陳 菲，張 確，李政歡

（1．中山大學(xué)新華學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州510520；2．岳陽(yáng)市一人民醫(yī)院腫瘤科放療中心，湖南岳陽(yáng)414000；3．中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院腫瘤放射治療科，廣州510630）

0 引言

宮頸癌占中國(guó)女性惡性腫瘤的13%，發(fā)病率達(dá)到9/10萬(wàn)左右，嚴(yán)重威脅女性健康[1]。手術(shù)是治療宮頸癌的首選方案，術(shù)后放療可有效延長(zhǎng)患者生存時(shí)間并降低腫瘤的局部復(fù)發(fā)率[2-3]。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療(volumetric modulated arc therapy，VMAT)技術(shù)是近年來(lái)新興的放療技術(shù)之一[4]。VMAT可以在臂架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)改變機(jī)架和多葉準(zhǔn)直器(multi-leaf collimator，MLC)的運(yùn)動(dòng)速度、MLC的形狀和輸出劑量率來(lái)完成劑量的動(dòng)態(tài)調(diào)制，最終形成高度適形靶區(qū)的劑量分布[5]。宮頸癌VMAT技術(shù)在優(yōu)化靶區(qū)劑量分布和保護(hù)危及器官方面均比調(diào)強(qiáng)放療(intensitymodulated radiation therapy，IMRT)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)[6]。影響VMAT劑量學(xué)參數(shù)的因素很多，包括控制點(diǎn)和弧數(shù)目、計(jì)算網(wǎng)格的大小和擺位誤差等[7-9]。目前，VMAT技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于宮頸癌的治療，被認(rèn)為是提高宮頸癌患者局部控制率和總生存率的重要手段。

VMAT計(jì)劃的優(yōu)化一般分為2步進(jìn)行：第一步是根據(jù)約束函數(shù)優(yōu)化出理想的通量圖；第二步是在考慮MLC的形狀和臂架角度的轉(zhuǎn)換順序后優(yōu)化出實(shí)際可執(zhí)行的MLC序列。在進(jìn)行VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)參數(shù)(臂架旋轉(zhuǎn)弧長(zhǎng)、弧數(shù)目、臂架角度間隔等)的設(shè)置對(duì)計(jì)劃質(zhì)量存在一定的影響[10-12]。臂架角度增量(increment of gantry，IG)是Monaco計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，其將VMAT計(jì)劃弧長(zhǎng)劃分為一定數(shù)量的扇形，在每個(gè)扇形內(nèi)葉片運(yùn)動(dòng)方向保持一致，在相鄰下一個(gè)扇形內(nèi)葉片往相反方向運(yùn)動(dòng)，從而增加葉片往返運(yùn)動(dòng)的效率。目前關(guān)于IG參數(shù)的研究鮮有報(bào)道。本研究探索不同IG數(shù)值對(duì)宮頸癌VMAT計(jì)劃質(zhì)量的影響，找到最佳的IG，以為臨床應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 病例資料

回顧性選取20例宮頸癌術(shù)后行VMAT患者的臨床資料，年齡38～68歲，中位年齡53．6歲，病理診斷為鱗狀細(xì)胞癌16例、腺癌4例，臨床分期為T(mén)1期10例、T2期7例、T3期3例。所有患者均采用真空負(fù)壓袋固定，選取仰臥位，采用Philips大孔徑CT模擬機(jī)進(jìn)行定位掃描，掃描電壓140 kV，掃描層厚3 mm。根據(jù)ICRU 62號(hào)報(bào)告，宮頸癌術(shù)后臨床靶區(qū)(clinical target volume，CTV)的范圍包括盆腔淋巴引流區(qū)域、陰道殘端高危區(qū)域、陰道旁軟組織區(qū)域。計(jì)劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)為CTV在三維方向上均勻外擴(kuò)5 mm的區(qū)域。危及器官勾畫(huà)范圍包括直腸、膀胱、股骨頭。PTV處方劑量為45 Gy/25次，要求45 Gy等劑量曲線覆蓋95%的靶區(qū)體積。

1.2 計(jì)劃設(shè)計(jì)

IG數(shù)值決定了治療弧的扇形劃分，IG數(shù)值越大，生成扇形的數(shù)目越少。如圖1所示，當(dāng)IG為40°時(shí)VMAT計(jì)劃360°全弧劃分成9個(gè)寬度相等的扇形區(qū)域，在每一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)MLC實(shí)現(xiàn)從一側(cè)沿相同方向運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)，在下一個(gè)扇形區(qū)域MLC則往相反方向運(yùn)動(dòng)，MLC依次在不同扇形區(qū)域完成往返運(yùn)動(dòng)直至治療結(jié)束。

