旋轉擺位誤差在單等中心容積旋轉調強技術（VMAT）治療多發腦轉移中的靶區劑量評估

中圖分類號：R144

文獻標志碼：A

腦轉移瘤是常見的顱內腫瘤，約 9%～17% 的腫瘤患者都會發生腦轉移，盡管確切的發病率被認為更高[1-2]。在發生腦轉移的患者中，約 60%～ （2070% 為多發腦轉移[3]。放射治療是腦轉移瘤的重要治療方法[4]，尤其是多發腦轉移患者。立體定向放射治療由于治療范圍小，正常組織劑量低，治療時間短，是目前治療多發腦轉移的主要技術手段[5-6] 。

基于直線加速器的單中心、多靶點立體定向放射治療技術可以達到基于伽馬刀或射波刀的多中心放療技術相似的劑量分布，目前被臨床上廣泛采用[7-8]。此技術的缺點是靶區劑量覆蓋率對旋轉擺位誤差的敏感性，靶區距離等中心越遠，靶區體積越小，這種影響越為顯著。先前關于定位精度的研究表明，各種固定系統中的旋轉偏差不確定性范圍很廣，并報告了大于 5^° 的旋轉不確定性[9-11]。佐川等人[12]使用錐形束計算機斷層掃描（Cone beam Computed Tomography，CBCT）配準信息來調整三維旋轉偏差，他們的結論顯示殘余的旋轉偏差會導致不可忽略的計劃靶區（PlanningTargetVolume，PTV）劑量不足。旋轉偏差可以通過六維治療床來矯正[13]，沒有六維床的單位則只能通過增加PTV外放距離來解決。外放的距離跟腫瘤的大小、與等中心的距離相關[14]，但目前尚無針對旋轉擺位誤差對不同腫瘤體積大小、與等中心距離的靶區劑量覆蓋率的影響程度，以及推薦外放距離的系統性研究。

本研究的目的是通過改變多發腦轉移腫瘤體積大小和到等中心的距離，在治療計劃系統上模擬已知角度的旋轉來評估旋轉擺位誤差在單等中心容積旋轉調強技術（VolumeModulatedArcTherapy，VMAT）治療多個腦病灶中的靶區劑量影響，同時對通過增加腫瘤區（Gross TumorVolume，GTV）外擴來減少旋轉擺位誤差的影響進行了定量分析，以期對臨床多發腦轉移的放射治療提供參考。

1 材料和方法

采用本單位臨床中一名多發腦轉移患者在治療過程中采集的CT圖像，掃描機器為飛利浦大孔徑螺旋斷層掃描機（BrillianceBigBoreCT），掃描參數為 120kV，300mA ，層厚為 1mm 。在執行后續所有操作前已對圖像進行了匿名化處理。

在原始圖像上，以全腦中心為計劃中心原點，分別沿 x （左右） ?_?y （面背）和 z （頭腳）軸以 1cm 的固定間距放置不同直徑大小（ 1cm.2cm.3cm） 的虛擬腫瘤球體（GTV），原點不放置腫瘤。根據人體解剖結構和臨床實踐，最大距離設置為 6cm 。直徑為 1cm、2cm、3cm 的虛擬腫瘤分別從距原點1cm.2cm.3cm 處開始放置，PTV由相應GTV外擴 1mm 生成。與等中心距離相同且直徑相等的三個方向的三個靶區被劃歸為一組，故計劃設計總數為15組。

結合臨床實踐，對于超過 2^° 的旋轉擺位誤差，一般應對患者進行重新定位，故本研究只對 2^° 以內的旋轉擺位誤差進行評估。使用Python（3.7版）的transforms3d庫編寫腳本對患者CT圖像進行旋轉處理，將圖像分別沿俯仰（Pitch）、翻滾（Roll）、偏航（Rotation）三個方向各自單獨旋轉0.5^°，1^°，1.5^° 和 2^° ，得到共12組旋轉后的圖像。將在原始圖像上勾畫的結構轉換為高分辨率模式，之后復制到與原始圖像剛性配準的旋轉圖像上。

