准直器角度对子宫内膜癌VMAT计划剂量的影响
2022-03-04钟思瑶徐程孙斌高玉艳
钟思瑶，徐程，孙斌，高玉艳
首都医科大学附属北京潞河医院 放疗科，北京 101100
引言
子宫内膜癌是女性生殖系统最常见的恶性肿瘤之一，其在女性恶性肿瘤中排名第四[1]。与单纯的手术相比，手术联合放疗可以取得更好的局部控制率，提高远期生存率[2-5]。在放疗的技术应用中，根据肿瘤的体积、数量、位置分布等特点，动态容积旋转调强（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）计划相比于固定野调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），具有更好的靶区适形度，危及器官（Organ at Risk，OAR）及靶区周围正常组织的照射较低，机器跳数（Monitor Unit，MU）更低，治疗时间明显缩短，具有更高的治疗效率[6-10]。故VMAT技术越来越普遍地应用于临床治疗中。VMAT计划的剂量参数主要受拉弧的角度范围及准直器角度的影响，对于类似子宫内膜癌这种中央型临床靶区，VMAT计划的拉弧角度范围基本选择全弧照射。在全弧照射时，研究准直器角度对计划剂量参数的影响，找到最利于子宫内膜癌放疗VMAT计划结果的准直器角度，可以有效地提高物理师计划的效率以及计划的质量，使患者获得更好的疗效。
1 材料与方法
1.1 研究对象
选取11例子宫内膜癌术后患者进行双全弧VMAT技术照射治疗。其中Ⅰ期4例、Ⅱ期4例、Ⅲ期3例，患者平均年龄58岁，所有患者均无淋巴结转移，靶区及危及器官勾画均由同一大夫审核修改，治疗计划由同一物理师完成，处方剂量均为50 Gy/25 f。
1.2 体位固定及CT图像扫描
患者扫描前均饮用500 mL水并憋尿1 h。采用仰卧位、双手抱肘置于额头。使用Q-Fix体板配合热塑模以及适合患者尺寸的头枕固定，在体模及患者身上做好定位标记。采用飞利浦大孔径16排螺旋CT模拟定位系统。扫描电压为120 kV，扫描方式为平扫+增强，范围为第2腰椎椎体上缘到会阴位置，层厚5 mm。扫描的CT图像通过网络传输到Eclipse 15.5治疗计划系统上，用于勾画及计划设计。
1.3 靶区及危及器官勾画
将获得的患者图像，根据ICRU50号报告，勾画临床靶区CTV（Clinical Target Volume，CTV）。首先明确CTV为髂总、髂内、髂外淋巴结区域及宫旁、上段阴道和阴道旁组织，并对直肠、膀胱等危及器官做适当规避。然后将CTV均匀外扩5 mm获得计划靶区（Planning Target Volume，PTV）。同时勾画直肠、膀胱、股骨头、脊髓、小肠等危及器官。
1.4 治疗计划设计
使用Eclipse 15.5计划系统，分别对12例患者进行双全弧VMAT计划设计。其中Arc1的准直器角度分别设为0、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°共 10 个角度。Arc2分为A、B两组各设计10组计划，A组Arc2为360°-Arc1（使Arc1、Arc2钨门的X1方向关于射野中心轴对称）。B组Arc2为90°-Arc1（使Arc1钨门的X1方向与Arc2钨门的Y1方向关于射野中心轴对称）。所有计划均采用6 MV光子线，同一患者计划的剂量约束条件和优化参数都保持一致，使用Eclipse中的MU约束函数，将所有计划地跳数约束在640～680 MU。当前优化条件无法满足靶区需求时，只对靶区优化权重做小幅度调整。计算完成后，均对PTV进行剂量归一，使靶区95%的体积达到处方剂量。
1.5 治疗计划评估
采用剂量直方图对PTV、OAR的受照剂量参数进行统计学分析。
OAR参数：部分子宫内膜癌患者在接受外照射治疗之后还需要接受后装治疗[13-14]，在外照射治疗计划中通常要求膀胱与直肠50%体积受量不超过30 Gy，股骨头50%的体积受量不超过20 Gy。所以本研究危及器官主要评估直肠、膀胱的体积受量V30与平均受量Dmean，以及股骨头的体积受量V20与平均受量Dmean。由于手术及患者自身因素，部分患者小肠、脊髓不在照射范围，本研究不对小肠及脊髓受量进行研究。
1.6 统计学分析
