射線能量和均整特性對(duì)直腸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃質(zhì)量的影響

梁 惠, 沈笑飛, 周 銳

(安徽省六安市中醫(yī)院 腫瘤放療科, 安徽 六安, 237006)

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射線能量和均整特性對(duì)直腸癌容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃質(zhì)量的影響

梁 惠, 沈笑飛, 周 銳

(安徽省六安市中醫(yī)院 腫瘤放療科, 安徽 六安, 237006)

目的 探討光子射線能量和均整特性對(duì)直腸癌VMAT計(jì)劃質(zhì)量的影響。方法 回顧性選取30例直腸癌術(shù)前輔助放療患者，每例患者使用4種能量模式(6 MV、10 MV、非均整射線6 FFF和10 FFF), 用同樣的處方和優(yōu)化函數(shù)分別設(shè)計(jì)VMAT計(jì)劃。通過(guò)劑量體積直方圖計(jì)算靶區(qū)劑量、適形指數(shù)(CI)、均勻性指數(shù)(HI); 統(tǒng)計(jì)膀胱、小腸、股骨頭和正常組織的劑量; 記錄每個(gè)計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)(MU)和計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間，比較4種能量模式下VMAT計(jì)劃的質(zhì)量差異。結(jié)果 4種計(jì)劃的靶區(qū)的劑量參數(shù)D98%、D50%、D2%、CI、HI均值無(wú)顯著差異; 6 FFF、10 FFF能量模式下小腸的最高劑量D2%比6 MV計(jì)劃的結(jié)果小0.7%和1.5%(P<0.05), 其余OAR的DVH結(jié)果無(wú)顯著差異。正常組織NT的低劑量區(qū)域V5Gy、V10Gy和V20Gy、6 FFF、10 FFF計(jì)劃比6 MV計(jì)劃的結(jié)果分別減少了0.9%、1.4%、1.1%、1.4%和1.2%、2.4%(P<0.05)。與6 MV能量計(jì)劃相比, 6 FFF、10MV和10 FFF VMAT計(jì)劃的MU變化了24%、-3%、29% (P<0.05)。結(jié)論 光子射線能量的變化對(duì)直腸癌VMAT計(jì)劃質(zhì)量的影響微小，非均整射線可以稍微降低VMAT計(jì)劃的低劑量照射區(qū)體積。

射線能量; 均整特性; 容積弧形調(diào)強(qiáng)治療; 計(jì)劃質(zhì)量; 直腸癌

隨著放療設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，非均整光子線(FFF)因其高劑量率在臨床中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，但射線的均整特性和能量對(duì)容積弧形調(diào)強(qiáng)放射治療(VMAT)計(jì)劃的影響的報(bào)道不多。VMAT技術(shù)是目前先進(jìn)的放療技術(shù)之一，與傳統(tǒng)放療技術(shù)相比, VMAT可以提供更好的計(jì)劃適形性，并能極大地縮短治療執(zhí)行時(shí)間[1-6]。本研究通過(guò)分析6、10 MV光子射線和其非均整(FFF)6、10 FFF能量模式下直腸癌VMAT計(jì)劃的劑量學(xué)差異，評(píng)估光子射線能量及均整特性對(duì)VMAT計(jì)劃質(zhì)量的影響，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2016年4—11月六安市中醫(yī)院放療科收治的經(jīng)直腸鏡病理確診的直腸腺癌Ⅱ、Ⅲ期患者(直腸癌, UICC第6版分期), ECOG評(píng)分≤2分，隨機(jī)入組，其中男20例，中位年齡58歲; 女10例，中位年齡55歲。所有患者資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析證實(shí)具有均質(zhì)可比性，無(wú)放療禁忌證。