在原始圖像中設計放療計劃，治療機器為瓦里安EDGE直線加速器，能量模式為6MV非均整模式（FlatteningFilter-Free，FFF），劑量率為1200MU/min ，劑量計算算法為各向異性解析算法（AnisotropicAnalyticAlgorithm，AAA），計算網格為 1.25mm 。采用兩個共面弧和一個非共面弧的VMAT計劃（如圖1所示）。距靶區組0.3、0.8、1.3和 2cm 處創建劑量限值環結構，用于優化劑量跌落，使 100% 的處方劑量覆蓋 95% 的計劃靶區體積，圖2為靶區直徑 1cm 時的劑量分布。將原始計劃分別復制到12個旋轉圖像上并重新進行劑量計算，以模擬旋轉擺位誤差對劑量分布的影響。

分別統計不同靶區直徑、靶區中心與等中心距離情形下原始計劃和模擬計劃中的靶區覆蓋率（由于Pitch方向改變對 x 軸無影響，故 x 方向無需統計Pitch方向數據，相應地， y 方向無需統計Roll方向數據， z 方向無需統計Rotation方向數據），并計算靶區覆蓋率變化。

最后，通過增加GTV外擴距離至 2mm 生成新的PTV，重復上述實驗條件設計放療計劃，并統計結果。

2結果

GTV外擴 1mm 得到PTV時，不同旋轉角度下模擬計劃相較于原始計劃的PTV和GTV劑量覆蓋率變化如圖3所示。觀察圖3數據可以發現，隨著旋轉角度的增加，PTV劑量覆蓋率呈現明顯的降低趨勢，GTV劑量覆蓋率的變化趨勢總體與PTV一致，但數值較PTV時有明顯減小。當旋轉為 2^° 時覆蓋率減少最多，在Pitch、Roll和Rotation方向，PTV劑量覆蓋率變化最大可達-19% ！ -26% 和 -32% ，GTV劑量覆蓋率變化最大可達 -5%.-14% 和 -15% 。

不同靶區直徑、與等中心距離情形下模擬計劃相較于原始計劃的PTV和GTV覆蓋率變化分別如圖4和圖5所示。觀察數據可以發現，隨著靶區與等中心距離的增加，靶區劑量覆蓋率呈現降低趨勢，靶區體積越小，這種趨勢越顯著。當距離為 6cm 時， 1cm.2cm 和 3cm 直徑靶區的PTV劑量覆蓋率變化最大可達 -32%.-14% 和 -10% ，相應GTV的劑量覆蓋率變化最大可達 -17% ！-8% 和 -5% 。

GTV外擴 2mm 得到PTV時，不同旋轉角度下模擬計劃相較于原始計劃的GTV劑量覆蓋率變化如圖6所示。觀察圖6數據可以發現，GTV劑量覆蓋率隨旋轉角度增大而降低的趨勢得到顯著改善，均在 -5% 以內。當旋轉角度為 2^° 時劑量覆蓋率減少最多，在Pitch、Roll和Rotation方向也僅為 -1%.-3% 和 -5% 。不同靶區直徑、與等中心距離情形下原始計劃和模擬計劃中的GTV劑量覆蓋率變化如圖7所示。由圖7可見，所有實驗情形中GTV劑量覆蓋率變化均在 -5% 以內，當距離為6cm 時劑量覆蓋率減少最多， 1cm?2cm 和 3cm 直徑靶區的GTV劑量覆蓋率變化分別為 -5% ！-1% 和 -1% 。

3討論

傳統的三維放射治療床只允許在 x，y 和 z 軸上進行運動，而無法糾正旋轉偏差。六維治療床可以矯正 3^° 以內的旋轉偏差，但結合我國國情，仍有很多醫療單位尚不具備此條件。旋轉偏差的存在，會給臨床劑量傳輸帶來很大的不確定性[15-17]在使用單等中心、多靶點技術治療多個病灶時，這種不確定性尤為顯著。本研究對使用單等中心VMAT治療多個腦部病灶時，旋轉擺位誤差對劑量分布的影響進行了系統評估，同時對通過增大GTV外擴這一方式來改善旋轉擺位誤差的影響進行了定量分析。

