臂架角度間隔對鼻咽癌容積旋轉調強計劃的影響

李政歡，成媛，袁維，吳偉偉

1.中山大學附屬第三醫院 腫瘤放射治療科，廣東 廣州 510630；2.福建醫科大學附屬福州市第一醫院 放療科，福建 福州 350009；3.西安交通大學第一附屬醫院 放療科，陜西 西安 710061；4.贛州市腫瘤醫院 放療科，江西 贛州 341000

引言

鼻咽癌是一種在我國華南地區非常高發的惡性腫瘤，據統計，每10萬人有15～50人患病，放射治療是治療鼻咽癌的有效手段[1-3]。容積旋轉調強放射治療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）是近年來新興的放療技術之一，臨床應用越來越廣泛[4]。VMAT可以在臂架旋轉過程中通過改變臂架運動速度、多葉準直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）的形狀和劑量率來完成劑量的動態調制，最終形成與靶區形狀高度一致的劑量分布[5]。大量研究表明，鼻咽癌的VMAT計劃比傳統調強放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）具有更好的劑量學優勢，因此可更好地保護危及器官（Organ at Risk，OAR）[6-8]。在鼻咽癌VMAT放療中，劑量分布具有較好的適形度，OAR及靶區周圍正常組織受到的照射量較低，與IMRT相比機器跳數（Monitor Unit，MU）更低，計劃執行時間（Plan Delivery Time，PDT）明顯縮短，具有更高的治療效率[9-12]。

VMAT計劃的優化一般是分為兩步：① 是根據約束函數優化得到劑量通量圖；② 是將通量轉化為可執行的MLC序列。計劃系統的參數（弧數目、最小子野數等）的設置對VMAT計劃質量存在一定的影響[13-14]。臂架角度間隔（Gantry Increment）是Monaco治療計劃系統（Treatment Planning System，TPS）中VMAT計劃設計的一個重要參數，它將VMAT治療弧長劃分為一定數量的扇形，在扇形內MLC運動方向保持一致，在下一個扇形開始MLC往相反方向運動。有研究發現，對于宮頸癌VMAT計劃，臂架角度增量取值30°會得到較高的計劃質量和執行效率[15]。目前臨床在進行鼻咽癌VMAT計劃設計時一般采用臂架角度間隔30°作為優化參數，但是針對臂架角度間隔30°是否為最優參數的相關研究較少。本文對鼻咽癌VMAT計劃設計過程中不同臂架角度間隔的影響進行了研究，以期為更好地設計臨床治療計劃提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2021年1月至6月于我院接受VMAT放療的15例鼻咽癌患者作為研究對象，臨床分期：T1期6例，T2期7例，T3期2例；年齡21～73歲，平均年齡52歲。所有患者初次治療前經加速器圖像引導進行體位驗證，要求將擺位誤差控制在3 mm以內。

1.2 CT掃描和儀器設備

所有患者采用仰臥位頭頸肩熱塑膜結合發泡膠固定體位，平掃加增強的CT（Computed Tomography）掃描方式，層厚為3 mm，掃描范圍為顱頂至鎖骨頭下2 cm。患者經大孔徑CT機（Somatom Definition，西門子公司，德國）掃描圖像，圖像重建后傳輸至Monaco治療計劃系統（V5.11，Elekta公司，瑞典）。在Monaco計劃系統完成組織勾畫和計劃設計，計劃完成后傳送至Edose軟件（Edose Server 5.0）進行治療前三維劑量驗證，驗證通過后在直線加速器（Synergy，Elekta公司，瑞典）執行治療。

1.3 靶區和OAR的勾畫

依據ICRU62號報告，腫瘤靶區（Gross Tumor Volume，GTV）包括影像臨床檢查可見的原發腫瘤部位（GTVnx）以及影像和臨床檢查觀察到的淋巴結腫大區域（GTVnd）。臨床靶區（Clinical Target Volume，CTV）包括臨床靶體積與高危淋巴引流區的臨床靶體積（CTV1）以及需要預防照射的淋巴結引流區（CTV2）。GTVnx、GTVnd、CTV1、CTV2分別外擴3 mm得到計劃靶區（Planning Target Volume，PTV），依次定義為 PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2。OAR包括脊髓（Spinalcord）、腦干（Brainstem）、晶體（Lens）、眼球（Eyes）、視神經（Optic Nerve）、視交叉（Optic Chaism）、垂體（Pituitary）、顳葉（Tempral Lobe）、腮腺（Parotid）、顳頜關節（Temporomandibular Joint）等。

