Monaco计划系统中不同优化模式在固定野调强和容积旋转调强下宫颈癌剂量学比较*

张达，刘敏，黎杰，王培

610041 成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学医学院 放疗中心

宫颈癌是常见的女性恶性肿瘤，约80%的宫颈癌在不同治疗阶段需要进行放疗[1]，因此，放疗在宫颈癌治疗中具有重要地位。宫颈癌靶区一般包括子宫体、宫颈、宫旁、阴道、淋巴引流区和阳性淋巴结等。靶区体积较大、形状复杂，周围危及器官(organs at risk,OAR)较多，主要为膀胱、直肠、小肠、股骨头、盆骨、髂骨等。调强放射治疗(intensity-modulated radiotherapy,IMRT)在提高靶区剂量的同时能够有效降低OAR受量，降低放疗毒性反应，提高生存质量。而容积旋转调强(volumetric modulated arc therapy,VMAT)比IMRT增加了更多的优化控制点，可得到更适形的剂量分布，且治疗时间更短，治疗效率更高[2-3]。Monaco计划系统(Elekta Instrument AB,Stockholm,Sweden)采用蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)算法，为计划设计提供两种优化模式：靶区优先(Pareto)和正常器官优先(Constrained)。两种优化模式通过在优化过程中不同约束条件的权重优化，实现相同优化条件下，两种模式的互斥[4]。Monaco默认采用Constrained优化方式，其优化过程优先考虑对OAR的保护，即对正常组织设置相同的权重，在优化过程中不断调整各约束条件的权重来首先满足正常器官限量。通常情况下，如果某项约束条件较难达到，系统将加大权重，直到权重达到最大，则停止该项条件优化。因此在物理约束条件很严格甚至出现约束矛盾时，Constrained模式同样可以容易地实现剂量分布。Constrained优化模式在绝大多数临床情况下都非常有效。而Pareto模式与Constrained模式相反，在优化过程中放松对正常组织的限制，以满足靶区剂量要求。因此，理论上Pareto会获得更好的靶区剂量分布，而Constrained则更好保护OAR。本文将从剂量学上比较宫颈癌在固定野调强和VMAT方式下，不同优化模式(Pareto和Constrained)的剂量学差异。

1 材料与方法

1.1 病例选取

选取我中心2019年10月～2019年12月治疗的22例未进行手术行根治性放疗的宫颈鳞癌患者，年龄(51±9)岁(均值±方差)，中位年龄50岁。

1.2 定位及CT扫描

所有病例均采用仰卧位，双手交叉抱肘置于前额，由热塑模固定体位。扫描前叮嘱排空直肠，并于半小时前排空膀胱后饮水500 mL。膀胱充盈后由Philips Brilliance大孔径CT(Philips Healthcare,Best,Netherlands)进行扫描，扫描范围从L1椎体上缘至耻骨联合下5 cm，层厚0.3 cm。

1.3 靶区及OAR勾画

放疗医生根据RTOG0418共识勾画靶区[5]，临床靶区(clinical target volume,CTV)包括全部宫颈、子宫体和宫旁组织。若阴道未受侵，则勾画阴道上1/3段；阴道上段受侵，则勾画阴道上2/3；阴道下段受侵，则勾画整个阴道。盆腔淋巴引流区根据血管走向进行勾画，包括髂总淋巴结、髂内淋巴结、髂外淋巴结和闭孔淋巴结。将CTV外放不同距离形成计划靶区(planning target volume,PTV)，其中，宫颈外放1.2 cm，子宫体外放1.5 cm，宫旁、阴道和淋巴引流区外放0.5 cm。

1.4 计划系统与设备

所有计划都在Monaco 5.11治疗计划系统上进行设计，治疗设备为Elekta公司的Infinity直线加速器(Elekta Instrument AB,Stockholm, Sweden)。

1.5 处方剂量和计划设计

所有患者均为第一程治疗，剂量为1.8Gy/次，25次，总剂量为45Gy，分别采用固定野调强中的dMLC和VMAT两种调强方式，其中dMLC为9野(9F)，机架角度分别为180°、140°、100°、60°、20°、340°、300°、260°、220°，每个射野设置30个控制点；VMAT为1个射野2个全弧，每个弧设置90个控制点。在相同的优化条件下，分别采用Pareto和Constrained两种优化模式设计计划。