對于使用單等中心VMAT治療多個腦部病灶的患者，本研究的結果表明，靶區劑量覆蓋率變化的趨勢隨著旋轉偏差的增加和靶區中心到等中心距離的增加而增大；對于給定的旋轉偏差和距離，體積較小的靶區比體積較大的靶區受到的影響更為顯著。這是因為旋轉偏差將使靶區產生各向異性的徑向偏移，從而使靶區的劑量覆蓋率發生變化，在較大的徑向距離處，這種偏移也會更大。對于給定的旋轉偏差，靶區覆蓋率變化對于Pitch、Roll和Rotation是不同的，這是由于偏移在各個平面上的徑向距離不同所致。Roper等人[研究發現 0.5^° 的旋轉偏差對單等中心VMAT技術PTV劑量覆蓋率沒有顯著影響（均在 -5% 以內），而2.0^° 的旋轉誤差對PTV劑量覆蓋率有顯著影響，與本研究的結果一致。圖3展示了GTV外擴1mm 得到PTV時，旋轉偏差導致的PTV和GTV劑量覆蓋率變化的詳細數據。觀察圖3可以看到，當旋轉為 2^° 時，在Pitch、Roll和Rotation方向，PTV劑量覆蓋率變化最大可達 -19%.-26% 和-32% ，GTV劑量覆蓋率變化最大可達 -5%.-14% 和 -15% ，這是臨床實踐中不可接受的結果。假設臨床對GTV劑量覆蓋率的容差值為 -5% ，從圖5中可以看到，當靶區體積為 1cm.2cm 和 3cm 時，靶區與等中心的距離應分別不能超過 3cm.5cm 和 6cm 。

如上所述，將旋轉偏差對靶區劑量覆蓋率的影響降低到容差范圍內是非常重要的，尤其當腫瘤位置靠近關鍵危及器官時，可以將等中心設置在更靠近較小靶區的位置，但很少有研究傾向于這么做并且給出放置到處距離的定量結果。臨床立體定向放射治療（SRT），PTV通常設置為GTV外擴 1mm ，以將高劑量集中在GTV上并最大限度地減少對周圍正常組織的劑量[18-19]。當引人旋轉擺位誤差時，通過增加GTV外擴的方式可以實現臨床需要的靶區劑量覆蓋率。本研究通過定量分析，發現當使用GTV外擴 2mm 設置PTV時， 2^° 以內的旋轉偏差對GTV劑量覆蓋率變化的影響均在-5% 以內，詳見圖6和圖7。但這種方式會使大腦受到額外的高劑量照射，在治療結束后可能引發腦組織放射性壞死[20-21]。也有研究報道，在 SRT中使用 2mm 外擴生成的 PTV^[22] 。因此，對于多發腦轉移患者，要根據靶區的尺寸、與等中心的距離，結合臨床旋轉擺位誤差和容差選擇合適的外擴大小。其他可以選擇的方法還有為遠離等中心且腫瘤周圍沒有關鍵危及器官的小病灶分配更高的風險處方劑量，或使用雙等中心VMAT計劃（根據病灶的分布位置，將大腦分成兩個體積相等的區域）等[23]

本研究的不足之處在于為了方便評估，將靶區理想化地設置為球體，但臨床實踐中靶區的形狀通常更為不規則；此外本研究僅針對旋轉擺位誤差進行了探討分析，未組合加入沿垂直軸方向的誤差所帶來的影響。在未來的研究中，需要考慮靶區的實際形狀，同時也應綜合考慮旋轉擺位誤差和沿垂直軸方向的誤差或其組合在使用單等中心VMAT治療多發腦轉移患者時對劑量分布的影響。

4結論

在使用單等中心VMAT治療多發腦轉移患者時，靶區劑量覆蓋率變化的趨勢隨著旋轉偏差的增加和靶區中心到等中心距離的增加而增大；對于給定的旋轉偏差和距離，體積較小的靶區比體積較大的靶區受到的影響更為顯著。在臨床中觀察到較大的旋轉偏差時，建議使用六維治療床來糾正旋轉偏差或重新定位。沒有六維治療床的單位，可根據靶區的尺寸、與等中心的距離，結合臨床旋轉擺位誤差和容差選擇合適的GTV外擴。

參考文獻：

[2」閆昱竹，佟丹，張秀梅，等．各同同性谷積掃描技木TI加權成像與液體衰減反轉伙復序列T2加權成像在腦轉移 瘤診斷中的應用[J]．中華放射學雜志，2013，47（6）：555-558. YAN Yuzhu，TONG Dan，ZHANG Xiumei，et al.Application of isotropic volume scanning technique T1 weighted imaging andliqud attenuation reversalrecoverysequence T2 weighted imaging in the diagnosis of brain metastases[J].Chinese Journal of Radiology，2013，47（6） ： 555-558.

