准直器角度对容积调强计划执行精度的影响

杨 旭，葛 超，王利波，时颖华，夏文明，陈坤志，李 钰，董丽华，2，孙无忌，王辉东*

（1.吉林大学第一医院放疗科，长春130021；2.吉林省放射肿瘤治疗重点实验室，长春130021）

0 引言

随着放疗技术的发展，容积调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）作为一种成熟的三维适形调强技术已经得到了广泛的临床应用[1]。与传统的固定野调强放疗（fixed-field intensity-modulated radiotherapy，ff-IMRT）相比，VMAT 有更少的跳数、更短的治疗时间及更优的计划质量[2-3]。虽然治疗过程比传统治疗技术复杂，但是VMAT 拥有更好的剂量分布，不仅能在靶区形成高剂量分布，还能很好地保护危及器官[3]。VMAT 计划设计时，准直器角度的选择对计划剂量分布有明显的影响。如在宫颈癌VMAT计划制订中，改变准直器角度可能会获得更好的剂量分布。陈亚正等[4]研究不同准直器角度对宫颈癌术后VMAT 计划的影响，发现准直器角度为0°、30°时治疗计划的剂量分布最优。游雁等[5]在准直器角度对宫颈癌VMAT 的剂量学影响研究中指出，对于晚期宫颈癌VMAT 计划的设计，准直器角度为0°、90°的计划结果优于15°、345°的计划。由上述研究结果可以看出，同样的病种但是计划中用到的准直器角度并不固定。目前国内有一些相关报道，如时飞跃等[6]在对宫颈癌计划Portal Dosimetry（PD）剂量验证中得出，旋转固定野的准直器角度为0°和90°时结果有统计学差异，但该研究只是针对一个固定机架角度和准直器角度分别为0°、90°进行了研究，其他的机架角度、准直器角度并未给出结论。因此本文通过分析VMAT 计划剂量验证的结果，研究准直器角度对VMAT 计划执行精度的影响，以在设计放疗计划时合理选择准直器角度。

1 资料与方法

1.1 资料

1.1.1 临床资料选择

随机选取2018 年5 月1 日至2019 年5 月1 日吉林大学第一医院放疗科收治的宫颈癌根治术后患者12 例，均采用VMAT 治疗；年龄35～60 岁，中位年龄52 岁；根据国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）2009 年的临床分期标准，ⅠB 期3 例、ⅡB 期5 例、ⅡA2 期4例；病理类型为7 例鳞癌、5 例腺癌。

1.1.2 体位固定及靶区危及器官勾画

患者采用仰卧位热塑体膜固定、Siemens 24 排大孔径CT 模拟定位，扫描参数：120 kV、150 mA，层厚5 mm，扫描范围为第11 胸椎到坐骨结节下缘3～5 cm。扫描结束后将图像通过网络传到Varian Eclipse 13.6 治疗计划系统工作站。医生根据ICRU 50、62 号文件勾画临床靶区（clinical target volume，CTV），将CTV 沿3 个方向均匀外放1 cm 形成计划靶区（planning target volume，PTV）。12 例患者的CTV 最大长度都不超过25 cm。危及器官包括结肠、直肠、小肠、膀胱、两侧股骨头等。

1.2 计划设计

12 例宫颈癌患者治疗计划采用同样的方案，处方剂量为单次1.8 Gy，共治疗28 次；12 例患者均采用双弧VMAT 计划，弧1 机架角从181°到179°（顺时针旋转）、准直器角度为10°，弧2 机架角从179°到181°（逆时针旋转）、准直器角度为350°，能量均为6 MV，剂量率均为600 MU/min。治疗计划系统采用Varian Eclipse 13.6 版本，剂量计算网格2.5 mm，算法为各向异性分析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA）。加速器为Varian TrueBeam，多叶准直器叶片120 片，准直器中心区域叶片厚度为5 mm，上下两边区域叶片厚度为1 cm。