本文首先绘制两位患者（P1、P2）的数据折线图，分析整体趋势。然后采用SPSS 22.0软件对11例患者数据进行统计学分析，统计结果用平均数±标准差描述，P<0.05为差异具有统计学意义。首先对A、B组计划进行成对样本t检验，分析固定Arc1角度时两组数据的统计学差异；再对结果较优的分组进行不同Arc1准直器角度时的t检验，分析得出较优的准直角度。
2 结果
2.1 靶区与危及器官剂量参数折线图
首先从11例患者中随机抽取2例共进行40个计划设计，所有计划的靶区覆盖率均满足临床要求。计划参数以折线图的形式表示（图1），患者分别用P1、P2表示，P1(A)、P1(B)分别代表P1患者A、B组计划参数，P2(A)、P2(B)分别代表P2患者A、B组计划参数。从图1a可以看出，靶区的剂量参数在Arc1<35°时，患者P1(B)计划适形度优于P1(A)，患者P2适形度A、B组没有明显规律，两位患者计划最佳适形度均出现在B组Arc1=0°位置。从图1b～c可以看出，对于患者P1，B组的计划均匀性整体优于A组，且两位患者计划最佳均匀性都出现在B组Arc1<10°的位置，此时，计划的Dmax值也较低。对于危及器官的剂量参数，从图1d～g可以看出，两位患者B组计划直肠与膀胱的体积量V30及平均剂量Dmean剂量整体低于A组，且B组计划中Arc1角度较小时，患者直肠与膀胱的受量较低。从图1h～i可以看出，Arc1角度较小时，患者P1、P2的B组计划股骨头体积量V20小于A组，P1(A)的股骨头平均受量Dmean大于P1(B)，而P2(A)则整体小于P2(B)。综和以上对于这两例患者计划剂量参数的分析，采用B组计划且Arc1角度较小时可以获得较好的靶区适形度及均匀性，同时还可以有效地降低直肠与膀胱的受量。
图1 患者P1、P2的剂量学参数随准直器角度的变化
2.2 A、B组成对样本分析
2.2.1 A、B组PTV剂量参数比较
对另外入组的患者进行与P1、P2患者相同的A、B组计划设计。利用SPSS 22.0软件对同一Arc1准直器角度下的A、B两组计划进行成对样本分析发现，对于适形指数CI，Arc1为0、5°时，A、B组计划CI值具有统计学差异（P<0.05），且CI(B)>CI(A)，此时B组的适形度优于A组。其他Arc1角度下，A、B组的CI值不具有统计学差异（P>0.05）。对于均匀性指数HI，所有计划均匀性指数的平均值HI(B)
表1 不同准直器角度靶区剂量学参数（±s）
表1 不同准直器角度靶区剂量学参数（±s）
参数 0 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45°CI(A) 0.8909±0.0062 0.8658±0.0175 CI(B) 0.9046±0.0043 0.8823±0.0051 0.8927±0.006 0.8966±0.0046 0.8988±0.0040 0.8984±0.0029 0.8941±0.0052 0.8984±0.0035 0.8804±0.009 0.9009±0.0045 0.8982±0.0046 0.8979±0.0051 0.9012±0.0043 0.8963±0.0047 0.8967±0.0041 0.8920±0.0043 0.8819±0.0064 0.8905±0.0045 P值 0.026 0.007 0.219 0.253 0.867 0.688 0.589 0.140 0.861 0.149 HI(A) 0.0974±0.0031 0.1038±0.0039 HI(B) 0.0803±0.0015 0.0962±0.0035 0.0898±0.0035 0.0881±0.0028 0.0876±0.0023 0.0867±0.0028 0.0854±0.0025 0.0848±0.0027 0.0923±0.0075 0.08±0.0022 0.0818±0.0028 0.0810±0.0029 0.0809±0.0028 0.0815±0.0028 0.0845±0.0026 0.0842±0.0041 0.0909±0.0042 0.0885±0.0039 P值 <0.001 <0.001 <0.001 0.001 0.038 0.010 0.611 0.828 0.802 0.318 