楊金磊 卜明偉 李舒暢 張為天 劉明喆 候凱然 劉博 宇

吉林省腫瘤醫(yī)院放射治療科，長春 130012

通信作者：劉博宇，Email：liuby1966@163.com

Monaco 是瑞典醫(yī)科達公司研發(fā)的一款用于外照射的治療計劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）。有別于其他主流TPS，Monaco 采用簡化的蒙特卡羅算法進行劑量計算[1-2]，與其他TPS 相比，Monaco 的精確度較高[3-4]。在5.0 版本的Monaco 推出后，優(yōu)化算法有了顯著改善，配合生物優(yōu)化函數(shù)的使用，使得Monaco 成為了一套出色的TPS[5-7]。

采用容積旋轉調強治療（volume-modulated arc therapy，VMAT）計劃進行逆向優(yōu)化時，通量轉化為可執(zhí)行子野序列的算法是TPS 較為核心的技術。Monaco 采用掃地序列式的子野進行劑量投遞，即在每個等間距的特定機架角度內，光柵從照射范圍的一側移動至另一側。Monaco 的優(yōu)點：每個控制點處光柵形成的子野在x軸方向上的平均寬度較大，窄條狀射野相對少；各控制點間的光柵變化較規(guī)律。這些優(yōu)點有助于改善劑量驗證結果，但是，同時也會限制整個計劃的劑量調制能力。為此，Monaco 采用了有別于其他TPS 的1 野多弧設計來提高劑量調制能力，1 個射野最多可以添加4 個弧。當計劃使用1 野2 弧進行設計時，在優(yōu)化進程的第2 步，TPS 會把第1 步優(yōu)化得到的通量沿著x軸方向拆分為左右2 個部分，第1 個弧照射左半邊，第2 個弧照射右半邊。這樣，在增加劑量調制度的同時，又因每個控制點處光柵最大運動范圍變小，導致每個弧的照射時間減少。當橫斷面上靶區(qū)可以被拆分為相互孤立的兩部分時，1 野2 弧可以得到很好地應用，如對于鼻咽癌患者，一般在計劃設計時均采用1 野2 弧，與1 野1 弧或2 野1 弧相比，在照射頸部靶區(qū)時其更容易保護兩部分靶區(qū)之間的器官和組織。目前，1 野2 弧的通量拆分方式是非常明確的，其是沿著x軸將通量分為2 份，但對于1 野3 弧和1 野4 弧的通量拆分方式，在廠家能夠提供的技術資料及以往的文獻報道中均未見。因此，我們通過研究探求Monaco 中1 野3 孤和1 野4 弧的通量拆分方式，為物理師使用Monaco進行計劃設計及多弧選取時提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 主要材料與設備

模擬患者使用瑞典ScandiDos 公司的Delta4 模體的標準CT 圖像；所有TPS 均使用瑞典醫(yī)科達公司的Monaco 計劃系統(tǒng)（version 5.11.03）。X 射線照射使用瑞典醫(yī)科達公司的infinity 6 MV 型加速器；劑量測量使用德國IBA 公司的Matrixx 劑量驗證系統(tǒng)。

1.2 模擬計劃

選用密度均勻的圓柱形Delta4 模體，在模體的標準CT 圖像上分別勾畫2、3、4 個橫向整齊排列的圓柱形結構，分別代表2、3、4 個相互孤立的靶體積，共3 組CT 圖像和結構，用其模擬3 例需要進行VMAT 且同時照射2、3、4 個孤立靶區(qū)的患者，即模擬患者（圖1）。針對每例模擬患者分別設計3 個VMAT 計劃，計劃均采用一個360°射野，每個計劃分別采用1 野2、3、4 弧進行設計。VMAT 計劃設計完成后，回看各個控制點處射野的主要照射范圍，觀察每個射野形狀與靶區(qū)的位置關系，統(tǒng)計并分析其規(guī)律性。

圖1 用于1 野多弧容積旋轉調強治療計劃設計的Delta4 模體的標準CT 圖 A、B、C 分別為勾畫了2、3、4 個孤立靶區(qū)的模體，黑色圓圈代表需要照射的靶區(qū)。CT 為計算機體層攝影術Figure 1 Delta4 phantom standard CT images for single-beam multi-arc volume-modulated arc therapy planning

