控制点与弧数目对宫颈癌放疗计划剂量学的影响

冯永富，谭军文，贺先桃，李 钢，梁卫学，韦 婷，龙雨松

（广西医科大学第四附属医院肿瘤科放疗室，广西柳州 545005）

0 引言

放射治疗在大多数妇科恶性肿瘤治疗中占有重要地位，尤其是宫颈癌和子宫内膜癌[1]。容积旋转调强放射治疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）作为一种新型调强放疗方式，其射束可在360°范围进行剂量优化[2]。而影响VMAT剂量学的因素包括弧数目、控制点间距、最大照射时间、计算网格、叶运动约束与摆位误差等[3-6]。目前，弧数目及控制点间距对剂量学的影响已有相关研究[7-10]，但结合弧数目和控制点的相关研究少见报道。本文通过研究宫颈癌VMAT计划中弧数目与控制点的改变对放疗计划的剂量学影响，为临床应用提供一定参考。

1 资料与方法

1.1 病例选择

选取2017年10月至2018年4月本院接受放疗的10例宫颈癌患者。纳入标准：（1）病理确诊为宫颈癌；（2）均为首程放疗；（3）靶区与危及器官分布合理，无同步推量；（4）均签订放疗知情同意书。排除标准：（1）放疗计划适形度较差；（2）KPS 评分＜80 分；（3）有放疗禁忌证。10例患者年龄为39～56岁，平均年龄49.1岁，均为宫颈癌术后放疗，分期按照FIGO分期标准：Ⅰa期1例、Ⅰb期4例、Ⅱa期4例、Ⅲb期1例。

1.2 体位固定及靶区勾画

患者取仰卧位，双臂交叉放于额头，热塑膜固定体位。CT扫描层厚5 mm，扫描范围为T10至坐骨结节下3 cm。由科室医师勾画亚临床病灶和预防照射区，将上述靶区分别外扩0.5 cm，得到相应的计划靶区（planning target volume，PTV），同时参考 ICRU 83号报告勾画膀胱、直肠、小肠等危及器官。PTV处方剂量为5 040 cGy，分28次进行。根据本单位靶区勾画情况，危及器官剂量限值分别为直肠V50（接受50 Gy剂量照射的体积）≤50%、膀胱V50≤50%、小肠 V50≤10%～15%、股骨头 V50≤5%。

1.3 治疗设备

治疗设备为瓦里安Trilogy加速器，其多叶光栅共60对，中间40对在等中心处投影宽度为每对5 mm，其余均为每对10 mm。加速器采用6 MV X射线、100～600 cGy/min的可变剂量率进行治疗，多叶光栅速度最大设为0.45 cm/°。计划系统为Raystation 4.7.5.4。

1.4 计划设计

应用VMAT模块进行计划设计，控制点间距分别取2、3和4°，弧数目为单弧与双弧，计划分为1F2（控制点间距为2°的单弧计划）、1F3（控制点间距为3°的单弧计划）、1F4（控制点间距为4°的单弧计划）、2F2（控制点间距为 2°的双弧计划）、2F3（控制点间距为3°的双弧计划）和2F4（控制点间距为4°的双弧计划）6组。其对应的一个全弧控制点数分别为180、120和 90个。单弧取 179～181°（CCW，逆时针）；双弧为方便治疗，取 0～179°（CW，顺时针）、179～181°（CCW）和 181～0°（CW）3段弧，即完整的 2个全弧。当机架转向为顺时针时，准直器角度取345°，逆时针则取15°。辅助线均采用自制脚本自动勾画，计划优化步骤均相同，对剂量分布不合理的计划，其所在组均做相同的优化处理，使其满足临床处方剂量要求。

1.5 计划评估

剂量评估指标包括靶区均匀性指数（homogeneity index，HI）和适形度指数（conformity index，CI），靶区近似最小剂量D98%（覆盖98%PTV体积的最小吸收剂量）[11]、中位剂量D50%（覆盖50%PTV体积的最小吸收剂量）、近似最大剂量D2%（覆盖2%PTV体积的最小吸收剂量）、各危及器官接受45和50 Gy剂量照射的体积（V45和 V50）、平均剂量（Dmean）以及各条件下的通过率。HI、CI计算公式如下：

其中，VPTV，ref为处方剂量覆盖的靶区体积；VPTV为靶区体积；Vref为处方剂量覆盖的体积。

1.6 剂量验证

采用Octavius 4D验证系统制作验证计划，用PTW公司的二维电离室矩阵Octavius Detector 1 500和模体对各个计划进行剂量验证。计算在1 mm/1%、2 mm/2%及3 mm/3%通过标准下的γ通过率。

