2021, Vol. 41
2. 贵州医科大学附属肿瘤医院肿瘤科, 贵阳 550004
2. Department of Oncology, Affiliated Cancer Hospital of Guizhou Medical University, Guiyang 550004, China
容积旋转调强(volume modulated arc therapy，VMAT)技术是Yu[1]在1995年提出，后由Otto[2]和Palma等[3]将此概念完善。目前VMAT技术的应用越来越广泛，其具有高效和快捷等众多优势[4-7]。荷兰飞利浦Pinnacle3计划系统使用“SmartArc”整合模块作为容积旋转调强计划解决方案[8]。其模型设置参数中，机架旋转加速度约束条件选项存在允许和限制机架加速度变化的两种选项。在容积旋转调强(VMAT)技术的定义中[1-3]，多叶准直器(multi-leaf collimator, MLC)叶片位置、剂量率和机架转速可保持连续变化。当机器模型限制机架旋转加速度变化时，则形成机架定速运动的剂量率可变旋转照射技术，但与传统的旋转调强放疗(intensity modulated arc radiotherapy，IMAT)技术相比，后者采用恒定的机架转速和恒定剂量率，各控制点子野权重相同[9-11]。本文针对鼻咽癌、非小细胞肺癌、乙状结肠腺癌腹膜后淋巴结转移、乳腺浸润性导管癌4种病种，分别使用允许机架加速度变化和限制机架加速度变化的两种模型分别设计VMAT计划，分析计划剂量学、机器效率和计划验证结果的差异，探讨Pinnaclev9.10计划系统SmartArc模块中机器加速度变化模型的优化选择。
资料和方法 1、病例资料收集贵州医科大学附属肿瘤医院肿瘤科2019年1月至2019年12月收治鼻咽癌10例，其中T3期3例，T4期7例，年龄范围为38~61岁；中央型非小细胞肺癌病例10例，其中T3期5例，T4期5例，年龄范围为32~65岁；乙状结肠腺癌腹膜后淋巴结转移病例10例，均为T3期，年龄范围为42~58岁；左侧乳腺浸润性导管癌病例10例，T3期5例，T4期5例，年龄范围为30~52岁。
2、体位确定及CT定位所有患者均采用热塑膜与固定体架进行固定，采用大孔径螺旋CT模拟机(荷兰，飞利浦Brilliance CT Big Bore)进行CT扫描，鼻咽癌病例层厚为3 mm，其余各组病例层厚5 mm。各病例图像通过DICOM网络传输到飞利浦计划系统Pinnacle v9.10。
3、靶区和危及器官勾画靶区、危及器官以及正常组织勾画和放疗计划均在Pinnacle v9.10计划系统上完成，靶区均由三级医生勾画，由同一主任医师审核确认。鼻咽癌病例中，参照国际辐射单位和测量委员会(ICRU)50号及62号报告的标准，GTVnx为CT或MR影像中可见的鼻咽部肿瘤，GTVnd为可见的转移淋巴结，PGTVnx为GTVnx外扩3 mm，PGTVnd为GTVnd外扩3 mm；CTV1为高危临床靶区，CTV2为预防照射区，CTV1和CTV2分别外扩3 mm命名为计划靶区PTV1和计划靶区PTV2，PTV1大小在371~760 cm3。非小细胞肺癌病例中，肿瘤原发灶GTV为CT肺窗图像可见肿瘤轮廓，临床靶区CTV为GTV均匀外扩5 mm，计划靶区PTV为CTV均匀外扩5 mm，PTV大小在212~895 cm3，双肺的平均体积为(3 125.15±1 029.42) cm3。乙状结肠腺癌腹膜后淋巴结转移病例中，CTV为腹膜后淋巴结引流区，PTV为CTV均匀外扩5 mm，PTV大小在231~837 cm3。左侧乳腺浸润性导管癌病例中，依据全乳靶区范围勾画全乳CTV，PTV为CTV均匀外扩5 mm，PTV大小在414~906 cm3。
