基于MONACO计划系统有无均整器模式对直肠癌术后SIB-VMAT计划影响的研究

葛双，郗会珍，陈长建，李慧，王寻，马俊，程锦绣，魏敏，朱培军，程淑媛，杨君东，叶书成,

济宁医学院附属医院 a. 肿瘤放疗科；b. 肿瘤科；c. 医学影像中心，山东 济宁 272001

引言

直肠癌患者术后局部复发是影响预后的关键因素，行术后辅助放疗可显著降低局部复发率，提高患者治愈率[1]。均整器是常规医用直线加速器的重要组成部件之一[2]，均整（Flattening Filter，FF）模式即引入该部件，以实现在组织一定深度处治疗野内相对均匀的剂量分布；而非均整（Flattening Filter Free，FFF）模式即移除均整器，加速器产生的X线经初级准直器直接到达次级准直器（Multileaf Collimator，MLC）来照射患者部位。目前，FFF模式的应用主要集中于立体定向放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）技术[3-5]，相关研究表明，与传统FF模式相比，FFF模式的辐射束虽存在射线质偏软，辐射野内平坦度差的缺点，但具有叶片漏射及机头散射少、高剂量率、治疗时间短和靶区外围剂量跌落快的特点，有利于降低正常组织所受剂量和二次癌症的发生概率，提高治疗效率[6-7]。容积旋转调强放射治疗（Volumetric-Modulated Arc Therapy，VMAT）技术可实现MLC叶片、机架旋转速度以及剂量率的实时调节，在提高靶区适形度，降低危及器官（Organs at Risk，OAR）受照剂量的同时，减少计划执行时间，有效提高治疗效率[8]。

本研究选取16例直肠癌术后行瘤床同期加量容积旋转调强放射治疗（Simultaneous Integrated Boost of Volumetric-Modulated Arc Therapy，SIB-VMAT）的患者，采用Monaco 5.11计划系统分别制作FF和FFF两种模式的单弧VMAT计划，通过比较两者剂量学差异，为直肠癌常规放射治疗开展FFF模式提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 临床资料

随机选取我院放疗中心自2019年5月到2020年12月期间接受瘤床SIB-VMAT的16例直肠癌术后患者，经病理确诊腺癌11例、鳞癌1例，其中术后分期ⅠC 1例、ⅡA 1例、ⅢA 6例、ⅢB 7例和ⅢC 1例，女性7例，男性9例，年龄41～85岁，中位年龄62.5岁。

1.2 CT模拟定位

患者定位1 h前需排空膀胱和直肠，分1～2次饮入温水800～1000 mL，充盈膀胱，仰卧位+盆腔热塑体膜固定。定位开始前，肛门处放置铅点标记；定位采用Philips Brilliance大孔径CT模拟定位机行静脉注射造影剂强化扫描，以便盆腔原发病灶大体肿瘤体积（Gross Tumor Volume，GTV）勾画，扫描范围自第1～2腰椎，至坐骨结节下10～15 cm处，扫描层厚5 mm，采集的CT图像传输到Monaco 5.11计划系统。

1.3 靶区、OAR勾画及计划设计

为避免人为因素引入的不确定性，每位患者的靶区均由同1名高年资肿瘤放疗医师勾画，并将原发病灶GTV和临床靶区临床靶体积（Clinical Target Volume，CTV）分别在左右、腹部方向外扩0.7～1 cm，头脚方向外扩1 cm得到计划靶区（Planning Target Volume，PTV）（体积为881.8～1417.2 cm3,平均体积1152.5 cm3）和原发病灶靶区PGTV（体积：167.3～624.7cm3，平均体积389.4 cm3）。OAR勾画包括膀胱、双侧（左/右）股骨头和肠道。采用拥有80对AgilityTM多叶光栅的VersaHD加速器模型基于Monaco 5.11计划系统的蒙特卡洛算法对16例直肠癌患者分别选用6 MV FF和 FFF两档光子能量，制定单个射野旋转角度为 360°全弧照射的SIB-VMAT计划，最大剂量率分别设置为600 MU/min和1400 MU/min，准直器角度15°来减少MLC边缘凹凸槽效应[9]。靶区处方剂量为PGTV 50 Gy和PTV 45 Gy，分25次照射，两组计划的剂量优化和计算条件相同。靶区要求满足PTV95%体积接受100%处方剂量；OAR的剂量限值要求：膀胱V40<50%；股骨头V20<30%，D2%<50 Gy ；肠道 V30<190 cm3，V40<150 cm3，Dmax<52 Gy。

