PINNACLE系统优化参数对宫颈癌术后VMAT计划质量和照射精度的影响

李娜，尹策，冯革，贾明轩中国医科大学附属盛京医院放疗计划设计室，沈阳110022

容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技术是一种弧形调强放射治疗技术，机架旋转的同时多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）同步运动，剂量率和机架运动速度也随之不断变化[1-2]。VMAT技术不仅能够达到肿瘤靶区剂量的高适形度，保护周边正常组织，而且还可以减少机器跳数（monitor units，MU）、缩短治疗所需时间。目前，多种放射治疗计划系统支持VMAT计划设计，国内外文献均对优化参数如子野数量、最小MU、剂量率、照射弧数量等对VMAT计划质量以及照射精度的影响进行了探讨[3-5]。PINNACLE计划系统采用Smart Arc算法优化VMAT计划，其中参数MLC motion speed（单位为cm/deg）与MLC的运动速度和机架旋转速度有关。目前，较少文献报道关于参数MLC motion speed对VMAT照射精度的影响。因此，本研究针对计划优化参数MLC motion speed对VMAT计划质量和照射精度的影响进行探讨，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年6月至2017年12月于中国医科大学附属盛京医院接受宫颈癌术后辅助放疗的患者。纳入标准：①国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）分期[6]为Ⅱa～Ⅲa期；②无放疗禁忌证。排除标准：合并其他系统恶性肿瘤者。根据纳入和排除标准，本研究共纳入60例宫颈癌患者，年龄为31～64岁，中位年龄为49岁；FIGO分期：Ⅱa期31例，Ⅱb期22例，Ⅲa期7例。

1.2 计算机断层扫描模拟定位

患者取仰卧位，双腿并拢，双手上举至头顶，交叉互抱对侧手肘。使用盆腔固定板、低温热塑膜固定，模拟计算机断层扫描（computed tomography，CT），扫描范围自第一腰椎上缘至坐骨结节下5 cm，扫描层厚5 mm，将CT图像传输至治疗计划系统（treatment planning system，TPS）（PINNACLE，version 9.10，荷兰飞利浦公司），由放疗医师勾画肿瘤靶区和危及器官。

1.3 靶区和危及器官勾画

根据Small等[7]总结的宫颈癌术后放疗靶区勾画方式以及Tyalor等[8]建议的淋巴结勾画方式，宫颈癌术后盆腔临床靶体积（clinical target volume，CTV）包括阴道上段1/2及残端、阴道旁软组织和盆腔淋巴引流区域（包括髂总、髂外、髂内、闭孔及骶前淋巴结区），范围：上界达第4～5腰椎间，下界达闭孔下缘水平。CTV上下、左右、前方向各外扩8 mm，后方向外扩5 mm生成计划靶体积（planning target volume，PTV）。危及器官（organ at risk，OAR）包括脊髓、直肠、结肠、小肠、膀胱、左右股骨头。

1.4 治疗计划设计

在PINNACLE计划系统上行治疗计划设计，采用Smart Arc算法，双弧照射，旋转角度分别为181°顺时针至180°（CW），180°逆时针至181°（CCW），准直器旋转5°，计算网格0.3 cm。其中优化参数MLC motion speed定义为机架旋转1°过程中任何给定叶片可移动的距离，最大值为0.46 cm/deg；将优化参数MLC motion speed设置为0.30 cm/deg（作为 0.30 cm/deg 组）、0.46 cm/deg（作为 0.46 cm/deg组）及默认值（不勾选，作为默认值组），每例患者均行上述3组治疗计划。处方总剂量为45 Gy，单次剂量1.8 Gy，共照射25次，靶区剂量要求95%PTV受照剂量不低于处方剂量，最高剂量不高于处方剂量的107%。脊髓限制剂量为Dmax＜40 Gy，直肠、结肠限制剂量为V35＜40%，小肠限制剂量为V35＜25%，膀胱限制剂量为V35＜50%，股骨头限制剂量为V40＜5%。