圖1 IG參數(shù)在VMAT計(jì)劃優(yōu)化中的作用示意圖

在Monaco 5．11計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)，使用Versa-HD型直線加速器(Elekta有限公司，瑞典)6 MV光子線進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化和設(shè)計(jì)。VMAT計(jì)劃采用單弧360°，機(jī)架起止角度為-180°～180°。計(jì)劃的最大控制點(diǎn)數(shù)為150，最小子野寬度為5 mm。使用蒙特卡羅(Monte Carlo，MC)算法進(jìn)行劑量計(jì)算。MC算法的每個(gè)控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)不確定度為3%，劑量計(jì)算網(wǎng)格的大小為3 mm。每個(gè)病例分別使用10°、20°、30°和40°IG優(yōu)化得到4個(gè)VMAT計(jì)劃，計(jì)劃對(duì)應(yīng)命名分別為IG10、IG20、IG30、IG40，其余參數(shù)和約束函數(shù)保持不變。計(jì)劃函數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 宮頸癌VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)約束函數(shù)

1.3 計(jì)劃評(píng)估

PTV評(píng)價(jià)包括以下指標(biāo)：平均劑量(Dmean)、2%靶區(qū)體積劑量(D2)、98%靶區(qū)體積劑量(D98)、45 Gy劑量的靶區(qū)覆蓋(target coverage，TC)率，靶區(qū)均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)和適形性指數(shù)(conformity index，CI)。根據(jù)ICRU 83號(hào)報(bào)告[11]，HI和CI分別由公式(1)和(2)計(jì)算得出：

式中，D2近似為最大劑量；D98近似為最小劑量；D50為中位劑量；TV為PTV的體積；TVRI為處方劑量所包含的靶區(qū)體積；VRI為處方劑量線所包含的總體積。CI值越接近1表示靶區(qū)適形性越好，HI值越小表示靶區(qū)劑量越均勻。

比較危及器官(直腸、膀胱、左右側(cè)股骨頭)的Dmean和最大劑量(Dmax)。同時(shí)記錄治療機(jī)器跳數(shù)、控制點(diǎn)數(shù)和計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)VMAT計(jì)劃的執(zhí)行效率。計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間定義為治療機(jī)從射線出束到治療計(jì)劃執(zhí)行結(jié)束的時(shí)間。

1.4 計(jì)劃驗(yàn)證

使用MapCHECK2(SNC公司，美國(guó))商用二維矩陣對(duì)本研究的所有計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證，通過(guò)治療計(jì)劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)計(jì)算的劑量平面和二維平板探測(cè)器在加速器測(cè)量的劑量平面對(duì)比，計(jì)算全局絕對(duì)劑量Gamma值和計(jì)劃的Gamma通過(guò)率。為消除低劑量信號(hào)的影響，Gamma值計(jì)算時(shí)的劑量閾值下限設(shè)置為10%。采用3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)對(duì)驗(yàn)證的結(jié)果分別進(jìn)行分析與比較。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

以臨床常用的IG30計(jì)劃的結(jié)果作為參照組，IG10、IG20和IG40計(jì)劃的結(jié)果分別與其進(jìn)行比較分析，采用SPSS 22．0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，P＜0．05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 靶區(qū)劑量和危及器官劑量

IG10計(jì)劃TC和正常組織劑量均滿足不了臨床要求[TC率為0．94±0．00，低于臨床要求的95%；D2為(60．48±3．70)Gy，超過(guò)臨床要求的49．5 Gy]，詳見(jiàn)表2。圖2為一典型患者在不同VMAT計(jì)劃的劑量體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)，從圖中也可以明顯看到當(dāng)IG取值為10°時(shí)，DVH已完全不符合臨床的各項(xiàng)要求。

表2 不同VMAT計(jì)劃的PTV劑量學(xué)參數(shù)(n=20)

圖2 1例典型宮頸癌患者在不同VMAT計(jì)劃的DVH

IG20計(jì)劃和IG30計(jì)劃相比，D98、TC率及HI稍差，左、右側(cè)股骨頭的Dmax稍低(P＜0．05)。IG40計(jì)劃和IG30計(jì)劃相比，除了IG40計(jì)劃的右側(cè)股骨頭的Dmean稍高(P＜0．05)外，其余劑量參數(shù)均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。詳見(jiàn)表2、3。

表3 不同VMAT計(jì)劃的危及器官劑量學(xué)參數(shù)(n=20)單位：Gy

2.2 執(zhí)行效率

VMAT計(jì)劃?rùn)C(jī)器跳數(shù)隨著IG的增大而減小，控制點(diǎn)數(shù)隨著IG的增大而增加，IG30計(jì)劃和IG40計(jì)劃的控制點(diǎn)數(shù)差異較??；IG30計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間最短，為(111．0±6．1)s，IG20、IG40計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間的差別在10 s以內(nèi)，詳見(jiàn)表4。圖3是20例分別應(yīng)用不同IG參數(shù)優(yōu)化的VMAT計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間箱形圖，IG10計(jì)劃執(zhí)行效率最低，其余3組差異不大，IG30計(jì)劃執(zhí)行效率最高。

圖3 20例患者在不同IG參數(shù)下的VMAT計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間箱形圖

