臂架角度间隔对鼻咽癌容积旋转调强计划的影响

2022-09-28李政欢成媛袁维吴伟伟

中国医疗设备 2022年9期

李政欢，成媛，袁维，吴伟伟

1.中山大学附属第三医院肿瘤放射治疗科，广东广州 510630；2.福建医科大学附属福州市第一医院放疗科，福建福州 350009；3.西安交通大学第一附属医院放疗科，陕西西安 710061；4.赣州市肿瘤医院放疗科，江西赣州 341000

引言

鼻咽癌是一种在我国华南地区非常高发的恶性肿瘤，据统计，每10万人有15～50人患病，放射治疗是治疗鼻咽癌的有效手段[1-3]。容积旋转调强放射治疗（Volumetric Modulated Arc Therapy，VMAT）是近年来新兴的放疗技术之一，临床应用越来越广泛[4]。VMAT可以在臂架旋转过程中通过改变臂架运动速度、多叶准直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）的形状和剂量率来完成剂量的动态调制，最终形成与靶区形状高度一致的剂量分布[5]。大量研究表明，鼻咽癌的VMAT计划比传统调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT）具有更好的剂量学优势，因此可更好地保护危及器官（Organ at Risk，OAR）[6-8]。在鼻咽癌VMAT放疗中，剂量分布具有较好的适形度，OAR及靶区周围正常组织受到的照射量较低，与IMRT相比机器跳数（Monitor Unit，MU）更低，计划执行时间（Plan Delivery Time，PDT）明显缩短，具有更高的治疗效率[9-12]。

VMAT计划的优化一般是分为两步：① 是根据约束函数优化得到剂量通量图；② 是将通量转化为可执行的MLC序列。计划系统的参数（弧数目、最小子野数等）的设置对VMAT计划质量存在一定的影响[13-14]。臂架角度间隔（Gantry Increment）是Monaco治疗计划系统（Treatment Planning System，TPS）中VMAT计划设计的一个重要参数，它将VMAT治疗弧长划分为一定数量的扇形，在扇形内MLC运动方向保持一致，在下一个扇形开始MLC往相反方向运动。有研究发现，对于宫颈癌VMAT计划，臂架角度增量取值30°会得到较高的计划质量和执行效率[15]。目前临床在进行鼻咽癌VMAT计划设计时一般采用臂架角度间隔30°作为优化参数，但是针对臂架角度间隔30°是否为最优参数的相关研究较少。本文对鼻咽癌VMAT计划设计过程中不同臂架角度间隔的影响进行了研究，以期为更好地设计临床治疗计划提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2021年1月至6月于我院接受VMAT放疗的15例鼻咽癌患者作为研究对象，临床分期：T1期6例，T2期7例，T3期2例；年龄21～73岁，平均年龄52岁。所有患者初次治疗前经加速器图像引导进行体位验证，要求将摆位误差控制在3 mm以内。

1.2 CT扫描和仪器设备

所有患者采用仰卧位头颈肩热塑膜结合发泡胶固定体位，平扫加增强的CT（Computed Tomography）扫描方式，层厚为3 mm，扫描范围为颅顶至锁骨头下2 cm。患者经大孔径CT机（Somatom Definition，西门子公司，德国）扫描图像，图像重建后传输至Monaco治疗计划系统（V5.11，Elekta公司，瑞典）。在Monaco计划系统完成组织勾画和计划设计，计划完成后传送至Edose软件（Edose Server 5.0）进行治疗前三维剂量验证，验证通过后在直线加速器（Synergy，Elekta公司，瑞典）执行治疗。

