MONACO放疗计划系统VMAT计划照射野Arc数目对治疗计划影响的比较分析

薛涛，何晓阳，孙云川，刘光波，王斌，刘志坤，闫慧娟，周丽霞，王珮烨

1. 河北省沧州中西医结合医院 放射物理治疗科，河北 沧州 061000；2. 沧州市人民医院医专院区 肾内泌尿科，河北 沧州 061000

引言

容积旋转调强（Volumetric-Modulated Arc Therapy，VMAT）是调强放疗的一种，它是在出束过程中通过机架的旋转、准直器和MLC 的运动，再与剂量率的变化相结合完成放射治疗的一种技术。VMAT 技术已被证明是在实现靶区覆盖率的情况下，减少实施时间的有效方法[1-3]，并且在多项临床研究中，通过与IMRT 和三维适形技术相比，显著降低了危及器官（Organs at Risk，OARs）的受照剂量[4-5]。在许多情况下，VMAT 技术比IMRT 有更好的剂量学优势。已有研究表明，在VMAT 计划中使用多个弧的情况下会使得靶区有着更好的靶区覆盖和剂量均匀性，但代价是出现面积更大的低剂量区域、更多的MU 数以及更长的计划执行时间[6]。

MONACO TPS V5.11.00 版本中的“Arc-per-beam”参数设置中可以对每个照射野进行多个Arc 设定，虽然在实现方式上不同于其他TPS，但是通过TPS 自身的优化参数设置可以保证治疗计划最优化。该参数能够使在计划优化的过程中，在固定的准直器角度下，机架先以顺时针/逆时针方向旋转的过程中完成第一个Arc 的辐射剂量输出，然后再以反方向完成下一个Arc 剂量输出，期间不停止辐射剂量的输出[7]。在此项研究中，我们选取了32 例宫颈癌患者对在计划优化时使用一个射野2 个Arc（2APB）的参数优化计划和与已执行的使用两个射野每个射野1 个Arc（1APB）的参数优化计划进行了回顾性比较分析，为使用MONACO TPS 设计VAMT 治疗计划提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 病例资料

选取2018 年1 月至2018 年8 月在河北省沧州中西医结合医院放射物理治疗科治疗的32 例宫颈癌患者，进行了回顾性分析。

1.2 计划设计

对32 例患者进行了回顾性分析。参考的已治疗的临床计划全部为每个计划2 个射野，每个射野1 个Arc，Arc 旋转角度为360°（179°～181°）全弧照射。在保持原有约束条件不变的情况下，将射野参数设置为1 个射野，每个射野2 个Arc，Arc 旋转角度同样为360°（179°～181°）全弧照射。在MONACO 计划系统的“Arc-per-beam”的参数设置为1～4，有报道指出对常规的VAMT 调强计划，两个Arc均能满足临床要求[8]，故在此研究中对其参数设置为“2”。

1.3 计划参数评估

所有计划均采用剂量体积直方图（Dose Volume Histogram，DVH）进行评估。靶区的评价指标包括：适形指数（Conformity Index，CI）、均匀指数（Homogeneity Index，HI）。HI=（D2%-D98%）/D50%，HI 值越接近0，表示均匀性越好。DX%表示X%的靶区体积受到照射的最低剂量。CI=（VTref/VT）×（VTref/Vref），CI 值越接近1，表示适行度越好。VTref为95%参考等剂量曲线包绕的靶区体积，VT 为靶区体积，Vref为处方剂量所包绕的所有区域的体积。危及器官的评价指标包括：膀胱的V50，直肠的V50，小肠的Dmax，骨盆的V30以及股骨头的V5，并且对各个计划的控制点数（Control Point，CP）和机器跳数（Monitor Units，MU）进行统计。

1.4 计划剂量验证

将每个患者的两个治疗计划分别进行了剂量验证。将QA 计划导出至Elekta Synergy 直线加速器执行，由Delta4三维验证设备（ScandiDos，瑞典）采集剂量输出数据并分析。并对计划执行时间进行记录，剂量比较采用γ 分析方法，设置γ 分析标准为3%/3 mm[9-10]，同时将通过率标准提高到2%/2 mm 重新分析。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0 统计软件，对各参数进行配对样本t 检验，为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 靶区和危及器官参数

