對偶弧功能在宮頸癌VMAT計劃中的應用

馮永富，龍雨松，譚軍文，賀先桃，李鋼，王占宇

柳州市工人醫院 腫瘤科，廣西 柳州 545005

引言

宮頸癌是常見婦科惡性腫瘤之一，術后放射治療可有效降低腫瘤局部復發率，延長患者生存時間[1]。調強放療已成為治療宮頸癌重要的放療手段，容積旋轉調強放療（Volumetric Intensity Modulated Arc Therapy，VMAT）是在調強適形放療的基礎上發展起來的一種新的放射治療技術，在保護危及器官、減少機器跳數（Monitor Units，MU）、提高靶區適形度及治療效率等方面有較大優勢[2-5]。目前，對單弧、雙弧VMAT劑量學的相關研究已有較多報道[6-9]，而有關雙弧與對偶弧的對比研究尚鮮見報道。本文基于Raystation計劃系統制作雙弧與對偶弧VMAT計劃，對比2類計劃的靶區和危及器官的劑量學參數、計劃跳數及子野形狀等，分析對偶弧對宮頸癌VMAT計劃劑量學的影響，探討適用于宮頸癌雙弧VMAT計劃的方式，旨在為臨床放射治療計劃設計提供一定的理論參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2020年12月至2021年5月于柳州市工人醫院腫瘤科接受放射治療的宮頸癌術后患者20例作為研究對象，年齡28～81歲，中位年齡50歲。按照國際婦產科聯盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）宮頸癌分期（2018版）標準：ⅠB期2例、ⅡA期6例、ⅡB期4例、ⅢB期1例、ⅢC1p期7例。

1.2 靶區定位

患者體位固定為仰臥位，雙臂置于額頭上方，熱塑體膜固定，使用西門子大孔徑CT進行掃描，掃描范圍為胸10至坐骨結節下3 cm，層厚5 mm。根據ICRU 83號報告[10]，由放療物理師勾畫臨床靶區（Clinical Target Volume，CTV），并外擴5 mm得到計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）。勾畫的危及器官（Organs at Risk，OAR）包括直腸、膀胱、股骨頭、小腸等。處方劑量為50.4 Gy/28次，PTV D95%≥50.4 Gy。危及器官劑量體積限值分別為直腸V50＜50%、膀胱V50＜50%、股骨頭 V50＜5%、小腸 V50＜15%。

1.3 治療設備

治療設備為瓦里安Trilogy直線加速器，具有60對多葉光柵（Multi Leaf Collimator，MLC），中間40對在等中心處投影為5 mm，其余為10 mm。加速器使用6 MV光子線，劑量率為50～600 MU/min的可變劑量率，多葉光柵最大速度設置為2.25 cm/s。

1.4 計劃設計

制作VMAT計劃時，根據需求可創建單弧和多弧計劃。科室擁有Raysearch公司的Raystation 4.7.5.4計劃系統。該系統的RayArc模塊具有對偶弧功能[11]，可在手動創建第1個弧后自動創建第2個弧，該治療弧方向與第1個弧相反，兩個對偶的弧即形成對偶弧，弧的鎢門大小及位置、劑量率等由計劃系統自動調節[12]。RayArc模塊中雙弧優化步驟：弧每隔24°產生一個通量圖；每個通量圖轉化為2～4個初始控制點；過濾小的控制點，留下2個初始控制點分布到相鄰機架角度；通過在弧上克隆初始控制點實現所需的最終每個控制點間的機架角度。對偶弧優化步驟中不同的是，通量圖轉化為5個初始控制點，且在轉換步驟中創建4個初始控制點（MLC開口），而不是單個弧中的2個，從通量圖中保留了更多的信息。此外，2個對偶弧的MLC開口互補，可減少MLC的移動距離[13]。

使用Raystation進行VMAT計劃制作，每例患者重新制作雙弧（A1和A2兩個弧均為手動創建）和對偶弧（手動創建A1，勾選對偶弧功能自動創建A2）計劃，均為2個共面全弧，第1個弧A1為179°～181°（逆時針），第2個弧A2為181°～179°（順時針），A1和A2的準直器角度均為10°，控制點間距為3°，控制點為120個，計算網格為3 mm×3 mm。為減少誤差，使用系統腳本勾畫輔助線、創建計劃及運算，優化條件及優化次數一致，且所有計劃為同一臨床醫師制作。計劃的優化使用Raystation多目標優化（Multi-Criterion Optimization，MCO）算法。

