单双弧设定对胸段食管癌容积旋转调强计划的剂量学比较

王锐濠，张书旭，田允鸿，沈国辉，李万祯，廖博玉，王琳婧，李慧君

广州医科大学附属肿瘤医院 a.放疗中心；b.放疗一科，广东 广州 510095

单双弧设定对胸段食管癌容积旋转调强计划的剂量学比较

王锐濠a，张书旭a，田允鸿b，沈国辉a，李万祯a，廖博玉a，王琳婧a，李慧君a

广州医科大学附属肿瘤医院 a.放疗中心；b.放疗一科，广东 广州 510095

目的 探讨胸段食管癌容积旋转调强（Volumetic Modulation Arc Therapy，VMAT）放疗计划设计时，单双弧设定对计划剂量的影响。方法 选取2016～2017年间收治的11例病理确诊的局部晚期胸段食管癌，在Monaco 5.11 TPS计划系统中分别设计制定360°单弧VMAT（VMAT1）和双弧VMAT（VMAT2）两种放疗计划，比较两组计划靶区的剂量分布以及危及器官（Organs at Risk，OAR）受照剂量，并比较计划在加速器上的执行效率。结果 两种VMAT计划的靶区剂量均能满足临床处方要求，但双弧计划VMAT2在靶区覆盖率和剂量分布均匀性均优于单弧计划VMAT1（P＜0.05）。在OAR方面，两种VMAT计划中双肺的V20的剂量差异有统计学意义（P＜0.05），但其他剂量学指标如双肺的V5、V10和V30，心脏的V30和V40以及脊髓的Dmax并无明显差异（P＞0.05）。在执行效率方面，单弧VMAT1计划机器跳数比双弧VMAT2计划的显著减少，治疗时间也明显缩短（P＜0.05）。结论 单弧计划虽在靶区覆盖率和均匀性方面差于双弧计划的，但显著减少了治疗时间，执行效率最高。因此对于胸段食管癌容积旋转调强放疗来说，推荐选择单弧计划即可。

食管癌；容积旋转调强放疗；放疗弧数；剂量学

引言

食管癌是我国常见的十大恶性肿瘤之一，放射治疗是食管癌患者的标准治疗手段之一[1]，随着放疗技术的发展，容积旋转调强放疗（Volumetric Modulation Arc Therapy，VMAT）技术已逐渐被应用于有条件的放疗单位。VMAT技术改进了加速器的投照方式，它可同时利用机架旋转、多叶光栅（Multi-Leaf Collimator，MLC）运动速率和动态变化的剂量率投递剂量，高效率地实现调强治疗的剂量[2-4]。本研究旨在对比并评估胸段食管癌VMAT计划单双弧设定对靶区的剂量均匀性以及周围危及器官（Organs at Risk，OAR）的受照体积和剂量分布的差异，探讨适于胸段食管癌的VMAT方式，从而为临床应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取本院近期经病例确诊并行同期放化疗的11例局部晚期胸段食管癌病例（T3～4，N2～3，M0）为研究对象，其中男性6例，女性5例，年龄45～70岁，中位年龄60岁。

1.2 CT定位及靶区勾画

患者仰卧位，双手臂交叉于额前，热塑体模固定，CT扫描范围由下颌骨下缘至肝脏水平，层厚选择5 mm，均使用静脉造影剂带定位装置行增强扫描。重建CT断层图像经网络系统传到Monaco（版本5.11，Elekta公司）放射治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）。

所有患者均由有经验的放疗主治医师，根据ICRU第62号报告逐层勾画肿瘤靶区GTV、临床靶区CTV和危及器官，包括双侧肺组织、脊髓和心脏等。GTV为食管原发肿瘤病灶和局部区域肿大淋巴结，CTV为GTV基础上轴向外扩0.5 cm，上下方向各外扩3.0 cm，包括食管旁淋巴结、纵膈淋巴结引流区等。GTV和CTV在三维方向上分别外扩0.5 cm形成PTV1和PTV2。靶区和OAR组织的体积范围，见表1。