1.4 剂量学评价

每一个计划的剂量体积参数均通过剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram，DVH）进行评价。靶区评价指标包括均匀性指数（Homogeneity Index，HI）和适形性指数（Conformity Index，CI），PTV 和 PGTV 的 Dmin、Dmax、Dmean、D98%、D2%和D50%，OAR膀胱、左右侧股骨头和肠道的相关剂量-体积参数（V20、V30和V40等），以及机器跳数（Monitor Unit，MU）和控制点数（Control Point，CP）。CI和 HI的 计 算 公 式 为 ：CI=(VT,ref)2/(VT×Vref) 和HI=(D2%-D98%)/D50%，其中T为靶体积，VT,ref为处方剂量线重叠的靶体积，Vref为处方剂量线覆盖的体积，D2%、D50%与D98%分别为包括靶区2%、50%及98%体积最大照射剂量，CI值越接近1靶区剂量适形度越好；HI值越小靶区内剂量分布越均匀。

1.5 计划剂量验证和执行时间

剂量验证采用MatriXX探测器（瑞典IBA公司）进行二维剂量测量，测量前需对MatriXX进行校准。首先将治疗计划的二维通量数据文件导出并加载到MyQA系统，然后同治疗计划在MOSAIQ系统QA模式下实施照射采集的数据作二维平面γ通过率分析，分析标准设置为3%/3 mm、2%/2 mm和1%/1 mm。实施照射时，记录下MOSAIQ系统显示的计划出束时间。

1.6 统计学分析

各参数结果的分析均采用SPSS 20.0软件首先进行正态性检验，如若配对样本的差值服从正态分布则分别进行配对 t检验，反之则进行Wilcoxon 符号秩和检验。经检验，所有配对样本差值均服从正态分布，行配对样本t检验。差异具有统计学意义须满足95%的置信区间P<0.05，结果以x-±s表示，平均值偏差为ε（%）。

2 结果

2.1 靶区PTV与PGTV剂量学参数

两种模式下患者VMAT计划的剂量分布与DVH结果如图1～2所示。为便于比较，需对每个计划行相同剂量标准条件归一处理，即保证PTV95%体积接受100%处方剂量。在PGTV方面，FFF模式的D2%较FF模式降低0.85%，差异有统计学意义（P<0.05），其他剂量参数的均值有一定差异，但是无统计学意义（P>0.05）。在PTV方面，FFF模式的Dmean、D50%较FF分别降低0.69%和0.88%，差异有统计学意义（P<0.05），而D98%较FF提高了0.63%，CI和HI也明显好于FF，差异有统计学意义（P<0.05），结果如表1和图3所示。

表1 FF与FFF两种模式靶区各项参数结果（±s）

表1 FF与FFF两种模式靶区各项参数结果（±s）

注：Dmin：最小剂量；Dmax：最大剂量；Dmean：平均剂量；D2%、D98%和D50%：2%、98%和50%覆盖体积最大剂量；V100/%：处方剂量覆盖靶区的相对体积。

靶区 参数 6 MV_FF 6 MV_FFF t值 P值 ε/%PGTV Dmin 4667.5±261.3 4706.3±224.9 -1.546 0.143 0.82 Dmax 5529.8±102.6 5498.1±64.85 1.299 0.213 -0.58 Dmean 5229.1±77.52 5191.6±53.45 2.071 0.056 -0.72 D2% 5374.4±92.15 5329.0±56.92 2.159 0.047 -0.85 D98% 5040.6±51.12 5024.7±40.23 1.202 0.248 -0.33 D50% 5235.4±81.95 5196.2±56.23 2.090 0.054 -0.75 V100/% 98.64±1.265 98.59±0.9857 0.1475 0.885 -0.05 CI 0.6927±0.1953 0.7148±0.1983 -0.7181 0.484 3.09 HI 0.0636±0.0128 0.0585±0.008 2.087 0.054 -8.72 Dmin 3631.6±431.5 3714.6±452.4 -1.647 0.120 2.23 Dmax 5529.9±102.6 5498.1±64.81 1.300 0.213 -0.58 Dmean 4925.8±111.6 4892.2±106.7 2.261 0.039 -0.69 D2% 5336.5±92.49 5294.0±66.11 2.086 0.055 -0.80 D98% 4385.8±62.18 4413.7±41.26 -2.401 0.030 0.63 D50% 4935.8±186.6 4892.7±190.1 2.230 0.042 -0.88 CI 0.8117±0.0377 0.8254±0.0315 -2.609 0.020 1.66 HI 0.1921±0.0254 0.1795±0.0154 2.391 0.030 -7.02 PTV