1.3 患者投照

采用完全隨機法選取吉林省腫瘤醫(yī)院放射治療科進行過放射治療的3 例患者，包括全腦預防性照射患者（女性，56 歲）、鼻咽癌患者（男性，48 歲）和宮頸癌患者（女性，51 歲），對每例患者分別重新設計3 個VMAT 計劃，均采用一個360°射野，每個計劃分別選用1 野2、3、4 弧進行治療。設計完成后，將計劃機架角度均歸0°，在加速器上執(zhí)行計劃，使用Matrixx 劑量驗證系統(tǒng)測量每個計劃的總劑量和每個弧的劑量，通過每個弧的實測劑量分布與計劃總劑量分布的對比，比較二者的位置關系，判斷計劃的通量拆分方式。

2 結果

2.1 模擬計劃

擁有2、3、4 個孤立靶區(qū)的模擬患者分別使用1 野2、3、4 弧進行優(yōu)化后，得到各弧在機架角度最接近0°的控制點處的射野形狀（圖2）。使用1 野多弧照射多個孤立靶區(qū)時，各弧按照先后順序，在射野方向觀（beam's eye view，BEV）上由左至右照射了各個靶區(qū)。特別是在采用1 野2、3、4 弧分別同時照射2、3、4 個孤立靶區(qū)時，各弧按照先后順序，從左至右分別照射了不同的靶區(qū)，如圖2A 中的a2、b2，圖2B 中的a3、b3 、c3，圖2C 中的a4、b4、c4、d4。

圖2 3 例模擬患者容積旋轉調強治療計劃中機架最接近0°時射野方向觀上的射野形狀 A、B、C 為1 野2、3、4 弧計劃分別照射2、3、4 個靶區(qū)，其中橫向表示3 例不同的模擬患者，縱向為1 個計劃中的各個弧Figure 2 The shape of the radiation field in the beam's eye view direction when the gantry angle of each arc was closest to 0° in the volumemodulated arc therapy of three simulated patients

采用1 野多弧同時照射2、3、4 個孤立靶區(qū)時，各弧主要照射的靶區(qū)位置情況見表1。1 野3 弧和1 野4 弧照射多個靶區(qū)時，各弧是按照先后順序，在BEV 上由左至右照射了各個靶區(qū)。由此可知，Monaco 計劃系統(tǒng)采用1 野多弧設置時，通量的拆分方式與1 野2 弧類似，都是沿著x軸方向進行分割，計劃設置了幾個弧，通量就會沿著x軸拆分成幾份；且各弧是按照先后順序，在BEV 上由左至右進行照射。

表1 模擬患者容積旋轉調強治療中采用1 野2、3、4 弧照射2、3、4 個孤立靶區(qū)時各弧主要照射的靶區(qū)位置Table 1 The main irradiating positions of each arc when 2, 3 and 4 carcs of 1 beam were used to irradiate 2, 3 and 4 isolated targets in the simulated patients by volume-modulated arc therapy

2.2 患者投照

全腦預防性照射、鼻咽癌和宮頸癌患者使用Matrixx 劑量驗證系統(tǒng)進行劑量測量獲得的計劃劑量分布及計劃中各弧的劑量分布見圖3。在9 個計劃中，通過每個計劃的劑量分布與其每個弧的劑量分布間的位置比較，可以清晰地可見Monaco 計劃系統(tǒng)采用1 野多弧設置時的通量拆分方式，即通量是沿著x軸方向進行分割的，計劃設置了幾個弧，通量就會沿著x軸拆分成幾份，且每個弧是按照先后順序，在BEV 上由左至右進行照射。

圖3 3 例患者容積旋轉調強治療設計各計劃的劑量分布及其各弧的劑量分布圖 3 例患者均分別采用1 野2、3、4 弧進行計劃設計，所有計劃射野角度歸0°后在加速器上進行照射，并使用Matrixx 二維探測器對每個弧的劑量及總劑量進行測量Figure 3 Dose distribution of each volume-modulated arc therapy planing and each arc of each plan in 3 patients

3 討論

通量分布轉化為可執(zhí)行的子野序列是TPS 的核心算法之一，其對計劃執(zhí)行的效率和劑量驗證結果均有影響。掌握不同設置對子野序列細節(jié)的影響，可以在計劃設計時更容易獲得最優(yōu)的劑量結果。