1.6 计划评估

将PTV的剂量归一到≥95%的体积，利用剂量-体积直方图评估靶区和OAR，其中，靶区评价指标包括：最大剂量Dmax、平均剂量Dmean、适形指数(conformity index, CI)、均匀性指数(homogeneity index, HI)。OAR评估参数包括膀胱V40、直肠V40、小肠V30、左右股骨头平均剂量Dmean和盆骨V30。膀胱、直肠和小肠的1 cm3体积受照剂量(D1cc)。机器参数指标包括：出束时间(deliver time)、子野数(segment)和机器跳数(monitor units, MUs)。

1.7 数据统计

所有指标的统计在MATLAB 2015a(The MathWorks,Inc.Natick,MA)上进行，数据采用均值±方差形式表示。对统计数据首先进行Kolmogorov-Smirnov检验，以验证其正态性。如果数据不满足正态分布，则先进行数学变换，以满足正态性要求。对不同调强方式和不同优化模式的计算结果的参数比较采用配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 靶区剂量学比较

在dMLC和VMAT调强方式下，Pareto和Constrained两种优化模式对靶区剂量的影响列于表1中。

在dMLC调强方式下，Pareto和Constrained两种优化模式对靶区剂量参数没有明显影响(P均大于0.05)；对于VMAT，靶区剂量参数在两种优化模式之间差异同样没有统计学意义(P均大于0.05)。但dMLC和VMAT两种调强方式对靶区剂量参数影响不同。对于Dmax，在Pareto模式下，VMAT比dMLC明显增加(P<0.001)；在Constrained模式下，VMAT明显高于dMLC(P<0.001)。对Dmean，Pareto模式下，VMAT明显高于dMLC(P=0.002)；Constrained模式下，VMAT同样明显高于dMLC(P<0.001)。对于CI，在Pareto和Constrained模式下，VMAT和dMLC调强方式对其均无明显影响(P均大于0.05)。对于HI，在两种优化模式下，VMAT均明显高于dMLC(P均小于0.001)。

2.2 OAR剂量学比较

在dMLC和VMAT调强方式下，Pareto和Constrained两种优化模式对OAR剂量学的影响如表2所示。

在dMLC和VMAT两种调强方式下，Pareto和Constrained两种优化模式对膀胱V40、直肠V40、小肠V30、盆骨V30和左右股骨头Dmean均无显著性影响(P均大于0.05)。但不同调强方式和不同优化模式对D1cc的影响却不一致。对于dMLC调强方式，Constrained模式下膀胱和直肠D1cc明显小于Pareto模式(P均小于0.05)；而小肠D1cc在两种优化模式下差异无统计学意义(P=0.076)。对于VMAT方式，Constrained模式下膀胱和直肠D1cc明显小于Pareto模式(P均小于0.001)；小肠D1cc在两种优化模式下差异无统计学意义(P=0.488)。

膀胱、直肠和小肠在Pareto优化模式下，VMAT调强D1cc明显高于dMLC(P均小于0.001)；Constrained模式下，VMAT的D1cc同样显著高于dMLC(P均小于0.001)。在Perato和Constrained模式下，不同调强方式对左右股骨头Dmean没有明显影响(P均大于0.05)。

2.3 机器参数比较

在dMLC和VMAT调强方式下，Pareto和Constrained两种优化模式对出束时间、子野数和MUs的影响见表3。

dMLC调强方式时，Constrained模式出束时间明显高于Pareto模式(P=0.045)，在VMAT时，两种模式下差异无统计学意义(P=0.108)。调强方式对出束时间影响明显。在Pareto模式下，VMAT出束时间明显低于dMLC(P<0.001)；同样，在Constrained模式下，VMAT出束时间明显低于dMLC(P<0.001)。

在dMLC调强模式下，Pareto和Constrained两种模式对子野数没有明显影响(P=0.054)；同样，对于VMAT，Pareto和Constrained子野数差异同样无统计学意义(P=0.305)。在Pareto和Constrained两种模式下，VMAT的子野数均明显小于dMLC(P均小于0.001)。

对于MUs，dMLC方式，Pareto和Constrained两种模式下两者差异无统计学意义(P=0.537)；在VMAT下，两者同样差异无统计学意义(P=0.270)。在Pareto模式下，VMAT明显高于dMLC(P=0.041)；Constrained模式，VMAT与dMLC差异无统计学意义(P=0.134)。