1.3 靶区和OAR的勾画

依据ICRU62号报告，肿瘤靶区（Gross Tumor Volume，GTV）包括影像临床检查可见的原发肿瘤部位（GTVnx）以及影像和临床检查观察到的淋巴结肿大区域（GTVnd）。临床靶区（Clinical Target Volume，CTV）包括临床靶体积与高危淋巴引流区的临床靶体积（CTV1）以及需要预防照射的淋巴结引流区（CTV2）。GTVnx、GTVnd、CTV1、CTV2分别外扩3 mm得到计划靶区（Planning Target Volume，PTV），依次定义为 PTVnx、PTVnd、PTV1、PTV2。OAR包括脊髓（Spinalcord）、脑干（Brainstem）、晶体（Lens）、眼球（Eyes）、视神经（Optic Nerve）、视交叉（Optic Chaism）、垂体（Pituitary）、颞叶（Tempral Lobe）、腮腺（Parotid）、颞颌关节（Temporomandibular Joint）等。

1.4 计划设计

在Monaco治疗计划系统进行VMAT计划设计，设置180°开始的360°顺时针旋转的全弧计划，每例患者将臂架角度间隔分别设计 4 个 VMAT 计划（10°、20°、30°、40°），并将计划分别命名为Inc10、Inc20、Inc30和Inc40；同一病例的计划采用同一个优化函数模板，仅改变臂架角度间隔。所有计划采用6 MV光子线同步加量治疗方式，靶区处方剂量：PTVnx为2.12 Gy/次、PTVnd为2.00 Gy/次、PTV1为1.81 Gy/次、PTV2为1.64 Gy/次，总计33次，每周5次。OAR要求：脑干Dmax（最大受照剂量）＜54 Gy、脊髓 Dmax＜45 Gy、眼球 Dmax＜50 Gy、晶体 Dmax＜8 Gy、视神经 Dmax＜50 Gy、视交叉 Dmax＜50 Gy、颞叶 Dmax＜70 Gy、颞颌关节 Dmax＜70 Gy、垂体 Dmax＜54 Gy、腮腺 V30（30 Gy 剂量线所包围的腮腺体积占腮腺总体积的百分比）＜50%、下颌骨（Mandible）Dmax＜70 Gy。由于同一病例的4个计划采用同一个优化函数模板，所有剂量计算结果均不进行剂量规一。

1.5 臂架角度间隔

臂架角度间隔控制生成扇区的数量，间隔越大生成扇区的数量就越少，扇区角度就越大。如图1所示40°的臂架间隔将一个360°的全弧划分为9个静态扇区。在第一阶段优化之前，治疗计划系统将MLC的运动序列划分为扇区，用于第一阶段优化过程中模拟计算。通常情况下，扇区的数量在MLC运动中起着重要作用，大的臂架间隔可以生成较少的子野，但是计划质量也较低；小的臂架间隔会产生更多的扇区，但是会增加计算时间。MLC运动方向在不同的扇区之间交替，当臂架旋转时在一个扇区的左外侧边缘向右侧移动；当臂架到达下一个扇区的时候，MLC到达扇区边缘。

图1 360°的全弧分割成9个扇区

1.6 治疗计划评估

采用剂量体积直方图对PTV、OAR的受照剂量参数进行统计学分析。根据ICRU83号报告[16]，均匀性指数（Homogeneity Index，HI）和适形性指数（Conformity Index，CI）分别由公式（1）和（2）所示：

式中，D2、D50、D98分别表示2%、50%、98%靶区体积的所受剂量；HI值越接近0，代表靶区的均匀性越好；TV为靶区PTV的体积，TVPI为处方剂量所包含的靶区体积，VPI为处方剂量线所包含的总体积，CI值越接近1，代表靶区的适形度越好。

1.7 计划质量评价

计划质量整体评分（Quality Score）是对比不同计划的综合质量，可综合评估不同计划靶区和危及器官的总体受量，因为某些优化条件得到的结果对危及器官的保护比另外的计划好，但是靶区剂量分布又不如另外计划，因此难以评价计划综合质量的优劣。为了能够全面客观地定量分析不同计划之间靶区和危及器官的受量差异，本研究使用计划质量整体评分系统对不同计划的靶区和危及器官进行量化分析[17]。