1.5 計劃評估

結合劑量分布和劑量體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）進行評估。計劃質量比較前，將所有計劃靶區劑量歸一至其中最高的PTV處方劑量百分比（97.8%）處。靶區評估參數包括：D2%（2%的靶體積的受照劑量）、D50%和D98%、V50.4,Body（處方劑量為50.4 Gy時覆蓋正常組織的體積）、適形度指數（Conformity Index，CI）和均勻性指數（Homogeneity Index，HI）。

危及器官評估參數：直腸和膀胱的V30（接受30 Gy劑量的體積）、V40、V50和Dmean（平均劑量）；股骨頭的V20、V30、V40和 Dmean；小腸的V20、V30、V40、V50和Dmean。最后分析2種計劃的子野形狀。

1.6 統計學分析

采用SPSS 22.0進行數據分析，計量資料采用±s或中位數（四分位）表示，Spapiro-Wilk檢驗數據正態性，符合正態分布的數據采用配對樣本t檢驗，不符合正態分布的數據采用非參數配對Wilcoxon符號秩檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 2種計劃的劑量分布圖與DVH比較

2種計劃的劑量分布如圖1所示，圖1a和圖1b中綠色區域為60%～70%處方劑量，雙弧計劃中綠色區域明顯多于對偶弧計劃，圖1c為雙弧計劃減去對偶弧計劃的劑量分布，整體上橙/紅色面積較藍色面積多，PTV中無顏色顯示，膀胱、股骨頭和直腸中主要為橙/紅色區域。如圖2所示，對偶弧計劃中正常組織和危及器官受照劑量均低于雙弧計劃，而PTV受量高于雙弧計劃。

圖1 雙弧與對偶弧計劃的劑量分布圖

圖2 雙弧與對偶弧計劃的DVH圖

2.2 2種計劃PTV劑量參數、機器跳數和治療時間

對偶弧計劃的PTV D50%較雙弧計劃高，差異具有統計學意義（P＜0.05），2種計劃的PTV D2%和D98%無統計學差異（P＞0.05）。對偶弧計劃V50.4,Body較雙弧計劃減少，CI較雙弧計劃提高，差異均有統計學意義（P＜0.05），而2種計劃的HI無統計學差異（P＞0.05）。對偶弧計劃跳數較雙弧增加，差異有統計學意義（P＜0.05），2種計劃的治療時間差異無統計學意義(P＞0.05)（表1）。

表1 2種計劃PTV劑量參數、機器跳數和治療時間比較

2.3 2種計劃的OAR劑量參數

對偶弧計劃的膀胱受量低于雙弧計劃，差異有統計學意義（P＜0.05）。小腸除V20外，對偶弧計劃中其他參數均較雙弧計劃降低，差異有統計學意義（P＜0.05）。兩種計劃的股骨頭Dmean和V20無統計學差異（P＞0.05），而對偶弧計劃中V30和V40較雙弧計劃降低，差異有統計學意義（P＜0.05）。直腸除V50外，對偶弧計劃的其他參數均較雙弧計劃降低，差異有統計學意義（P＜0.05），見表2。

表2 2種計劃OAR劑量參數比較

2.4 2種計劃的子野形狀

由于VMAT計劃子野較多，故在機架角為179°、90°、0°和270°時各取1個子野。雙弧計劃（圖 3a～d）中A1（左側）與A2（右側）子野鎢門的X1、X2、Y1和Y2大小幾乎一致，圖3b～d中A1與A2的射野形狀相似。對偶弧計劃（圖3e～h）中A1子野鎢門較A2大，A1子野開口偏X1側，而A2子野偏X2側，A1與A2子野之間大多呈左右互補的形狀，見圖3。

圖3 雙弧與對偶弧計劃的子野形狀

3 討論

VMAT是一種新的調強放療技術，直線加速器執行VMAT計劃時，其MLC開口形狀、劑量率和機架轉速均可能發生變化。相較于傳統的三維適形和靜態調強放療技術，VMAT技術可以減少放療計劃的出束時間，提高CI的同時保護OAR。

