直肠癌术后固定剂量率容积调强放射治疗的初步研究

陈 祥 周剑良 王彬冰 李 浦 单国平

常规5野或7野静态调强放射治疗(ss-IMRT)是直肠癌术后盆腔放射治疗的主要方法，但执行效率较慢。随着放疗技术的发展，在可变剂量率(Vary dose rate，VDR)加速器上使用容积调强技术(VMAT，下文简称VDR-VMAT)能获得较好的靶区覆盖和危及器官保护，且大大缩短治疗时间，提高临床治疗效率[1-2]。但VDR-VMAT对加速器配置要求较高，目前国内只有部分医院拥有这种比较先进的设备，大部分医院的加速器为固定剂量率(Constant dose rate，CDR)方式。为此本研究选取10例直肠癌术后放疗患者，分别为每例患者设计VDR-VMAT、CDR-VMAT和5F-sIMRT计划，比较这三组计划间的剂量学差异和执行效率，为CDR-VMAT技术用于直肠癌临床放疗提供一定的参考。

1 资料与方法

1.1 病例选择

随机选取浙江省肿瘤医院2017年6月—12月接受直肠癌术后盆腔放疗的患者10例，其中男性6例，女性4例，年龄44～84岁，中位年龄56.5岁，所有患者均经病理检查确诊，病变位于中下段，无放疗禁忌症。

1.2 CT模拟定位

CT定位前1 h排空膀胱，分多次饮水1 L(含碘化醇造影剂20 mL)并憋尿，充盈膀胱并使小肠显影。采取俯卧位，身下垫置有孔腹部定位板(Belly-board)，双臂前伸环抱定位板前端外缘，下颌着床，热塑体膜固定。待热塑体膜成形后，在激光灯下于体后正中和两侧分别放置铅点(约在盆腔中心层面处)，平静呼吸下使用GE high-speed CT模拟定位机进行增强扫描，扫描范围为第1腰椎至坐骨结节下10～15 cm，层厚5 mm。获取的CT图像以DICOM格式经局域网传输到RayStation v4.5.1三维治疗计划系统，重建三维图像。

1.3 靶区勾画与处方设定

临床医生按照标准在CT图像上勾画出大体可见肿瘤靶区(GTV)和临床靶区(CTV)，在CTV的基础上作相应外扩得到计划靶区(PTV)，并勾画膀胱、小肠、左右股骨头等危及器官(OARs)。处方剂量统一为45 Gy/25 f，一天1次，每周5次，剂量归一方式为等中心处归一，处方剂量至少覆盖95%PTV体积。限定膀胱：V45≤25%、V40≤40%；小肠：Dmax≤50 Gy、V45≤65 cc、V40≤100 cc、V35≤180 cc；股骨头：V45≤25%、V40≤40%，其中Vx(%)表示该器官受到xGy及以上剂量的相对体积，Vx(cc)表示该器官受到xGy及以上剂量的绝对体积。

1.4 计划设计

先前接受VDR-VMAT治疗的10例直肠癌患者被纳入本研究。利用RayStation治疗计划系统为每例患者设计VDR-VMAT、CDR-VMAT和5F-sIMRT计划。为了更好地比较3种计划的剂量学差异，每例患者的三组计划均采用相同的目标函数组进行优化，目标函数组是先前针对VDR-VMAT计划反复修改优化后所得，将该函数组用于优化相应的CDR-VMAT和5F-sIMRT计划并得到最优解。

1.4.1 VDR-VMAT 利用RayStation计划系统中的RayArc模块，配合Varian公司的Trilogy加速器设计可变剂量率VDR-VMAT计划。将治疗弧的角度设置为顺时针方向220°～140°或根据靶区形状做±10°内的调整，使用“Dual Arc”功能再生成一个逆时针方向的对偶弧[3]。X射线能量为6 MV、控制点间隔为4°、准直器角度为0°、计算网格为0.3 cm，采用直接子野优化(DMPO)算法进行逆向运算、单次优化迭代60次、通量优化迭代20次，最大剂量率为600 MU/min。

1.4.2 CDR-VMAT 利用RayStation计划系统在Varian公司的Clinical 23EX加速器上设计固定剂量率CDR-VMAT计划。机架旋转速率固定为：2.67 deg/s、剂量率固定为200 MU/min，其他条件设置与VDR-VMAT完全相同。

1.4.3 5F-sIMRT 利用RayStation计划系统在Varian公司的Clinical 23EX加速器上设计5F-sIMRT计划。射束角度为：230°、290°、0°、70°、130°，X线能量为10 MV、准直器角度为0°、计算网格为0.3 cm，采用DMPO算法进行逆向运算、单次优化迭代60次、通量优化迭代20次，子野数为50，最小子野面积为5 cm2，剂量率为600 MU/min。