1.5 治疗计划评估

评估3组计划的PTV靶区适形度指数（coverage index，CI）和均匀度指数（homogeneity index，HI），其中CI=（PTVref/VPTV）×（PTVref/Vref），式中PTVref为参考等剂量面（本文取95%）所包裹的PTV靶区体积，VPTV为PTV靶区总体积，Vref为参考等剂量面所包裹的总体积。CI的范围为0～1，其值越大，则适形度越好。HI=（D2%～D98%）/D50%，式中D2%、D50%、D98%分别代表2%、50%、98%靶区体积接受照射的剂量，HI越接近0，均匀度越好。

1.6 治疗计划验证

将60例宫颈癌患者共180个治疗计划的CT图像、勾画的靶区和器官、治疗计划参数、剂量分布从TPS导入COMPASS系统，计划传至直线加速器上执行。COMPASS系统是一种三维剂量验证系统，由一个带有角度探测器的二维电离室矩阵和一套基于患者CT图像进行患者体内剂量分布重建计算的软件系统组成。该系统将患者的CT图像、勾画的靶区和器官、治疗计划参数、剂量分布从TPS导入，既可以由内嵌的模型根据导入的治疗计划参数得到预测通量，在各个机架角度实际测量相应的子野通量并与预测通量比较，修正重建后获得患者CT图像上三维的剂量分布；又可以进行独立计算作为第3方验证系统。COMPASS系统根据在加速器上实际测量的数据，重建每个治疗计划的剂量分布，重建网格与计算网格一致为0.3 cm，并与TPS优化的剂量分布作γ（3%，3 mm）分析，获得肿瘤靶区和危及器官的剂量体积参数偏差值和γ通过率，γ值小于1表示被验证的点通过。

1.7 统计学方法

采用SPSS 20.0统计软件对数据进行分析。非正态分布的计量资料以中位数（M）和四分位数间距（QR）表示，采用Kruskal-Wallis检验，进一步两两比较，采用Mann-Whitney检验；正态分布的计量资料以均数±标准差（±s）表示，采用单因素方差分析法，进一步两两比较采用独立样本t检验。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 剂量学参数的比较

3组计划的PTV靶区D2%、Dmean、HI比较，差异均有统计学意义（χ2=22.30、9.83、13.21，P＜0.01）；0.30 cm/deg组的D2%、Dmean、HI均大于 0.46 cm/deg组和默认值组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。3组计划的PTV靶区D98%、CI及其余危及器官（脊髓、直肠、结肠、小肠、膀胱、左股骨头、右股骨头）的剂量学参数比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。（表1）

表1 参数MLC motion speed 采用 3组设置值优化的治疗计划的剂量学参数比较

2.2 TPS优化与COMPASS测量重建之间差值的比较

3组计划的PTV靶区ΔDmean比较，差异有统计学意义（χ2=18.35，P＜0.01）；0.30 cm/deg组的PTV靶区ΔDmean明显小于0.46 cm/deg组和默认值组，差异均有统计学意义（P＜0.01）。3组计划的PTV靶区ΔD95%和其余危及器官（脊髓、直肠、结肠、小肠、膀胱、左股骨头、右股骨头）的剂量体积参数差值比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。（表2）

表2 参数MLC motion speed 采用 3组设置值优化的治疗计划TPS与COMPSS测量重建之间差值的比较[%，M（QR）]

2.3 γ通过率的比较

3组计划的PTV靶区γ通过率比较，差异有统计学意义（F=4.05，P＜0.01）；默认值组的PTV靶区γ通过率低于0.30 cm/deg组与0.46 cm/deg组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。3组计划的结肠γ通过率比较，差异有统计学意义（F=3.49，P=0.01）；0.30 cm/deg组的结肠γ通过率高于0.46 cm/deg组与默认值组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。3组计划的其余危及器官（脊髓、直肠、结肠、小肠、膀胱、左股骨头、右股骨头）的γ通过率比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）。（表3）