3 讨 论

宫颈癌放射治疗一般由内照射和外照射相融合，国际妇产科联盟推荐的治疗方案是盆腔外照射给予45～54 Gy剂量，同时辅以内照射[6]。近10年来，宫颈癌外照射已由三维适形放疗发展到IMRT[7]。IMRT利用多叶准直器(multi-leaf collimator,MLC)进行射束约束，使靶区剂量与肿瘤组织相适形，同时能最大限度减少周围正常组织剂量，提高肿瘤的治疗增益比[8]。VMAT技术作为调强与旋转治疗的结合，将MLC运动、机架旋转和剂量率调整等多种因素相融合，实现射野大小、形状和方向的动态变化，完成射线剂量的强度调整。作为一种新型的调强实现方式，VMAT具有两方面优势：更短的治疗时间和更少的杂散剂量[9]。前者表明VMAT具有更高的执行效率。本研究结果中，虽然VMAT具有更高的MUs，子野数和出束时间反而更少，这是由于VMAT技术在机架旋转的同时机器出束，且机架旋转速度和剂量率都可连续变化，使子野数更少，机器执行效率更高。本研究结果表明VMAT具有更高的HI，说明其具有更好的剂量均匀性，可减少身体杂散剂量，更少的杂散辐射可降低二次致癌的风险[9]。另一方面，VMAT的MUs高于dMLC，这可能是我们的优化首先满足靶区剂量要求，控制点数设置和加速器自身特性不同造成的。更高的MUs意味着低剂量体积的增加，因此，对于某些射线敏感的组织和细胞，如骨髓造血干细胞[10]，这些低剂量辐射会产生一定的放射性毒性。与dMLC计划相比，VMAT出束时间缩短为2～4 min，治疗时间减少的同时，治疗过程中位置移动的风险也相应降低，从而降低了靶区和器官的移动误差，提高了放疗精准度。

本文利用Monaco计划系统，研究了9野dMLC和VMAT两种调强技术下，Pareto和Constrained两种优化模式对靶区剂量、OAR和机器参数的影响。所有计划的剂量分布和剂量参数都满足临床要求。我们的研究表明，这些计划在临床上的差异并不大，仅仅在某些剂量参数上有差异。对于靶区，Pareto和Constrained两种优化模式对剂量参数无明显影响。VMAT靶区具有更高的Dmax、Dmean和HI，这一结果与王宁等[11]、孙永健等[12]、Cozzi等[13]一致，表明VMAT可以为靶区剂量提供更好的适形度，但需要更严格地控制最大剂量。对正常组织而言，不同调强方式和不同优化模式对其体积剂量均无显著影响，这结果与唐成琼等[14]研究一致。另一方面，靶区CI也无明显变化，这一结果可能与我们使用9野调强有关，因为随着射野数量增加，IMRT的剂量分布会接近甚至优于VMAT[15]。对膀胱、直肠和小肠来说，Pareto模式和VMAT对高剂量控制不如Constrained模式和dMLC。因此，在使用VMAT技术和Pareto模式时需要严格限制正常组织的高剂量，避免剂量热点落到这些器官上。对于VMAT，Monaco中采用半开铅门技术，即一个弧只辐照射野等中心点所在矢状轴左侧或右侧靶区，每个弧只负责矢状轴左侧或右侧靶区和正常器官限量之间的剂量分配，因此可获得更好的靶区适形性和均匀性；而位于人体中间部位的膀胱、直肠受照射体积降低，理论上可以降低其受量。

综上所述，在满足靶区剂量的要求下，无论使用dMLC还是VMAT技术，Pareto或者Constrained模式，用于宫颈癌放疗计划设计都能达到正常器官限制条件，满足临床治疗需求。与dMLC计划相比，VMAT技术可以明显缩短治疗时间，提高治疗效率，且靶区均匀性更好，但对膀胱、直肠和小肠的高剂量控制不如dMLC。另一方面，Constrained模式对膀胱、直肠和小肠的高剂量控制也略优于Pareto模式。因此，在使用Monaco计划系统设计宫颈癌计划时，推荐采用VMAT技术，可获得更好的剂量分布和更高的治疗效率。在一般宫颈癌计划设计时推荐采用Pareto模式，以获得更好的靶区剂量，但要注意对最大剂量的控制。如果对某些器官有特殊要求，则采用Constrained模式，可更好保护OAR。

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