基于Halcyon 加速器左乳腺癌不同旋转弧数VMAT 计划比较

梅国建，尹楚欧，刘 江，邓 娟，何迎盈，叶程伟

乳腺癌术后放射治疗（简称放疗）可降低局部复发和死亡的风险， 放疗将乳腺癌首次复发的10 年风险从35.0%降低到19.3%，将15 年的乳腺癌死亡风险从25.2%降低到21.4%[1～3]。 邓晓琴等[4]、Vasiljevic D 等[5]研究显示放射性心脏损伤和肺损伤是乳腺癌术后放疗最为常见且预后较差的并发症，照射体积和照射剂量等指标是心肺放射性损伤的高危因素。由于左乳腺癌靶区更靠近心脏更易发生放射性心脏损伤。Darby SC 等[6]研究显示，发生冠状动脉疾病的概率随心脏平均剂量增加而线性增加， 每增加1 Gy 的照射剂量，发生冠状动脉疾病的概率增加7.4%。 因此设计乳腺癌放疗计划应在满足计划靶区体积（planning target volume，PTV）剂量的前提下尽量降低心、肺的照射剂量和体积，以降低其发生放射性损伤的概率和程度。 容积调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）可在满足乳腺癌PTV 剂量的同时，降低心肺等危及器官的受照射剂量[7，8]。

Varian Halcyon 放疗平台是在Truebeam 放疗平台上研发的一款新型加速器，全球均采用统一标准并将相关数据预装入放射治疗计划系统（treatment planningsystem，TPS）。采用6 MV-FFF 的单光子射线和双层多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC），具有更低的射线漏射率（0.47%），其最大剂量率为800 MU/min。可开展多种放疗技术， 适合全身多部位肿瘤的放疗[9，10]。 传统加速器的乳腺癌VMAT 计划受治疗时间的影响多采用2 个治疗弧设计。 而Halcyon 加速器1 cm 叶宽的MLC 可能会对VMAT 计划的叶片调制带来困难，但其具有更快的机架旋转速度（4 r/min）和叶片运动速度（5 cm/s），可利用增加旋转弧数量来解决这一挑战[11]。 因此笔者研究基于Halcyon 加速器，分别在每个左乳腺癌患者的CT 图像上制作2 弧、3弧、4 弧和5 弧的VMAT 计划， 比较4 种弧数的VMAT 计划的剂量学差异和执行效率、执行准确度的差异。探寻提高靶区剂量学指数和降低心肺等危及器官的VMAT 计划参数， 为左乳腺癌改良根治术后的VMAT 计划设计提供临床参考。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择2021 年1 月至12 月在德阳市人民医院就诊的左侧乳腺癌改良根治术后患者20 例，均为女性；年龄32 ～69 岁，中位年龄51 岁；肿瘤分期均为T3 ～T4、N1；位置为非内象限。

1.2 方法

1.2.1 CT 扫描定位

患者仰卧位，采用头颈胸热塑膜固定。 采用德国Siemens 公司Somatom Confidence CT 行定位扫描，扫描范围上界为下颌骨，下界为肝脏下缘，扫描层厚为3 mm。

1.2.2 靶区和危及器官器官勾画

采用Varian Eclipse 15.6.8 计划系统制作VMAT计划，放疗机型选择Varian Halcyon 2.0 加速器，射线为非均整（flattening filter free，FFF）模式的6 MV X 射线。

将CT 扫描图像传入Varian Eclipse 15.6.8 计划系统，由同一放疗医师勾画靶区和危及器官。 靶区包括患侧锁骨上淋巴结引流区、患侧胸壁。 危及器官包括双肺、心脏、右侧乳腺、食管、左侧肱骨头和脊髓等。勾画完成后由高级职称的放疗医师进行修改和审核，以确保勾画的准确性。

1.2.3 VMAT 计划的设计制作

采用Varian Eclipse 15.6.8 计划系统并基于Varian Halcyon 2.0 加速器在每个患者的CT 图像上分别制作2 弧、3 弧、4 弧和5 弧4 组VMAT 计划。 PTV 处方剂量为5 000 cGy/25 次； 旋转弧角度分别为2 弧（300°～0°～140°，140°～0°～300°）、3 弧（300°～0°～140°，140°～0°～300°，300°～0°～140°）、4 弧（300°～0° ～140°，140° ～0° ～300°，300° ～0° ～140°，140° ～0°～300°）和5 弧（300°～0°～140°，140°～0°～300°，300°～0°～140°，140°～0°～300°，300°～0°～140°）；准直器角度均为0°，采用各向异性解析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA），计算网格为2.5 mm。 将PTV、双肺、心脏、右侧乳腺、食管、左侧肱骨头和脊髓进行优化，4 组计划均采用相同的目标函数进行优化。要求95%PTV ≥处方剂量，2%PTV ≤处方剂量的110%，危及器官受照剂量需满足临床剂量学要求。