1.2 射線特性

使用醫(yī)科達(dá)infinity醫(yī)用直線加速器, Agility治療頭配備80對(duì)多葉準(zhǔn)直器(MLC), 每個(gè)葉片在等中心位置處的投影寬度為5 mm, 每個(gè)葉片的最大運(yùn)動(dòng)速度為3.5 cm/s。配備均整射線6、10 MV(也稱為6 FF和10 FF)和非均整射線6、10 FFF, 共4檔光子線能量模式。6 MV、10 MV、6 FFF、10 FFF X射線能量擋的劑量率連續(xù)可變，上限分別為600、600、1400和2200 MU/min, 四種能量的射線質(zhì)指數(shù)(PDD20/10)分別為0.59、0.63、0.58、0.61。6 FFF與6 FF及10 FFF與10 FF射線能量之間差異很小。

1.3 計(jì)劃設(shè)計(jì)

在Monaco計(jì)劃系統(tǒng)(Version 5.1)內(nèi)，回顧性選取30例直腸癌術(shù)前輔助放療患者，每例患者分別使用相應(yīng)的4種能量模式設(shè)計(jì)VMAT計(jì)劃。4種計(jì)劃使用相同的優(yōu)化參數(shù)和目標(biāo)函數(shù)設(shè)置。靶區(qū)劑量處方為PTV 150 Gy/25 F, PTV 246 Gy/25 F; 正常組織劑量限量為：小腸Dmax≤ 52.5 Gy, V45 Gy< 150 cc; 膀胱D5%≤ 50 Gy; 雙側(cè)股骨頭V40 Gy< 5%; 全局最大劑量小于55 Gy。計(jì)劃設(shè)計(jì)參數(shù)為單弧順時(shí)針360度，控制點(diǎn)數(shù)量限制為150, 劑量計(jì)算格點(diǎn)為0.3 cm, 蒙特卡羅計(jì)算的不確定性設(shè)為3%每個(gè)控制點(diǎn)，最小子野寬度設(shè)為0.8 cm。

1.4 計(jì)劃質(zhì)量評(píng)價(jià)和指標(biāo)

通過(guò)劑量體積直方圖(DVH)計(jì)算靶區(qū)的適形指數(shù)(CI)、均勻指數(shù)(HI); 使用ICRU 83號(hào)報(bào)告推薦的D98%、D50%、D2%劑量體積參數(shù)來(lái)表示最低劑量，中位劑量和最高劑量[7]。CI和HI分別計(jì)算[8]為: CI = TVRI/VPTV× TVRI/VT, HI = D5%/D95%。其中TVRI是100%的處方等劑量線所覆蓋的PTV體積, VPTV是PTV的體積, VT是該等劑量線所覆蓋的全部受照射體積; CI值越接近1, 表示計(jì)劃的適形性越好; D5%是指5%靶體積所接受的照射劑量, D95%指95%靶體積所接受的照射劑量，HI值越接近1, 表示靶區(qū)劑量的均勻性越好。

計(jì)算小腸、膀胱和雙側(cè)股骨頭等危及器官(OAR)和正常組織(NT，NT定義為Body減去靶區(qū)和勾畫的OAR后剩下的體積)的DVH參數(shù)。統(tǒng)計(jì)OAR和NT接受一定劑量的體積占該結(jié)構(gòu)體積的百分?jǐn)?shù), V10Gy、V20Gy、V30Gy…等(其中VxGy表示該結(jié)構(gòu)接受x Gy照射劑量的體積占該OAR體積的百分?jǐn)?shù))。同時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)(MU)和計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間(即Beam on到Beam off之間用時(shí))。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

數(shù)據(jù)以均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差形式表示，通過(guò)SPSS軟件分析四種能量模式下的計(jì)劃劑量結(jié)果，以6 FF為參考組，另外三種能量模式與其進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn),P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 靶區(qū)劑量

