孫長江，李　軍,2，張西志，張先穩(wěn)，桂龍剛，陳雪梅

(1.蘇北人民醫(yī)院放療中心，江蘇 揚(yáng)州 225001；2.南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210016)

基于肝癌的VMAT與IMRT放療計(jì)劃的劑量學(xué)對比研究

孫長江1，李軍1,2，張西志1，張先穩(wěn)1，桂龍剛1，陳雪梅1

(1.蘇北人民醫(yī)院放療中心，江蘇 揚(yáng)州 225001；2.南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與工程系，江蘇 南京 210016)

[摘要]目的比較分析肝癌旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)放療(VMAT)計(jì)劃與固定野調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)計(jì)劃靶區(qū)及其周圍危機(jī)器官的劑量學(xué)差異。方法選擇36例肝癌患者的CT圖像數(shù)據(jù)，分別設(shè)計(jì)VMAT計(jì)劃、IMRT計(jì)劃，比較兩者的靶區(qū)劑量分布、危及器官受量、正常組織受量、機(jī)器跳數(shù)及治療時(shí)間等。結(jié)果VMAT計(jì)劃的靶區(qū)劑量最大值比IMRT計(jì)劃低(Z=2.090，P<0.05)；VMAT計(jì)劃的90%的處方劑量的適形指數(shù)比IMRT計(jì)劃小(Z=2.809，P<0.05)；VMAT計(jì)劃的正常肝組織的V30低于IMRT計(jì)劃(Z=2.395，P<0.05)；VMAT計(jì)劃的正常腎臟組織的V20低于IMRT計(jì)劃(Z=2.201，P<0.05)；VMAT計(jì)劃機(jī)器跳數(shù)是IMRT計(jì)劃的約40%，治療時(shí)間低于IMRT計(jì)劃的50%。結(jié)論2種治療計(jì)劃在劑量學(xué)上均能滿足臨床要求，并且劑量分布基本一致，VMAT計(jì)劃的適形指數(shù)比IMRT好，危及器官劑量比IMRT計(jì)劃略有降低，正常組織的低劑量區(qū)VMAT計(jì)劃與IMRT相比有先高后低的趨勢，并且機(jī)器跳數(shù)少，治療時(shí)間短，更值得臨床推廣應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]肝癌；旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)放療；固定野調(diào)強(qiáng)放療；劑量學(xué)

ResultsThe maximum value in the target region of the VMAT plan was lower than that of the IMRT plan (Z=2.090,P<0.05); the conformal index of 90% of prescription dose in the VMAT plan was smaller than that in the IMRT plan (Z=2.809,P<0.05); the V30of liver in the VMAT plan was lower than that in the IMRT plan (Z=2.395,P<0.05); the V20of kidney in the VMAT plan was lower than that in the IMRT plan (Z=2.201,P<0.05); the machine unit in the VMAT plan was 40% of that in the IMRT plan,the treatment time in the VMAT plan was lower than 50% in the IMRT plan.ConclusionTwo kinds of treatment plan can satisfy the clinical requirements on dosimetry and dose distribution; conformal index of the VMAT plan is better than IMRT plan; dose of organs at risk in the VMAT plan is lower than that in the IMRT plan; compared with the IMRT plan,low dose area of normal tissues in the VMAT plan has the tendency of high after the first low,and the less machine units,the short treatment time.