1.2.4 危及器官评估

观察4 组计划的空间剂量分布和剂量体积直方图，并统计4 组计划PTV 的D98、D50、D2、Dmean、适形度指数 （conformity index，CI） 和均匀性指数（homogeneity index，HI），以及危及器官的V5、V10、V20、V30、V40、Dmax 和Dmean 等剂量指标。其中D98、D50和D2分别表示PTV 98%、50%和2%体积的吸收剂量；V5、V10、V20、V30和V40分别为5 Gy、10 Gy、20 Gy、30 Gy 和40 Gy 剂量曲线包围危及器官的百分体积，Dmax 表示最大剂量，Dmean 表示平均剂量。 根据国际辐射单位和测量委员会（International Commission on Radiation Units＆Measurements，ICRU）83 号报告[12，13]，CI=（VPTV，ref）2/VPTV/Vref，其中：VPTV，ref表示为PTV 接受到≥处方剂量的体积；VPTV表示PTV 的体积；Vref表示处方剂量覆盖的总体积。CI 小于1，越接近1 说明靶区适形度越好。HI=（D2-D98）/D50，HI 越接近于零，说明靶区均匀性越好。

1.2.5 放疗计划验证

将4 组VMAT 计划传入Halcyon 2.0 加速器，并用加速器在Sun Nuclear Arccheck 模体上分别执行4组计划，并统计4 组计划的跳数（monitor unit ，MU）、出束时间及γ 通过率。

1.3 统计学方法

为使统计数据有可比性， 将4 组VMAT 剂量归一，使处方剂量覆盖95%PTV。 采用SPSS 21.0 软件对4 组计划的数据进行正态分布检验，符合正态分布的数据以均数± 标准差进行统计描述，并行随机区组设计方差分析和Bonferroni 多重比较；非正态分布的数据以中位数（25%，75%）进行统计描述，并采用非参数Friedman 检验分析和多重比较。P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 4 组靶区剂量比较结果

4 组VMAT 计划的等剂量曲线分布图和PTV、危及器官的剂量体积直方图 （dose and volume histogram，DVH） 见图1。 4 弧组和5 弧组VMAT 计划PTV 的D98、D50、D2、Dmean、CI 和HI 均优于2 弧组和3弧组（P＜0.05）。5 弧组D2优于4 弧组，降低20.6 cGy（P＜0.05）；而D98、D50、Dmean、CI 和HI 则与4 弧组间差异无统计学意义（P＞0.05）。 见表1。

表1 4 组PTV 剂量统计Tab.1 Comparison of PTV dose in 4 groups

图1 乳腺癌4 组VMAT 计划的剂量曲线分布图和PTV、危及器官的DVHFig.1 Dose curve distribution diagram and DVH of PTV and organs at risk of VMAT plan in 4 groups of breast cancer

2.2 4 组危及器官的剂量比较

4 弧组和5 弧组左肺（患侧肺）的V5、V10、V20、V30、V40和Dmean 最低（P＜0.05）。 右肺（健侧肺）方面，4弧组和5 弧组Dmean 低于2 弧组（P＜0.05），而V5、V10和V20在4 组计划之间差异均无统计学意义（P＞0.05）。 4 弧组和5 弧组心脏的V20和V30最低，V10和Dmean 则低于2 弧组（P＜0.05）。 4 弧组和5 弧组食管的Dmean 最低， 右乳的Dmax 也低于2 弧组（P＜0.05）。5 弧组与4 弧组各危及器官的剂量均无统计学意义（P＞0.05）。 见表2。

表2 4 组危及器官剂量统计Tab.2 Comparison of organs of risk dose in 4 groups

2.3 4 组跳数、出束时间及γ 通过率比较

4 弧组MU 和出束时间较2 弧组和3 弧组有少量增加，分别增加26.2 MU、0.05 min 和28.9 MU、0.04 min（P＜0.05）；5 弧组较4 弧组增加31.8MU、0.05 min（P＜0.05）。4 组计划γ 通过率（3 mm/3%，阈值10 %）分别为99.7（99.5，99.9） %、99.8（99.5，99.9） %、99.8（99.5，99.9）%和99.8（99.5，99.9）%，4 组计划间差异无统计学意义（P＞0.05）。 见表3。

表3 4 组MU、出束时间及γ 通过率比较Tab.3 Comparison of MU number，beaming time and γ pass rate in 4 groups