4、机器运动模型和治疗计划设计以瑞典医科达Infinity加速器为研究对象，在Pinnacle v9.10计划系统机器物理模型“Machine Information-Gantry Acceleration Constraints”设置选项中，分别建立允许机架加速度变化和限制机架加速度变化的两个机器模型，保持其余机械和剂量参数一致，其中允许机架加速度变化模型中最大速率默认为0.75度/秒。各病例使用相同优化目标参数、优化权重和射野弧度，分别使用两种机器模型优化得到两组计划，计算网格为4 mm × 4 mm，优化算法为Smart Arc，迭代次数为100次。
入组鼻咽癌病例，PGTVnx处方为72.6 Gy/33次，PGTVnd处方为69.96 Gy/33次，PTV1处方为60.06 Gy/33次，PTV2处方为50.96 Gy/28次。采用双全弧射野设计，同时要求处方剂量覆盖95%以上的靶体积。入组病例均斜坡受侵，危及器官剂量限值如下：脑干计划危及器官(PRV)为脑干外扩3 mm，脊髓PRV为脊髓外扩5 mm，脑干PRV最大剂量 < 66 Gy，脊髓PRV最大剂量 < 45 Gy，视神经及视交叉 < 54 Gy，眼球 < 35 Gy，眼晶状体 < 9 Gy，腮腺V35 < 50%。入组中央型非小细胞肺癌病例，PTV处方为70 Gy/35次，要求处方剂量覆盖90%以上的靶体积。采用双全弧射野，危及器官剂量限值如下：肺V5 < 70%，V20 < 32%，肺平均剂量(mean lung dose，MLD) < 18 Gy，心脏平均剂量 < 26 Gy，脊髓 < 50 Gy。入组乙状结肠腺癌腹膜后淋巴结转移病例，PTV处方为50.4 Gy/28次，要求处方剂量覆盖95%以上的靶体积。采用双全弧射野设计，危及器官剂量限值如下：肾脏平均剂量 < 15 Gy，肝脏平均剂量 < 18 Gy, 心脏平均剂量 < 26 Gy，脊髓 < 45 Gy。入组左侧乳腺浸润性导管癌病例，PTV处方为50.4 Gy/28次，要求处方剂量覆盖95%以上的靶体积。采用双半弧射野：300o~140o和140o~300o，危及器官剂量限值如下：患侧肺V5 < 50%，V20 < 30%，平均剂量 < 15 Gy，健侧肺V5 < 10%，健侧乳腺 < 30 Gy，脊髓 < 10 Gy。
5、剂量参数计算靶区均匀指数(homogeneity index，HI)=(D2%-D98%)/D50%，其中D2%、D50%、D98%分别表示PTV 2%、50%、98%的体积所对应剂量。HI值越接近0说明说明靶区均匀性越好。靶区适形指数(Conformity Index，CI)=(VV, RI × VV, RI)/(VPTV × VRI)，其中VV, RI、VPTV、VRI分别表示参考等剂量线内的靶区体积、靶区体积、参考等剂量线体积。CI值越接近1说明靶区适形度越好。
6、计划验证治疗计划传输至MOSAIQ肿瘤信息系统进行排程，后将治疗计划导入到Delta4模体中，设置射野中心于Delta4中心位置，重新计算剂量分布，计算网格为4 mm。将重新计算剂量与Delta4实测结果进行γ分析，同时实测计划治疗出束时间。
7、统计学处理采用SPSS 20.0统计软件，数据结果用x±s表示，分析靶区剂量学相似性和比较危及器官剂量学差异进行配对样本均数t检验。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果 1、鼻咽癌病例剂量学比较两种机器模型计划中机架运动速度、速率变化和剂量率均有明显差异。限制机架加速度组计划中各控制点机架运动速度保持一致，对应控制点的剂量率较低。表 1所列为入组鼻咽癌病例剂量学参数比较。允许机架加速度变化组与限制机架加速度变化组相比，PTV1适形指数CI降低，PGTVnx靶区均匀指数HI增大，使得靶区适形度变和均匀性变差；同时影响PTV1的D2%和脑干PRV最大剂量，分别增加0.75%和1.25%，差异有统计学意义(t=3.040、2.347，P < 0.05)；脊髓PRV、眼晶状体、眼球、视神经、视交叉的最大剂量和颞叶平均剂量均无统计学意义(P>0.05)。
