Monaco计划系统不同通量平滑方式对直肠癌术后容积旋转调强放射治疗计划影响的分析

葛 双，王 寻，郗会珍，马 俊，叶书成,陈长建，陈其超，马守印，徐 宁

(1.济宁医学院附属医院，山东 济宁 272001 2.山东省济宁市肿瘤医院放疗科，山东 济宁 272007)

直肠癌是我国发病率前10位的恶性肿瘤之一，也是常见的盆腔部位肿瘤[1]，严重威胁人们生命健康。由于直肠癌发病部位特殊，肿瘤体积较大，单纯手术治疗，局部复发率高，需联合放射治疗行全盆腔辅助照射[2]。直肠癌放射治疗需考虑其解剖结构的复杂性，肿瘤位置较低，形状不规则，周围紧邻膀胱、肠道和股骨头，为降低危及器官(OAR)并发症的发生率，对靶区适形性和均匀性有更高的要求。容积旋转调强放射治疗(VMAT)技术相对传统的固定机架调强放射治疗(IMRT)技术有更多的调制因素，机架旋转的同时，可实时调节MLC叶片、机架旋转速度以及剂量率的大小，实现辐射束的多维度调节，在获得更好靶区适形度，降低OAR受照剂量的同时，还能有效减少机器跳数(MU)和治疗时间，提高计划执行效率[3,4]，在直肠癌术后放射治疗中拥有明显优势。蒙特卡罗(MC)算法是均匀物质或非均匀物质进行剂量计算最精确的剂量算法[5]。Monaco计划系统(treatment planning system，TPS)的剂量算法采用的是快速蒙特卡罗(XVMC)算法，优化算法包括物理约束函数和生物约束函数[6]。在VMAT计划设计方面，许多研究者[7～9]针对Monaco TPS提供的多种优化参数(比如不确定度、最小子野、Arc弧数等)做了大量的剂量学研究，但关于通量平滑方式对盆腔深部大体积肿瘤的剂量影响方面，还未有相关文献参考。本文基于Monaco5.11计划系统，研究FSH、FSM和FSL 3种不同通量平滑方式在直肠癌术后患者VMAT计划设计中的剂量学差异、计划验证通过率和执行效率，来综合评估放射治疗计划质量，为临床提供参考。

1 材料与方法

1.1影像学资料:从2019年12月到2020年5月在我院放疗中心接受过放射治疗的直肠癌术后病例中随机选取16例患者的影像学资料，其中女性10例，男性6例，年龄33～86岁(中位年龄59岁)，病理类型均为腺癌，病理分期ⅡA 4例、ⅡB 3例、ⅢA 2例、ⅢB 6例和ⅢC 1例，均行同步放化疗。CT模拟定位1h前，患者排空肠道，饮水800～1000mL充盈膀胱；采取热塑膜配合碳纤维束体架仰卧位固定；通过Brilliance大孔径CT模拟定位机(荷兰飞利浦公司)行强化CT扫描，层厚5mm，扫描范围上界自膈顶水平，下界至股骨上中1/3段，采集的影像传输到Monaco 5.11 TPS(瑞典医科达公司)。

1.2靶区、OAR勾画及剂量限值:由同1名经验丰富的肿瘤放疗医师对16例直肠癌患者行临床靶区(clinicaltarget volume，CTV)和OAR的勾画与确认。计划靶区(planning target volume，PTV)由CTV左右、腹部方向外扩0.7～1cm，头脚方向外扩1cm，体积大小为657.2～1463.8cm3(平均体积1201.3 cm3)。OAR包括肠道、膀胱、右侧股骨头和右侧股骨头，其临床剂量限值要求为：肠道V30<190cm3，V40<150cm3；膀胱V40<50%；股骨头V20<30%，D2%<5000cGy。

1.3VMAT计划设计:靶区处方剂量为45Gy，分25次照射。采用Monaco5.11 TPS系统的MC算法及拥有80对AgilityTM多叶光栅(MLC)的VersaHD加速器模型对每个病例采用3种通量平滑方式(High，Medium和Low)分别设计3组单中心双弧VMAT计划，即FSH组、FSM组和FSL组。3组计划均采用相同的剂量约束条件和物理优化参数进行优化和计算，结果以处方量满足PTV95%的体积进行剂量归一。其中物理优化和计算的参数设置见表1。

表1 直肠癌VMAT计划物理优化和计算参数

1.4剂量学评估：通过剂量—体积直方图(dose-volume histogram，DVH)来评估靶区的适形指数(conformity index，CI)、均匀性指数(homogeneity index，HI)、剂量梯度(dose gradient index，GI)、剂量参数、MU、控制点数(CP)，以及肠道、膀胱、双侧股骨头的各项剂量-体积参数(V5、V10、V20、V30和V40，表示xGy剂量覆盖的体积)。CI=(VT,ref)2/(VT*Vref)，式中VT,ref为处方剂量线包括的靶区体积，T为靶区体积，Vref为处方剂量线包括的全部体积，0

1.5剂量验证:剂量验证均采用Matrixx(瑞典IBA公司)二维矩阵探测器在医科达VersaHD加速器上测量。MatriXX探测器由1020个空腔电离室组成，相邻探测中心的距离为0.76 cm，可探测面积为24cm×24 cm。为保证每次测量的一致性，排除设备因素的干扰，开始测量前需对Matrixx进行校准。采集到的数据直接传输到MyQA系统作二维平面γ通过率(gamma passing rate，GRP)的分析，分析标准分别为3mm/3%、2mm/2%和1mm/1%。测量时，记录MOSAIQ出束时间为T/min。