[3］邵倩，孫濤，李建彬，等．多發腦轉移瘤同期加量適形調強與序貫適形放療計劃不同劑量參數比較[J]．中華放射 醫學與防護雜志，2009，29（4）：410-411. SHAO Qian，SUN Tao，LI Jianbin，et al. Comparison of diferent dose parameters between simultaneous dose escalation and sequential conformal radiotherapy plans for multiple brainmetastases[J].Chinese Journal of Radiological Medicine and Protection，2009，29（4）：410-411.

[4］李勇，潘綿順，邱書珺，等．非小細胞肺癌腦轉移瘤的立體定向放射治療[J]．中華神經外科雜志，2014，30（7）： 711-714. LI Yong，PAN Mianshun，QIU Shujun，et al. Therapeutic efect of stereotactic radiotherapy for brain metastases of nonsmall cell lung cancer[J]. Chinese Journal of Neurosurgery，2014， 30（7） ： 711-714.

[5]Chang IIE.PhaseIIrandomized clinical trialofradiosurgerywithorwithout wholebrainirradiation inpatientsnewly diagnosedwith1to3brainmetastases[J].International JournalofRadiationOncology，Biology，Physics，2O08，72（1）.

[6]Hanna SA，Mancini A，Dal ColAH，etal.Framelessimage-guidedradiosurgery for multiple brain metastasis using VMAT： A review and an institutional experience[J]. Frontiers in Oncology，2O19，9： 703.

[7]Krc RF，RyckmanJ，ThomasE，etal.Dosimetriccomparisonof hyperarc single-isocenter multi-targetand gammaknife based stereotactic radiosurgery for a patient with 53 brain metastases[DB/OL].（2022-02-11）[2024-08-13].https：// assets.cureus. com/uploads/abstract/pdf/726/20220211-22049-1x4tfyz. pdf.

[8]Jung H，YoonJ，Dona LemusO，etal.DosimetricevaluationofLINAC-based single-isocenter multi-target multi-fraction stereotactic radiosurgery with more than 2O targets：comparing MME，HyperArc，and RapidArc[J].Radiation Oncology， 2024，19：19.

[9]GuckenbergerM，MeyerJ，Vordermark D，etal.Magnitudeand clinical relevanceof translationalandrotational patient setup errors：A cone-beam CT study[J]. International Journal of Radiation Oncology，Biology，Physics，2O06，65（3）： 934-942.

[10]vanSantvort J，WiggenraadR，BosP.Positioning accuracyinstereotacticradiotherapyusingamask system withadded vacuum mouth piece and stereoscopic X-raypositioning[J]. International Journal of Radiation Oncology，Biology， Physics，2008，72（1） ：261-267.

[11]RosenfelderNA，Corsini L，McNair H，etal.Achieving therelocationaccuracyof stereotactic frame-basedcranial radiotherapyina three-point thermoplastic shellJ].Clinical Oncology（Royal CollegeofRadiologists（Great Britain））， 2013，25（1） ： 66-73.

[12] Sagawa T，Ohira S，Ueda Y，etal.Dosimetric effectof rotational setup erors in stereotacticradiosurgery withHyperArc for singleand multiple brain metastases[J]. Journal of Applied Clinical Medical Physics，2019，20（10）：84-91.

[13] XU Hui，ZHANG Zunhao，TIANBo，et al.Evaluationof corrective effctof6 degree offreedomcouch on setuperrors in intensity modulatedradiotherapy for postoperativerectal cancer patients[J]．Frontiers in Oncology，2O23，13：1030599.