每例患者的VMAT 计划均采用Varian 的Portal Dosimetry（PD）系统进行计划验证，通过Eclipse 13.6的射野剂量图像预测（portal dosimetry image prediction，PDIP）算法获得预测的剂量分布。PD 是Varian公司镶嵌在Eclipse 计划系统中的一种治疗剂量验证系统，其数据采集部分是基于非晶硅电子射野影像装置（electronic portal imaging device，EPID）的机载探测器矩阵在射野出束方向获取图像的一种成像装置。在40 cm×30 cm 的有效探测平面上分布1 024×768个探测器，分辨力可达0.392 mm/pixel。由于EPID 图像的灰度值与接受到的剂量直接相关，所以经过校准和刻度后，可获得计划执行的剂量分布。

1.3 验证计划与实施

12 例患者的VMAT 计划采用PD 进行计划验证时，将每例患者VMAT 计划的弧1 准直器角度由10°分别旋转成20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°，相应把弧2 准直器角度由350°分别旋转成340°、330°、320°、315°、310°、300°、290°、280°，其他的条件不改变，分别采集以上所有准直器角度时的PD 剂量分布，并与对应弧的计划剂量分布进行Gamma 分析。Gamma分析参数设置：none 和local，分析的标准为3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm，统计不同准直器角度时每个弧的Gamma 通过率。

1.4 统计学方法

使用SPSS 20.0 软件进行统计学分析。3 组不同Gamma 标准下的结果符合正态分析，数据均用±s表示，以准直器角度为10°时的验证结果为基准，与其他角度的结果进行配对t 检验，P<0.01 为有极显著性差异，P<0.05 为有显著性差异，P>0.05 为无显著性差异。

2 结果

（1）12 例患者VMAT 计划弧1 在准直器角度在10°~80°变化时，PD 计划验证的Gamma 通过率统计结果见表1，通过率分布图如图1 所示，Gamma 分析的实例如图2 所示。在3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 3 种Gamma 分析标准下，准直器角度为10°时Gamma通过率均最高，分别为（98.48±0.83）%、（96.77±1.58）%、（94.81±2.03）%；准直器角度为45°时Gamma 通过率均最低，分别为（98.03±1.08）%、（95.88±2.08）%、（93.57±2.75）%（P 分别为0.02、0.03、0.02）。准直器角度为10°和45°时，Gamma 通过率有统计学差异。

表1 不同准直器角度在不同评价标准下的Gamma 通过率单位：%

（2）弧1 准直器角度与计划验证Gamma 通过率的关系如图3 所示。在3%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 3 种Gamma 分析标准下，准直器角度从10°到45°的过程中Gamma 通过率逐渐下降，在45°附近最低，而从50°到70°则是逐渐上升，在70°后略有下降。

