腦轉移瘤HyperArc放射治療技術的兩種計劃驗證方法比較

魏夏平，董彥鑫，蘇潔洪(通信作者)，黃小偉，劉葉明，黃明超

1 廣州中醫藥大學金沙洲醫院腫瘤放射治療中心 (廣東廣州 510080)；2 東莞理工學院 科學技術處 (廣東東莞 523808)

放射治療是腦轉移瘤(brain metastases，BM)最為重要的姑息治療手段[1-2]。HyperArc(HA)放射治療技術是Varian公司最新推出的一種技術，可通過直線加速器的快速弧(RapidArc)來實現對BM的單中心非共面立體定向放射外科治療(stereotactic radiosurgery，SRS)[3-4]。HA計劃流程高度自動化，治療野包括1個全弧和4個非共面半弧，采用容積調強弧形(volumetric modulated arc therapy，VMAT)照射，在機架旋轉過程中，通過動態調節多葉光柵(multi-leaf collimator，MLC)野形狀、劑量率及機架旋轉速度，使射線劑量集中在腫瘤靶區內，進而使靶區外劑量迅速跌落，可更好地保護靶區外的正常腦組織[5]。隨著顱內轉移瘤數量的增加，HA計劃的照射過程變得復雜，而如此復雜的臨床治療需要精確的劑量驗證系統。目前，用于劑量驗證的設備主要有ArcCheck、Dolphin、SunCheck、Octavius 4D(OCT)、Portal Dosimetry(PD)等，且已有利用此類設備進行驗證的報道[6-10]。本研究基于HA的SRS計劃，使用OCT和PD驗證系統分別分析顱內單發或多發BM HA計劃的γ通過率，并比較這兩種系統的優缺點，現報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2021年1—12月在廣州中醫藥大學金沙洲醫院接受HA放射治療的30例BM患者為研究對象，按BM個數將患者分為1～4 BM組、8 BM組和15 BM組，每組10例。1～4 BM組男6例，女4例；年齡50～68歲，平均(56±6)歲。8 BM組男7例，女3例；年齡53～66歲，平均(58±5)歲。15 BM組男5例，女5例；年齡51～74歲，平均(61±9)歲。3組一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性。本研究經醫院醫學倫理委員會批準，所有的HA計劃均按照SRS模式設計，處方劑量為40 Gy/10次，100%處方劑量線覆蓋95%計劃靶體積(plan target volume，PTV)，PTV內最大點劑量為130%。

1.2 設備與軟件

治療機器為TrueBeam2.7直線加速器(美國Varian公司)，包含60對MLC，中心40對MLC在等中心的寬度為5 mm，兩端各10對MLC在等中心的寬度為10 mm；葉片最大運動速度為3 cm/s，射線能量為6 MV-FFF光子線，最大劑量率為1 400 MU/min。TrueBeam的PD驗證系統使用加速器自帶的電子射野影像系統(electron portal imaging device，EPID)采集信號，并轉換成劑量分布，其中，EPID共有1 024×1 024個有效像素點，有效測量范圍為430 mm×430 mm，相鄰探測點的間距為0.34 mm，空間治療分辨力幾乎僅次于膠片。治療計劃系統(treatment planning system，TPS)為Eclipse 15.6。德國PTW公司OCT驗證系統包括Octavius 1500電離室矩陣、旋轉模體、傾角儀、控制單元和Verisoft劑量分析軟件，其中，Octavius 1500電離室矩陣由1 405個空氣電離室組成，單個電離室幾何尺寸為0.44 cm×0.44 cm×0.3 cm，兩個電離室中心間距為0.71 cm，有效測量范圍為27 cm×27 cm。

1.3 驗證與評估方法

使用Eclipse 15.6上的PD驗證系統為30個HA計劃創建驗證計劃(圖1為某患者HA計劃的射野信息)；驗證計劃采取實際機架角和小機頭角度，床角歸0°，在直線加速器上執行，使用機器自帶的EPID板收集測量數據，最后在PD驗證系統上進行評估；所有測量的γ分析均采用絕對劑量進行對比，閾值設置為10%、Max Dose模式，分析3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率。

另外，將30個HA計劃移植到OCT驗證系統模體上，生成驗證計劃(機架角和小機頭按照實際角度，床角歸0°)，導出計劃的RT plan 和RT Dose，閾值設置為10%、Max Dose模式。

1.4 統計學處理

采用SPSS 23.0統計軟件進行數據分析，γ通過率以中位數(四分位數間距)表示，采用非參數檢驗中獨立樣本曼-惠特尼U檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

在1～4 BM組中，OCT與PD驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率均較高，且兩種設備的γ通過率比較，差異無統計學意義(P>0.05)；在8 BM組中，隨著轉移瘤數目的增多，MLC調制的復雜度增加，OCT與PD驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率均略有下降，但OCT驗證系統的γ通過率均優于PD驗證系統，差異有統計學意義(P<0.05)；在15 BM組中，隨著轉移瘤數目的迅速增多，MLC調制的復雜度迅速增加，OCT與PD驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率均迅速降低，但OCT驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm的γ通過率均優于PD，差異有統計學意義(P<0.05)，見表1。

表1 30個HA計劃的OCT和PD驗證系統的γ通過率比較[%，M(IQR)]

