VMAT計劃中計算網格尺寸對宮頸癌放療劑量的影響

魏敏，陳長建，葛雙，郗會珍，程錦繡，魏鵬，朱培軍，葉書成

濟寧醫學院附屬醫院 放療科，山東 濟寧 272000

引言

容積弧形調強放射治療（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）作為一種新的調強放療技術，能夠在360°的射野方向上調動各種因素來實現快速準確的放射治療，與傳統放療方式相比，VMAT不僅具有較好的劑量學優勢，而且能更好地保護靶區周圍危及器官[1-3]。宮頸癌的靶區體積較大且較狹長，當計算網格尺寸改變時，由于計算點插值算法和體積平均效應的影響，導致計算誤差可能增大[4-8]。研究表明，劑量梯度與計算網格的尺寸有關[9]。本研究旨在通過設計不同計算網格尺寸下宮頸癌VMAT計劃來分析計算網格的尺寸對放療劑量的影響，以期確定合適的計算網格尺寸，為宮頸癌的計劃設計提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2018年3月至2020年6月在我院進行放療的15例宮頸癌患者的CT圖像，患者均為女性，年齡36～65歲，中位年齡55歲，所有患者均經病理確診，均為首次接受放療，均接受處方劑量為50 Gy/25f（每周5次）的劑量照射。

1.2 CT定位

采用大孔徑CT模擬機（飛利浦，荷蘭）進行定位掃描，將定位獲得的5 mm層厚的CT圖像傳至Monaco5.1計劃系統進行三維重建?；颊呷⊙雠P位，熱塑體膜進行固定。醫生根據ICRU 83號報告[10]進行靶區勾畫。放療計劃選用醫科達Versa HD具有80對多葉光柵的直線加速器進行照射，能量為6 MV X線。所有VAMT計劃選擇旋轉弧數均為2，進行360°全弧照射，射束增量為30°，小機頭（Collimator）角度為15°；每個弧的最大控制點數均為180；計劃的不確定度為1%；最小子野寬度均為1 cm。計算網格分別為2、3、4、5、6、7、8 mm。

1.3 VMAT計劃的設計

保持Monaco計劃系統其他條件不變（旋轉弧度、最小子野寬度等），只改變計算網格尺寸的數值大小對計劃進行優化，即每個病例得到7個計劃，優化結束后，將劑量歸一到滿足包繞處方劑量95%的劑量要求。

1.4 評價指標

ICRU 83號報告[10]指出，最小劑量定義為98%的計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）受到的劑量（D98），最大劑量定義為2%的PTV受到的劑量照射（D2）。根據計算的劑量體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）可得，評價指標還包括PTV的均勻指數（Homogeneity Index，HI）、適形指數（Conformity Index，CI）以及不同計算網格尺寸下計劃的機器跳數（Monitor Unit，MU），其中PTV的HI越接近1，表明PTV劑量分布的DVH曲線梯度越陡，PTV劑量分布越均勻；CI越接近1，表明優化結果的劑量分布與PTV幾何形狀間的適形度越好。

危及器官的評價：小腸V30、V40（V30為30 Gy包繞的小腸體積，V40為40 Gy包繞的小腸體積），結腸V30、V40，直腸V45，膀胱V45，左股骨頭Dmean（Dmean為所照射劑量的平均值），右股骨頭Dmean。

1.5 統計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行數據分析，服從正態分布的計量資料采用±s表示，進行配對t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 不同計算網格尺寸條件下PTV的受量分析

不同計算網格尺寸條件下PTV的評價指標如表1所示，以計算網格尺寸2 mm為參考，對于PTV劑量D98，計算網格尺寸為3 mm時差異顯著（t=-2.425、P=0.029）；對于PTV的Dmean和D2，計算網格尺寸為3 mm時出現明顯差異（t=2.772、P=0.015，t=3.313、P=0.005），且隨著計算網格尺寸的數值增大，差異依然存在。計算網格尺寸為3 mm時，D2劑量低于計算網格尺寸為2 mm和4 mm的劑量。對于PTV的HI，計算網格尺寸為3 mm時，與2 mm的相比有明顯差異（t=3.292、P=0.005），隨著計算網格尺寸數值的改變，差異顯著（t=3.292、P=0.05）。計算網格尺寸增大為6 mm時，PTV的CI較2 mm時出現顯著差異，且隨著計算網格尺寸值越大，差異越顯著（t=4.496、P=0.001，t=6.675、P＜0.001，t=7.506、P＜0.001）。 對于計劃的MU，計算網格尺寸為3 mm時，MU低于計算網格尺寸為2 mm和4 mm的，計算網格尺寸為4 mm時，PTV較2 mm時出現顯著性差異（t=-3.071，P＜0.05）。