本研究将4组计划中最好的剂量指标结果作为目标剂量，另外的计划剂量与目标剂量进行对比。计划质量评分数值越大，表示计划总体质量越差，反之则越好，当总分值为0时，表示该计划所有剂量指标均优于其他计划。以鼻咽癌计划的脑干为例，当在Inc10计划的脑干Dmax为64.64 Gy，最低为Inc30组的53.58 Gy，将最低剂量作为目标剂量。根据公式（4）和（5），该分项在Inc10组得分0.212，Inc30组得分0.005，其他参与评估的目标也做同样的公式计算，将所有项目的分数求和即可得到了该计划的质量整体得分。

式中，Mj是第j个解剖结构（靶区或危及器官）的实际剂量，Cj是相对应的目标剂量，Pj是该解剖结构的权重因子（本研究均取1）；公式（4）Sj是第j个分项质量评分，其中k为参与评估的目标数量，公式（5）SD是计划质量整体评分。

1.8 统计学分析

采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，数据用±s描述，进行配对样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 计划质量整体评分

利用质量整体评分系统对各组的PTV和OAR的各项剂量参数进行打分，图2所示为不同臂架角度间隔的计划质量总体评分，臂架角度间隔分别为10°、20°、30°和40°计划的靶区和危及器官的总体评分分别为11.88、3.21、1.81和1.61。Inc40组分数最低（1.61），说明该臂架角度为40°的计划综合质量最好。

图2 4组臂架角度间隔的VMAT计划质量指标直方图

2.2 PTV剂量参数比较

图3为1例典型患者不同臂架角度间隔参数VMAT计划的剂量体积直方图，从图中可以明显看到当臂架角度间隔为10°时的DVH已完全不符合临床各项要求。如表1所示，Inc10计划的D2远远超过处方剂量的110%，该组所有计划均无法满足靶区的临床要求，所有PTVs的剂量学参数后续将不给予讨论。由于Inc40综合得分最低，计划的整体质量最高，因而将Inc40组的结果作为参照组。对于PTVnx，D2在Inc30均值最低，D50在Inc30均值最低，HI在Inc30和Inc40均值最低，CI在Inc40均值最大，Inc20、Inc30和Inc40组的D2和HI差异均无统计学意义（P＞0.05），Inc20和Inc40组的D50差异有统计学意义（P＜0.05），Inc20、Inc30和Inc40组的CI差异均有统计学意义（P＜0.05）。对于PTVnd，D2和D50在Inc40均值最低，HI在Inc30和Inc40均值最低，CI在Inc30和Inc40均值最大，Inc20和Inc40组的D2、HI和D50差异均有统计学意义（P＜0.05），Inc20和Inc40组的CI差异均有统计学意义（P＜0.05）。对于PTV1，D2在Inc30均值最低，D50在Inc40均值最低，HI在Inc20、Inc30和Inc40均值最低，CI在Inc40均值最大，Inc20与Inc40组的D2差异有统计学意义（P＜0.05），Inc20、Inc30和 Inc40组的 D50差异均有统计学意义（P＜0.05），Inc30和Inc40组的HI差异均无统计学意义（P＞0.05），Inc20和Inc40组的CI差异有统计学意义（P＜0.05）。对于PTV2，D2和D50在Inc40均值最低，HI在Inc30均值最低，CI在Inc30和Inc40均值最大，Inc20和Inc40 组的 D2、D50、CI和 HI差异均有统计学意义（P＜0.05）。当臂架角度间隔大于20°后，靶区的HI和CI有明显变好的趋势。

