Eclipse計劃系統計算網格大小對腦膠質瘤VMAT計劃影響分析

王天賦，李星月，馬明旭，許海燕，關大維，高峰，宮瑾

首都醫科大學附屬北京天壇醫院 放射治療科，北京 100070

引言

腦膠質瘤是顱內最常見的原發中樞神經系統惡性腫瘤，幾乎所有患者都面臨復發風險，放療是膠質瘤術后主要的治療方式[1-2]。當前我科放療患者治療物理技術為容積旋轉調強治療（Volume Modulated Arc Therapy，VMAT），相比調強放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），VMAT 具有執行時間短，危及器官受量低等特點。Varian Eclipse 計劃系統通過光子束優化器（Photon Optimizer，PO）算法進行快速VMAT優化，優化過程通過調節Gantry 旋轉、劑量率、多葉準直器（Multi Leaf Collimator，MLC）形狀以及一些特定函數。優化共分為4 個水平（Level），每個水平本質是通過調整漸進分辨率（Multi Resolution，MR）實現最終的劑量分布。計劃優化初控制點已經加好，并且在優化過程中控制點是確定不變的，計劃系統從優化初到優化結束在劑量體積直方圖劑量分布具有明顯的一致性[3-5]。研究表明，MR 影響計劃優化的過程，劑量計算網格（Dose Calculation Grid Size，DCGS）影響計劃計算的結果。采取不同的計算網格最后展現的劑量計算結果不同[6-8]。選取小網格優化計劃，計算精度越高，但計算時間成倍增加[9-14]。膠質瘤放療有許多體積小的危及器官，如晶體、視神經、視交叉、垂體。目前靶區與體積小的危及器官對于計算網格切換是否存在高度敏感性尚未有明確結論。基于此，本研究旨在探討不同的劑量計算網格對膠質瘤VMAT 計劃的劑量差異，以期為臨床選取適宜的計算網格提供依據。

1 VMAT優化MR原理

VMAT 計劃優化過程是計劃系統將射野分為眾多小的Arc 段，這些Arc 段通過控制點分成許多小射束來確定Gantry 角度、MLC 形狀和MU 權重。在隨后的每個Level 中，系統都會成倍增加Arc 段（圖1），隨著分辨率的遞增與Level 的遞進，精確度逐漸增加。

圖1 VMAT優化MR示意圖

2 資料與方法

2.1 一般資料

回顧性選取2021 年9 月至2022 年6 月我院收治的行VMAT 計劃的膠質瘤患者33 例，其中男性18 例、女性15 例，年齡18～62 歲，平均年齡44 歲，中位年齡44 歲。

納入標準：① 經病理證實為腦膠質瘤；② 治療前完善術后腦MRI，明確腫瘤切除程度；③ 放療前血常規、血生化在規定范圍內；④ Karnofsky 評分均＞60 分。排除標準：① 未行開顱手術或活檢；② 不能配合完成放化療；③ 身體有其他系統疾病；④ 有遠處轉移、淋巴轉移。

2.2 靶區勾畫及處方設定

患者定位采用SIEMENS SOMATOM Definition AS大孔徑CT，（Q-Fix）頭架20°、A 枕。固定面網Orift UON?HEAD MASK 熱塑模。CT 掃描層厚3 mm，掃描范圍從顱頂到C3。

所有患者均由同一主任醫生采用CT 圖像融合MRI圖像勾畫臨床靶區（Clinical Tumor Volume，CTV）。計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）由CTV 二維方向外擴0.3 mm 得到。危及器官包括腦干、左/右側視神經、左/右側晶體、視交叉。處方劑量為60 Gy，單次劑量2 Gy，共30 次。

2.3 計劃設計

采用Eclipse 13.6 計劃系統，VMAT 優化采用PO，點劑量計算用各向異性算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA），體積劑量計算用光子劑量算法（Acuros External Beam，AXB）。醫用電子直線加速器型號為Varian C 系列Trilogy，6 MV 光子線對33 例患者行VMAT 計劃設計。根據PTV 在顱內情況，設置全弧或部分弧VMAT 計劃。優化參數不變的情況下，對1.25、2.50、5.00 mm 3 種不同劑量計算網格分別設計3 組計劃（1.25 mm 組、2.50 mm 組、5.00 mm 組）。

靶區劑量要求處方覆蓋率＞95%，與靶區有交集的OAR 相對劑量要求低于靶區總劑量的105%，晶體相對劑量低于13%。1 例患者布野、靶區、危及器官示意圖如圖2 所示。

2.4 劑量參數獲取

考慮到1.25 mm 劑量計算網格精細，本研究以1.25 mm 組為參考，分別比較3 種劑量網格下CTV 的最大劑量（Dmax）、最小劑量（Dmin）、平均劑量（Dmean），PTV 的Dmax、Dmin、Dmean。