表1 11例患者靶区和危及器官的体积（cm3）

1.3 VMAT计划设计

IMRT计划设计在Monaco TPS进行，每位患者均设计360°单弧和双弧两种VMAT计划，选用Synergy S 加速器6 MV X线照射，搭配Agility 80对叶片的MLC准直小机头，叶片宽度在等中心平面投影均为0.5 cm。单弧VMAT（VMAT1）计划优化时采用360°顺时方向单弧设计，机架从181°顺时旋转至179°。而双弧VMAT（VMAT2）计划则在单弧VMAT基础上，再加一个起始角度179°，逆时针旋转360°至181°的弧。两组计划采用相同剂量约束条件和优化参数，计划均采用快速蒙特卡罗算法计算，剂量计算网格和方差分别为3 mm和1%，默认设置最大剂量率为600 MU/min。

处方剂量为PTV1 60 Gy/30次、PTV2 50 Gy/30次，靶区剂量的优化目标为：95%处方剂量线围绕的体积＞95%靶区体积，靶区内最高剂量不超过110%处方剂量。危及器官限量约束条件如下：双肺组织V5＜60%、V20＜30%、V30＜20%， 脊 髓 最 大 剂 量 ＜45 Gy， 心 脏 V30＜40%、V40＜30%。优化权重：靶区（PTV1、PTV2）＞脊髓＞肺＞心脏。VMAT计划设计时若以上均能满足剂量学要求时则着重考虑降低肺受照剂量。

1.4 计划评估

通过剂量体积直方图（Dose Volume Histogram，DVH）获取靶区和危及器官受照剂量及体积进行对比分析。靶区剂量的分析指标为PTV的V95%体积（95%处方剂量包含的靶区体积）、最小和最大剂量（Dmin和Dmax）、适形度指数（CI）、均匀性指数（HI）等指标。其中CI[5]的计算公式为：其中Vt为靶区体积，Vt.ref为参考等剂量等剂量线面包绕的靶区体积，Vref为参考等剂量线面所包绕的所有区域的体积，CI值的范围是0～1，值越大，适形度越好。HI[6]的计算公式为其中D2%和D98%分别是指2%、98%靶区体积所受到的照射剂量，DRx是指计划给定的处方剂量，HI值越大说明超过处方剂量越大，靶区内剂量分布也越不均匀。危及器官的评估指标为全肺分别受到5、10、20和30 Gy剂量的体积（V5、V10、V20和V30）、脊髓的Dmax和心脏的V30、V40等。

1.5 统计学分析

采用SPSS 19.0统计软件对各评估指标的均数间行配对t检验，P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区剂量分布比较

两种VMAT计划的靶区剂量均能满足临床处方要求，但双弧计划VMAT2在靶区覆盖率和剂量分布均匀性均优于单弧计划VMAT1（P＜0.05）。对于PTV1来说，与VMAT1比较，VMAT2中的V95%、Dmin和HI的差异性有统计学意义（P＜0.05）；而对于PTV2来说，与VMAT1相比，VMAT2中的V95%和HI的差异性有统计学意义（P＜0.05）。详见表2。

2.2 危及器官剂量分布比较

从双肺受量情况来看，两种VMAT计划中双肺的V20的剂量差异有统计学意义（P＜0.05），但其他剂量学指标V5、V10和V30并无明显差异（P＞0.05），在其他危及器官方面，两种VMAT计划中心脏、脊髓的剂量学评估指标的差异性并无统计学意义（P＞0.05）。但与VMAT1计划比较，VMAT2计划中心脏V30、V40略有降低，分别平均降低2.61%、3.02%；而脊髓Dmax略有升高，平均升高1.98%左右。详见表3。

表2 两种VMAT计划靶区剂量分布比较（ x-±s）

表3 两种VMAT计划危及器官剂量分布比较（ x-±s）

2.3 治疗执行效率

在机器总跳数（MU）方面，单弧VMAT1计划平均MU数为686.67±114.40，双弧VMAT2计划平均MU数为816.83±70.15。与VMAT1相比，VMAT2的平均MU数显著增加了15.94%左右（P＜0.05）；预估VMAT2的治疗执行时间（5.19±0.34）min比VMAT1的（3.22±0.53）min相对增加了2 min左右（P＜0.05）。