表1 不同計算網格尺寸條件下靶區PTV的受量評價（±s，Gy）

表1 不同計算網格尺寸條件下靶區PTV的受量評價（±s，Gy）

注： a表示D98與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-2.425、P=0.029；b表示Dmean與最小計算網格尺寸為2mm相比較：t=2.772、P=0.015，t=2.419、P=0.030，t=3.322、P=0.005，t=3.372、P=0.005，t=2.340、P=0.035；c表示D2與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=3.313、P=0.005，t=2.865、P=0.012，t=4.191、P=0.001，t=3.899、P=0.002，t=2.910、P=0.011；d表示HI與最小計算網格尺寸2 mm相比較：t=3.292、P=0.005，t=3.154、P=0.007，t=5.123、P＜0.001，t=3.389、P=0.004，t=2.694、P=0.017，t=2.256、P=0.041；e表示CI與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=4.496、P=0.001，t=6.675、P＜0.001，t=7.506、P＜0.001；f表示MU與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-3.071、P=0.008，t=-2.697、P=0.017，t=-2.228，P=0.043。

計算網格尺寸 D98 Dmean D2 HI CI MU 2 mm 49.061±0.307 52.006±0.465 53.867±0.713 1.07±0.013 0.871±0.018 998.645±111.054 984.313±129.590 4 mm 3 mm 49.214±0.204a 51.747±0.336b 53.366±0.440c 1.062±0.009d 0.865±0.032 49.130±0.192 51.825±0.361b 53.523±0.583c 1.064±0.011d 0.873±0.016 1057.655±135.426f 5 mm 49.139±0.167 51.715±0.334b 53.327±0.535c 1.060±0.010d 0.865±0.020 1058.523±137.160f 6 mm 49.167±0.198 51.703±0.335b 53.330±0.521c 1.061±0.0104d 0.839±0.027e 1078.753±168.439 7 mm 48.942±0.409 51.818±0.458 53.472±0.660 1.061±0.016d 0.814±0.030e 1084.135±179.586f 1049.659±160.321 8 mm 49.101±0.264 51.735±0.451b 53.368±0.685c 1.062±0.014d 0.803±0.034e

2.2 不同計算網格尺寸條件下危及器官的受量分析

不同計算網格尺寸條件下危及器官的劑量比較如表2所示，與同列最小計算網格尺寸為2 mm時比較，當計算網格尺寸增大為5 mm時，小腸的V40和結腸的V30、V40出現顯著性差異（t=-2.184、P=0.047，t=-3.558、P=0.003，t=-2.404、P=0.031）；計算網格尺寸增加為7 mm時，直腸的V45出現顯著性差異（t=-2.652、P=0.019）；計算網格尺寸為4 mm時，膀胱的V45出現顯著性差異（t=-2.570、P=0.022）；不同的計算網格尺寸優化條件對右股骨頭的Dmean無顯著性差異（t=2.135、P=0.610）；對于左股骨頭的Dmean，計算網格尺寸為8 mm時出現顯著性差異（t=-3.106，P=0.008）。

表2 不同計算網格尺寸條件下危及器官的受量評價（±s，Gy）

注：a表示小腸V40為與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-2.184、P=0.047，t=-2.253、P=0.041，t=-2.424、P=0.029，t=-3.309、P=0.005；b表示結腸V30與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-3.558、P=0.003，t=-2.608、P=0.021，t=-2.336、P=0.035，t=-3.320、P=0.005；c表示結腸V40與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-2.404、P=0.031，t=-2.902、P=0.012，t=-5.013、P＜0.001；d表示直腸V45與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-2.652、P=0.019；e表示膀胱V45與最小計算網格尺寸2 mm相比較：t=-2.570、P=0.022，t=-2.407、P=0.030，t=-2.910、P=0.011，t=-3.667、P=0.003，t=-3.128、P=0.007；f表示左股骨頭Dmean與最小計算網格尺寸為2 mm相比較：t=-3.106、P=0.008。