危及器官劑量參數包括Dmax、Dmean。具體劑量參數從體積直方圖獲取，見圖3。

圖3 3種不同劑算網格體積直方圖

2.5 統計學分析

使用SPASS 24.0 統計軟件進行數據分析，計量資料采用±s表示，組間比較采用t檢驗，因每例患者的處方劑量以及危及器官受量的絕對偏差有較大差異，本文采用相對偏差[相對偏差=（A-B）/A]進行比較（以1.25 mm 為基礎，分別用2.50 mm 組與1.25 mm 組、5.00 mm 與1.25 mm 的數據對比得出結果），分析計劃優化時間，該時間只包括計劃開始優化到計劃優化結束的時間，目標函數迭代計算完畢，不包括臨床實際調整計劃的時間，實際臨床計劃時間還要增加，以P＜0.05為差異有統計學意義。

3 結果

3.1 靶區劑量分布、危及器官受量和機器跳數比較

如表1 所示，5.00 mm 組軀干Dmax均顯著高于1.25 mm 組和2.50 mm 組，1.25 mm 組的PTV Dmin均顯著高于2.50 mm 組和5.00 mm 組，1.25 mm 組的CTV Dmin均顯著高于2.50 mm 組和5.00 mm 組，5.00 mm 組的CTV Dmax均顯著高于1.25 mm 組和2.50 mm 組。3 組其他靶區劑量指標比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。

表1 靶區劑量分布（±s）

表1 靶區劑量分布（±s）

注：PTV：計劃靶區；CTV：臨床靶區；CI：靶區適形度指數。

靶區劑量評估指標1.25 mm組2.50 mm組5.00 mm組1.25 mm組vs.2.50 mm組1.25 mm組vs.5.00 mm組2.50 mm組vs.5.00 mm組t值P值t值P值t值P值軀干Dmax/cGy6629.14±75.06 6617.71±69.91 6692.57±81.93 0.562 0.288 -3.328 0.001 -4.052 ＜0.001軀干Dmean/cGy1642.23±348.69 1727.69±650.35 1647.24±352.20 -0.651 0.258 -0.023 0.4900.6340.264 PTV Dmin/cGy5056.30±268.84 4883.72±235.36 4885.17±217.58 2.816 0.003 2.885 0.002 -0.0260.489 PTV Dmean/cGy6182.50±43.62 6189.14±43.17 6196.76±45.75 -0.631 0.265 -1.354 0.090 -0.7240.236 CTV Dmin/cGy5361.56±226.40 5079.29±229.29 5073.22±199.72 5.108 0.001 5.292 0.0010.1120.456 CTV Dmax/cGy6622.94±80.94 6612.10±73.42 6678.71±81.81 0.578 0.283 -3.038 0.002 -3.628 ＜0.001 CTV Dmean/cGy6203.28±51.01 6210.20±50.85 6217.57±54.52 -0.560 0.289 -1.189 0.119 -0.6130.271

如表2 所示，3 組危及器官受量和機器跳數比較差異均無統計學意義（P＞0.05）。

表2 危及器官受量和機器跳數（±s）

表2 危及器官受量和機器跳數（±s）

評估指標1.25 mm組2.50 mm組5.00 mm組1.25 mm組vs.2.50 mm組1.25 mm組vs.5.00 mm組2.50 mm組vs.5.00 mm組t值P值t值P值t值P值腦干D max/cGy5500.62±1321.88 5492.57±1314.68 5542.10±1287.86 0.025 0.490 -0.134 0.447 -0.160 0.437腦干Dmean/cGy2390.23±1190.24 2389.83±1209.36 2411.62±1212.67 0.001 0.499 -0.076 0.470 -0.078 0.469左側晶體Dmax/cGy413.17±227.14 403.81±223.88 425.23±240.12 0.171 0.432 -0.230 0.409 -0.410 0.342左側晶體Dmean/cGy302.02±144.85 299.38±145.60 310.73±154.20 0.075 0.470 -0.260 0.398 -0.339 0.368右側晶體Dmax/cGy417.93±220.40 403.01±214.99 420.03±229.07 0.283 0.389 -0.042 0.483 -0.341 0.367右側晶體Dmean/cGy301.52±145.50 296.61±143.41 302.72±148.53 0.140 0.444 -0.036 0.486 -0.185 0.427左側視神經Dmax/cGy 3097.76±2225.14 2981.05±2233.54 3057.57±2237.01 0.216 0.415 0.079 0.469 -0.151 0.440左側視神經Dmean/cGy 1968.20±1673.91 1946.50±1691.57 1957.23±1656.09 0.053 0.479 0.029 0.489 -0.228 0.489右側視神經Dmax/cGy 3252.96±2467.03 3233.99±2495.06 3288.65±2508.52 0.032 0.487 -0.064 0.475 -0.098 0.461右側視神經Dmean/cGy 2196.54±1849.74 2246.61±1890.67 2229.29±1882.0 -0.110 0.456 -0.078 0.469 0.041 0.484視交叉Dmax/cGy5095.01±1777.63 5057.71±1837.13 5094.09±1801.46 0.085 0.466 0.002 0.499 -0.090 0.464視交叉Dmean/cGy4103.16±1796.62 4080.49±1834.66 4110.20±1813.68 0.051 0.480 -0.017 0.493 -0.074 0.471機器跳數237.59±19.21236.44±21.44238.74±21.87 0.162 0.436 -0.177 0.430 -0.354 0.363