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表 1 10例鼻咽癌病例允许机架加速和限制机架加速模型下剂量学参数比较(Gy，x±s) Table 1 Comparison of dosimetric parameters among the cases of nasopharyngeal carcinoma under the models allowing and limiting gantry acceleration (Gy, x±s) |
2、非小细胞肺癌病例剂量学比较
入组肺癌病例剂量学参数比较如表 2所示。允许机架加速度变化组与限制机架加速度变化组相比，均匀指数HI、靶区D2%、脊髓最大剂量和全肺V20分别增加了6.29%、0.74%、1.19%和1.21%，差异具有统计学意义(t=4.276、4.240、2.590、3.489，P < 0.05)。适形指数CI、靶区D98%和全肺V5分别降低了2.50%、0.56%和1.21%，差异具有统计学意义(t=-6.751、-3.191、-4.192，P < 0.05)。
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表 2 10例肺癌病例允许机架加速和限制机架加速模型下剂量学参数的比较(Gy，x±s) Table 2 Comparison of dosimetric parameters among the cases of lung cancer under the models allowing and limiting gantry acceleration (Gy, x±s) |
3、腹膜后淋巴结放疗病例剂量学比较
入组腹膜后淋巴结放疗病例剂量学参数比较如表 3所示。允许机架加速度变化组与限制机架加速度变化组相比，适形指数CI和靶区D98%降低，均匀指数HI、靶区D2%以及双侧肾脏、肝脏、小肠和结肠平均剂量均有增加，分别增加了25%、2.22%、5.57%、4.68%、6.45%、3.13%、3.17%，差异具有统计学意义(t=13.198、8.227、5.484、5.656、5.501、12.622、6.577，P < 0.05)。
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表 3 10例腹膜后淋巴结放疗病例允许机架加速和限制机架加速模型下剂量学参数比较(Gy，x±s) Table 3 Comparison of dosimetric parameters among the cases of sigmoid adenocarcinoma with retroperitoneal lymph node metastasis under the models allowing and limiting gantry acceleration (Gy, x±s) |
4、左侧乳腺浸润性导管癌病例剂量学比较
入组乳腺癌病例剂量学参数比较如表 4所示。允许机架加速度变化组与限制机架加速度变化组相比，适形指数CI、靶区D98%和健侧肺Dmean所降低，分别降低了1.15%、0.83%、7.45%，差异具有统计学意义(t=-2.405、-8.402、-2.791，P < 0.05)；均匀指数HI、靶区D2%和患侧肺V10分别增加了22.22%、1.75%、1.66%，差异有统计学意义(t=8.138、6.270、3.463，P < 0.05)。
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表 4 10例乳腺癌病例允许机架加速和限制机架加速模型下剂量学参数比较(Gy，x±s) Table 4 Comparison of dosimetric parameters among the cases of breast cancer under the models allowing and limiting gantry acceleration (Gy, x±s) |
5、机器效率比较
