放療計劃參數對劑量驗證計劃γ通過率的相關性研究

游鴻強

隨著放療技術的發展，現如今放療技術能夠精確定位、精確計劃、精確治療。調強放療（intensity-modulated radio therapy，IMRT）和容積旋轉調強放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術普遍用于腫瘤患者的治療中[1-2]。IMRT 能更好保護關鍵器官、鄰近器官受照劑量小、可調整射束強度、子野序列等，使靶區劑量分布均勻；VMAT 兼具IMRT 的優勢，在多數腫瘤中可體現靶區均勻劑量與高度合適的形度，具有高效快捷優勢，更好保護危及器官并縮短治療時間[3]。由于在治療計劃中，涉及較多的動態變化參數，增加了整個計劃的不確定性，如射束調制程度越高，射野越復雜，子野形狀越不規則，會導致治療計劃的劑量驗證結果越差[4-5]。因此需要通過計算并調整計劃參數，提高放療計劃的安全性和可靠性[2]。本研究通過探索射野復雜性的差異，比較IMRT 和VMAT 2 種技術與γ 通過率的相關性，為臨床治療計劃設計提供參考，以期為以后放療技術在實施過程中的射野參數的調整優化的標準制定提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2019年11月—2021年9月福建腫瘤醫院放療中心收治的184 例放射治療的頭頸部腫瘤患者（甲狀腺癌63 例、鼻咽癌42 例、舌癌31 例、上頜竇癌48 例）。納入標準：接受了放療的頭頸部腫瘤患者，且放療計劃信息完整。排除標準：放療計劃信息不完整，且圖像序列不完整，存在偽影。其中85 例采用IMRT 計劃，男性40 例，女性45 例，平均年齡（45.00±12.82）歲；99 例采用VMAT 計劃，男性52 例，女性47 例，平均年齡（48.00±13.43）歲。2 種放療計劃患者的一般資料比較，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。

1.2 方法

1.2.1 儀器設備

直線加速器為VersaHD 加速器（Eleta，Sweden），配備AgilityTM 多葉準直器（Eleta，Sweden），射線能量為6 MV。計劃系統選用Monaco 5.10。驗證設備為ArcCHECK（Sun Nuclear 公司，USA），半導體探頭數量1 386 個，矩陣直徑21 cm，矩陣長度21 cm，測量范圍20 cm×20 cm，探頭最小間距1.0 cm。

1.2.2 劑量驗證方法

通過使用VersaHD 加速器上的電子射野影像裝置分別對IMRT 和VMAT 計劃進行計量驗證，得到每個計劃的γ通過率。采用絕對劑量模式，分析標準選取1%/1 mm，2%/2 mm 和3%/3 mm 進行比較，閾值設定為10%。

1.3 觀察指標

分別將85 例采用IMRT 計劃、99 例采用VMAT 計劃的資料按醫學數字成像及通信文件格式導出，并使用基于python，自主編寫的的程序讀取相關的射野復雜度指標進行射野復雜度指標計算。基于多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC）分別計算計劃標準跳數（plan normalized MU，PMU）、平均調制復雜度分數（modulation complexity score，MCS）、計劃平均射野面積（plan averaged beam area，PA）、計劃平均射野不規則性（plan averaged beam irregularity，PI）、計劃平均射野調制（plan averaged beam modulation，PM）。MCS 的值域為0 ～1，MCS 值越大射野復雜度越低，反之越小表明射野中子野形狀不規則程度越高，子野面積變異程度越大，射野越復雜。PA 值越小，射野越復雜。PI 值能反映射野的狹窄程度，PI 值越大，射野越狹窄形狀越不規則，射野越復雜。

1.4 統計學處理

采用SPSS 23.0 統計學軟件進行數據分析。計量資料以（±s）表示，組間比較采用獨立樣本均數t檢驗；計數資料以n（%）表示，采用χ2檢驗。對所有射野復雜度指標和計劃γ 通過率進行Spearman 相關性檢驗，相關性系數的絕對值|r|越大表明兩變量之間的相關性越強。|r|＜0.4 為弱相關，|r|在0.4～0.7為中度相關，|r|＞0.7為強相關。檢驗水準α＝0.05。

2 結果

2.1 IMRT 計劃和VMAT 計劃在不同γ 分析標準下的γ 通過率

85 例患者采用IMRT 計劃，99 例患者采用VMAT 計劃，分別驗證γ 通過率，VMAT 計劃在1%/1 mm 標準下γ通過率低于IMRT 計劃，差異有統計學意義（P＜0.05）；2 種計劃在2%/2 mm、3%/3 mm 標準下γ 通過率比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。2 種計劃在1%/1 mm 標準下γ 通過率較低，在3%/3 mm 標準下γ 通過率較高。見表1。

表1 IMRT 計劃和VMAT 計劃在不同γ 分析標準下的γ 通過率（%，±s）

表1 IMRT 計劃和VMAT 計劃在不同γ 分析標準下的γ 通過率（%，±s）

計劃1%/1 mm2%/2 mm3%/3 mm IMRT（n ＝85）58.88±7.9090.59±5.1998.64±1.00 VMAT（n ＝99）54.71±4.6190.72±2.8497.02±1.71 t 值4.0213.9272.832 P 值0.0050.1720.211

2.2 IMRT 計劃和VMAT 計劃的不同射野復雜度指標比較

IMRT 計劃和VMAT 計劃的不同射野復雜度指標中，VMAT 計劃的PMU、PI、PM 均大于IMRT 計劃；VMAT計劃的MCS、PA 小于IMRT 計劃，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 IMRT 計劃和VMAT 計劃的不同射野復雜度指標比較（±s）