1.4 計劃設計

在Monaco治療計劃系統進行VMAT計劃設計，設置180°開始的360°順時針旋轉的全弧計劃，每例患者將臂架角度間隔分別設計 4 個 VMAT 計劃（10°、20°、30°、40°），并將計劃分別命名為Inc10、Inc20、Inc30和Inc40；同一病例的計劃采用同一個優化函數模板，僅改變臂架角度間隔。所有計劃采用6 MV光子線同步加量治療方式，靶區處方劑量：PTVnx為2.12 Gy/次、PTVnd為2.00 Gy/次、PTV1為1.81 Gy/次、PTV2為1.64 Gy/次，總計33次，每周5次。OAR要求：腦干Dmax（最大受照劑量）＜54 Gy、脊髓 Dmax＜45 Gy、眼球 Dmax＜50 Gy、晶體 Dmax＜8 Gy、視神經 Dmax＜50 Gy、視交叉 Dmax＜50 Gy、顳葉 Dmax＜70 Gy、顳頜關節 Dmax＜70 Gy、垂體 Dmax＜54 Gy、腮腺 V30（30 Gy 劑量線所包圍的腮腺體積占腮腺總體積的百分比）＜50%、下頜骨（Mandible）Dmax＜70 Gy。由于同一病例的4個計劃采用同一個優化函數模板，所有劑量計算結果均不進行劑量規一。

1.5 臂架角度間隔

臂架角度間隔控制生成扇區的數量，間隔越大生成扇區的數量就越少，扇區角度就越大。如圖1所示40°的臂架間隔將一個360°的全弧劃分為9個靜態扇區。在第一階段優化之前，治療計劃系統將MLC的運動序列劃分為扇區，用于第一階段優化過程中模擬計算。通常情況下，扇區的數量在MLC運動中起著重要作用，大的臂架間隔可以生成較少的子野，但是計劃質量也較低；小的臂架間隔會產生更多的扇區，但是會增加計算時間。MLC運動方向在不同的扇區之間交替，當臂架旋轉時在一個扇區的左外側邊緣向右側移動；當臂架到達下一個扇區的時候，MLC到達扇區邊緣。

圖1 360°的全弧分割成9個扇區

1.6 治療計劃評估

采用劑量體積直方圖對PTV、OAR的受照劑量參數進行統計學分析。根據ICRU83號報告[16]，均勻性指數（Homogeneity Index，HI）和適形性指數（Conformity Index，CI）分別由公式（1）和（2）所示：

式中，D2、D50、D98分別表示2%、50%、98%靶區體積的所受劑量；HI值越接近0，代表靶區的均勻性越好；TV為靶區PTV的體積，TVPI為處方劑量所包含的靶區體積，VPI為處方劑量線所包含的總體積，CI值越接近1，代表靶區的適形度越好。

1.7 計劃質量評價

計劃質量整體評分（Quality Score）是對比不同計劃的綜合質量，可綜合評估不同計劃靶區和危及器官的總體受量，因為某些優化條件得到的結果對危及器官的保護比另外的計劃好，但是靶區劑量分布又不如另外計劃，因此難以評價計劃綜合質量的優劣。為了能夠全面客觀地定量分析不同計劃之間靶區和危及器官的受量差異，本研究使用計劃質量整體評分系統對不同計劃的靶區和危及器官進行量化分析[17]。

本研究將4組計劃中最好的劑量指標結果作為目標劑量，另外的計劃劑量與目標劑量進行對比。計劃質量評分數值越大，表示計劃總體質量越差，反之則越好，當總分值為0時，表示該計劃所有劑量指標均優于其他計劃。以鼻咽癌計劃的腦干為例，當在Inc10計劃的腦干Dmax為64.64 Gy，最低為Inc30組的53.58 Gy，將最低劑量作為目標劑量。根據公式（4）和（5），該分項在Inc10組得分0.212，Inc30組得分0.005，其他參與評估的目標也做同樣的公式計算，將所有項目的分數求和即可得到了該計劃的質量整體得分。