对于机器跳数，在非小细胞肺癌和乳腺癌2组病例中，允许机架加速度变化组与限制机架加速度变化组相比，机器跳数分别降低3.80 %和7.00%，差异具有统计学意义(t=-6.196、-3.957，P < 0.05)。对于实际治疗出束时间，鼻咽癌、非小细胞肺癌、腹膜后淋巴结放疗和乳腺癌4组病例中允许机架加速度变化组治疗时间显著低于机架匀速运动组，分别降低15.27 %、18.07 %、19.71 %和28.75 %，差异具有统计学意义(t=-6.751、-0.209、-19.523、-28.999，P < 0.05)。
6、计划验证结果比较在Delta4模体上两种机架加速度模型计划的剂量γ验证通过率均能满足治疗要求(±3 mm、±3 %)。各组计划验证γ通过率差异无统计学意义(t=0.687、-7.048、-1.517、3.079，P>0.05)。
讨论诸多研究显示，VMAT技术具有剂量分布更优，治疗时间更短的优势，越来越多的应用于临床治疗[2-3, 5-7]。Song等[12-13]通过改变VMAT计划剂量率的方式，研究不同剂量率条件下机架旋转速度和机架旋转加速度的变化对计划验证结果的影响。Papiez等[14]设定5组机架运动速度模型进行前列腺VMAT计划设计，结果显示机架运动速度会直接影响计划治疗时间。Tang等[15]针对简单靶区分别采用单弧恒定剂量率和机架旋转速度的IMAT技术和VMAT技术设计计划，结果发现IMAT计划治疗时间比VMAT计划平均少1 min。张若辉等[16]比较分析食管癌容积旋转调强放疗VMAT与固定剂量率旋转调强放疗IMAT计划剂量学的差异，结果显示IMAT计划靶区适形性和均匀性等于或优于VMAT计划，但正常组织低剂量受照区与体积有所增加。
本研究在Pinnaclev9.10计划系统中，限制VMAT计划机架旋转加速度与传统旋转调强放疗IMAT技术相比存在一定区别，前者剂量率可实现连续变化，控制点子野权重可调控。研究结果显示入组病例采用允许机架加速度变化的机器模型时，计划中射野控制点对应机架运动速度和剂量率较高，实际治疗出束时间显著降低，可能是由于计划优化时，机架速度参与射野调制，剂量率、机架速度和叶片速度相互配合形成优化组合，执行效率高。使用限制机架加速度运动模型的入组病例在计划系统中，各射野控制点对应机架运动速度均一致，但将该计划传输至MOSAIQ肿瘤信息系统进行排程和出束时，部分射野在部分弧度范围仍存在机架加速和减速运动的情况，可能是由于MOSAIQ肿瘤信息系统对于导入的VMAT计划射野执行参数会进行重新编译，如各控制点机架速度、叶片速度和剂量率编译成当前加速器实际可执行的参数状态。
对于计划剂量学方面，结果与张若辉等[16]研究结论一致，限制机架加速度在一定程度上影响部分危及器官受照剂量，同时降低靶区适形性和均匀性，但仍符合临床剂量学要求。对于鼻咽癌病例，增加脑干PRV最大剂量；对于肺癌病例，增加脊髓最大剂量和全肺V20，降低靶区D98%和全肺V5；对于腹膜后淋巴结放疗病例，双侧肾脏、肝脏、小肠和结肠平均剂量均有增加；对于乳腺癌病例，增加患侧肺V10，降低健侧肺平均剂量。本研究各入组病例使用在两种机架加速度变化模型下使用相同优化目标参数和权重优化得到VMAT计划。在使用允许机架加速度变化模型的VMAT计划中，增加额外辅助轮廓进一步优化，可接近或达到限制机架加速度变化组的剂量分布。例如勾画靶区热点区域进行最大剂量限制，勾画靶区冷点区域进行最小剂量限制，针对部分危及器官降低最大剂量目标参数值、增大优化权重。
综上所述，允许机架加速度变化模型设置可显著缩短计划治疗时间、降低计划跳数，提高治疗效率。虽一定程度上降低靶区适形性和均匀性，增加部分危及器官剂量，但仍符合临床剂量学要求。在Pinnacle v9.10机器模型机架加速度约束设置中，推荐使用允许机架变速运动设置。
利益冲突 无
作者贡献声明 张皓嘉负责实验方案设计、实施研究和论文撰写；游士虎、金海洁、张毅负责数据分析；罗元强、王志勇负责文献查找；许聪凤负责数据采集；甘家应、胡银祥指导论文写作，参与论文讨论与修改
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