3 讨论

VMAT 是通过加速器机架旋转照射来实现的动态VMAT 技术，该技术通过机架旋转、MLC 动态运动和改变加速器输出剂量率形成的可变束流来实施放疗计划。其能够在短时间内完成多个旋转治疗弧的照射，现已被广泛应用于乳腺癌术后放疗[14]。 高艳等[7]、苗俊杰等[8]研究结果显示乳腺癌VMAT 计划相较于IMRT 计划靶区具有更好的CI 和HI， 并能降低心脏和肺等危及器官的剂量。VMAT 采用多角度照射并且增加照射弧个数可以提高靶区剂量的相关指数，Halcyon 加速器双层MLC 设计具有低穿射性的特点，能使危及器官的低剂量区域降低[10]。 但是Halcyon 加速器1 cm 宽度的MLC 可能会对VMAT 计划调制带来困难，故笔者研究在VMAT 计划中采用2 弧、3 弧、4 弧和5 弧的设计，以增加旋转弧数量来解决这一挑战。

笔者研究结果显示4 弧和5 弧的VMAT 计划可以获得较2 弧和3 弧更优的剂量分布。在PTV 方面4弧和5 弧计划的CI、HI、D98、D50、D2和Dmean 均优于3 弧和2 弧。 危及器官方面，4 弧和5 弧在左肺的V5、V10、V20、V30、V40、Dmean 和右肺的Dmean 及心脏的V10、V20、V30、Dmean 较2 弧和 （或）3 弧均有不同程度降低。而5 弧较4 弧仅在PTV 的D2上降低20.6 cGy，其他危及器官之间差异无统计学意义。 Yeginer M 等[15]研究显示3 弧VMAT 计划的危及器官剂量较1 弧和2 弧VMAT 计划更低。 张杰等[16]、杨波等[17]研究显示，在宫颈癌的VMAT 计划中4 弧计划的PTV 较3 弧和2 弧计划具有更优的CI 和HI， 部分危及器官的剂量也有所降低。 这与笔者研究在Halcyon 加速器上左乳癌VMAT 计划得出的结论一致。 多数乳腺癌患者在接受放疗后其生存周期较长，放射性心肺损伤为其常见并发症。放射性肺损伤是乳腺癌术后放疗最为常见的严重并发症， 受照射体积和剂量是其高危因素，其中V5、V20、V30和Dmean 等剂量学指标是放射性肺损伤独立且显著的危险因素[5，18]。 放射性心脏损伤的发生概率和程度与心脏受照射的剂量和体积呈正相关，其主要表现为急慢性心肌炎和心包炎、心脏瓣膜和冠状动脉损伤、迟发性心肌纤维化及心脏传导系统损伤等[19]。 说明在一定范围内（≤4 弧）增加旋转弧数量可使处方剂量包绕PTV 更加精准，PTV 的剂量分布更加均匀。 同时能降低双肺和心脏的多个体积剂量指标，从而可降低放射性心脏损伤和放射性肺损伤发生的概率和程度。 4 弧的VMAT 计划的剂量学更优，继续增加旋转弧数量并不能给PTV 和危及器官带来更优的剂量分布。

在MU、出束时间及γ 通过率方面，笔者研究结果显示4 弧组MU 和出束时间较2 弧组和3 弧组有少量增加， 而5 弧组较4 弧组分别增加31.8 MU 和0.05 min。 2 弧、3 弧、4 弧和5 弧的VMAT 计划在3%/3 mm 标准下γ 通过率分别为99.7（99.5，99.9）%、99.8（99.5，99.9）%、99.8（99.5，99.9）%和99.8（99.5，99.9）%，4 组计划之间差异无统计学意义（P＞0.05）。 这与张杰等[16]、杨波等[17]研究结果基本一致。 说明增加旋转弧数量对VMAT 计划的MU 和出束时间有少量增加。加速器执行计划的准确度是保证放疗效果和控制放疗并发症的重要因素[20]。 γ 通过率的高低反映加速器执行计划偏差的大小， 在3%/3 mm 评价标准时γ通过率≥95%表示加速器执行计划状态较好[21]。 笔者研究4 组计划γ 通过率在3%/3 mm 评价标准时均＞95%， 说明Halcyon 加速器执行VMAT 计划的准确度较高，且增加旋转弧数不会对治疗准确度带来影响。

综上所述，4 弧的乳腺癌VMAT 计划可获得更优的剂量学分布。 其能够使PTV 受照射更加精准，剂量分布更加均匀，肺和心脏等危及器官的受照射体积和剂量也有不同程度降低。继续增加旋转弧数量不能带来更好的剂量学收益，反而会少量增加MU、出束时间及两弧之间的衔接时间和计划优化时间。推荐在左乳腺癌改良根治术后基于Halcyon 加速器采用4 弧的VMAT 计划。