在4種能量模式下，直腸癌VMAT靶區(qū)劑量的計(jì)算顯示4種能量的結(jié)果非常接近，可以看到6 FFF、10 MV和10 FFF能量下的計(jì)劃結(jié)果與常規(guī)6 FF能量的計(jì)劃結(jié)果無(wú)顯著差異(只有10 FFF下PTV 2 的D98%結(jié)果要稍小，但數(shù)值上的差異非常小)。這也說(shuō)明不同的射線能量和均整模式下VMAT計(jì)劃有相似的靶區(qū)劑量覆蓋。見(jiàn)表1。

2.2 OAR和NT劑量

與常規(guī)6 FF能量計(jì)劃相比，另外3種能量模式計(jì)劃的膀胱的DVH結(jié)果平均偏差均在0.5%以內(nèi)，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05), 見(jiàn)表2; 6 FFF, 10 FFF能量模式下小腸的最高劑量D2%比6 FF能量計(jì)劃的結(jié)果小0.7%和1.5%(P<0.05), 其余小腸的DVH參數(shù)無(wú)顯著差異(P>0.05); 兩側(cè)股骨頭10 FF能量計(jì)劃的V30Gy的劑量體積偏大，其余結(jié)果無(wú)顯著差異(P>0.05)。四種計(jì)劃的正常組織NT的平均劑量Dmean差異在1 Gy以內(nèi)，見(jiàn)表3。6 FFF和10 FFF計(jì)劃的5 Gy、10 Gy和20 Gy低劑量的NT體積百分?jǐn)?shù)比6 FF計(jì)劃的結(jié)果要低約1%～2%。10 FF計(jì)劃的NT結(jié)果與6 FF計(jì)劃NT的劑量結(jié)果之間無(wú)顯著差異。

表1 4種能量模式下直腸癌VMAT計(jì)劃靶區(qū)劑量

P1、P2、P3分別對(duì)應(yīng)6 FFF、10 FF、10 FFF能量計(jì)劃與6 FF計(jì)劃配對(duì)t檢驗(yàn)的P值。

表2 4種能量模式下30例直腸癌VMAT計(jì)劃OAR劑量

P1、P2、P3分別對(duì)應(yīng)6 FFF、10 FF、10 FFF能量計(jì)劃與6 FF計(jì)劃配對(duì)t檢驗(yàn)的P值。

表3 4種能量模式30例直腸癌VMAT計(jì)劃NT劑量

P1、P2、P3分別對(duì)應(yīng)6 FFF、10 FF、10 FFF能量計(jì)劃與6 FF計(jì)劃配對(duì)t檢驗(yàn)的P值。

2.3 機(jī)器跳數(shù)和計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間

6 FF、6 FFF、10 FF和10 FFF計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)分別為: 439±30、543±52、425±37、566±46 MU。與6 FF能量計(jì)劃相比，另外三種能量模式計(jì)劃的MU變化了24%, -3%, 29%; 與FF能量相比, FFF射線計(jì)劃的MU明顯增加24%(6 FFF∶6 FF,P<0.05)和33%(10 FFF∶10 FF,P<0.05)。4種計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間差異不大，分別為(96±6)、(103±6 )、(95±6)、(106±4) s。