計算網格尺寸 小腸V30 小腸V40 結腸V30 結腸V40 直腸V45 膀胱V45 右股骨頭Dmean 左股骨頭Dmean 2 mm 34.335±10.415 18.526±9.063 35.312±11.596 25.769±10.325 51.957±17.475 45.931±10.252 16.559±2.225 16.545±2.272 3 mm 35.455±9.469 19.341±8.609 36.000±11.423 26.294±10.434 53.935±13.689 47.811±10.691 15.332±4.858 16.922±2.560 4 mm 34.321±10.387 18.987±8.905 35.377±11.267 25.593±9.888 51.849±14.836 47.169±10.773e 15.929±2.591 16.539±2.871 5 mm 16.657±2.719 6 mm 34.933±10.333 19.482±8.865a 37.056±12.168b 26.687±10.359ic 54.976±13.578 47.939±10.195e 16.313±2.453 34.930±10.501 19.768±9.091a 36.956±12.215b 26.989±10.358c 57.672±12.763 48.567±9.893e 16.741±2.474 16.828±2.979 7 mm 17.778±3.242f 17.157±3.250 8 mm 34.799±9.627 19.713±8.684a 37.251±12.369b 26.849±10.505 61.254±12.089d 49.267±9.780e 17.041±2.788 35.265±10.375 20.081±9.085a 38.170±12.708b 27.429±10.757c 61.247±13.843 49.895±8.638e 17.284±2.608

2.3 不同計算網格尺寸下1例VMAT計劃的優化時間分析

選取1例典型病例（患者51歲，女性）的VMAT計劃優化的時間進行分析，2、3、4、5、6、7、8 mm計算網格尺寸下計劃優化時間分別為1732、965、703、623、562、400、356 s，分析發現，計算網格尺寸為2 mm時，計劃耗時為計算網格尺寸為3 mm時的1.7倍，且隨著計算網格尺寸值的增大，計劃的計算耗時呈現逐漸減少的趨勢。

3 討論

本研究比較了Monaco計劃系統中7種不同計算網格尺寸條件下的計劃方案，并以計算網格尺寸2 mm為參考，結果表明，隨著計算網格尺寸數值的改變，PTV和危及器官的劑量也發生變化。計算網格尺寸的改變會影響劑量的計算，對于宮頸癌患者來說，雖然PTV體積較大，但危及器官也相對較多，計算網格尺寸的改變對PTV和危及器官產生的影響也會造成劑量的差異[11]。在計算中發現，對于PTV周圍的腸道存在部分空腔的計劃，計算網格尺寸的改變對PTV劑量影響較大[12]。空腔的存在會影響劑量的沉積，計算網格尺寸的改變在進行插值計算時由于計算點插值和體積平均效應的影響會導致計算誤差增大[13]。表明計算網格尺寸的大小對密度均勻的模體影響相對較小；對于宮頸癌患者來說，不僅有可能存在腸道空腔的影響，還有造影劑造成相對電子密度的改變，以及骨骼等使模體產生不均勻的客觀條件，都會造成在改變計算網格尺寸時劑量的明顯改變[14]。本研究中計算網格尺寸在3 mm時MU數相對降低，MU數的降低理論上減少了治療出束的時間[15]，對于治療前需要飲水的患者來說，治療時間的縮短也會減少治療過程中的憋尿時間。MU數的明顯減少，可以降低加速器輻射頭內的散射線，從理論上講，降低了二次致癌的概率[16-18]。

計算網格尺寸對放療計劃的計算和精度有重要的影響。郭栓栓等[11]在網格精度對不同腫瘤放療計劃影響中得出，對腹部腫瘤建議使用的計算網格尺寸為2～3 mm，與本研究結論相似。戴宛庭等[18]在肝癌立體定向放療（Stereotactic Body Radiationtherapy，SBRT）研究中得出計算網格尺寸為2 mm時最佳。宮頸癌病例中危及器官體積較大，且多為并聯危及器官，與SBRT的高精度要求相比，宮頸癌的最大劑量限值的權重相對較低。裴運通等[9]在Monaco計劃系統中研究計算網格尺寸對頭頸部腫瘤的影響時也得出，計算網格尺寸為3 mm時對計劃的優化是合適的，兼顧了計算精度與計算效率。

計劃計算耗時也是體現工作效率的指標之一[19-22]。本研究中，計算網格尺寸越小，計劃耗時越長。計劃系統中計算網格尺寸值為1～8 mm，由于計算網格尺寸采用1 mm時計算耗時太長，不適用于臨床實際工作，因此，本研究未對計算網格尺寸為1 mm進行統計計算，從計劃設計以及可實行角度，計算網格尺寸為3 mm時對于宮頸腫瘤較合適，這與郭栓栓等[11]在網格精度對不同腫瘤放療計劃影響報道中得到的結論類似。

4 結論

PTV和危及器官的評價指標隨著計算網格尺寸的改變表現出統計學差異性，因此，在Monaco計劃系統中設計宮頸癌VMAT計劃時需對計算網格尺寸加以選擇。本研究中計算網格尺寸為3 mm時，既能滿足PTV的各項評價指標（D98、Dmean、D2、MU、HI、CI），也能符合臨床對危及器官的限制要求。因此，在Monaco計劃系統中對宮頸癌進行VMAT優化時采用計算網格尺寸為3 mm是可行的，在滿足臨床劑量要求的同時提高了工作效率。