2 结 果

2.1靶区剂量学参数:三组计划靶区的Dmean、D2%和HI等参数结果相近，差异无统计学意义(P>0.05)，FSM的Dmin、Dmax和D98%较FSH增加2.58%、0.57%和0.30%，差异有统计学意义(P<0.05)，FSL的Dmin和D98%较FSH增加2.84%和0.41%，差异有统计学意义(P<0.05)；FSL的CI均较FSM和FSH增加2.20%和3.17%，差异有统计学意义(P<0.05)，FSM略大于FSH，差异无有统计学意义(P>0.05)，可见FSL靶区适形性要明显好于FSM和FSH；而FSH的GI均较FSM和FSL增加2.0%和1.75%(P<0.05)，FSM与FSL接近，差异无统计学意义(P>0.05)，可见FSL和FSM计划的剂量梯度均好于FSH，更有利于靶区外OAR的保护，见表2。

表2 3种通量平滑方式靶区各项参数剂量结果

2.2OAR剂量学参数:三组计划肠道的各项剂量学参数相比差异均无统计学意义(P>0.05)。膀胱的Dmean和V30，满足FSL0.05)，而FSL的Dmean和V20均低于FSH和FSM，分别为4.83%、3.88%、9.10%和8.22%(P<0.05)。左侧股骨头，FSL的V20较FSH降低7.40%，FSM的D2%较FSH降低2.29%，差异有统计学意义(P<0.05)，其他参数三者相近，差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表3 3种通量平滑方式OAR各项参数剂量结果

2.3计划控制点数(CP)和机器跳数(MU):CP和MU均满足FSH

图1 3种通量平滑方式的VMAT计划CP和MU比较结果图

2.4剂量验证通过率GRP和出束时间T:三组计划的GRP在3%/3mm标准下均大于99%，满足临床要求，差异无统计学意义(P>0.05)；在1%/1mm和2%/2mm标准下，FSH和FSM的GRP是明显高于FSL，差异有统计学意义(P<0.05)，而FSH和FSM相近，差异无统计学意义(P>0.05)，结果见表4。三组计划出束时间(T)，满足FSH

表4 3种通量平滑方式的VMAT计划GRP和出束时间比较结果

3 讨 论

容积旋转调强放射治疗(VMAT)计划在优化时分为两阶段进行，第一阶段是理想通量图的优化过程，主要是根据物理和生物约束函数，通过对射束子野分布和数量的不断优化，最终以笔形束(PB)算法计算剂量分布；第二阶段是MLC排序器执行子野形状和权重的优化，对于每个子野均采用Monto Carlo算法重新计算剂量分布，而通量平滑方式的改变，直接作用在于第一阶段通量图的优化上[10]。本文基于Monaco 计划系统提供的FSH、FSM和FSL 3种不同通量平滑方式，探究其在在直肠癌术后患者VMAT计划设计中的剂量学差异，为临床提供参考。

研究结果表明：虽然FSL在提高靶区均匀性方面，是略优于FSM和FSH，但在靶区适形性上是明显好于FSM和FSH(2.20%和3.17%)，并且FSL与FSM的GI，均优于FSH组(1.75%和2.0%)，对靶区之外的OAR保护更有优势。FSL和FSM两者在提高靶区的Dmin和D98%方面均有明显优势，相比FSH可最大提高2.84%，因此FSL组的计划质量是依次好于FSM和FSH的。在直肠癌VMAT全弧形照射的同时，膀胱会不可避免地受到照射。Viswanathan AN[11]和Romano KD[12]等人的研究指出，膀胱毒副反应的发生和严重程度是与膀胱受到照射的体积是高度相关的，结果显示FSL组膀胱的Dmean、V30和V40相比FSM可最大降低3.76%，较FSH可最大降低7.01%，因此FSL方式能更有效的降低膀胱受照后的毒副反应。在股骨头保护方面，对右侧股骨头Dmean和V20，FSL较FSH与FSM可降低最大为9.10%；FSL和FSM两者在保护左侧股骨头上，均略优于FSH，因此FSL方式更有利于降低股骨头毒副反应，避免骨折等风险的发生，FSM次之。在肠道受量方面，三者结果相近，均满足临床剂量限值的要求。分析其主要原因，FSL方式在为靶区外部获得较快剂量跌落的同时，紧邻靶区位置固定形状规则的膀胱和股骨头受照剂量和体积也必然会降低；而肠道分布弥散，体积不规则，因而优势不明显。

FSH和FSM在降低CP、MU和出束时间T上有明显优势，其中较FSL对CP降低15.93%和8.68%，对MU降低14.30%和8.33%，对T可减少13.39%和6.91%，因此在提高计划执行效率方面FSH和FSM是更有利的，这与吴凡[13]等人的研究一致。FSH、FSM和FSL 3组计划的GRP在3%/3mm标准下均大于99%，均满足临床要求，但在1%/1mm和2%/2mm较高标准下，FSH和FSM的GRP相近，但均明显高于FSL。因此，降低通量平滑方式，射野内子野数量会增加，剂量分布也会越好，然而会造成控制点数增加，子野走位交换时间延长，增加出束时间。除此之外，降低通量平滑方式，也会增加小MU和小面积子野数量，也会降低较高标准1%/1mm和2%/2mm的GRP。综上所述，直肠癌术后患者基于Monaco TPS系统3种通量平滑方式设计的VMAT计划，剂量学参数和GRP均能满足临床要求。在提高计划质量，更好的HI、CI和GI，降低膀胱和股骨头受照射剂量，减少毒副反应方面，FSL最好，FSM次之，FSH后之；在提高计划执行效率方面，减少MU、CP和T方面，FSH最好，FSM次之，FSL后之。因此，在计划设计时，要根据临床要求进行和患者个体化差异进行综合考虑，优先选择FSM方式，这样既能满足较好的计划质量也能提高计划执行效率。