自Brahme[1]提出固定野調(diào)強(qiáng)放療(IMRT)技術(shù)以來，固定野調(diào)強(qiáng)(IMRT)被廣泛應(yīng)用于臨床放療。IMRT的問題是機(jī)器跳數(shù)多，治療時(shí)間長，接受低劑量照射的正常器官組織的體積大[2-3]。1995年Yu[4]第1次提出旋轉(zhuǎn)容積調(diào)強(qiáng)放療(volumetric modulated arc radiotherapy，VMAT)的概念，VMAT技術(shù)是通過控制機(jī)架的轉(zhuǎn)速和劑量率來實(shí)現(xiàn)劑量的疊加和調(diào)整，集旋轉(zhuǎn)治療和多葉光柵動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)治療優(yōu)點(diǎn)的放射治療模式。VMAT是在加速器機(jī)架連續(xù)旋轉(zhuǎn)的過程中利用動(dòng)態(tài)多葉光柵連續(xù)運(yùn)動(dòng)形成一系列子野，并配合通過改變劑量率形成可變的束流來完成的調(diào)強(qiáng)放療方式。本文旨在通過對比研究VMAT與IMRT這2種放療方式對肝癌的劑量學(xué)影響。

1材料與方法

1.1一般資料選取36例肝癌患者，男20例，女16例；年齡33～86歲，中位年齡53歲；腫瘤個(gè)數(shù)為1～5個(gè)；靶區(qū)體積112.33 ～2 856.64 cm3，中位靶區(qū)體積982.55 cm3。36例患者均有完整的CT圖像數(shù)據(jù)。

1.2設(shè)備模擬定位機(jī)購自日本Toshiba公司；16層螺旋大孔徑CT模擬機(jī)購自美國GE公司；IX醫(yī)用直線加速器和Eclipse 8.6三維治療計(jì)劃系統(tǒng)購自美國Varian公司。其中IX直線加速器攜帶的多葉光柵由60對葉片組成，光柵中心40對葉片每片寬度在等中心位置的投影為5 mm，兩端20對葉片每片寬度在等中心位置的投影為10 mm。葉片最大運(yùn)動(dòng)速度為2.5 cm·s-1，為保證機(jī)架旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定和安全，機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為每秒4.8度。

1.3CT影像獲取所有病例均采用仰臥位，且雙手上舉，用熱塑成形體膜固定于有孔碳纖維復(fù)合板上，并在患者的體表和體膜上做好定位標(biāo)記。在CT模擬機(jī)上進(jìn)行增強(qiáng)掃描。其中掃描層厚為5 mm，掃描范圍包括隔頂上5 cm到右腎下緣10 cm。掃描后將CT圖像通過ARIA網(wǎng)絡(luò)傳至Varian Eclipse 8.6三維治療計(jì)劃系統(tǒng)工作站上。

1.4靶區(qū)和危及器官勾畫及劑量要求由放療科醫(yī)生負(fù)責(zé)勾畫靶區(qū)和危及器官，靶區(qū)包括GTV和PTV，其中PTV由GTV前后、左右外放0.7 cm，上下外放1 cm而成。危及器官為減去PTV的正常肝臟、腎臟、脊髓外擴(kuò)3 mm。處方劑量均為50 Gy，分次劑量2 Gy，靶區(qū)要求歸一到99%的PTV體積最低受到95%(4 750 cGy)的處方劑量，PTV的最高劑量不超過5 500 cGy。參考文獻(xiàn)[5-11]的方法，觀察并記錄不同放療方案靶區(qū)劑量分布、危及器官受量、正常組織受量、機(jī)器跳數(shù)及治療時(shí)間等。

1.5計(jì)劃設(shè)計(jì)IMRT計(jì)劃均采用5野固定照射，機(jī)頭及治療床角度均為0度，多葉光柵運(yùn)動(dòng)方式采用滑窗式動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)，設(shè)置射野角度應(yīng)盡量避開穿過正常肝臟的體積和其他危及器官。劑量算法均為各向異性解析算法，計(jì)算網(wǎng)格為2.5 mm，由于治療床會影響劑量計(jì)算結(jié)果[9]，所以治療計(jì)劃設(shè)計(jì)均考慮治療床以保證劑量計(jì)算準(zhǔn)確。將各個(gè)患者的計(jì)劃進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化調(diào)整并計(jì)算，直至每個(gè)計(jì)劃均滿足劑量學(xué)要求。

VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)采用共面雙弧技術(shù)：第1個(gè)治療弧的機(jī)架從181度順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到179度，準(zhǔn)直器角度為340度；第2個(gè)治療弧機(jī)架從179度逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)至181度，準(zhǔn)直器角度為20度。準(zhǔn)直器形狀應(yīng)根據(jù)腫瘤大小與形狀自動(dòng)調(diào)整，PTV和危及器官的劑量限定條件與IMRT計(jì)劃相同，經(jīng)反復(fù)調(diào)整優(yōu)化條件并計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果滿足劑量要求為止。

1.6統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)量數(shù)據(jù)采用±s表示，比較采用Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)和Z檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2結(jié)果

2.1靶區(qū)劑量VMAT計(jì)劃的靶區(qū)劑量最大值比IMRT計(jì)劃低(Z=2.090，P<0.05)，說明VMAT計(jì)劃組能更好地控制劑量熱點(diǎn)。VMAT計(jì)劃的90%的處方劑量的適形指數(shù)比IMRT計(jì)劃小(Z=2.809，P<0.05)，說明VMAT計(jì)劃的適形指數(shù)比IMRT好。見表1。

表1　2種計(jì)劃的靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù)比較

注：2種計(jì)劃D2、V100、V105、V110、適形指數(shù)比較，Z=2.090、2.293、2.803、2.010、2.809，P均<0.05

2.2危及器官劑量VMAT計(jì)劃的正常肝組織的V30低于IMRT計(jì)劃(Z=2.395，P<0.05)。VMAT計(jì)劃的正常腎臟組織的V20低于IMRT計(jì)劃(Z=2.201，P<0.05)。見表2。

表2　2種計(jì)劃的危及器官劑量參數(shù)比較

注：2種計(jì)劃正常肝臟組織V30、正常腎臟組織V20比較，Z=2.395、2.201，P均<0.05

2.3機(jī)器跳數(shù)和治療時(shí)間VMAT計(jì)劃機(jī)器跳數(shù)是IMRT計(jì)劃的約40%，治療時(shí)間低于IMRT計(jì)劃的50%。見表3。

表3　2種計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)和治療時(shí)間比較

3討論

VMAT應(yīng)用于臨床以來，國外已經(jīng)報(bào)道過頭頸部和體部的病例。Clivio等[12]比較分析了VMAT計(jì)劃與IMRT計(jì)劃在肛管癌治療中的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)VMAT計(jì)劃不改變靶區(qū)劑量分布的情況下危及器官和正常組織受量優(yōu)于IMRT計(jì)劃。Cozzi等[7]所做宮頸癌VMAT計(jì)劃除了能達(dá)到IMRT計(jì)劃的靶區(qū)劑量分布外，靶區(qū)的適形度和均勻性更好，而危及器官和正常組織受量反而降低。關(guān)于肝癌的VMAT計(jì)劃還未見報(bào)道。本研究結(jié)果顯示，在靶區(qū)劑量分布和靶區(qū)適形度方面，VMAT計(jì)劃好于IMRT計(jì)劃，但是靶區(qū)的均勻性比較一致。在降低危及器官受量上，VMAT計(jì)劃比IMRT計(jì)劃略有降低，但是如果要保證某一器官接受最低的劑量，IMRT計(jì)劃可以人為設(shè)置完全避開野，而VMAT計(jì)劃旋轉(zhuǎn)過程中散射線的影響較大，因而實(shí)際治療時(shí)可能不如IMRT計(jì)劃。與IMRT相比，正常組織的低劑量區(qū)VMAT具有先高后低的趨勢，本研究比較了5～30 Gy的低劑量區(qū)，得出分界點(diǎn)大約在15 Gy。VMAT計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)是IMRT計(jì)劃的約40%，治療時(shí)間也明顯減少，使加速器的出束利用率得到顯著提高，同時(shí)增加腫瘤細(xì)胞殺傷效應(yīng)，減少患者治療過程中自主或不自主運(yùn)動(dòng)造成的誤差，對圖像引導(dǎo)下的治療有重要意義。VMAT綜合了多葉光柵動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)和旋轉(zhuǎn)治療的優(yōu)點(diǎn)，是一種自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)[13]。由于VMAT計(jì)劃需要優(yōu)化的變量多、求解空間大，射線質(zhì)可選外，VMAT的實(shí)施參數(shù)還包括旋轉(zhuǎn)弧的數(shù)目、機(jī)架轉(zhuǎn)速、葉片運(yùn)動(dòng)速度和峰值劑量率，而IMRT計(jì)劃僅僅考慮固定野的機(jī)架角度、準(zhǔn)直器角度和多葉光柵等。本研究結(jié)果顯示，VMAT計(jì)劃的優(yōu)化調(diào)整時(shí)間大約是IMRT計(jì)劃的3～7倍，另外VMAT計(jì)劃采用直接子野優(yōu)化法[14]，與傳統(tǒng)IMRT優(yōu)化強(qiáng)度分布不同，由于包括加速器物理限制參數(shù)在內(nèi)的可變優(yōu)化參數(shù)較多，使得子野優(yōu)化過程較復(fù)雜，比較耗時(shí)。Otto等[15]對子野優(yōu)化算法進(jìn)行了改良，提高了優(yōu)化效率。而VMAT計(jì)劃通常需要使用多弧治療模式，并設(shè)置機(jī)架旋轉(zhuǎn)的起始和終止角度、治療床角度、準(zhǔn)直器角度、多葉光柵的限制條件、治療計(jì)劃的優(yōu)化限制條件等，其計(jì)劃設(shè)計(jì)復(fù)雜，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