式中，Mj是第j個解剖結構（靶區或危及器官）的實際劑量，Cj是相對應的目標劑量，Pj是該解剖結構的權重因子（本研究均取1）；公式（4）Sj是第j個分項質量評分，其中k為參與評估的目標數量，公式（5）SD是計劃質量整體評分。

1.8 統計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析，數據用±s描述，進行配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 計劃質量整體評分

利用質量整體評分系統對各組的PTV和OAR的各項劑量參數進行打分，圖2所示為不同臂架角度間隔的計劃質量總體評分，臂架角度間隔分別為10°、20°、30°和40°計劃的靶區和危及器官的總體評分分別為11.88、3.21、1.81和1.61。Inc40組分數最低（1.61），說明該臂架角度為40°的計劃綜合質量最好。

圖2 4組臂架角度間隔的VMAT計劃質量指標直方圖

2.2 PTV劑量參數比較

圖3為1例典型患者不同臂架角度間隔參數VMAT計劃的劑量體積直方圖，從圖中可以明顯看到當臂架角度間隔為10°時的DVH已完全不符合臨床各項要求。如表1所示，Inc10計劃的D2遠遠超過處方劑量的110%，該組所有計劃均無法滿足靶區的臨床要求，所有PTVs的劑量學參數后續將不給予討論。由于Inc40綜合得分最低，計劃的整體質量最高，因而將Inc40組的結果作為參照組。對于PTVnx，D2在Inc30均值最低，D50在Inc30均值最低，HI在Inc30和Inc40均值最低，CI在Inc40均值最大，Inc20、Inc30和Inc40組的D2和HI差異均無統計學意義（P＞0.05），Inc20和Inc40組的D50差異有統計學意義（P＜0.05），Inc20、Inc30和Inc40組的CI差異均有統計學意義（P＜0.05）。對于PTVnd，D2和D50在Inc40均值最低，HI在Inc30和Inc40均值最低，CI在Inc30和Inc40均值最大，Inc20和Inc40組的D2、HI和D50差異均有統計學意義（P＜0.05），Inc20和Inc40組的CI差異均有統計學意義（P＜0.05）。對于PTV1，D2在Inc30均值最低，D50在Inc40均值最低，HI在Inc20、Inc30和Inc40均值最低，CI在Inc40均值最大，Inc20與Inc40組的D2差異有統計學意義（P＜0.05），Inc20、Inc30和 Inc40組的 D50差異均有統計學意義（P＜0.05），Inc30和Inc40組的HI差異均無統計學意義（P＞0.05），Inc20和Inc40組的CI差異有統計學意義（P＜0.05）。對于PTV2，D2和D50在Inc40均值最低，HI在Inc30均值最低，CI在Inc30和Inc40均值最大，Inc20和Inc40 組的 D2、D50、CI和 HI差異均有統計學意義（P＜0.05）。當臂架角度間隔大于20°后，靶區的HI和CI有明顯變好的趨勢。