Dmax(A) 5652.1±22.38 5782.8±79.68 Dmax(B) 5546.1±16.50 5626.2±25.80 5593.4±24.03 5601.4±22.45 5595.8±17.84 5623.1±18.29 5618.3±16.63 5675.9±32.31 5749.2±67.29 5626.7±35.35 P值 <0.001 0.001 0.017 0.114 0.560 0.430 0.121 0.423 0.073 0.030 5518.7±9.12 5549.4±22.01 5565.9±33.34 5581.4±31.18 5595.8±35.77 5579.7±25.71 5747.7±94.72 5661.2±44.89
2.2.2 A、B组OAR受照剂量对比
统计分析时所有OAR受照剂量均为对靶区进行同一归一化处理后的结果。对同一Arc1准直器角度下的A、B两组计划进行成对样本分析发现，所有Arc1角度下，直肠的V30(B)
表2 不同准直器角度OAR剂量学参数（±s）
表2 不同准直器角度OAR剂量学参数（±s）
OAR 0 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45°直肠V30(A) 66.83±3.66 62.97±6.57直肠V30(B) 52.40±3.87 65.65±4.27 60.26±4.08 56.79±4.04 55.99±3.55 54.69±3.63 54.55±3.66 54.22±3.57 60.87±5.58 51.55±3.39 49.42±3.41 50.65±3.63 51.32±3.70 51.34±3.93 50.40±3.69 51.93±3.80 56.20±4.78 52.93±3.96 P值 <0.001 <0.001 <0.001 0.020 0.010 0.007 0.030 0.018 0.025 0.073直肠Dmean(A) 3641.5±105.7 3520.0±185.1直肠Dmean(B) 3234.6±121.4 3581.7±110.5 3491.5±111.2 3402.0±110.5 3384.8±101.4 3353.4±107.2 3328.4±112.5 3315.8±112.0 3452.6±146.4 3227.3±112.7 3187.7±116.6 3216.1±115.0 3221.0±117.4 3231.5±121.8 3208.5±115.3 3249.5±119.2 3362.2±146.9 3281.8±127.3 P值 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.002 0.002 0.013 0.016 0.027 0.074膀胱V30(A) 56.37±1.17 57.45±4.88膀胱V30(B) 47.10±1.48 56.28±1.57 54.26±1.46 52.97±1.40 52.22±1.07 51.31±1.31 50.19±1.53 49.11±1.36 54.00±3.51 47.17±1.27 45.94±1.28 47.17±1.31 47.59±1.68 47.55±1.56 47.05±1.49 48.07±1.65 49.75±1.86 49.10±1.67 P值 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.002 0.002 <0.001 0.104 0.084 0.063膀胱Dmean(A) 3445.6±48.6 3430.9±140.1膀胱Dmean(B) 3115.1±56.1 3422.9±69.8 3373.6±67.1 3329.6±59.6 3289.2±53.8 3278.2±57.6 3245.1±62.9 3210.5±53.2 3361.7±108.0 3210.0±63.1 P值 <0.001 <0.001 0.001 0.001 0.017 0.012 0.006 0.099 0.069 0.066股骨头V20(A) 30.52±2.09 3094.6±55.2 3151.3±47.2 