來補償調控，增加MU和CP。兩種模式VMAT計劃的出束時間相近，均在1.4 min左右完成，這與牛銳等[14]的研究一致，未體現出FFF模式下SBRT計劃高劑量率短出束時間的優勢，這與單次劑量大小有關[19]。FF與FFF兩種模式VMAT計劃的驗證γ通過率結果均滿足臨床要求，在3%/3 mm標準下相近，均大于99%，但在2%/2 mm和1%/1 mm標準下，FFF模式的γ通過率結果均明顯高于FF。影響計劃驗證γ通過率的主要因素是小MU子野的存在，它會影響探測器的探測準確性，小MU子野比重越大，較高標準下，γ通過率會明顯降低。如結果所示，FFF模式的機器跳數和控制點數目遠高于FF，但是其平均子野跳數（7.67±0.53）遠大于FF模式（6.89±0.68），并且從圖6不同MU下對應子野數百分比的直方圖可以看出，小于6 MU的子野百分比FFF模式（29.6%）遠低于FF模式（42.7%），因此FFF的γ通過率在2%/2 mm和1%/1 mm標準下遠高于FF模式。

綜上所述，基于MONACO計劃系統設計直腸癌術后瘤床同期加量SIB-VMAT，FF與FFF兩種模式計劃的劑量學參數均能滿足臨床要求，對于常規FF模式， FFF模式在常規劑量分割放射治療中雖沒能體現出高劑量率高執行效率的優勢，但是在提高計劃質量、保護膀胱和腸道方面有明顯優勢，為直腸癌常規放射治療開展FFF模式提供參考依據。