3.2 靶區劑量相對偏差

由表3 可知，1.25 mm 組與2.50 mm 組、5.00 mm 組的CTV Dmin、PTV Dmin靶區劑量相對偏差較大，其他靶區劑量參數相對偏差較小。

表3 靶區劑量相對偏差（%）

3.3 危及器官受量相對偏差

從表4 可知，1.25 mm 組與2.50 mm 組、5.00 mm組的左側晶體、左側視神經、右側視神經的相對偏差較大。

表4 危及器官劑量相對偏差（%）

3.4 機器跳數相對偏差

從表5 可知，1.25 mm 組與2.50 mm 組、5.00 mm組的機器跳數相對偏差均較小。

表5 機器跳數相對偏差（%）

3.5 計劃優化時間比較

1.25 mm 組、2.50 mm 組、5.00 mm 組計算網格平均計劃優化時間分別為95、45、25 min，1.25 mm 組計劃優化時間明顯短于2.50 mm 組和5.00 mm 組。

4 討論

本研究主要分析Eclipse 計劃系統優化VMAT 計劃時，選取不同的劑量計算網格對臨床腦膠質瘤放療患者產生劑量方面的影響，結果表明，Eclipse 計劃系統選取不同計算網格會對靶區及危及器官產生物理劑量變化。1.25 mm 計算網格優化VMAT 計劃時間是2.50 mm 計算網格的2 倍，是5.00 mm 計算網格的3.8 倍，建議選取2.50 mm 劑量計算網格進行VMAT 優化。目前國內尚鮮見劑量網格選取對膠質瘤放療產生劑量學方面的影響。對比不同計劃系統，陳飛虎等[15]研究表明，Pinnacle3 計劃系統，物理劑量會隨劑量計算網格變大而減小，與本研究結果不一致，本研究中Eclipse13.6 VMAT PO 優化算法得出小的計算網格會使靶區高量變低，靶區最小劑量增大，而危及器官劑量增大。郭隆佳等[16]研究表明，相同計劃系統Eclipse，雖然腫瘤位置不同，但結果類似，小計算網格能改善劑量準確性，并且能提高靶區劑量，與本研究結果一致。

目前，雖然有研究報道小網格插值為線性，計算精度較高，但還需要大量的臨床計劃驗證來證明大網格計算的計劃帶來的劑量影響是否可以完全符合條件用于臨床[17-18]。驗證計劃準確性需要用到當前的三維驗證設備，如Delta4、Compass 和Arc check[19-21]，雖然這些驗證設備采集VMAT 劑量時是三維，其實際Gamma 分析時還是將三維的劑量展開化為二維劑量分布，采用一定數目的劑量點來進行劑量驗證。首先這種劑量驗證方式采樣點少，也不能完全還原醫用電子直線加速器實際出束劑量與計劃系統計算劑量進行對比。其次，實際Gamma分析中設置距離、劑量百分比差異，是在規定范圍規定劑量限值內如果驗證設備與治療計劃系統對應的劑量點劑量相近，這種距離和劑量差異的設置是否會導致不同劑量計算網格帶來的影響差異被消除，有待進一步驗證。當前三維重建劑量驗證在逐步應用于臨床，Gamma分析采樣點多，同時可以還原靶區、危及器官的實際受量[22-24]。未來，還需研究計算網格對靶區體積大小是否存在敏感，找出劑量網格大小對體積范圍的影響，以及通過Arc-Check 實際測量醫用電子直線加速器出束劑量，聯合3DVH 系統重建三維劑量來與治療計劃系統采取不同計算網格得出的計算劑量進行對比，為臨床提供依據。

5 結論

綜上所述，腦膠質瘤放射治療中Eclipse 計劃系統選取不同計算網格會對靶區及危及器官產生物理劑量變化，選取小劑量計算網格，靶區劑量高量降低，靶區最小劑量增高，單從靶區劑量角度來考慮，效果更佳，但是小的劑量計算網格會導致危及器官劑量受量增高，臨床計劃設計時，如果選取小計算網格，建議增大危及器官限量權重或者降低危及器官受量限值來平衡。從VMAT 計劃優化時間來考慮，1.25 mm 計算網格優化VMAT 計劃時間是2.50 mm 計算網格的2 倍，是5.00 mm計算網格的3.8 倍。綜合考慮，建議選取2.50 mm 劑量計算網格進行VMAT 優化。