目前多位學者研究了雙弧VMAT技術在放療中的應用，如葛雙等[14]比較了宮頸癌雙弧VMAT在Monaco計劃系統中采用正常組織優先與靶區優先兩種優化模式的劑量學差異；張惠玲等[15]比較了全弧VMAT和分段弧VMAT治療胸中段食管癌的劑量學差異；周云瀧等[16]研究了VMAT的單雙弧照射技術與靜態固定野調強技術在早期非小細胞肺癌治療計劃的劑量學差異；龔長飛等[17]研究了逐次優化算法的自動雙弧VMAT技術在食管癌放療中的應用。以上研究表明，雙弧VMAT計劃中雙弧與對偶弧的設置是否對宮頸癌放療計劃的質量產生影響，是一個值得探討的問題。

本研究采用Raystation計劃系統提供的對偶弧功能，在Trilogy加速器上分別設計雙弧與對偶弧VMAT計劃，比較2種計劃的劑量學差異。本研究結果表明，雙弧和對偶弧計劃均能滿足臨床要求，對偶弧計劃的PTV D50%高于雙弧計劃，對偶弧計劃靶區CI優于雙弧計劃，雖然對偶弧計劃跳數較雙弧計劃增加，但2種計劃的治療時間并無顯著差異；對偶弧計劃中大多數OAR劑量分布優于雙弧計劃，表明通過使用對偶弧功能可以改善計劃質量。

鄭莉萍等[18]比較了舌癌術后單野雙弧和雙野雙弧兩種VMAT計劃的射野設置方式，結果顯示，單野雙弧計劃的 D98%、D50%、D2%、D5%、Dmean劑量、HI和 CI均優于雙野雙弧計劃；OAR方面，單野雙弧計劃的喉和咽縮肌平均量低于雙野雙弧計劃，與本研究結果一致。此外，本文中對偶弧計劃投照到正常組織的處方劑量體積減少，而D98%無差異，表明對偶弧計劃將更大比例的射線投射到了PTV內。投射到正常組織的劑量由每個子野的MLC開口控制，故總MU增加并不代表投射到正常組織內總劑量的增加。對偶弧總機器跳數增加，而V50.4,Body減少，說明對偶弧計劃的MLC開口更小，其調節能力更強。2種計劃的劑量率均為50～600 MU/min的可變劑量率，對偶弧計劃總機器跳數增加而治療時間卻與雙弧計劃無統計學差異，說明對偶弧計劃的劑量率可能更高。

在雙弧計劃中，每個弧的特性可由用戶定義，例如，起始/終止角度、機架角度間隔、準直器角度、鎢門固定位置等。如果2個弧的機架覆蓋角度一致，則轉換時2個弧的通量可能非常相似，從而導致控制點相似，所以本文中雙弧計劃A1與A2子野鎢門大小及MLC開口形狀相似。手動多在設置多個弧適合在弧的覆蓋角度不同或個性化的鉛門設置時使用[19]。

對偶弧計劃將控制點分配給圓弧時，算法考慮了控制點沿X軸的重心和葉片的行程。這會使一個弧開口在MLC左側，另一個弧開口在MLC右側，從而使葉片行程最小[10]，與本研究中對偶弧計劃的A1子野開口偏X1側，A2子野開口偏X2側對應。直腸、膀胱等OAR將PTV分為左右兩側，雙弧計劃為確保好的覆蓋率，控制點的開口將創建在OAR的兩側，此時MLC需要在OAR上來回移動，過程中便增加了直腸、膀胱、小腸等OAR的受照劑量。而采用對偶弧計劃時，一個弧聚焦在PTV左側，另一個弧聚焦在PTV右側，減少了OAR上的MLC開口，進而減少了OAR的照射劑量。

但本研究中病例數僅為20例，未來還需要更多病例來證實對偶弧功能。宮頸癌為腹部盆腔腫瘤，對偶弧是否對頭頸部/胸部腫瘤的放療計劃質量有提升，值得進一步研究。

4 結論

對于宮頸癌VMAT計劃設計，雙弧計劃和對偶弧計劃均能實現較好的靶區覆蓋，但對偶弧計劃適形度更優，且使用對偶弧功能可以進一步降低多數OAR的受照劑量，而計劃出束時間幾乎一致，即宮頸癌雙弧VMAT計劃制作過程中建議使用對偶弧功能，可提升放療計劃質量。