表1 不同臂架角度间隔PTV剂量学参数（±s）

注：P1值表示Inc10与Inc40对比的P值；P2值表示Inc20与Inc40对比的P值；P3值表示Inc30和Inc40对比的P值。

结构参数 Inc10 Inc20 Inc30 Inc40 P1值 P2值 P3值PTVnx D2/Gy 96.42±9.19 76.97±2.55 75.67±0.70 75.73±0.68 ＜0.001 0.089 0.429 D50/Gy 87.97±7.75 73.52±0.64 73.27±0.45 73.23±0.40 ＜0.001 0.040 0.574 HI 0.19±0.04 0.10±0.04 0.08±0.02 0.08±0.02 ＜0.001 0.129 1.000 CI 0.09±0.03 0.36±0.11 0.46±0.09 0.48±0.09 ＜0.001 ＜0.001 0.047 PTVnd D2/Gy 96.22±7.23 74.43±1.65 72.91±0.84 72.72±1.09 ＜0.001 ＜0.001 0.206 D50/Gy 84.44±5.10 70.92±1.11 69.98±0.65 69.89±0.74 ＜0.001 ＜0.001 0.530 HI 0.29±0.06 0.12±0.02 0.10±0.02 0.10±0.02 ＜0.001 ＜0.001 1.000 CI 0.05±0.03 0.11±0.05 0.14±0.06 0.14±0.06 ＜0.001 ＜0.001 1.000 PTV1 D2/Gy 95.42±9.11 75.84±1.18 75.17±0.72 75.20±0.75 ＜0.001 0.014 0.633 D50/Gy 85.5±6.95 71.38±1.37 70.76±1.37 70.61±1.36 ＜0.001 ＜0.001 0.025 HI 0.26±0.07 0.16±0.02 0.16±0.02 0.16±0.02 ＜0.001 1.000 1.000 CI 0.16±0.05 0.34±0.07 0.40±0.08 0.41±0.08 ＜0.001 ＜0.001 0.517 PTV2 D2/Gy 93.85±8.64 74.72±1.22 74.02±0.80 74.01±0.85 ＜0.001 0.003 0.766 D50/Gy 74.98±9.06 64.76±1.99 63.80±2.85 62.91±1.68 ＜0.001 ＜0.001 0.192 HI 0.57±0.13 0.30±0.02 0.28±0.03 0.29±0.02 ＜0.001 0.001 0.567 CI 0.57±0.07 0.77±0.04 0.79±0.03 0.79±0.03 ＜0.001 0.015 0.070

图3 1例典型鼻咽癌患者不同臂架角度间隔参数的VMAT计划的剂量体积图

2.3 OAR剂量参数比较

如表2所示，Inc10计划的D2远远超过处方要求，该组所有计划均无法满足靶区的临床要求，所有OARs的剂量学参数后续将不给予讨论。由于Inc40综合得分最低，计划的整体质量最高，因而将Inc40组的结果作为参照组。对于颞叶、下颌骨、脊髓、视神经、视交叉、脑干、腮腺均在Inc30均值最低，颞颌关节、晶体、眼球均在Inc40均值最小，Inc30和Inc40组的差异均无统计学意义（P＞0.05）；对于颞颌关节、脊髓、脑干和腮腺，Inc20和Inc40组差异有统计学意义（P＜0.05）；对于视交叉和晶体，Inc10、Inc20、Inc30和Inc40组的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表2 不同臂架角度间隔的OAR剂量学参数（±s）

注：P1值表示Inc10与Inc40对比的P值；P2值表示Inc20与Inc40对比的P值；P3值表示Inc30和Inc40对比的P值。

结构参数 Inc10 Inc20 Inc30 Inc40 P1值 P2值 P3值颞叶 Dmax/Gy 82.81±10.78 68.52±5.46 67.55±4.72 67.62±4.90 ＜0.001 0.060 0.837颞颌关节 Dmax/Gy 82.04±10.80 68.97±4.10 68.18±4.61 67.97±4.56 ＜0.001 0.015 0.641下颌骨 Dmax/Gy 83.35±8.75 67.38±3.88 66.54±4.28 66.74±3.95 ＜0.001 0.163 0.646脊髓 Dmax/Gy 56.66±5.97 43.45±1.28 42.65±1.45 42.72±1.51 ＜0.001 0.019 0.795视神经 Dmax/Gy 49.17±26.78 37.11±19.40 35.33±18.11 35.70±17.90 0.011 0.142 0.664视交叉 Dmax/Gy 35.10±24.52 31.85±17.70 30.25±17.02 30.69±17.39 0.141 0.423 0.715脑干 Dmax/Gy 64.64±7.56 54.61±1.13 53.58±1.09 53.82±0.94 ＜0.001 0.002 0.277腮腺 V30/% 72.03±12.02 68.86±13.33 63.66±14.57 64.71±13.57 0.010 0.029 0.516晶体 Dmax/Gy 5.38±1.69 5.09±1.45 5.04±1.36 4.91±1.22 0.065 0.204 0.473眼球 Dmax/Gy 26.22±12.77 21.10±6.73 22.01±7.42 19.76±6.34 0.011 0.117 0.069