1.5 计划评估指标

1.5.1 靶区剂量参数 根据ICRU83号报告[4]，比较接近最大剂量的D2%(D2%表示x% PTV体积接受的剂量)、平均剂量Dmean、接近最小剂量的D98%、靶区均匀性指数(HI)、靶区适形指数(CI)。HI值越小靶区剂量分布越均匀；其中VT，ref为参考等剂量线面所包围的靶区体积，VT为靶区体积，Vref为参考等剂量线面所包围的所有区域的体积。CI取值在0～1之间，越接近1说明靶区适形度越高。

1.5.2 危及器官剂量参数 比较膀胱的Dmean、V45、V40；小肠的Dmean、Dmax、V45、V40、V35；左右股骨头的Dmean、V45、V40。

1.5.3 正常组织剂量参数 比较正常组织(定义为CT扫描覆盖的身体减去PTV，即B-P)的低剂量体积V5、V10、V15、V20、V25和V30。

1.5.4 计划执行效率 比较计划总机器跳数(MU)和执行时间。

1.6 统计学方法

2 结果

2.1 靶区剂量参数比较

每例患者的三种计划剂量分布结果均能满足临床要求，图1是某例患者VDR-VMAT、CDR-VMAT和5F-sIMRT计划等中心层面剂量分布图。三种计划的靶区D2%、Dmean、D98%、HI和CI在总体上均有统计学差异(P<0.05)。固定剂量率CDR-VMAT计划与可变剂量率VDR-VMAT计划相比较，D2%、Dmean、D98%、HI和CI均相似，差异均无统计学意义(P>0.05)；CDR-VMAT计划与5F-sIMRT计划相比较，D2%减小1.55 Gy(P=0.005)、Dmean减小0.99 Gy(P=0.005)、D98%增大0.60 Gy(P=0.03)、HI值减小(P=0.008)、CI值增大(P=0.008)，差异均具有统计学意义(表1)。

表1 三种计划靶区剂量学参数比较Table 1 Dosimetry comparison of target areas amongst three

图1 三种计划等中心层面剂量线分布比较Figure 1 Dose distribution at the isocenter level of three plans

2.2 危及器官剂量参数比较

三种计划的膀胱Dmean、V45、V40，小肠Dmean、Dmax、V45，左右股骨头Dmean在总体上均有统计学差异(P<0.05)；小肠V40、V35，左右股骨头V45、V40在总体上均无差异(P>0.05)。固定剂量率CDR-VMAT计划与可变剂量率VDR-VMAT计划相比较，膀胱、小肠、左右股骨头的各剂量学参数值均相似，差异无统计学意义(P>0.05)；CDR-VMAT计划与5F-sIMRT计划相比较，膀胱Dmean减小3.05 Gy(P=0.005)、V40减小0.88%(P=0.042)，小肠Dmean减小1.75 Gy(P=0.002)、Dmax减小1.70 Gy(P<0.001)，左、右股骨头Dmean都减小(P=0.008，0.042)，其它参数差异无统计学意义(表2)。

表2 三种计划危及器官剂量学参数比较或中位数)Table 2 Dosimetry comparison of organs at risk amongst three or Median)

2.3 正常组织低剂量分布

三种计划的正常组织受照低剂量体积除V10(P>0.05)之外，V5、V15、V20、V25和V30在总体上均有差异(P<0.001)。固定剂量率CDR-VMAT计划与可变剂量率VDR-VMAT计划相比较，V5、V10、V15、V20、V25和V30均相似，差异无统计学意义(P>0.05)；CDR-VMAT计划与5F-sIMRT计划相比较，V5减小1.18%(P=0.005)、V15减小0.61%(P=0.022)、V30减小0.80%(P=0.022)，差异有统计学意义，V10、V20(P=0.076)和V25(P=0.076)差异无统计学意义(表3)。

2.4 机器跳数和计划执行时间

CDR-VMAT计划的机器总跳数为(668.51±45.92)MU，比VDR-VMAT计划(574.13±50.20)MU增加了16.44%(P<0.001)，比5F-sIMRT计划(537.19±37.34)MU增加了24.45%(P<0.001)；CDR-VMAT计划执行时间(3.34±0.23)min，是VDR-VMAT(1.76±0.04)min的近两倍(P<0.001)，比5F-sIMRT计划的4～6 min要稍短。