图1 直肠癌患者 FF（上）与FFF（下）模式下VMAT计划剂量分布情况

图2 直肠癌患者FF与FFF模式下靶区及OAR的DVH

图3 16例直肠癌患者PTV的CI与HI在FF与FFF两种模式下分布箱线图

2.2 OAR和靶区间及外部剂量学参数

FFF模式下膀胱的Dmin、V20、V30及Dmean较FF明显下降，降低2.11%～11.6%，差异有统计学意义（P<0.05）；肠道的Dmax和V45较FF降低了1.18%和12.5%，差异有统计学意义（P<0.05）；而在膀胱高剂量区、肠道低剂量区及双侧股骨头方面，两种模式差异无统计学意义（P>0.05）。FFF模式的PTV与PGTV之间区域P-G的Dmean较FF降低了1.07%，并且PTV与PGTV对应50%处方剂量覆盖体积即V22.5/cm3和V25/cm3较FF分别降低了2.07%和1.42%，差异有统计学意义（P<0.05），可见FFF模式可获得更好的靶区外部及不同剂量靶区间剂量梯度，更有利于保护靶区周围重要组织和器官，结果如表2所示。

表2 FF与FFF两种模式OAR和靶区间及外部各项参数结果（±s）

表2 FF与FFF两种模式OAR和靶区间及外部各项参数结果（±s）

注：V20/%、V30/%和V40/%：20 Gy、30 Gy和40 Gy覆盖OAR的相对体积；V20/cm3、V30/cm3、V40/cm3和V45/cm3：20 Gy、30 Gy、40 Gy和45 Gy覆盖OAR的绝对体积；V25/cm3和V22.5/cm3：25 Gy和22.5 Gy剂量覆盖区域的绝对体积。

OAR 参数 6 MV_FF 6 MV_FFF t值 P值 ε/%膀胱Dmin 1207.6±385.1 1082.2±376.4 7.397 <0.001 -11.6 Dmax 5354.0±161.2 5156.8±756.0 1.026 0.321 -3.82 Dmean 3335.2±164.9 3266.3±168.1 6.262 <0.001 -2.11 V20/% 84.15±10.94 80.37±10.74 5.659 <0.001 -4.70 V30/% 56.19±5.680 54.47±5.700 4.243 0.001 -3.16 V40/% 36.83±5.569 36.46±5.473 1.667 0.116 -1.02肠道Dmin 492.9±183.7 492.7±181.7 0.0193 0.985 -0.04 Dmax 4841.8±105.6 4785.4±75.80 2.569 0.021 -1.18 Dmean 2566.1±324.2 2569.6±309.3 -0.2693 0.791 0.14 V20/cm3 256.2±95.74 253.5±86.08 0.6401 0.532 -1.06 V30/cm3 120.2±52.36 122.3±51.06 -1.477 0.160 1.72 V40/cm3 49.58±27.23 50.53±28.08 -1.220 0.241 1.88 V45/cm3 20.04±16.04 17.81±14.76 3.021 0.008 -12.5右侧股骨头Dmeam 1299.7±100.6 1270.2±95.35 1.610 0.128 -2.32 V20/% 15.24±4.237 14.47±4.190 1.362 0.193 -5.32 D2% 2894.0±287.9 2910.7±237.9 -0.5872 0.566 0.57左侧股骨头V25/cm3 3564.9±470.8 3514.9±472.0 4.529 0.001 -1.42 V22.5/cm3 4265.9±577.9 4179.3±576.5 4.748 <0.001 -2.07 Dmeam 1391.6±81.90 1404.3±90.07 -1.619 0.126 0.90 V20/% 24.50±4.327 25.36±5.150 -1.477 0.160 3.39 D2% 3003.6±223.8 3091.7±199.8 -1.861 0.082 2.85 P-G Dmean 4807.3±67.72 4756.5±55.72 3.178 0.006 -1.07外部剂量