3160.4±53.3 3174.3±63.1 3162.9±60.1 3139.3±51.7 3167.1±61.3 3238.5±70.8 37.24±5.25股骨头V20(B) 24.05±2.22 30.37±2.20 29.63±2.16 28.27±1.94 28.29±2.01 26.99±2.36 26.84±2.37 26.73±2.30 33.81±4.17 26.89±2.86 P值 <0.001 0.012 <0.001 0.005 0.045 0.43 0.987 0.833 0.077 0.058股骨头Dmean(A) 1590.2±55.7 24.91±2.72 24.18±2.22 24.64±2.41 25.72±2.28 26.11±2.29 26.87±2.50 26.91±2.77 27.33±2.85 1746.4±138.1股骨头Dmean(B) 1486.5±57.4 1575.0±53.1 1531.2±48.2 1526.3±44.4 1516.7±40.7 1510.8±45.7 1513.7±46.3 1530.2±44.3 1685.9±107.1 1551.1±55.5 P值 0.001 0.020 0.168 0.332 0.875 0.815 0.688 0.430 0.155 0.134 1474.4±53.6 1500.5±55.4 1500.5±56.0 1511.6±56.0 1515.8±53.6 1524.0±54.4 1549.9±56.35 1549.9±58.82
2.3 B组不同Arc1角度分析
从以上A、B组的对比可以看出，在相同的Arc1准直器角度下，B组计划要优于A组计划。且从各项参数平均值来看，B组计划中Arc1、Arc2分别为5°、85°时，结果较好。以下对不同准直器角度与Arc1=5°的计划进行成对样本对比。
2.3.1 B组PTV剂量参数比较
对B组不同准直器角度下计划与Arc1、Arc2分别为5°、85°时进行PTV剂量参数成对样本分析发现，对于适型指数 CI，Arc1为 35°、40°、45°时，P值分别为 0.049、0.011、0.008，具有统计学差异，且CI平均值都小于Arc1=5°，此时可认为Arc1≥35°时，计划的适型度变差，其他角度差异无统计学意义（P>0.05）。对于均匀性指数HI，Arc1为30°、35°、40°、45°时，P值分别为 0.003、0.042、0.005、0.017，具有统计学差异，且HI平均值都大于Arc1=5°时，此时可认为Arc1≥30°时，计划的均匀性变差，其他角度差异无统计学意义（P>0.05），且HI平均值在Arc1=5°时最小。对于计划的最大剂量点Dmax，Arc1≥25°时有统计学差异（P<0.05），且Dmax平均值都大于Arc1=5°，此时可认为Arc1>25°时，计划的最大剂量点变大，其他角度差异无统计学意义（P>0.05），且Dmax平均值在Arc1=5°时最小。综上，对于不同准直器角度计划的PTV剂量学参数而言，Arc1为0～20°时，计划结果更优（表3）。
表3 不同准直器Arc1角度与Arc1=5°时PTV剂量学参数对比（±s）
表3 不同准直器Arc1角度与Arc1=5°时PTV剂量学参数对比（±s）
参数 5° 0/5° 10°/5° 15°/5° 20°/5° 25°/5° 30°/5° 35°/5° 40°/5° 45°/5°CI(B) 0.9009±0.0045 0.9046±0.0043 0.8982±0.0046 0.8979±0.0051 0.9012±0.0043 0.8963±0.0047 0.8967±0.0041 0.8920±0.0043 0.8819±0.0064 0.8905±0.0045 P值 0.190 0.518 0.947 0.542 0.406 0.184 0.049 0.011 0.008 HI(B) 0.08±0.0022 0.0885±0.0039 P值 0.757 0.133 0.473 0.536 0.183 0.003 0.042 0.005 0.017 0.0803±0.0015 0.0818±0.0028 0.0809±0.0028 0.0810±0.0029 0.0815±0.0028 0.0845±0.0026 0.0842±0.0041 0.0909±0.0042 Dmax 5518.7±9.12 5546.1±16.50 5547.4±22.01 5565.9±33.34 5581.4±31.18 5595.8±35.77 5579.7±25.71 5747.7±94.72 5661.2±44.89 5626.7±35.4 P值 0.054 0.097 0.157 0.061 0.048 0.014 0.030 0.007 0.010
