新型“环形”机架加速器在宫颈癌术后盆腔放疗的临床应用研究

杨波，汪之群，李文博，王忆君，张新，吴柱凤，周宗凯，胡克，张福泉，邱杰

1. 北京协和医院 放疗科，北京 100730；2. 瓦里安医疗设备（中国）有限公司，北京 100176

引言

放射治疗在宫颈癌综合治疗中扮演着重要的角色[1-3]，近年来随着放疗设备、治疗技术的推陈出新，肿瘤患者的局控率及生存率不断提高，正常组织并发症概率逐步降低。Portelance等[4]研究发现，与3D-CRT技术相比，采用固定野调强放疗（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT），高剂量区域的受照体积减少3～10倍。Isohashi等[5]研究结果表明，IMRT技术危及器官受量及毒副反应均明显降低。

瓦里安Halcyon 1.0“环形”直线加速器是基于Truebeam平台全新研发的一款机型，射线能量为6 MV-FFF模式，剂量率800 MU/min，多叶准直器采用双侧模式，最大射野28 cm×28 cm，最快运动速度5 cm/s，治疗计划系统采用预装数据模式，采用全球统一标准。该加速器兼有常规“C”型加速器、CT机及螺旋断层加速器的特点，具有安装调试速度快、治疗快速精确、图像引导高度集成及操作流程智能化等优点，适用于开展多种技术，治疗全身大部分部位的肿瘤[6-8]。

该机型自2017年商业化以来，已在大部分病种进行了研究，主要研究聚焦于头颈肿瘤、乳腺癌、前列腺癌及脑转移瘤等病种[9-14]。而针对妇科肿瘤的研究确很少涉及，尤其是针对Halcyon加速器治疗中低穿射、每次图像引导、快速治疗、margin外放等特点。

本研究使用瓦里安Halcyon直线加速器对宫颈癌术后患者进行规范化治疗，并对剂量分布、调强验证、摆位误差、穿射剂量等结果进行分析，为宫颈癌术后患者精确放射治疗提供质量保证。

1 材料与方法

1.1 材料

随机选择2019年8月至2020年3月间本院28例宫颈癌术后患者，国际妇产科联盟分期为ⅠB～ⅡA期、术后病理结果证实为中-低分化鳞癌、有中危因素需接受术后盆腔放疗的患者。患者年龄为37～66岁，中位年龄50岁；计划靶区体积为952.5～646.1 cm3，平均体积1277.2 cm3。

1.2 方法

1.2.1 模拟定位

定位前2 h，排空直肠、膀胱，口服60%的泛影葡胺（500 mL水稀释）20 mL。患者取仰卧位，热塑体膜固定，静脉增强造影，使用Philips Briliance 16排大孔径CT模拟定位机采集图像。采集范围从L1椎体到耻骨联合下5 cm，扫描层厚0.5 cm。

1.2.2 靶区及危及器官勾画

首先传输CT图像至Manteia AccuContour系统进行靶区及危及器官自动勾画，然后再回传至Varian Eclipse 15.5计划系统，基于RTOG 0418对靶区进行修改确认。临床靶区（Clinical Target Volume，CTV）前后、左右方向外放0.6 cm，头脚方向外放0.8 cm形成计划靶区（Planning Target Volume，PTV）。危及器官包括膀胱、直肠、小肠、骨髓、马尾神经、股骨头。

1.2.3 处方剂量和计划设计

PTV处方剂量（Prescribed Dose，PD）45 Gy/25次、1.8 Gy/次。要求PD至少包绕95%的PTV，平均剂量Dmean＜104% PD，最大剂量D2%＜107% PD，最小剂量D98%＞9 8% P D。危及器官剂量限值：膀胱D40%≤40 Gy，直肠D40%≤40 Gy，小肠D40%≤30 Gy，骨髓D90%≤18 Gy，马尾神经D0.1 cc≤25 Gy，股骨头D5%≤40 Gy。所有计划设计均采用容积旋转调强放疗（Volume-Modulated Arc Radiotherapy，VMAT）技术，3～4个全弧照射，准直器旋转±45°，射线能量6 X-FFF，最大剂量率800 MU/min。

1.2.4 计划评估

使用剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram，DVH）评估靶区和危及器官的剂量分布，PTV评估参数包括：最大剂量D2%、最小剂量D98%、平均剂量Dmean、靶区的均匀性指数（Homogeneity index，HI）、适形度指数（Conformity Index，CI）及剂量跌落指数（Gradient Index，GI）。HI 定义为D2%～D98%/ D50%。将CF 定义为PTV接受处方剂量的体积与PTV体积之比，SF定义为接受处方剂量的PTV体积与接受处方剂量的全身体积之比，故CI 按以下公式计算：CI=CF×SF。GI定义为V50%PD/PTV的比值。危及器官评估参数包括：膀胱、直肠、小肠、骨髓的V20、V30、V40及Dmean和小肠D2cc；股骨头D5%；马尾神经D0.1cc；Body的V5及 Dmean。