2.4 执行效率

如表3所示，计划MU和PDT随着臂架角度间隔增大而减小，子野数（Segments）在Inc40最大，但是Inc10组的MU和PDT最大所以计划执行效率最低，Inc40计划执行效率最高，但Inc20、Inc30、Inc40计划执行效率比较差异无统计学意义（P＞0.05）。

表3 不同臂架角度间隔的旋转调强放疗计划的机器跳数、子野数和计划执行时间（±s）

注：MU：机器跳数；PDT：计划执行时间。P1值表示Inc10与Inc40对比的P值；P2值表示Inc20与Inc40对比的P值；P3值表示Inc30和Inc40对比的P值。

MU 1303.54±183.69 773.94±87.13 675.63±48.32 649.32±42.73 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001子野数 83.13±9.39 95.60±5.05 101.20±4.11 106.47±4.76 ＜0.001 ＜0.001 0.009 PDT/s 184.08±25.9 169.47±17.07 167.74±18.3 164.60±20.63 0.004 0.308 0.587参数 Inc10 Inc20 Inc30 Inc40 P1值 P2值 P3值

3 讨论

VMAT治疗计划弧长根据角度间隔划分为一定数量的扇形，MLC在单个扇形面积内完成往返运动，角度间隔越大MLC叶片的运动距离就越远。为了精确比较臂架角度间隔对计划质量和执行效率的影响，在优化过程中，除改变IG数值外，所有的计划均使用相同的物理优化参数，从而得到Inc10、Inc20、Inc30和Inc40四组VMAT计划。为了更加客观和全面地对VMAT计划靶区和危及器官进行综合评估，引入计划质量综合评分系统对靶区和危及器官进行综合打分，总分数最低的计划综合质量最高。结果表明，Inc10组计划已无法满足临床各项要求，Inc30和Inc40组计划的靶区和危及器官剂量参数差异不明显，且各项剂量学参数均优于Inc20和Inc10组。随着臂架角度间隔增加，MU和PDT均降低，因而，VMAT计划的执行效率提高。

在设计食管癌VMAT治疗计划时，应选择较大的臂架角度间隔，原因为较大的臂架角度间隔可提高靶区覆盖和剂量均匀性[18]。本研究选取15例鼻咽癌患者进行VMAT全弧计划，设计了4个臂架角度间隔，结果表明，大的臂架角度间隔有利于减少机器跳数和治疗时间。减少机器跳数能够在减少机器硬件损耗的同时降低漏射线和散射线，减少长期生存者因散射带来二次癌的概率[19-20]，同时减少治疗时间可以缩短患者受固定时间，提高舒适度的同时还可以增强放疗生物效应[21]，因此物理师在制定旋转调强计划时应在确保靶区和危及器官符合临床剂量要求的前提下尽可能降低计划的控制点数、机器跳数和治疗时间。

由于本文在不同患者的VMAT计划设计时采用的是同一个优化参数模板，同一患者之间除了臂架角度间隔不同外其余优化参数均相同，所以并未对优化的剂量结果进行剂量归一化处理。未来可以针对优化的剂量结果进行归一化研究，以期找出更明显的规律，为临床提供更好的计划设计方案。综上所述，利用Monaco治疗计划系统设计鼻咽癌VMAT计划建议不要选择臂架角度间隔为10°，原因为优化出来的剂量分布已完全无法符合临床要求，可采用较大的臂架角度间隔，如可采用40°，大的臂架角度间隔可增加剂量覆盖、均匀性指数，还能提高治疗效率。