表3 参数MLC motion speed 采用 3组设置值优化的治疗计划的 γ通过率比较（%，± s）

表3 参数MLC motion speed 采用 3组设置值优化的治疗计划的 γ通过率比较（%，± s）

注：a与默认值组比较，P＜0.05；b与0.3 cm/deg组比较，P＜0.05

感兴趣区域PTV脊髓直肠大肠小肠膀胱左股骨头右股骨头0.30 cm/deg组94.78±2.44a 100.00±0.00 99.56±0.29 99.42±0.34a 98.90±0.53 99.61±0.28 99.27±0.48 97.58±2.87 0.46 cm/deg组91.80±3.24a 100.00±0.00 99.53±0.32 98.54±1.13b 98.81±0.53 99.03±0.66 98.99±0.70 98.29±0.98默认值组89.29±2.29 99.96±0.10 99.31±0.51 98.83±0.76 98.31±0.94 99.71±0.36 99.07±1.57 97.54±1.79

2.4 MU和治疗时间的比较

3组计划的治疗时间比较，差异有统计学意义（χ2=16.51，P＜0.01）；0.30 cm/deg组的治疗时间短于0.46 cm/deg组与默认值组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。3组计划的MU比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。（表4）

表4 参数MLC motion speed 采用 3组设置值优化的治疗计划的MU和治疗时间的比较[M（QR）]

2.5 实际执行时机架旋转速度和MLC运动速度

3组计划的实际机架旋转速度比较，差异有统计学意义（F=3.37，P＜0.05）；0.30 cm/deg组的机架旋转速度快于0.46 cm/deg组与默认值组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。3组计划的MLC运动速度比较，差异有统计学意义（F=47.12，P＜0.01）；0.30 cm/deg组的MLC运动速度慢于0.46 cm/deg组与默认值组，0.46 cm/deg组的MLC运动速度慢于默认值组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。（表5）

表5 参数MLC motion speed采用 3组设置值优化的治疗计划的实际机架旋转速度和MLC运动速度的比较（± s）

表5 参数MLC motion speed采用 3组设置值优化的治疗计划的实际机架旋转速度和MLC运动速度的比较（± s）

注：a与0.30 cm/deg组比较，P＜0.05；b与0.46 cm/deg组比较，P＜0.05

比较参数机架旋转速度（deg/s）MLC运动速度（cm/s）0.30 cm/deg组3.12±0.25 0.93±0.08 0.46 cm/deg组3.03±0.10a 1.39±0.08a默认值组2.96±0.06a 1.52±0.14a b

3 讨论

本研究探讨了PINNACLE系统优化VMAT计划时参数MLC motion speed设置不同数值对计划质量和照射精度的影响。本研究治疗用加速器（Synergy，瑞典，Elekta）的物理参数MLC运动速度最大值为1.9 cm/s，机架旋转速度最大值为5.5 deg/s，优化参数MLC motion speed最大值为0.46 cm/deg。MLC motion speed参数值对计划优化的影响结果显示，3组计划的PTV靶区最小剂量D98%、CI指数及危及器官的剂量学参数比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）；0.30 cm/deg组的PTV靶区D2%、Dmean均高于0.46 cm/deg组和默认值组（P＜0.05），而对PTV靶区HI的统计结果也显示，0.30 cm/deg组的HI高于0.46 cm/deg组和默认值组（P＜0.05）。表明0.30 cm/deg组PTV靶区的均匀性较0.30 cm/deg组和默认值组略差；但0.30 cm/deg组的HI统计数值小于0.11，仍然能够满足临床治疗要求。在实际执行所需时间上，0.30 cm/deg组的治疗时间最短，默认值组的治疗时间最长，通过读取系统log文件，得到0.30 cm/deg组的机架旋转速度快于0.46 cm/deg组与默认值组。