1.7 统计学分析

2 结果

2.1 剂量体积直方图（dose volume histograms，DVH）比较

图1为一名患者的DVH。为方便比较，所有计划都将覆盖99%PTV的体积剂量归一为处方剂量5 040 cGy。由图1可以看出，直肠与膀胱剂量线从左到右均为 2F2、2F3、2F4、1F2、1F3 和 1F4，PTV 和正常组织的剂量线与直肠、膀胱类似。右股骨头受量在3 500 cGy左右时，剂量线从左到右为1F2、1F3、1F4、2F2、2F3和2F4。左股骨头在单弧计划时，剂量线从左到右为1F2、1F3、1F4，双弧计划时2F3较2F2和2F4更靠左。小肠剂量线左右顺序随剂量的变化而变化，但范围较直肠、膀胱和股骨头小。

图1 不同控制点及弧数目下的DVH图

2.2 靶区剂量比较

不同条件下各PTV受照剂量及HI、CI见表1。由表1可看出，1F和2F D2%随控制点间距的增加而增加，但1F中仅1F3与1F4有显著差异，2F的D2%均显著低于1F。D50%变化趋势与D2%类似，但2F中2F3与2F4之间差异不显著，2F D50%低于1F，且差异显著。1F D98%几乎相同，2F D98%随控制点间距的增加而减少，且2F4与2F2、2F3之间差异显著。2F D98%稍大于或等于1F，其中控制点间距为2°时与控制点间距为3°时差异显著，可能是由于PTV剂量归一到99%，各条件下D98%差异不大。

PTV的HI随着控制点间距的增加而增加，随弧数目的增加而降低，且差异均具有统计学意义。1F中PTV的CI随控制点间距的增加而降低，且1F2与1F3、1F4之间差异显著。2F中PTV的CI变化趋势则与1F相反，2F4与2F2、2F3之间差异显著。2F的CI高于1F，且控制点间距为3°时与控制点间距为4°时差异显著。

表1 不同条件下各PTV受照剂量及适形度、均匀性指数

2F4 的 D2%、D50%和 HI小于 1F2、1F3，2F3 的 D2%、D50%和HI小于1F2，且多数差异显著。2F4的CI大于 1F2、1F3，2F3 的 CI大于 1F2。

2.3 危及器官剂量比较

从表2可以看出，各危及器官的V45随着控制点间距的增加而增加，随弧数目的增加而降低。1F中除右股骨头1F3与1F4外，其余危及器官各控制点间距之间的V45差异显著。2F中除左股骨头2F2与2F3外，其余危及器官各控制点间距之间的V45差异显著。各危及器官1FV45均高于2F，且在对应控制点间距时差异显著。

表2 各危及器官的V45

从表3可以看出，1F的V50变化趋势与V45一致，膀胱1F2、1F3、1F4之间差异显著，直肠、小肠和正常组织1F2与1F3、1F4之间差异显著，右股骨头1F2与1F4之间差异显著。2F中膀胱、直肠、左/右股骨头V50随控制点间距的增加稍有改变，但差异均无统计学意义。小肠2F4的V50较2F3低，正常组织V50随控制点间距增加而降低，2F4与2F2、2F3之间差异显著。与V45类似，1F V50均高于2F，膀胱、直肠和小肠的1F、2F之间差异显著，正常组织控制点间距为3和4°以及左股骨头控制点间距为3°的1F和2F之间差异显著。

表3 各危及器官的V50%

从表4可以看出，1F与2F中，危及器官的Dmean随控制点间距的增加而增加。1F中，除左股骨头和小肠的1F3与1F4及右股骨头的1F2与1F3外，其余危及器官组内之间剂量差异显著。1F控制点间距为2°时，正常组织、膀胱、小肠、左股骨头、右股骨头及直肠的Dmean相较于 3和 4°时分别低约1.1%、1.1%、1.3%、3.2%、1.8%、1.0%和 1.5%、2.0%、1.4%、4.4%、4.0%、1.6%。2F中除左股骨头2F2与2F3及右股骨头2F3与2F4外，其余危及器官组内之间剂量差异显著。2F控制点间距为2°时，正常组织、膀胱、小肠、左股骨头、右股骨头及直肠的Dmean相较于3和4°时分别低约 0.9%、1.0%、0.7%、0.8%、3.0%、0.8%和 1.6%、1.8%、1.3%、2.6%、3.6%、1.3%。除右股骨头外，2F危及器官Dmean均比1F低。2F的正常组织、膀胱、小肠、左股骨头及直肠的Dmean相对于1F分别低约3.0%、3.3%、3.7%、6.2%和1.3%。

表4 各危及器官的DmeanGy

除右股骨头Dmean外，其余危及器官的V45、V50和Dmean的2F3和2F4低于1F2，2F4低于1F3，且多数差异具有统计学意义。

2.4 通过率比较

相对于1F，各控制点间距及通过标准下的2F γ通过率稍高，但并无统计学意义。3 mm/3%标准时，各条件下的计划平均通过率均高于99%。2 mm/2%和3 mm/3%标准下，各控制点间距的通过率有少许变化但差异不显著。1 mm/1%标准下，4°控制点间距的通过率比2和3°稍高，但无显著差异，较小变化的控制点间距对γ通过率无明显影响。不同弧数目、控制点间距及通过条件下的γ通过率如图2所示。