1.2.5 治疗计划独立核查

传输确认后的计划至Mobius二次独立核查验证系统，使用collapsed cone convolution/superposition算法对计划重新进行剂量计算，比较、分析不同系统算法三维方向的剂量差异，评估采用3%/3 mm，阈值10%的标准。

1.2.6 患者计划质量保证

将患者计划分别移植于固体水、Arccheck和电子射野影像系统（Electronic Portal Imaging Device，EPID）进行点剂量和面剂量验证，结果分析分别采用Arccheck（2%/2 mm、3%/3 mm，阈值10%），Portal Dosimetry（2%/2 mm，阈值10%）的标准。

1.2.7 图像引导及剂量传输

患者每次治疗前，均行MV-CBCT图像引导，图像采集后自动进行图像配准，人工确认后计算空间三个位移大小，左右LAT、前后VRT、头脚LNG。同时记录射野数量、MU数量和出束时间。

1.2.8 穿射剂量一致性分析

患者治疗中，EPID接受每个治疗射野的穿射剂量，设定第一次治疗的穿射剂量为基准值，后续单野及合成野穿射剂量与基准值进行比较，分析其因体重变化、器官充盈等因素引入的误差。分析、评估标准采用2%/2 mm，阈值10%的标准。

1.2.9 统计学处理

所有DVH数据使用描述性数据统计（平均值、中位值、范围），数据使用MATLAB R2018a统计学软件分析。

2 结果

28例宫颈癌术后患者治疗计划均满足临床治疗标准，共有700个分次治疗，其中28例计划中射野数量4ARC共10例，占35.7%，MU平均值为813.950，治疗时间平均值为132 s；3ARC共18例，占64.3%，MU平均值为750.478，治疗时间平均值为89 s。

2.1 靶区剂量评估

靶区平均DVH、剂量参数分别如图1和表1所示，最大剂量、最小剂量及平均剂量的平均值分别为47.472 Gy（105.493% PD）、44.630 Gy（99.179% PD）、46.287 Gy（102.861% PD），CI、GI及 HI的平均值分别为 0.992、3.911、1.064，所有患者靶区剂量结果均满足处方剂量要求。

表1 靶区剂量参数

图1 靶区及危及器官最大、最小及平均剂量体积直方图

2.2 危及器官剂量评估

危及器官平均DVH、剂量参数分别如图1和表2所示，膀胱、直肠V40，小肠V30的体积平均值分别为16.533%、23.318%和11.536%，远低于剂量限值40%的标准。股骨头-左和股骨头-右D5%的平均值分别为33.811 Gy、33.928 Gy，均低于剂量限值40 Gy的标准。

表2 危及器官剂量参数

2.3 治疗计划独立核查结果

28例患者计划Mobius 3D独立核查结果如图2所示，3D γ平均通过率为99.386%，通过率范围为98.4%～99.8%。其中通过率为98%～99%的3例，占比10.71%；99%～100%的25例，占比89.29%。

图2 治疗计划独立核查结果

2.4 计划验证结果

患者计划面剂量验证结果如图3所示，EPID Portal Dosimetry面剂量2%/2 mm 3D γ通过率范围为94.2%～99.8%，平均值为97.120%。Arccheck 面剂量2%/2 mm、3%/3 mm的3D γ通过率范围和平均值分别为89.1%～99.4%、97.2%～99.9%；95.560%、99.180%。点剂量偏差结果范围为-1.637%±0.863%，平均值为-0.117%。

图3 治疗计划面剂量验证结果

2.5 图像引导结果

28例患者，共700个分次的图像引导被执行，摆位误差如图4所示。VRT、LNG、LAT的平均值分别为0.140、0.294、0.200 cm；标准差分别为0.116、0.253和0.159。若采用Stroom的2∑+0.7σ公式计算Margin的大小，其三维方向的大小分别为AP：0.3 cm、SI：0.8 cm、LR：0.5 cm。

图4 患者摆位误差

2.6 穿射剂量结果

28例患者合成野穿射剂量一致性结果如图5所示，采用2%/2 mm的标准进行一致性检测，所有结果范围为81.6%～100%，平均值为97.308%。一致性结果在80%～85%、85%～90%、90%～95%、95%～100%的比例分别为0.45%、3.72%、12.50%、83.33%。

图5 合成野穿射剂量一致性结果

3 讨论

针对宫颈癌这种形状变化较大的靶区，Halcyon 1.0加速器能获得等同于或优于常规“C”型加速器的复杂剂量分布，剂量要求满足临床治疗标准。与Li等[15]采用的FFIMRT技术相比，本研究采用VMAT技术，GI、CI和HI均有不同程度的提升，而危及器官受量进一步降低。这与杨波等[16]关于FF-IMRT和VMAT技术研究是一致的。VMAT技术多角度入射以及照射弧数量的增加势必提升靶区剂量指数，而Halcyon 0.47%的穿射因子进一步降低了危及器官的中低剂量区域的剂量[7]。