本研究采用COMPASS系统对VMAT计划进行治疗前验证，已有国内外文献表明COMPSS系统可以应用于临床治疗前计划验证[9-10]。COMPASS通过比较TPS优化计划与测量重建计划，获得PTV靶区和危及器官的剂量体积参数偏差值，偏差值越大，代表实际照射与优化计算值之间的偏差越大。本研究结果显示，3组计划的PTV靶区ΔDmean比较，差异有统计学意义（P＜0.01），0.46 cm/deg组和默认值组的PTV靶区ΔDmean值均明显高于0.3 cm/deg组（P＜0.01），表明0.46 cm/deg组和默认值组计划在实际照射中PTV靶区接受的Dmean与TPS优化的Dmean之间的差值增大；3组计划的其余危及器官的剂量体积参数差值比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），表明MLC motion speed设置值改变没有使其余剂量体积参数值在实际照射中发生显著变化。

COMPASS通过比较TPS优化计划与测量重建计划，同时得到PTV靶区与各危及器官的γ通过率，γ通过率越高，表明实际照射与优化计算之间的剂量分布差异越小。本研究对3组计划的γ通过率进行比较，结果显示3组计划的PTV靶区和部分危及器官（结肠）γ通过率比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）；而默认值组的PTV靶区γ通过率低于0.3 cm/deg组和0.46 cm/deg组（P＜0.05），默认值组的PTV靶区γ通过率均值为89.29%，其余两组均在91%以上；对结肠γ通过率的分析结果显示，0.3 cm/deg组的结肠γ通过率高于0.46 cm/deg组和默认值组（P＜0.05），表明参数MLC motion speed设置不同值时，PTV靶区与危及器官的γ通过率也随之发生改变，即对VMAT照射精度产生影响。随着参数值的变化，例如该参数值设置为默认值的默认值组，VMAT照射精度下降，实际照射与优化计算之间的剂量分布差异增大，从而使γ通过率降低。

本研究中PTV靶区和危及器官的剂量体积参数偏差值数据显示，除了股骨头的ΔDmean大于3%，其余均在3%以内，临床上可以接受，股骨头由于体积小，而且照射过程中有部分时间位于照射野边缘，有效测量点数相对较少，导致其测量值与TPS计算值产生较大偏差。本研究结果还显示，危及器官γ通过率的变化没有PTV靶区γ通过率的变化显著，原因可能为PTV靶区始终处于照射野范围内，而危及器官不同，可能有大部分体积位于照射野外，导致危及器官整体剂量分布的变化不如PTV靶区变化的明显。

进一步分析MLC motion speed参数值影响照射精度的原因，通过读取系统log文件发现，默认值组的MLC运动速度最快。相关研究表明，随着MLC运动速度增加，VMAT照射精度下降[11-12]。剂量率、机架旋转速度虽然也对VMAT照射精度产生影响，但有研究认为MLC运动速度是影响照射精度的关键因素，而且他的影响作用比剂量率和机架旋转速度大[12-14]。本研究中，当TPS优化参数MLC motion speed设置不同值时，使3组治疗计划的MLC运动速度发生改变，从而影响VMAT照射精度，与上述研究结果相一致。

本文选取了0.30 cm/deg、0.46 cm/deg、默认值（不勾选）3个参数值优化的计划相比较，因为当选值小于0.20 cm/deg时，优化结果没有达到临床目标，所以不列入本研究。结果表明，宫颈癌术后VMAT计划MLC motion speed参数设置不同值会影响VMAT照射精度，特别是当使用系统默认值优化VMAT计划时，照射精度在3组计划中最差。

综上所述，PINNACLE计划系统优化参数MLC motion speed设置值的改变会影响VMAT照射精度，剂量师应避免使用系统默认值，而是选择0.30～0.46 cm/deg值优化计划，尽量降低对VMAT照射精度的影响，从而保证VMAT照射能够安全、有效、精确的实施。