本研究表明，2種計(jì)劃劑量分布基本一致，VMAT計(jì)劃的適形指數(shù)比IMRT好。在降低危及器官方面兩者各有優(yōu)勢，與IMRT相比，正常組織低劑量區(qū)VMAT計(jì)劃具有先高后低的趨勢，VMAT計(jì)劃具有較少的總機(jī)器跳數(shù)和總治療時(shí)間短的優(yōu)勢，這樣就減少了治療過程中不確定性因素影響及患者不適感[16]。而且對加速器的劑量投射而言，VMAT計(jì)劃具有更高的效率，推薦使用VMAT。

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DOI:10.3969/j.issn.1673-5412.2015.05.018

[中圖分類號]R735.7;R730.55

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1673-5412(2015)05-0421-04

基金項(xiàng)目：江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(編號：1002012C)

作者簡介：孫長江(1972-)，男，主任醫(yī)師，主要從事腫瘤放療工作。E-mail: scjly@aliyun.com

通信作者：李軍(1975-)，男，博士在讀，高級工程師，主要從事腫瘤放射物理學(xué)研究。E-mail: lijun19751000@sina.com

(收稿日期：2014-11-30)

Dosimetric Comparison Between VMAT and IMRT for Liver Cancer

Sun Changjiang1,Li Jun1,2,Zhang Xizhi1,Zhang Xianwen1,Gui Longgang1,Chen Xuemei1

(1.RadiotherapyCenter,NorthernJiangsuPeople’sHospital,Yangzhou225001,China;2.Departmentof

NuclearScienceandEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautic,Nanjing210016,China)

[Abstract]ObjectiveTo compare the dosimetric differences of the target volume and the surrounding organ at risk between volumetric modulated arc radiotherapy (VMAT) and fixed field intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans for liver cancer.MethodsThe CT image data of 36 patients with liver cancer were observed,the VMAT plan and the IMRT plan were designed,the target dose distribution of the two plans,organs at risk affected by quantity,normal tissue by volume,the number of machine unit and treatment time of the two plans were compared.

[Key words]liver cancer; volumetric modulated arc radiotherapy; fixed field intensity-modulated radiation therapy; dosimetry