表3 三种计划正常组织剂量学参数比较Table 3 Dosimetry comparison of normal tissue amongst three

3 讨论

随着放射治疗技术的发展，基于直线加速器的高能X射线调强放疗技术已成为绝大部分恶性肿瘤放射治疗的主要方式。目前常用的放疗技术有固定野静态调强(ss-IMRT)、固定野动态调强(dIMRT)以及容积调强(VMAT)，VMAT技术又包含可变剂量率(VDR)和固定剂量率(CDR)[3，5-6]。由于实施VDR-VMAT的医用直线加速器的可用性有限，在国内外CDR-VMAT技术已经用于多种肿瘤放疗的临床研究，如：鼻咽癌、食管癌、前列腺癌和宫颈癌等。商海焦等[7]将鼻咽癌CDR-VMAT方式和7野、9野sIMRT进行比较，研究表明CDR-VMAT能够提高靶区内的剂量，且较7野、9野静态调强总MU分别减少36%和32%，提高了治疗效率。Yu等[8]研究表明400 MU/min双弧CDR-VMAT用于鼻咽癌放疗能够达到靶区覆盖率和危及器官保护的要求。Zhang等[9]对18例胸段食管癌进行研究得出，CDR-VMAT技术可获得相同或优越于IMRT的计划质量，治疗时间明显缩短，但增加了MU和正常组织低剂量照射体积。Hatanaka等[10]将前列腺癌7F-sIMRT、单弧VDR-VMAT和单弧CDR-VMAT进行比较，结果表明这三种方式均能获得较好的剂量分布。与7F-sIMRT相比，CDR-VMAT的总MU和治疗时间都减小；与VDR-VMAT相比，CDR-VMAT总MU基本相同，但照射时间增加约50 s。David等[11]研究表明前列腺癌单弧VDR-VMAT和单弧CDR-VMAT计划的总MU比IMRT要少。Zhang等[12]的研究表明500 MU/min单弧CDR-VMAT可以获得较IMRT相同或更高质量的宫颈癌放疗计划，且减少治疗时间和总MU。Tang等[13]认为CDR-VMAT初始成本比VDR-VMAT低，对于目前不支持VDR-VMAT的机构来说，CDR-VMAT是一个有用的选择。

本研究发现在剂量分布方面，CDR-VMAT可以形成与VDR-VMAT一样高的质量，比5F-sIMRT更优的靶区覆盖率、危及器官保护和正常组织低剂量受照体积的放疗计划，计划的质量在剂量学上是可以接受的，这一点与许多文献[7-9，12]结论一致。究其原因笔者认为对于ss-IMRT，辐射照射仅在MLC位置优化的固定入射角方向被考虑；而CDR-VMAT旋转照射具有较强的能力来调整自由度，优化的变量取决于叶片位置的每个入射方向。从优化选择的自由度来看，CDR-VMAT优化的射线数量远远大于IMRT。因此CDR-VMAT较ss-IMRT更容易形成高度均匀的靶区剂量以及保护正常组织免于高剂量照射。在机器总跳数和计划执行时间方面，CDR-VMAT计划的总MU比VDR-VMAT增加了16.44%，比5F-sIMRT增加了 24.45%；CDR-VMAT计划执行时间比VDR-VMAT延长了约94 s，比5F-sIMRT计划的4～6 min稍短，这些结果与文献[7-12]报道的有所不同。笔者认为最主要的原因应该是CDR-VMAT技术的固定剂量率大小设置不同。Yu等[8]将400 MU/min CDR-VMAT技术用于鼻咽癌计划设计，Zhang等[12]将500 MU/min单弧CDR-VMAT技术用于宫颈癌的计划设计，其他文献中作者并未说明所用的固定剂量率是多少。但是本课题组既往[6]通过在RayStation计划系统中尝试发现，剂量率高于300 MU/min的CDR-VMAT计划，其剂量分布基本上难以满足放疗医师的临床目标要求。特别是头颈部肿瘤调强计划对靶区适形度要求较高，且要求多个剂量梯度同步推量，使用200 MU/min CDR-VMAT计划难以达到临床目标要求，使用100 MU/min剂量率则可达到要求但执行效率较差。由于CDR-VMAT可调制的参数极少，为平衡放疗计划的质量和治疗效率，本研究选定200 MU/min这一档剂量率用于CDR-VMAT计划设计和执行。这样在CDR-VMAT计划优化过程中机架以恒定速率转动、以恒定剂量率照射，可调节的参数就只有MLC叶片的位置。由于其射束的剂量率比VDR-VMAT和5F-sIMRT小很多，就需要更多的机器跳数和出束时间来形成患者治疗所需的剂量分布。此外，本研究认为CDR-VMAT机架匀速转动的速率也会对计划的质量和执行效率产生影响。

本研究还存在一定的局限：(1)选取的病例数量有限，接下来将增加病例数量和病种数量；(2)不同的研究对CDR-VMAT方式固定剂量率大小选定差异较大，笔者将对此着重研究，期望在保证CDR-VMAT计划质量的同时提高计划执行效率；(3)从剂量学验证方面对各种计划做进一步的评估。

综上所述，本研究对CDR-VMAT技术在直肠癌术后盆腔放疗中的可行性有了一个初步的认识。CDR-VMAT初始成本较VDR-VMAT要低，有望为不具备可变剂量率的直线加速器提供额外的旋转放射治疗选择。