（3）弧2 准直器角度为350°~280°时验证结果的变化规律与弧1 准直器10°~80°的验证结果基本一致，故本文不再单独分析弧2 的结果。

3 讨论

图1 不同评价标准下准直器各个角度的Gamma 通过率分布图

在放疗计划制订过程中，通常需要旋转准直器来达到更好的剂量分布并保护危及器官。对于不同部位的肿瘤，在治疗计划设计过程中需根据肿瘤的形态及邻近器官的位置选择不同的准直器角度，如张平等[7]研究表明，选择合适的准直器角度可以使准直器能够最大程度遮挡病灶周围的危及器官，从而得到更好的均匀性和剂量梯度。在调强放疗剂量验证中经常采用机架角、准直器归零的方法，但在临床实施时，机架角、准直器并不是固定的0°，可以是任意角度。理论上，准直器旋转不同的角度实施同一个治疗计划验证并不会影响验证结果，但是调强验证的Gamma 通过率受到很多因素的影响，当VMAT计划执行时，准直器在不同角度位置运动时所承受的阻力是不相同的，这样就可能导致准直器的到位精度存在一定的误差。孟慧鹏等[8]研究结果表明不同剂量率对调强验证Gamma 通过率没有影响，而不同准直器角度对二维电离室矩阵调强验证Gamma 通过率有影响，但是只研究了准直器角度为5°、10°、355°、350°时与0°相比有统计学差异，而没有研究准直器角度的改变对通过率的影响。国外也有一些研究，如Kim 等[9]报道了在头颈部治疗计划验证中将准直器每次旋转5°，在0°至45°过程中计划验证的Gamma 通过率呈持续下降的趋势。该研究给出了准直器角度在5°~45°变化时计划验证的Gamma通过率的变化情况，而对于准直器角度大于45°和小于0°时计划验证的Gamma 通过率的变化情况并没有给出。根据肿瘤的形态及邻近危及器官的不同，部分肿瘤放疗计划将准直器角度设定为45°~90°，以获得更好的剂量分布。但是未见文献报道准直器角度为45°~90°对计划执行精度的影响。本研究以宫颈癌为例，设计了双弧VMAT 计划，将准直器从10°到80°逐渐进行小角度旋转，比较多个角度下剂量验证的Gamma 通过率，并与准直器角度为10°时的通过率进行比对，研究Gamma 通过率随准直器角度的变化趋势，为临床上设计放疗计划，尤其是VMAT 计划选择准直器的角度提供参考。

图2 一例宫颈癌患者当准直器角度旋转为35°时的Portal Dosimetry（PD）计划验证分析实例

本研究结果表明，准直器角度为10°~80°时的Gamma 通过率表现均属良好，在3%/3 mm 标准下，通过率约为98%；在3%/2 mm 标准下，通过率约为96%；在2%/2 mm 标准下，通过率约为94%。同时可以看出，随着准直器角度的变化，Gamma 通过率随之变化。准直器角度为10°、20°时的Gamma 通过率较高，而在40°、45°、50°附近有所下降，在45°时最低。从图3 中也可以看出40°和50°、30°和60°以及20°和70°的结果相似，基本以45°为中心对称，但是10°和80°的结果并不对称，80°时的Gamma 通过率偏低，但是仍然大于45°时的Gamma 通过率。准直器角度从10°变化到45°，Gamma通过率呈现持续下降的趋势，这与Kim 等[9]在0°~45°之间得到的Gamma 通过率的下降趋势一致。但准直器角度从45°变化到80°的过程中，Gamma 通过率则是表现出了先上升后下降的趋势，并不是都以45°为中心对称的，本研究提供的准直器角度在45°~80°时，对计划执行的影响是有意义的。

图3 不同评价标准下准直器各个角度的Gamma 通过率平均值及标准差

旋转准直器角度后剂量验证的结果有所不同，其原因可能是准直器在不同机架角度时，其叶片所受重力并不相同，这样会影响叶片到位精度及叶片运动速度等[10-12]。医用加速器治疗的几何精度准确性依赖于机架的等中心、准直器的等中心和准直器的运动精度，不同准直器和机架角度时，这些因素就有可能发生变化，从而影响剂量验证的结果[13]。在不同准直器角度下进行剂量验证，可以找到最佳的准直器角度。目前放疗研究的热点是精确放疗，在执行VMAT 计划时，机架在旋转过程中同时出束，并伴随叶片不断地运动，对准直器在不同机架角度的到位精度有着更高的要求。由此可见，检测各个不同机架角度的到位精度和不同机架角度时准直器的运动精度及到位精度都是放疗的关键环节，尤其是对于日益精准的立体定向放疗技术。同时，进一步研究明确准直器角度是如何引起VMAT 计划执行精度的变化，可以为设备改进和技术选择提供依据。

4 结论

本研究结果表明准直器角度影响剂量执行的精度，并存在一定相关性。准直器角度为10°~45°时，剂量验证的Gamma 通过率逐渐下降，45°时最低，45°~80°时，Gamma 通过率表现出先上升后下降的趋势。准直器角度为350°~280°时的验证结果与10°~80°的验证结果基本一致。临床工作中，可以根据本研究结果合理选择放疗计划的准直器角度，以达到更精确执行肿瘤放疗的目的。