[14]Nakano H，Tanabe S，UtsunomiyaS，etal.Efectof setuperorinthesingle-isocenter techniqueonstereotactic radiosurgery for multiple brain metastases[J].Journal of Applied Clinical Medical Physics，2020，21（12）：155-165.

[15]ChangJ.Astatisticalmodelforanalyzingtherotationalerorofsingleisocenterformultipletargets technique[J]Medical Physics，2017，44（6）： 2115-2123.

[16]RoperJ，Chanyavanich V，Betzel G，etal.Single-isocenter multiple-targetstereotacticadiosurgery：Riskofcomproised coverage[J]. International Journal of Radiation Oncology，Biology，Physics，2015，93（3）： 540-546.

[17]Selvan KT，Padma G，RevathyMK，etal.Dosimetricefectofrotational setuperorsinsigle-isocentervolumetricmodulated arc therapy of multiple brain metastases[J]. Journal of Medical Physics，2019，44（2） ： 84-90.

[18]RuggieriR，Naccarato S，MazzolaR，etal.Linac-basedVMATradiosurgeryfor multiple brain lesions：Comparison betweena conventional mult-isocenter approach and a new dedicated mono-isocenter technique[J].Radiation Oncology， 2018，13（1）：38.

[19] Fujimoto D，vonEyben R，Gibbs IC，etal.Imagingchangesover18 months following stereotactic radiosurgeryfor brain metastases：Both lateradiation necrosis and tumorprogressioncanoccurJ]．Journalof Neuro-oncology，2018，136（1）： 207-212.

[20] Boothe D，Young R，Yamada Yo shia，etal.Bevacizumabasa treatment forradiation necrosis of brain metastases post stereotactic radiosurgery[J]. Neuro-oncology，2013，15（9）：1257-1263.

[21]Kirkpatrick JP，WANG Zhiheng，Sampson JH，etal.Defining the optimal planning target volume in image-guided stereotacticradiosurgeryof brain metastases：resultsof arandomized trialJ].International Journalof Radiation Oncology， Biology，Physics，2015，91（1）：100-108.

[22] Nakazawa H，Mori Yoshima，Komori M，et al.Simulational studyof a dosimetric comparison between a Gamma Knife treatment planandanintensity-modulated radiotherapy plan for skullbase tumors[J]．Journal of Radiation Research， 2014，55（3）： 518-526.

[23] Palmiero AN，CritchfieldL，St Clair W，et al.Single-isocenter volumetric modulatedarc therapy（VMAT）radiosurgery formultiple brain metastases：Potential loss of target（s）coverage due to isocenter misalignment[J].Cureus，2020，12 （10）：e11267.

Dose evaluation of the rotation setup deviation in the single-isocenter volume modulated arc therapy for multiple brain metastases

HOU Lingtong，YAO Shengyu， FAN Shengyun （Department of Radiation Oncology，Cancer Center，Shanghai General Hospital， Shanghai Jiao Tong University School of Medicine，Shanghai ）

Abstract：The dose of the rotation setup deviation in single-isocenter VMAT for multiple brain lesions was evaluated by simulating rotations of known degrees （0.5^°，1^°，1.5^° ，and 2^° ） on the treatment planning system with varying tumor volume size （ ¹cm， 2cm ，and 3cm ）and distance to isocenter （up to 6cm ）.A quantitative analysis of reducing the effect of the rotation setup deviation by increasing the tumor volume margin was done.With the increase of the rotation angle，the dose coverage ofPTV decreased significantly，which was less for GTV.Asthe distance from the isocenter increased，the dose coverage rate decreased，and the smaler the target volume， the more significant it was. When the GTV was marginned by 2mm ，the decreasing trend of GTV dose coverage was significantly improved，all within -5% . It is recommended to use a six-dimensional couch top to correct the rotation setup deviation when using single-isocenter VMAT to treat patients with multiple brain metastases.For the organizations without a six-dimensional couch top，the appropriate margin should be considered according to the size of the target volume，the distance from the isocenter，and the clinical rotation setup deviation and tolerance.

Key Words： rotation setup deviation； single-isocenter;multiple brain metastases；six-dimensional couch top