表1 不同臂架角度間隔PTV劑量學參數（±s）

表1 不同臂架角度間隔PTV劑量學參數（±s）

注：P1值表示Inc10與Inc40對比的P值；P2值表示Inc20與Inc40對比的P值；P3值表示Inc30和Inc40對比的P值。

結構 參數 Inc10 Inc20 Inc30 Inc40 P1值 P2值 P3值PTVnx D2/Gy 96.42±9.19 76.97±2.55 75.67±0.70 75.73±0.68 ＜0.001 0.089 0.429 D50/Gy 87.97±7.75 73.52±0.64 73.27±0.45 73.23±0.40 ＜0.001 0.040 0.574 HI 0.19±0.04 0.10±0.04 0.08±0.02 0.08±0.02 ＜0.001 0.129 1.000 CI 0.09±0.03 0.36±0.11 0.46±0.09 0.48±0.09 ＜0.001 ＜0.001 0.047 PTVnd D2/Gy 96.22±7.23 74.43±1.65 72.91±0.84 72.72±1.09 ＜0.001 ＜0.001 0.206 D50/Gy 84.44±5.10 70.92±1.11 69.98±0.65 69.89±0.74 ＜0.001 ＜0.001 0.530 HI 0.29±0.06 0.12±0.02 0.10±0.02 0.10±0.02 ＜0.001 ＜0.001 1.000 CI 0.05±0.03 0.11±0.05 0.14±0.06 0.14±0.06 ＜0.001 ＜0.001 1.000 PTV1 D2/Gy 95.42±9.11 75.84±1.18 75.17±0.72 75.20±0.75 ＜0.001 0.014 0.633 D50/Gy 85.5±6.95 71.38±1.37 70.76±1.37 70.61±1.36 ＜0.001 ＜0.001 0.025 HI 0.26±0.07 0.16±0.02 0.16±0.02 0.16±0.02 ＜0.001 1.000 1.000 CI 0.16±0.05 0.34±0.07 0.40±0.08 0.41±0.08 ＜0.001 ＜0.001 0.517 PTV2 D2/Gy 93.85±8.64 74.72±1.22 74.02±0.80 74.01±0.85 ＜0.001 0.003 0.766 D50/Gy 74.98±9.06 64.76±1.99 63.80±2.85 62.91±1.68 ＜0.001 ＜0.001 0.192 HI 0.57±0.13 0.30±0.02 0.28±0.03 0.29±0.02 ＜0.001 0.001 0.567 CI 0.57±0.07 0.77±0.04 0.79±0.03 0.79±0.03 ＜0.001 0.015 0.070

圖3 1例典型鼻咽癌患者不同臂架角度間隔參數的VMAT計劃的劑量體積圖

2.3 OAR劑量參數比較

如表2所示，Inc10計劃的D2遠遠超過處方要求，該組所有計劃均無法滿足靶區的臨床要求，所有OARs的劑量學參數后續將不給予討論。由于Inc40綜合得分最低，計劃的整體質量最高，因而將Inc40組的結果作為參照組。對于顳葉、下頜骨、脊髓、視神經、視交叉、腦干、腮腺均在Inc30均值最低，顳頜關節、晶體、眼球均在Inc40均值最小，Inc30和Inc40組的差異均無統計學意義（P＞0.05）；對于顳頜關節、脊髓、腦干和腮腺，Inc20和Inc40組差異有統計學意義（P＜0.05）；對于視交叉和晶體，Inc10、Inc20、Inc30和Inc40組的差異均無統計學意義（P＞0.05）。

表2 不同臂架角度間隔的OAR劑量學參數（±s）

表2 不同臂架角度間隔的OAR劑量學參數（±s）

注：P1值表示Inc10與Inc40對比的P值；P2值表示Inc20與Inc40對比的P值；P3值表示Inc30和Inc40對比的P值。

結構 參數 Inc10 Inc20 Inc30 Inc40 P1值 P2值 P3值顳葉 Dmax/Gy 82.81±10.78 68.52±5.46 67.55±4.72 67.62±4.90 ＜0.001 0.060 0.837顳頜關節 Dmax/Gy 82.04±10.80 68.97±4.10 68.18±4.61 67.97±4.56 ＜0.001 0.015 0.641下頜骨 Dmax/Gy 83.35±8.75 67.38±3.88 66.54±4.28 66.74±3.95 ＜0.001 0.163 0.646脊髓 Dmax/Gy 56.66±5.97 43.45±1.28 42.65±1.45 42.72±1.51 ＜0.001 0.019 0.795視神經 Dmax/Gy 49.17±26.78 37.11±19.40 35.33±18.11 35.70±17.90 0.011 0.142 0.664視交叉 Dmax/Gy 35.10±24.52 31.85±17.70 30.25±17.02 30.69±17.39 0.141 0.423 0.715腦干 Dmax/Gy 64.64±7.56 54.61±1.13 53.58±1.09 53.82±0.94 ＜0.001 0.002 0.277腮腺 V30/% 72.03±12.02 68.86±13.33 63.66±14.57 64.71±13.57 0.010 0.029 0.516晶體 Dmax/Gy 5.38±1.69 5.09±1.45 5.04±1.36 4.91±1.22 0.065 0.204 0.473眼球 Dmax/Gy 26.22±12.77 21.10±6.73 22.01±7.42 19.76±6.34 0.011 0.117 0.069