圖2所示為2%/2 mm的γ通過率的散點圖，其中4號病例OCT與PD驗證系統的γ通過率均很低，分析發現，該靶區的體積僅有1.11 cm3(等效直徑為1.3 cm)，對于兩種設備而言靶區太小、靶區內的測量點少，故對計劃的γ通過率影響大；隨著靶區數量的增加，HA計劃的復雜度增加，兩種設備的γ通過率開始出現波動。

圖1 某患者HA計劃的射野信息

注：PD為Portal Dosimetry；OCT為Octavius 4D

圖3所示為3%/2 mm的γ通過率的散點圖，其中4號病例OCT與PD驗證系統的γ通過率仍較低；隨著靶區數量的增加，HA計劃的復雜度增加，兩種設備的γ通過率同樣出現較大的波動。

注：PD為Portal Dosimetry；OCT為Octavius 4D

圖4所示為3%/3 mm的γ通過率的散點圖，由于評估條件較寬松，在1～4 BM組中，OCT與PD驗證系統的γ通過率差異不大、數據波動較小；隨著靶區數量的增加，HA計劃的復雜度增加，兩種設備的γ通過率同樣出現較大的波動。

注：PD為Portal Dosimetry；OCT為Octavius 4D

3 討論

HA是一種基于直線加速器的VMAT非共面SRS治療技術，可一次性照射單個或多個BM，且具有適形度好、劑量梯度陡峭的特點；但為了保證放射治療計劃的準確執行，需要提前在直線加速器上對其劑量分布進行驗證。當治療計劃的γ通過率(3%/2 mm)≥95%時，計劃可直接用于臨床治療[11-12]；當治療計劃3%/2 mm的γ通過率<95%時，則需物理師介入分析原因，包括檢查放射治療計劃、查看驗證結果等。有條件的放射治療中心可通過多種劑量驗證設備交叉驗證，若多種驗證設備均無法通過，則需考慮重新設計放射治療計劃。一些特別復雜的計劃通過率始終偏低，如采用HA治療10個以上BM時，則需有經驗的上級物理師仔細查看γ通過率低的點，判斷是否會對靶區及重要危及器官造成影響，最終與放射治療醫師溝通決定是否執行治療。目前，用于計劃驗證的工具有很多，如ArcCheck、Dolphin、OCT及PD等。胡俏俏等[13]使用PD與OCT對20個計劃進行計劃驗證，結果表明，這兩種設備均可用于治療計劃驗證，但由于HA計劃的靶區體積小、單次劑量大、靶區外劑量跌落快，其研究中驗證的計劃均為常規分割劑量的計劃，未涉及SRS計劃的驗證。袁玲等[14]利用SRS MapCHECK與EDOSE測量比較29個立體定向放射治療計劃驗證，結果表明，這兩種設備均可用于SRS計劃驗證，但其研究中驗證的計劃均為單靶區的SRS計劃，未涉及多靶區SRS計劃的驗證。而基于直線加速器的HA計劃(單靶區或多靶區SRS治療)劑量驗證鮮見報道。本研究即基于HA的SRS計劃，使用OCT和PD驗證系統分別分析顱內單發或多發BM HA計劃的γ通過率，其中，PD驗證系統使用的是直線加速器自帶的EPID板，空間分辨力高、能量響應靈敏，能滿足SRS計劃驗證的要求；而OCT驗證系統采用的是空氣電離室，響應靈敏，且靈敏體積小，但空間分辨力不及PD驗證系統高。

本研究結果顯示，在1～4 BM組中，OCT與PD驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率均滿足AAPM TG-218[15]號報告計劃的驗證要求，且兩者的通過率比較，差異無統計學意義。在8 BM組和15 BM組中，計劃的OCT和PD驗證系統的γ通過率均降低，但OCT驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm的γ通過率均大于PD驗證系統，且兩者的γ通過率比較，差異有統計學意義。隨著轉移瘤數目的增多，MLC調制的復雜度增加，OCT與PD驗證系統的3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm的γ通過率均略有下降。郭冉等[16]的研究亦發現，隨著計劃復雜度的增加，計劃的γ通過率下降。有研究表明，不同設備對劑量驗證的靈敏度存在差異[17]，一方面是由于探測器不同，另一方面是由于不同設備所采用的γ分析方法可能不同[15]。本研究通過對30個HA計劃驗證數據進行分析后發現，在γ測量劑量/距離要求逐漸嚴格的條件下，測量數據的標準偏差會增大，主要原因取決于設備的靈敏度[15]，設備靈敏度降低，導致數值偏低和數據波動偏大。由于HA計劃的靶區較小，且靶區內的劑量不均勻，最大點劑量達到處方劑量的130%，靶區外的劑量迅速跌落，故常會得到較高的全局γ通過率；且由于全局γ在計算時，將劑量差異歸一到全局最大值，勢必會減小劑量差異的影響，此時，靶區外點的γ值均偏低，且HA計劃中靶區小、靶區外的點遠多于靶區內，故會拉高全局γ通過率。因此，HA計劃驗證對設備的空間分辨力、能量響應的靈敏度和穩定性均具有很高的要求。

總之，隨著HA計劃中BM個數的增加，OCT與PD驗證系統的γ通過率會逐漸降低，但OCT的γ通過率略優于PD；SRS技術比調強技術更為復雜，故HA計劃的劑量驗證比調強計劃的劑量驗證更為復雜；驗證HA計劃劑量時，物理師不應只看γ通過率，還應理解γ通過率的計算過程，當得到的γ通過率過低時，應通過分析原因，評估可能會造成的影響。