靶区剂量方面，通过进行剂量归一，保证靶区100% 体积接受95% 处方剂量的标准下，两种计划靶区的HI 指数和CI 指数相比，均值相近差异无统计学意义，具体数值如表1 所示。危及器官的受照剂量均值同样相近，差异无统计学意义，具体数值如表2 所示。

表1 两种靶区剂量分布参数比较

表2 两种计划危及器官受照剂量比较

2.2 计划执行参数

2APB 计划与1APB 计划相比的CP 数与MU 数显著减少，差异具有统计学意义。通过统计计划的执行时间，发现与1APB 计划相比，2APB 计划的实施时间缩短了约26%，差异具有统计学意义。具体结果，见表3。

2.3 计划剂量验证通过率

将每个患者的两个治疗计划分别进行了剂量验证，并交付到Delta4 三维验证设备（ScandiDos，瑞典）进行剂量输出分析。通过γ 方法，对3%/3 mm，2%/2 mm 两种标准进行分析。比较1APB 计划和2APB 计划的剂量验证通过率，差异无统计学意义。具体结果，见表4。

表3 两种计划执行参数与剂量验证通过率比较

表4 两种计划剂量验证通过率比较

3 讨论

由于VAMT 能在较少的出束时间下，获得较高适形度的剂量分布，因此VAMT 已经在临床上得到广泛的应用[11-12]。医科达MONACO 治疗计划系统采用目前放疗物理中最精确地蒙特卡洛（Monte Carlo）剂量计算算法，其在极限条件的剂量计算精度优于各项异性、卷积迭代等算法，因此可以进一步提高非均质组织中剂量分布计算的准确性[13-15]。本研究在MONACO TPS V5.11.00 版本中，对宫颈癌肿瘤患者的单野单弧和单野多弧的VMAT 计划进行了比较。已有类似的研究发现，2-Arc 计划实现了更好的剂量分布，且使靶区得到更高的处方剂量覆盖，剂量热点更低，与1-Arc 计划和IMRT 计划相比有着更好的适形性和剂量均匀性，同时在实施效率上有着显著的优势[16-17]。本研究的对比结果显示，虽然在2APB 计划（一个射野）与1APB 计划（二个射野）在剂量分布方面并没有显著优势，但是CP 数与MU 数显著减少，原因在于MONACO TPS在进行2APB 计划优化时是采用通过Y 轴中心为分割线对轮廓进行优化，通过子野形状显示，算法的优化以不同的方式来进行优化处理，第一个Arc 的优化方向主要集中在患者治疗体位的X1 方向，第二个Arc 的优化集中在患者治疗体位的X2 方向，因此优化过程具有更多自由度的分段形状和整体权重中来完成。由此可以缩短每个患者的治疗时间，从而使每天相同的工作时间内增加临床治疗患者的数量。此外，就患者的治疗过程而言，由于无法控制患者身体的不自主移动和器官的运动，因此减少计划的执行时间是有利的，由于MU 数明显减少，从而进一步降低了机头的散射线数量，因此在理论上降低了2 次致癌概率[10]。且在2APB 计划实施过程中，两个Arc 之间的停留时间为零，因此在计划执行和计划剂量验证的过程中，2APB 计划就可以减掉已采集的相关数据保存、重新启动第二射束和重新启动QA 软件所需的时间。与1APB 计划交付及处理相比，2APB 计划处理的总体交付时间在这种情况下减少了大约25%。此前已有报道在使用其他的治疗计划系统在进行计划计算时，通过对多个Arc 进行整合输出可提高执行效率[18]。因此，这样在有效地减少加速器的工作的执行时间，从而对加速器起到了保护的作用，同时也减少了物理师对治疗计划的进行QA 验证的工作时间，从而提高了工作效率。

此外，在对两种计划的剂量验证通过率比较后，我们发现没有出现2APB 计划质量低于1APB 计划的情况。且通过剂量γ 验证分析，剂量验证通过率能够满足临床标准。综上所述，两种计划相比从剂量学方面都能较好的满足临床要求，但是在计划的执行方面，2APB 计划在保证剂量输出通过率的前提下，较1APB 计划明显减少了计划的执行时间，从而在减少治疗机损耗的同时提升了整体的工作效率。