2.4 執行效率

如表3所示，計劃MU和PDT隨著臂架角度間隔增大而減小，子野數（Segments）在Inc40最大，但是Inc10組的MU和PDT最大所以計劃執行效率最低，Inc40計劃執行效率最高，但Inc20、Inc30、Inc40計劃執行效率比較差異無統計學意義（P＞0.05）。

表3 不同臂架角度間隔的旋轉調強放療計劃的機器跳數、子野數和計劃執行時間（±s）

表3 不同臂架角度間隔的旋轉調強放療計劃的機器跳數、子野數和計劃執行時間（±s）

注：MU：機器跳數；PDT：計劃執行時間。P1值表示Inc10與Inc40對比的P值；P2值表示Inc20與Inc40對比的P值；P3值表示Inc30和Inc40對比的P值。

MU 1303.54±183.69 773.94±87.13 675.63±48.32 649.32±42.73 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001子野數 83.13±9.39 95.60±5.05 101.20±4.11 106.47±4.76 ＜0.001 ＜0.001 0.009 PDT/s 184.08±25.9 169.47±17.07 167.74±18.3 164.60±20.63 0.004 0.308 0.587參數 Inc10 Inc20 Inc30 Inc40 P1值 P2值 P3值

3 討論

VMAT治療計劃弧長根據角度間隔劃分為一定數量的扇形，MLC在單個扇形面積內完成往返運動，角度間隔越大MLC葉片的運動距離就越遠。為了精確比較臂架角度間隔對計劃質量和執行效率的影響，在優化過程中，除改變IG數值外，所有的計劃均使用相同的物理優化參數，從而得到Inc10、Inc20、Inc30和Inc40四組VMAT計劃。為了更加客觀和全面地對VMAT計劃靶區和危及器官進行綜合評估，引入計劃質量綜合評分系統對靶區和危及器官進行綜合打分，總分數最低的計劃綜合質量最高。結果表明，Inc10組計劃已無法滿足臨床各項要求，Inc30和Inc40組計劃的靶區和危及器官劑量參數差異不明顯，且各項劑量學參數均優于Inc20和Inc10組。隨著臂架角度間隔增加，MU和PDT均降低，因而，VMAT計劃的執行效率提高。

在設計食管癌VMAT治療計劃時，應選擇較大的臂架角度間隔，原因為較大的臂架角度間隔可提高靶區覆蓋和劑量均勻性[18]。本研究選取15例鼻咽癌患者進行VMAT全弧計劃，設計了4個臂架角度間隔，結果表明，大的臂架角度間隔有利于減少機器跳數和治療時間。減少機器跳數能夠在減少機器硬件損耗的同時降低漏射線和散射線，減少長期生存者因散射帶來二次癌的概率[19-20]，同時減少治療時間可以縮短患者受固定時間，提高舒適度的同時還可以增強放療生物效應[21]，因此物理師在制定旋轉調強計劃時應在確保靶區和危及器官符合臨床劑量要求的前提下盡可能降低計劃的控制點數、機器跳數和治療時間。

由于本文在不同患者的VMAT計劃設計時采用的是同一個優化參數模板，同一患者之間除了臂架角度間隔不同外其余優化參數均相同，所以并未對優化的劑量結果進行劑量歸一化處理。未來可以針對優化的劑量結果進行歸一化研究，以期找出更明顯的規律，為臨床提供更好的計劃設計方案。綜上所述，利用Monaco治療計劃系統設計鼻咽癌VMAT計劃建議不要選擇臂架角度間隔為10°，原因為優化出來的劑量分布已完全無法符合臨床要求，可采用較大的臂架角度間隔，如可采用40°，大的臂架角度間隔可增加劑量覆蓋、均勻性指數，還能提高治療效率。

4 結論

在進行鼻咽癌VMAT計劃設計時，將臂架角度間隔設置為40°，可獲取更好的靶區劑量分布，并減少危及器官以及正常組織的受照劑量，還能減少機器跳數縮短計劃執行時間，提高治療效率，減少患者治療時間。