2.3.2 B组OAR剂量参数比较
对B组不同准直器角度下计划与Arc1、Arc2分别为5°、85°时进行OAR剂量参数成对样本分析发现，Arc1为0、10°、40°、45°时，直肠受量V30以及Dmean具有统计学意义（P<0.05），且V30以及Dmean平均值都大于Arc1=5°，此时可认为Arc1=5°时直肠受量低于Arc1=0、10°、40°、45°，其他角度无统计学意义（P>0.05）。对于膀胱，除了Arc1=0°无统计学意义（P>0.05）外，其他准直角度下，膀胱受量V30以及Dmean均具有统计学意义（P<0.05），且V30及Dmean平均值都大于Arc1=5°，此时可认为除了Arc1为0时，Arc1=5°膀胱受量最低。不同准直器角度与Arc1=5°对比时，股骨头受量V20皆不具统计学意义（P>0.05），而股骨头的平均值在Arc1≥35°时，与Arc1=5°对比有统计学意义（P<0.05），且Dmean平均值都大于Arc1=5°，此时可认为Arc1≥35°时，股骨头受量平均值变大。综上，Arc1为5°、10°时，计划膀胱受量小于其他角度，而Arc1=5°时直肠的受量低于Arc1=10°，且Arc1=5°时，股骨头受量也处于较低值（表4）。结合PTV参数分析结果，可以认为子宫内膜癌双弧VMAT计划准直器角度为5°、85°时，可得到较好的计划结果。
表4 不同准直器Arc1角度与Arc1=5°时OAR剂量学参数对比（±s）
表4 不同准直器Arc1角度与Arc1=5°时OAR剂量学参数对比（±s）
OAR 5° 0/5° 10°/5° 15°/5° 20°/5° 25°/5° 30°/5° 35°/5° 40°/5° 45°/5°直肠V30(B) 49.42±3.41 52.40±3.87 51.55±3.39 51.32±3.70 51.34±3.93 50.65±3.63 50.40±3.69 51.93±3.80 56.20±4.78 52.93±3.96 P值 0.013 0.047 0.164 0.144 0.194 0.603 0.139 0.031 0.033直肠Dmean(B) 3187.7±116.6 3216.1±115.0 3234.6±121.4 3227.3±112.7 3221.0±117.4 3231.5±121.8 3208.5±115.3 3249.5±119.2 3362.2±146.9 3281.8±127.3 P值 0.005 0.041 0.237 0.163 0.258 0.514 0.219 0.035 0.042膀胱V30(B) 45.94±1.28 47.17±1.31 47.10±1.48 47.17±1.27 47.59±1.68 47.55±1.56 47.05±1.49 48.07±1.65 49.75±1.86 49.10±1.67 P值 0.117 0.013 0.014 0.010 0.049 0.042 0.012 0.014 0.007膀胱Dmean(B) 3094.6±55.2 3160.4±53.3 3115.1±56.1 3151.3±47.2 3174.3±63.1 3162.9±60.1 3139.3±51.7 3167.1±61.3 3238.5±70.8 3210.0±63.1 P值 0.368 0.006 0.018 0.008 0.047 0.037 0.032 0.029 0.013股骨头V20(B) 24.91±2.72 26.89±2.86 P值 0.520 0.631 0.832 0.565 0.427 0.276 0.217 0.206 0.322股骨头Dmean(B) 1474.4±53.6 24.05±2.22 24.18±2.22 24.64±2.41 25.72±2.28 26.11±2.29 26.87±2.50 26.91±2.77 27.33±2.85 1551.1±55.5 P值 0.245 0.077 0.106 0.052 0.071 0.054 0.016 0.012 0.004 1486.5±57.4 1500.5±55.4 1500.5±56.0 1511.6±56.0 1515.8±53.6 1524.0±54.4 1549.9±56.35 1549.9±58.82