2.3 MU及CP

FFF模式的MU与CP较FF明显增加了19.1%和9.46%，差异有统计学意义（P<0.05），结果如表3和图4所示。平均子野跳数表示为计划总MU与总CP的比值，反映计划整体每个子野机器跳数的分布情况，结果如图5所示，FFF模式的平均子野跳数（7.67±0.53）大于FF模式（6.89±0.68）。任意选取1例患者的VMAT计划，从Monaco TPS中分别导出FF与FFF模式下各自CP与MU的数据列表，MU分布范围在区间（2，20），将区间分为9组，作不同MU下对应子野数百分比的直方图，见图6，可以看出FF模式小于6MU的子野百分比（42.7%）远大于FFF模式（29.6%）。

图4 16例直肠癌患者的MU和CP在FF与FFF两种模式的分布图

图5 16例直肠癌患者的平均子野跳数分布

图6 不同MU下对应子野百分比分布情况

表3 FF与FFF两种模式OAR和靶区间及外部各项参数结果（±s）

表3 FF与FFF两种模式OAR和靶区间及外部各项参数结果（±s）

模式 MU CP 6 MV_FF 607.36±53.65 88.5±8.327 6 MV_FFF 751.16±71.90 97.75±5.119 t值 -16.07 -5.315 P值 <0.001 <0.001 ε/% 19.14 9.463

2.4 VMAT计划验证通过率及计划出束时间

FF与FFF两种模式计划的验证γ通过率结果在3%/3 mm标准下相近，均大于99%，差异无统计学意义（P>0.05）；在2%/2 mm和1%/1 mm标准下，FFF模式的γ通过率结果均明显高于FF，差异有统计学意义（P<0.05）。两种模式下VMAT计划的出束时间相近，均在1.4 min左右完成，差异无统计学意义（P>0.05），结果如表4所示。

表4 FF与FFF两种模式VMAT计划验证通过率及计划出束时间（±s）

表4 FF与FFF两种模式VMAT计划验证通过率及计划出束时间（±s）

模式 γ通过率 出束时间/min 3%/3 mm 2%/2 mm 1%/1 mm 6 MV_FF 99.81±0.23 95.00±3.35 73.37±5.20 1.49±0.06 6 MV_FFF 99.93±0.13 99.46±0.64 84.11±5.85 1.48±0.10 t值 -2.01 -6.10 -14.6 0.565 P值 0.058 0.002 <0.001 0.580

3 讨论与总结

直肠癌术后辅助放射治疗是控制其局部复发、提高患者治愈率的重要手段，然而放射治疗造成的辐射损伤和局部晚期反应也严重影响着患者的生活质量，因此计划设计时，在满足靶区剂量临床要求的同时，尽可能地降低周围正常组织器官的受照剂量和受照体积，避免放射损伤的发生。VMAT技术的开展可实现MLC叶片、机架旋转速度以及剂量率的实时调节，在提高靶区适形度、降低OAR受照剂量、减少计划执行时间、提高治疗效率等方面有着明显的优势[8]。Monaco计划系统采用的快速X射线体积元蒙特卡罗算法，是基于统计学概率理论对均匀物质或非均匀物质进行剂量计算最精确的剂量算法[10-13]，其在制作6 MV FF与FFF两种模式光子束VMAT计划方面，多数研究集中在肺癌及脑部转移瘤SBRT治疗方面，而针对常见病种常规放射治疗方面的研究相对较少。Sun等[9]和牛锐等[14]分别针对食管癌、乳腺癌等做了FF与FFF两种模式下相关剂量学研究，指出FFF模式在移除均整器之后，会获得较快跌落的剂量分布，对周围OAR可形成更有效的保护。但关于两种模式在盆腔深部大体积肿瘤同期推量的剂量影响方面，目前还未有相关文献参考。