治疗速度快是Halcyon 1.0加速器区别与常规“C”型加速器的一大特点，800 MU/min的剂量率、2圈/min的机架旋转速度、5 cm/s的MLC运动速度使得4ARC治疗平均时间仅为132 s，与常规“C”型加速器2ARC平均时间150 s、9F IMRT平均时间768 s相比，治疗时间明显缩短，降低了患者内部器官运动错误照射的风险，同时进一步提高了患者治疗的舒适度[7-8]。

Halcyon 1.0加速器治疗计划设计的两个限制是最大照射野28 cm×28 cm和1 cm的叶片宽度。长度超过28 cm的长靶区对Halcyon 1.0加速器来讲，使用一个等中心点是无法完成计划设计的，目前的解决方案一般采用“baseplan”方案，但是该方案费时费力、灵活性差。若升级到Halcyon 2.0版本，该问题可以使用一个计划两个等中心点同时优化完成，治疗总长度可以达36 cm。叶片宽度对计划质量也是有一定的影响的，Wang等[17]研究表明，采用0.4 cm的叶片，靶区覆盖度和均一性比1 cm的叶片有较大的提升。为解决Halcyon 1.0加速器叶片较宽的问题，我们一般在计划设计时旋转准直器±45°来提高叶片的分辨率，但是需要通过增加照射野和MU的数量进行补偿。

Halcyon 1.0加速器每次治疗患者前，MV级图像引导是强制性的，一般采用“High Quality”模式，与传统的加速器相比，MV级图像将会对正常组织引入额外的剂量，但是，计划设计时，Eclipse系统会考虑MV级图像的剂量贡献，保证剂量计算的准确性。Li等[18]研究发现，在胸部模体中，“High Quality”模式条件下，不同位置的剂量范围为6.51～8.45 cGy，而剂量偏差小于0.5%的标准。关于MV级图像较低分辨率和额外图像引导剂量的问题，也会随Halcyon 2.0系统的KV-CBCT和ICBCT的出现得到很好的解决。

在Halcyon 1.0加速器使用的初期，对每一例患者计划分别使用固体水、Arccheck和EPID进行点剂量和面剂量验证。点剂量偏差采用3%的标准，使用CC13电离室进行测量；面剂量采用全局归一、3%/3 mm和2%/2 mm的标准进行分析、评估。对Arccheck采用合成野分析，而EPID采用单野分析。针对合成野和单野分析、评估的问题，AAPM TG 218报告推荐[19]，采用合成野分析更能模拟真实的传输状态，而采用单野分析更容易发现对强度调制的射野的一些隐藏错误，所以建议调强初期需对合成野和单野一起分析。另外，基于EPID的患者计划验证是非常方便的，越来越被一线的物理师和相关组织所接受，但是其可靠性和稳定性通过需要大量数据进行比对。

Mobius治疗计划独立核查软件在该文中主要用于核对同一计划不同计算模式下的三维剂量差异以及计划系统的系统错误，进一步提高计划的安全性和治疗过程中的准确性。但是治疗过程中Log文件及CBCT图像的分析没有涉及，这也是将来患者自动质控发展的方向。目前已有多篇文献报道[20-21]，基于治疗计划独立核查软件、Log文件及特定模体来替代患者计划的质控。与常规计划系统相比，无论建模的数据量还是系统算法，独立核查软件均稍显平庸，有待于进一步完善。

Halcyon加速器的EPID不仅能应用于患者图像的采集和配准，也可以用于Portal Dosimetry患者计划验证及治疗过程中穿射剂量的收集及比对。分次间穿射剂量的一致性可以反应治疗过程中体重变化、位置变化及器官充盈等因素带来的剂量差异，这方面Nailon等[22]也就常规“C”型加速器做了相关的报道。但是目前该技术还有一些技术缺陷需要解决，比如只能把第一分次的穿射剂量作为基准值，而不能通过计划系统计算穿过人体后预期的剂量分布；另外就是所得到的穿射剂量不能反算至体内，得到实际患者体内每次的剂量分布，为后续的自适应放疗做准备。

本文针对靶区及危及器官剂量分布、计划独立核查、患者治疗计划治疗控制、图像引导及穿射剂量进行了系统分析。研究表明，Halcyon 1.0新型“环形”机架加速器在宫颈癌术后盆腔放疗中能获得较优的剂量分布和较快的执行效率，基于EPID的分次间剂量检测能有效发现治疗过程中体重及内部器官的变化。由于目前Halcyon还处于1.0的版本，其图像质量、图像剂量、长靶区治疗均是困扰临床治疗的难点，希望在后续的2.0版本中逐渐解决。

自适应放疗是妇科肿瘤发展的终极目标，Enthos加速器是Halcyon加速器的后续研发版本，聚力于自适应临床应用，采用该技术能够降低调强放疗中摆位误差、肿瘤退缩、器官运动等因素的影响，提高治疗的准确性与精确性。