表4 不同VMAT計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)、控制點(diǎn)數(shù)和計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果(n=20)

2.3 計(jì)劃驗(yàn)證結(jié)果

在3%/3 mm、3%/2 mm和2%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)下的不同VMAT計(jì)劃測(cè)量的Gamma通過(guò)率詳見(jiàn)表5。結(jié)果表明，在不同標(biāo)準(zhǔn)下IG10計(jì)劃驗(yàn)證結(jié)果均顯著偏低(P＜0．05)。IG20、IG30和IG40計(jì)劃在不同標(biāo)準(zhǔn)下的Gamma通過(guò)率均符合臨床要求，除了IG20在3%/2 mm標(biāo)準(zhǔn)下比IG30計(jì)劃的Gamma通過(guò)率高之外，IG30計(jì)劃在其余標(biāo)準(zhǔn)的Gamma通過(guò)率最高。

表5 不同VMAT計(jì)劃的Gamma通過(guò)率(n=20)單位：%

3 討論

IG將VMAT計(jì)劃弧長(zhǎng)劃分為一定數(shù)量的扇形，單個(gè)扇形面積大小不同，MLC葉片的運(yùn)動(dòng)效率不同。為了精確比較IG對(duì)計(jì)劃質(zhì)量和執(zhí)行效率的影響，在計(jì)劃優(yōu)化過(guò)程中，除改變IG數(shù)值外，所有的計(jì)劃均使用相同的優(yōu)化參數(shù)和約束函數(shù)，從而得到IG10、IG20、IG30和IG404個(gè)VMAT計(jì)劃。表2、3和圖2結(jié)果表明，IG10計(jì)劃無(wú)法滿足臨床的各項(xiàng)要求，IG30和IG40計(jì)劃劑量學(xué)參數(shù)差別不大(除右側(cè)股骨頭Dmax外)，且IG30和IG40計(jì)劃的D98、TC率和HI均優(yōu)于IG20和IG10計(jì)劃。在IG20、IG30和IG40計(jì)劃中，IG數(shù)值增加時(shí)，VMAT計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)減少，控制點(diǎn)數(shù)變化不大。IG30計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間最短，但與IG20和IG40計(jì)劃相差不大，在10 s范圍內(nèi)。

不同的TPS內(nèi)VMAT計(jì)劃的角度優(yōu)化算法不同，Pinnacle內(nèi)使用的是角度空間分辨力(取值為2、3、4)，F(xiàn)eygelman等[13]認(rèn)為較大的臂架角度間隔數(shù)值在單弧VMAT計(jì)劃中不會(huì)減慢計(jì)算速度和降低劑量精度。Mihaylov等[14]也提出角度分辨力取值較大時(shí)，不會(huì)因?yàn)橛?jì)劃復(fù)雜程度的增加而降低計(jì)劃質(zhì)量。本研究表明，在Monaco5．11 TPS內(nèi)需要使用相對(duì)較大的IG(30°或40°)，過(guò)小的IG數(shù)值反而會(huì)降低計(jì)劃的質(zhì)量。IG增加使得VMAT計(jì)劃?rùn)C(jī)器跳數(shù)明顯降低(見(jiàn)表4)，相比IG10計(jì)劃，IG20、IG30和IG40計(jì)劃?rùn)C(jī)器跳數(shù)分別降低了45．4%、54．0%和55．7%。相比IG10計(jì)劃，其余3種計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間降低了26%左右，且3種計(jì)劃間差異不明顯。研究表明，減少放療計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)理論上可以降低二次致癌的發(fā)生率[15-16]，治療時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)增加患者治療過(guò)程中的不適感和患者治療過(guò)程中的位移，在一定程度上降低治療效率和精度[17]。因此，使用較大IG參數(shù)的計(jì)劃相對(duì)較好。表4、5結(jié)果表明，VMAT計(jì)劃中IG越小，產(chǎn)生的控制點(diǎn)數(shù)越少，執(zhí)行效率越低，其測(cè)量驗(yàn)證的結(jié)果也越差。Abdellatif等[18]研究表明，增加控制點(diǎn)數(shù)會(huì)提高Gamma通過(guò)率。在IG從10°增加到40°時(shí)，VMAT計(jì)劃的控制點(diǎn)數(shù)也相應(yīng)從90增加到140，計(jì)劃的Gamma通過(guò)率也有所增加。當(dāng)IG取值為10°時(shí)，Gamma通過(guò)率低于90%，不符合臨床要求。其余3種VMAT計(jì)劃在不同的標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)量的結(jié)果與TPS計(jì)算的結(jié)果均有很好的一致性。

本研究的不足之處在于選擇的病例數(shù)只有20例，不是很充足，且病種單一，接下來(lái)將選取更多的病例及病種(例如鼻咽癌、食管癌和肺癌等)進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

綜上所述，綜合考慮計(jì)劃質(zhì)量、計(jì)劃執(zhí)行精度和治療效率等因素，推薦在宮頸癌術(shù)后VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)中IG參數(shù)取30°較為合適。