本文基于Monaco 5.11计划系统，通过对比研究了直肠癌术后行SIB-VMAT计划在6 MV光子束FF与FFF两种模式下的剂量学差异。结果表明：在PGTV方面，唯有高剂量区域（D2%）的剂量在FFF模式下降低0.85%，而CI、HI及其他参数结果与FF模式是相近的，并且靶区覆盖率均在98.0%以上；在PTV方面，FFF模式CI和HI也明显好于FF，主要是因为FFF模式能更好地提高低剂量区（D98%）0.63%剂量的同时，也能降低Dmean和D50%大约1%的剂量，并且移除均整器后，靶区外部剂量跌落加快[15]，有效减少了外围100%处方剂量体积，提高靶区的适形性和均匀性。如结果所示：FFF模式的PTV与PGTV之间区域P-G的Dmean较FF降低了1.07%，且PTV与PGTV相应50%处方剂量覆盖体积即V22.5/cm3和V25/cm3较FF分别降低了2.07%和1.42%，可见FFF模式能获得更好的靶区外部及不同剂量靶区间剂量梯度，更有利于保护靶区周围重要组织和器官[16]。Viswanathan等[17]在对放射治疗关于膀胱受照射体积与毒副反应的研究中指出，降低受照剂量和体积，可以有效减少毒副反应，在直肠癌放疗中，膀胱的受照剂量和体积过高会导致患者后期膀胱功能下降，不能达到照射初期的充盈状态，影响治疗效果和患者生活质量，因此要尽可能地降低膀胱受照剂量。相对于FF模式，FFF模式膀胱的V20、V30以及Dmean可有效降低2.11%、3.16%和4.70%，小肠的高剂量区Dmax和V45也能明显降低1.18%和12.5%，主要原因在于膀胱位于直肠癌靶区的前部，形状规则，因此FFF模式较好的靶区剂量适形性和较快的剂量跌落，更有利于降低膀胱的受照剂量；而肠道一般散在分布，常并与靶区交叠，体积不规则，因此低剂量区优势不明显，但是FFF模式在P-G区域剂量降低更有利于与靶区交叠区肠道的保护。

FFF模式的MU与CP远高于FF，这与Sun等[9]及Zwahlen等[18]的研究一致。由于移除均整器之后，FFF模式辐射束的离轴比剂量分布变成中间高两侧低的“笔尖形”分布，在VMAT计划中为实现较好靶区适形性和均匀性的剂量分布，要求对MLC叶片移动位置优化更加精细，导致额外的机器跳数和子野来补偿调控，增加MU和CP。两种模式VMAT计划的出束时间相近，均在1.4 min左右完成，这与牛锐等[14]的研究一致，未体现出FFF模式下SBRT计划高剂量率短出束时间的优势，这与单次剂量大小有关[19]。FF与FFF两种模式VMAT计划的验证γ通过率结果均满足临床要求，在3%/3 mm标准下相近，均大于99%，但在2%/2 mm和1%/1 mm标准下，FFF模式的γ通过率结果均明显高于FF。影响计划验证γ通过率的主要因素是小MU子野的存在，它会影响探测器的探测准确性，小MU子野比重越大，较高标准下，γ通过率会明显降低。如结果所示，FFF模式的机器跳数和控制点数目远高于FF，但是其平均子野跳数（7.67±0.53）远大于FF模式（6.89±0.68），并且从图6不同MU下对应子野数百分比的直方图可以看出，小于6 MU的子野百分比FFF模式（29.6%）远低于FF模式（42.7%），因此FFF的γ通过率在2%/2 mm和1%/1 mm标准下远高于FF模式。

综上所述，基于MONACO计划系统设计直肠癌术后瘤床同期加量SIB-VMAT，FF与FFF两种模式计划的剂量学参数均能满足临床要求，对于常规FF模式， FFF模式在常规剂量分割放射治疗中虽没能体现出高剂量率高执行效率的优势，但是在提高计划质量、保护膀胱和肠道方面有明显优势，为直肠癌常规放射治疗开展FFF模式提供参考依据。