图2 不同弧数目、控制点间距及通过条件下的γ通过率

3 讨论

VMAT是一种新型的调强放射治疗手段，其在机架旋转的过程中通过改变剂量率、多叶光栅形状、机架速度等来调节靶区剂量分布。计划设计时的弧数目及控制点间隔等参数设置对放疗剂量分布也有较大影响。本研究设计了在控制点间距分别为2、3和4°时的单、双弧计划，并对其剂量学进行比较，为计划设计提供一定参考。

结果显示，2F靶区D2%和D50%均比1F小，D98%略高于1F；靶区均匀性显著优于1F；控制点间距为3和4°时，2F适形度均优于1F；2F在PTV多数剂量指标明显优于1F的情况下，其多数危及器官受照剂量均明显更低。有研究发现：随着弧数目的增加，PTV的D2%、D50%逐渐降低，D98%逐渐升高，靶区均匀性逐渐变优，危及器官受照剂量随弧数目的增加而减少[12]。另有研究显示，2F在靶区剂量均匀性和适形度方面均优于 1F，D2%更低，D98%更高[10]，较 1F 更能保护危及器官[7]。2F增加了弧数目，就可以在同一个角度上产生2种不同的通量分布，相较于1F提高了剂量调制能力，计划靶区剂量分布也更优，靶区周围的大部分危及器官受量都有所减少[8]。

与调强放疗（intensity modulated radiation therapy，IMRT）类似，VMAT同样需要设置子野来优化靶区剂量分布。本研究结果显示：控制点间距越小（子野数越多），靶区D2%和D50%越小，靶区均匀性越好，危及器官V45、V50和Dmean越低，1F控制点间距越小，适形度越好。刘光波等[9]发现：随着控制点的增加，靶区最大剂量和平均剂量小幅下降，均匀性也随控制点的增加而增加，危及器官受量也有减少的迹象，与本研究结果一致。但在制作放疗计划时，应使多叶准直器简单化，控制点的设置直接影响出束时叶片走位速度与剂量率，设置过大会使多叶光栅走位更加复杂，势必影响剂量偏差[13]。

对于1F3，若要达到更好的剂量学分布，可通过增加弧数目或者控制点来进行优化，即优化计划为2F3或1F2。对于1F4，则相应优化的计划为2F4、1F2或1F3。本研究显示，增加弧数目与增加控制点这两类计划，其优化结果存在差异。

在将覆盖99%PTV的体积剂量归一为处方剂量5 040 cGy情况下，对于1F3，增加弧数目的2F3较增加控制点的 1F2有更低的D2%、D50%、HI和更高的CI。对于1F4，结果与 1F3类似，即2F4较1F2、1F3有更低的 D2%、D50%、HI和更高的 CI。D2%和 D50%为PTV的近似最大剂量和中位剂量，增加计划的弧数目或控制点均能减少PTV的D2%和D50%，使得靶区剂量更接近于处方剂量，但增加弧数目的计划较增加控制点的计划更明显。HI为靶区均匀指数，HI值越小，靶区均匀性越好，因此增加弧数目或控制点均能减小均匀指数，即靶区剂量分布更均匀，但增加弧数目计划的HI较增加控制点的更小，即PTV剂量分布更均匀。CI为适形度指数，CI值在0～1之间，适形度越高CI值越接近1，因此增加弧数目或控制点均能增加CI，即剂量分布与靶区更适形，但增加弧数目计划的CI较增加控制点的CI更大，即PTV剂量分布更适形。

危及器官受量方面，对于1F3，增加弧数目的2F3较增加控制点的1F2有更低的V45、V50和Dmean。对于1F4，结果与1F3类似，增加弧数目较增加控制点能更大程度地减少多数危及器官的受照剂量。

弧数目的增加在靶区剂量均匀性和适形度调制、危及器官保护等方面优于控制点间距的减小。由于目前VMAT收费的主要依据是弧数目，所以，若在不增加收费的同时提升计划质量，增加控制点也许是一个较好的选择。

有研究发现：宫颈癌单、双弧计划通过率分别为（98.2±1.5）%与（98.5±1.4）%，双弧比单弧稍高，但无统计学意义[10]，与本研究结果类似。赖佳路等[14]发现γ通过率随射野间角度间距的增加出现缓慢下降，本文研究的是控制点间距由2°增加到3和4°时γ通过率的变化，可能由于间隔仅为1°，角度改变很小，导致三者验证通过率的差异不大。虽然增加控制点个数能提高计算精度，但同时也会带来大量的小跳数子野，可能导致剂量传递不精确[15]。

综上所述，控制点及弧数目的增加均能降低危及器官受照剂量，提升PTV均匀性及适形度，相较于控制点的增加，弧数目的增加对靶区剂量分布更具优势。γ通过率随弧数目的增加稍有提高，控制点间距的变化对其影响不大。