3 讨论

调强放疗是放射治疗的主流技术，其目标是在最大程度提高肿瘤靶区照射剂量的同时最大限度地保护OAR组织器官[7]。而VMAT是近几年来逐渐普及的，实现调强放疗的新方式，其利用旋转的放射治疗弧，在射线出束过程中，机架同时旋转，MLC的子野形状以及加速器出束射线剂量率也随着连续变化，在减少机器跳数和治疗执行效率方面优势明显，具有“快、准、优”的特点[8-10]。本研究比较了单双弧VMAT计划在局部晚期胸段食管癌病例中靶区和OAR的剂量分布差异。

本研究中，在给定处方剂量的前提下，单双弧VMAT计划均能满足临床要求，但在靶区的剂量覆盖率和均匀性方面，双弧VMAT2计划明显优于单弧计划VMAT1（P＜0.05），表明通过增加弧的数目可以改善计划质量，原因可能是双弧计划的剂量调制空间更自由[10]。此外，在控制肿瘤靶区（PTV1）的冷、热点方面，双弧VMAT2计划具有一定的优势，这一结果与前期研究的报道相似[9-10]。对于双肺组织来说，前期临床研究认为放射性肺炎与肺受量密切相关，减少肺的受照体积和剂量能够更好的降低肺的放射性肺炎等并发症[11-12]。本研究中，单双弧VMAT计划中双肺的受照剂量差异并不明显，仅V20的体积差异有统计学意义（P＜0.05），但在总体趋势上，双弧VMAT2计划中双肺受照体积偏高于单弧VMAT1计划，可见双弧计划对肺受量照射的保护并没有优势。在其他OAR方面，两种VMAT计划中心脏、脊髓的剂量学评估指标的差异也不明显。

而在治疗执行效率方面，单弧VMAT1计划明显优于双弧VMAT2计划，VMAT1相对于VMAT2显著减少了机器跳数，缩短了治疗时间，提高加速器的使用与运行效率。在短时间内完成治疗，减少了患者的不自主运动，有利于提高放疗的准确度[13]；也为图像引导节约出时间，为减少计划靶区体积提供可能[14-16]。

综上所述，对于胸段食管癌容积旋转调强放疗，单双弧VMAT计划均能满足临床处方剂量要求。双弧计划相对于单弧计划虽能够实现更好的靶区覆盖率和均匀性，但显著增加了治疗时间。因此对于胸段食管癌来说，推荐选择单弧计划即可。

[1] 殷蔚伯,余子豪,徐国镇,等.肿瘤放射治疗学[M].4版.北京:中国协和医科大学出版社,2007:546-573.

[2] Benthuysen LV,Hales L,Podgorsak MB.Volumetric mdulated arc therapy vs IMRT for the treatment of distal esophageal cancer[J].Med Dosim,2011,36(36):404-409.

[3] Fitzgerald R,Owen R,Hargrave C,et al.A comparison of three different VMAT techniques for the delivery of lung stereotactic ablative radiation therapy[J].J Med Radiat Sci,2016,63(1):23-30.

[4] Wu Z,Xie C,Hu M,et al.Dosimetric benefits of IMRT and VMAT in the treatment of middle thoracic esophageal cancer:is the conformal radiotherapy still an alternative option[J].J Appl Clin Med Phys,2014,15(3):4641.

[5] Baltas D,Kolotas C,Geramani K,et al.A conformal index(COIN) to evaluate implant quality and dose specification in brachytherapy[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,1998,40(2):515-524.

[6] Listed N.Prescribing, recording, and reporting photon-beam intensity-modulated radiation therapy (IMRT): contents[J].J ICRU,2010,10.

[7] Nguyen NP,Jang S,Vock J,et al.Feasibility of intensity modulated and image-guided radiotherapy for locally advanced esophageal cancer[J].BMC Cancer,2014,14(1):265.

[8] 杨金磊,杨筑春,延玲,等.不同混合容积旋转调强治疗胸段食管癌的剂量学比较[J].中华肿瘤防治杂志,2016,23(6):384-388.

[9] 余建荣,古定标,李珍,等.容积调强技术在食管癌放疗中的剂量学研究[J].中国医药科学,2016,6(14):31-34.