3 讨论
随着技术的进步，盆腔肿瘤的放射治疗已经普遍采用VMAT技术，且研究表明，双弧计划优于单弧[15]。在Eclipse计划系统中，准直器角度是影响VMAT计划质量的重要因素。对于多弧计划，若不对准直器角度进行调整，都处于0，会使叶片间的漏射剂量累积在相同位置，造成不必要的剂量分布。所以多弧计划设计时通常会对准直器角度进行调整。双弧计划使两个弧的铅门关于射野中心轴对称可以使剂量分布更均匀，是VMAT计划设计中常用的布野方式[16]。而对于不同部位肿瘤具体的准直器角度选择并没有准确的说明与解释，因此，国内外关于准直器角度对放疗计划的影响进行了不同方面的研究[17-20]。Sharma等[17]研究了准直器角度对腮腺癌IMRT剂量的影响，将准直器角度在0～90°以30°递增做了4个计划，发现准直器角度的变化对腮腺癌IMRT计划没有明显的影响。Li等[18]选择10例前列腺癌患者研究准直器旋转对前列腺癌VMAT计划的影响，研究结果表明在45°时，靶区的CI、HI值表现最好，与 0相比直肠和膀胱的 V60不会明显增大，最终认为45°是最佳角度。陈亚正等[19]研究了准直器角度对宫颈癌术后VMAT计划的影响，发现双弧分别为0与30°时能得到较优的计划结果。武星蕾等[20]研究了准直器角度对鼻咽癌VMAT计划及剂量验证的影响，发现对于鼻咽癌VMAT计划设计，将准直器角度设在10°～20°可以获得更好的剂量分布。
本文研究共入组11例子宫内膜癌患者，并对11例患者分别进行A、B两组各10个双弧计划设计。首先对相同Arc1（0～45°，5°一个间隔）角度下A（Arc2为360°-Arc1）、B（Arc2为90°-Arc1）组计划进行成对样本统计分析，发现Arc≤5°时B组计划具有更好的适形度。Arc1≤25°时，B组计划具有更好的均匀性。Arc1≤10°时，B组的最大剂量值更小。而对于OAR来说，除了Arc1=45°以外，所有其他角度下，B组计划的直肠受量都要低于A组。Arc1≤30°时，B组膀胱受量也要低于A组。对于股骨头，只有Arc1为0、5°时，A、B组计划具有统计学差异，且B组股骨头受量低于A组。所有计划中B组Arc1为0时计划CI平均值最高，Arc1为5°时HI、Dmax、直肠受量以及膀胱受量的平均值最低。综上，可以认为B组计划普遍优于A组计划，即在设计子宫内膜癌双弧计划时，准直器角度可优先考虑使用Arc1与90°-Arc1的组合。
通过以上分析发现B组计划优于A组，且可初步认为B组计划中Arc1=5°时，计划结果更优。本研究接下来又对B组计划中不同准直器角度的计划与Arc1=5°的计划进行两两成对样本对比，发现Arc1≥35°时，相比于Arc1=5°计划的适形度变差。Arc1≥30°时，相比于Arc1=5°计划的均匀性变差。Arc1≥25°时，相比于Arc1=5°计划的最大剂量值变大。综上，对于不同准直器角度计划的PTV剂量学参数而言，Arc1为0～20°时计划结果更优；对于OAR来说，Arc1为5°、10°时，计划膀胱受量小于其他角度，而Arc1=5°时直肠的受量低于Arc1=10°，且Arc1=5°时，股骨头受量也处于较低值。
4 结论
本文通过研究，结合PTV参数以及OAR受照情况结果分析，可以认为子宫内膜癌双弧VMAT计划准直器角度Arc1、Arc2分别为5°、85°时，能够有效地提高靶区的适形度及均匀性，且直肠、膀胱受量低于研究的其他准直器角度，对子宫内膜癌涉及的两个重要危及器官起到了更好的保护作用。但若使用其他医院不同型号的加速器与不同的计划系统，研究结果可能不完全相同。本研究结果对设计子宫内膜癌计划时准直器角度的选择有指导价值，可有效提高计划设计的效率及质量。