在本研究中，我們通過2 個研究分別證實了Monaco 計劃系統(tǒng)采用1 野多弧設置時，TPS 是根據(jù)設定的弧的數(shù)量將通量沿著x軸方向進行拆分的，且弧的數(shù)量與通量被拆分的份數(shù)相等。模擬計劃實驗是在理想模型中進行的，因為靶區(qū)形狀規(guī)則，這樣通過回看各個控制點處的子野形狀，是比較容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律的。需要指出的是，在一些入射角度上，如果在其BEV 上查看各孤立靶區(qū)時，各靶區(qū)位置相互重疊，則各弧照射位置也是相互重疊的，這時，通過人為判定射野照射范圍與各個靶區(qū)的位置關系是較難的，這也是Monaco 計劃系統(tǒng)采用多弧設置時，并不清楚其射野拆分方式的主要原因之一。而在BEV 上，當各孤立靶區(qū)的邊界可以清晰地分開時，各弧照射范圍與各個靶區(qū)位置之間的關系是較容易判斷的。但是在實際的臨床工作中，絕大部分患者靶區(qū)的形態(tài)都是不規(guī)則的，這很難甚至無法再通過翻看子野形狀或子野照射范圍來尋找規(guī)律。因此，本研究選擇通過實際劑量測量尋找通量拆分的規(guī)律?；颊咄墩昭芯恐詫C架角度歸0°進行照射，是因為在Monaco 計劃系統(tǒng)中，所謂的通量拆分都是在BEV 上進行的，當入射角度為180°時，BEV 上觀察的左側，即為患者左側，而當入射角度為0°時，BEV 上觀察的左側，實則為患者右側。故只有將所有角度都歸0°，才能保證BEV 上觀察到的方向與投照時劑量探測裝置的方向保持一致。這樣才可以通過劑量探測裝置接受照射的位置來判斷計劃通量的拆分方式。我們通過患者投照研究進一步證實了多弧設置與通量沿x軸方向進行相應拆分的機制。

針對Monaco 計劃系統(tǒng)，以往的研究者報道了一些相關設置對治療計劃影響的研究。張勇和李銳杰[8]研究了Monaco 中優(yōu)化函數(shù)對計劃質量的影響。裴運通等[9]和 Palanisamy 等[10]分別研究了計算網(wǎng)格大小和統(tǒng)計不確定性對Monaco 劑量計算準確性的影響。洪楷彬等[11]和Wang 等[12]分別研究了控制點數(shù)量和最小子野寬度設置對Monaco 計劃優(yōu)化結果的影響。此外，噪聲參數(shù)對計算效率和劑量計算精度的影響[13]和子野形狀優(yōu)化結合可調劑量率的適形弧技術在Monaco 中的應用情況[14]，也都有相應的研究結果。射野和弧數(shù)量對計劃結果的影響也有諸多研究報道，比如， Nithya 等[15]研究了VMAT 射野角度以及弧數(shù)量的增加對計劃結果的影響；另一些研究者探討了不同病種應用VMAT技術時，弧數(shù)量的不同對治療計劃結果的影響[16-18]；Kalet 等[19]還研究了射野數(shù)量不同對計劃的影響。但這些研究都是局限在弧數(shù)量≤2 的范圍內進行的，而且針對弧數(shù)量的不同而產生的劑量學差異，并沒有從本質上闡述其具體原因。特別是使用3 弧和4 弧時的劑量學結果在以往的文獻中均未見報道。臨床上很少使用3 弧或更多弧進行計劃設計，究其原因，主要是考慮到治療效率，以及絕大多數(shù)常規(guī)患者并不需要太高的劑量調制度。但了解了1 野多弧的通量拆分原理，這對物理師在進行VMAT 計劃設計時，對于弧數(shù)量的選擇提供了理論指導，對臨床工作有實際意義。

綜上所述，本研究通過計劃模擬和劑量測量2 種方法分別證實了Monaco 計劃系統(tǒng)采用1 野多弧設置時，計劃系統(tǒng)是根據(jù)弧的數(shù)量將通量沿著x軸方向拆分成相應份數(shù)。了解Monaco 計劃系統(tǒng)的通量拆分方式，可以更好地指導其在臨床工作中的實際應用。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻聲明楊金磊負責研究方法的設計、論文撰寫；卜明偉、李舒暢負責計劃模擬實驗的具體實施、論文的修改、部分實驗數(shù)據(jù)的整理；張為天、劉明喆、候凱然負責患者投照的具體實施、論文的修改、部分實驗數(shù)據(jù)的整理；劉博宇負責研究主題的提出、研究方向的把握與指導、論文的審閱等