[10] 胡彩容,阴晓娟,张秀春,等.不同调强方式在胸中上段食管癌放疗中的剂量学研究[J].中华放射医学与防护杂志,2014,34(3):220-224.

[11] Yamaguchi S,Ohguri T,Matsuki Y,et al.Radiotherapy for thoracic tumors: association between subclinical interstitial lung disease and fatal radiation pneumonitis.[J].Int J Clin Oncol,2015,20(1):45-52.

[12] Jiang ZQ,Yang K,Komaki R,et al.Long-term clinical outcome of intensity-modulated radiotherapy for inoperable non-small cell lung cancer: the MD Anderson experience.[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2012,83(1):332-339.

[13] Feygelman V,Zhang G,Stevens C.Initial dosimetric evaluation of SmartArc-a novel VMAT treatment planning module implemented in a multi-vendor delivery chain[J].J Appl Clin Med Phys,2010,11(1):3169.

[14] Fogliata A,Scorsetti M,Navarria P,et al.Dosimetric comparison between VMAT with different dose calculation algorithms and protons for soft-tissue sarcoma radiotherapy[J].Acta Onco,2013,52(3):545-552.

[15] 杨岩丽,李宝生,尹勇,等.三维适形、逆向调强和旋转调强放疗技术治疗胸段食管癌的剂量学比较[J].中华放射医学与防护杂志,2012,32(1):65-69.

[16] Bedford JL,Hanson IM,Hansen VN.Portal dosimetry for VMAT using integrated images obtained during treatment[J].Med Phys,2014,41(2):021725.

Dosimetric Comparison of Single-Arc and Double-Arc VMAT Plan for

Treatment of Thoracic Esophageal Cancer
WANG Ruihaoa, ZHANG Shuxua, TIAN Yunhongb, SHEN Guohuia, LI Wanzhena, Liao Boyua, WANG Linjinga, LI Huijunaa.Center of Radiotherapy; b.First Ward, Department of Radiotherapy, Affiliated Cancer Hospital and Institute of Guangzhou Medical University, Guangzhou Guangdong 510095, China

Objective To explore the dosimetric characteristics of single arc and double arc volumetic modulation arc therapy (VMAT)for thoracic esophageal cancer. Methods Eleven thoracic esophageal cancer patients confirmed by pathology were reviewed and analyzed in the Monaco 5.11 treatment planning system (TPS). In this study, single arc VMAT (VMAT1) and double arc VMAT(VMAT2) plans were generated for each patient. The dose distribution to target and organs at risk (OAR), monitor units (MU)and delivery time were all recorded as dosimetric indices for plan comparison. Results The targets could meet the requirements of clinical prescription in two kinds of VMAT plans. The VMAT2 plan was superior to VMAT1 plan concerning target coverage and dose heterogeneity, and the difference had statistical significance (P＜0.05). Compared with VMAT1 plan, the whole lung dose difference of V20in VMAT2 plan had statistical significance (P＜0.05), while the volume V5, V10,V30of whole lung, V30,V40of heart and the Dmaxto spinal cord had no statistical significance (P＜0.05). In terms of execution efficiency, the number of MUs in VMAT1 plan was significantly reduced and the delivery time was significantly shortened (P＜0.05), comparing with VMAT2 plan. Conclusion Although the single-arc VMAT plan is worse than double-arc VMAT plan in terms of target coverage and dose heterogeneity, the treatment delivery time is significantly reduced and the implementation efficiency is highest. Therefore, it is recommended to choose single-arc VMAT plan for thoracic esophageal cancer.

esophageal cancer; volumetric modulated arc therapy; number of arc radiation; dosimetry.

R735.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.12.009

1674-1633(2017)12-0040-04

2017-08-09

国家自然青年科学基金项目（81502342）；广东省科技计划项目（2016A02021517）；广州市卫生局医药卫生科技一般引导项目（20161A011083；20161A011084；20161A011085）。

张书旭，教授，博士生导师，主要研究方向为肿瘤放射物理学与医学图像处理。

通讯作者邮箱：gthzsx@163.com

本文编辑 袁隽玲