表2 IMRT 計劃和VMAT 計劃的不同射野復雜度指標比較（±s）

計劃PMUMCSPAPIPM IMRT（n ＝85）707.04±259.410.26±0.1660.74±13.8015.45±1.540.73±0.17 VMAT（n ＝99）882.21±123.430.16±0.0553.79±8.4732.54±4.560.82±0.05 t 值1.2214.8215.3822.9122.933 P 值0.0210.0050.028＜0.0010.031

2.3 IMRT 和VMAT 計劃基于射野復雜度指標與γ 通過率不同標準下的相關性

Spearman 相關性檢驗結果表明，85 例患者IMRT 計劃中，射野復雜度指標與γ 通過率呈不同程度的相關性。在1%/1 mm 標準下，PMU、MCS、PM 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r| ≤0.7，P＜0.05）；在2%/2 mm 標準下，MCS、PM 和γ 通過率呈弱相關性（|r|＜0.4，P＜0.05），PMU 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 標準下，PMU、MCS、PM 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）。3 種γ 分析標準下，PA、PI 與γ 通過率均無相關性（P＞0.05）。見表3。

表3 85 例患者IMRT 計劃基于射野復雜度指標與γ 通過率不同標準下的相關性

Spearman 相關性檢驗結果表明，99 例患者VMAT 計劃中，射野復雜度指標與γ 通過率呈不同程度的相關性。在1%/1 mm 標準下，PMU、PI 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05），MCS、PM 和γ 通過率呈強相關性（|r|＞0.7，P＜0.05）；在2%/2 mm 標準下，PMU、MCS、PI、PM 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 標準下，PMU、MCS、PM、PI 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）。3 種γ 分析標準下，PA 與γ 通過率均無相關性（P＞0.05）。見表4。

表4 99 例患者VMAT 計劃基于射野復雜度指標與γ 通過率不同標準下的相關性

3 討論

由于IMRT 和VMAT 包含不同強度的復雜射野，參數多且容易變化，計劃復雜度高，容易發生錯誤導致劑量的不準確。有研究表明，射野復雜度與計劃質量和執行精度有著密切的關系，過高的射野復雜度會增加多葉光柵（multileaf collimator，MLC）漏射和散射劑量，延長治療時間和降低計劃通過率；而射野通量調制不足則影響靶區和危及器官劑量目標的實現[6-7]。治療計劃的射束調制程度越高，射野越復雜，子野形狀越不規則，小面積子野越多，治療計劃的劑量驗證結果越差[8]。多種情況下，均表明在治療前，需對治療計劃進行驗證，以保證為保障患者的生命安全，并保證劑量傳遞的準確性。

γ 分析方法是一種定量比較的常用方法，是用于治療前計劃質量檢查常用的比較指標[9]。本研究在通用劑量閾值10% 的條件下，采用3 種劑量偏差/ 一致性距離（dose deviation/ distance to agreement，DD/DTA）評價標準組合（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）進行了基于相對劑量模式下的全局劑量歸一的γ 指數分析，γ 通過率最好≥95% 或最低≥90%[10-11]。本研究通過IMRT 和VMAT 2 種計劃分別通過ArcCHECK 進行劑量驗證，結果表明，閾值選擇10%，2 種計劃在3%/3 mm標準下平均γ 通過率較高，在2%/2 mm 標準下，通過率雖有所下降，但平均γ 通過率均＞90%。

在射野復雜度指標的應用中，需在計劃設計的過程中，根據射野復雜度指標優化設計參數，用于減少復雜子野[12-14]。而射野復雜度指標可以作為減少劑量驗證工作量的輔助工具，如對于實際劑量驗證來說，低復雜性的計劃可能更需要較少的驗證，通過復雜度指標可提前關注到有較大可能性無法通過劑量驗證的計劃，以及時采取干預措施[15]。本研究分析了在IMRT 計劃和VMAT 計劃中的不同射野復雜度指標，結果表明，VMAT 計劃的PMU、PI、PM 均大于IMRT 計劃，說明VMAT 計劃中跳數多，射野越狹窄形狀較不規則；VMAT 計劃的MCS、PA 小于IMRT 計劃，說明VMAT 計劃中射野中子野形狀不規則程度較高，子野面積變異程度較大。2 種計劃的不同射野復雜度指標比較差異有統計學意義（P＜0.05）。因此從不同射野復雜度指標中的比較結果分析，VMAT 計劃中射野較復雜。

有研究表明，若IMRT 計劃越復雜，其組成射野的子野形狀越不規則，子野形狀的變異越大，小面積子野越多，狹長野、孤島野越多，機器跳數越高[16-17]。因此本研究又對2 種計劃中的射野復雜度指標與γ 通過率進行相關性分析。在IMRT 計劃中Spearman 相關性檢驗結果表明，射野復雜度指標與γ 通過率呈不同程度的相關性。在2%/2 mm 標準下，MCS、PM 和γ 通過率呈弱相關性（|r| ＜0.4，P＜0.05），PMU 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r| ≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 標準下，PMU、MCS、PM和γ通過率呈中度相關性（0.4≤|r|≤0.7，P＜0.05）。PA、PI 與γ 通過率均無相關性（P＞0.05）。在VMAT 計劃中Spearman 相關性檢驗結果表明，射野復雜度指標與γ 通過率呈現出不同程度的相關性。在2%/2 mm 標準下，PMU、MCS、PI、PM 和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 標準下，PMU、MCS、PM、PI和γ 通過率呈中度相關性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）。PA 與γ 通過率均無相關性（P＞0.05）。

綜上所述，采用ArcCHECK 驗證IMRT 計劃和VMAT計劃，通過電子射野影像裝置，得出射野復雜度指標與γ通過率具有不同程度的相關性，因此推薦臨床可在劑量驗證前調整射野指標來輔助設計放療計劃。