3 討 論

在常規(guī)和三維放療時(shí)代，射線能量的提升對(duì)深部腫瘤，特別是盆腔腫瘤的放療計(jì)劃質(zhì)量的影響比較明顯，普遍認(rèn)為高能射線會(huì)帶來(lái)益處[9]; Prizkall等[10]研究結(jié)果顯示，隨著靜態(tài)調(diào)強(qiáng)(IMRT)射野數(shù)量的增加，光子射線能量對(duì)計(jì)劃質(zhì)量的影響變小。VMAT計(jì)劃旋轉(zhuǎn)照射，臂架可以在360度空間出束，射野(控制點(diǎn))數(shù)量大大增加，因此射線能量對(duì)計(jì)劃的影響可能更小。Ost P[11]和Pasler M等[12]的研究表明，對(duì)前列腺癌VMAT計(jì)劃，高能射線(18、15、10 MV)對(duì)計(jì)劃劑量的影響非常小。本研究結(jié)果顯示，10 MV和6 MV光子射線的直腸癌VMAT計(jì)劃劑量參數(shù)中，除了股骨頭的10 MV計(jì)劃的V30Gy稍大，無(wú)論是靶區(qū)劑量(包括最高劑量D2%、中位劑量D50%、最低劑量D98%、適形性指數(shù)CI和均勻性指數(shù)HI)，還是OAR(膀胱，小腸，左右股骨頭)劑量, 10 MV能量的計(jì)劃結(jié)果與6 MV計(jì)劃的結(jié)果相似，并無(wú)顯著差異?？紤]到光子射線能量高于10 MV后，會(huì)產(chǎn)生中子輻射，引起次級(jí)污染，對(duì)輻射防護(hù)要求更高，帶來(lái)的使用成本相對(duì)較高。因此，對(duì)直腸癌VMAT計(jì)劃而言, 10 MV射線并無(wú)使用上的優(yōu)勢(shì)。

6 FFF和10 FFF兩種能量模式下直腸癌的VMAT計(jì)劃的靶區(qū)劑量與均整射線6 FF計(jì)劃的結(jié)果相近，無(wú)顯著差異; OAR中膀胱，股骨頭劑量也無(wú)顯著差異，但6 FFF、10 FFF計(jì)劃下小腸的最高劑量D2%分別降低了0.7%和1.5%(P<0.05)。對(duì)沒(méi)有勾畫出的正常組織NT, 6 FFF, 10 FFF計(jì)劃的低劑量區(qū)域V5Gy、V10Gy和V20Gy分別減少了0.9%、1.4%、1.1%、1.4%和1.2%、2.4%(相對(duì)6 FF計(jì)劃的結(jié)果)，這主要是由于FFF射線均整器移除后減少了機(jī)頭的散射線和漏射線[13]。上述研究表明, 6 FFF、10 FFF 直腸癌的VMAT計(jì)劃質(zhì)量比6 FF射線的計(jì)劃質(zhì)量要稍好。已有的鼻咽癌的VMAT計(jì)劃研究結(jié)果也表明, 6 FFF非均整射線VMAT計(jì)劃能夠滿足臨床劑量要求，F(xiàn)FF射線在保護(hù)正常組織上有微小優(yōu)勢(shì)，但計(jì)劃質(zhì)量與6 FF得計(jì)劃質(zhì)量相當(dāng)[14-17]。

10 FF計(jì)劃與6 FF計(jì)劃相比，MU數(shù)減少了約3%，變化不大; 但6 FFF和10 FFF計(jì)劃的MU數(shù)明顯比6FF計(jì)劃增加了24%、29%?？梢?jiàn)，射線的均整特性對(duì)VMAT計(jì)劃的MU數(shù)影響很大。這主要是由于FFF射線與FF射線相比，雖然中心軸劑量相同[18-19](本研究中VersaHD的FFF射線與FF射線的射線質(zhì)非常接近，分別為0.58∶0.59, 0.61∶0.63), 但離軸劑量相對(duì)偏低，故照射相同的劑量時(shí)，需要FFF射線的機(jī)器跳數(shù)要更多。但由于FFF射線劑量率的提升較多(6 FFF、10 FFF射線劑量率上限1 400, 2 200 MU/min, 是相應(yīng)FF射線的2倍和4倍左右)，故四種能量計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間差異不大(差異在10 s以內(nèi))[20]。

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Effect of photon beam energy and flattening-filter characteristic on plan quality of volumetric modulated arc therapy in patients with rectal cancer

LIANG Hui, SHEN Xiaofei, ZHOU Rui

(DepartmentofTumorRadiotherapy,Lu′anHospitalofTraditionalChineseHospital,Lu′an,Anhui, 237006)

Objective To explore the influence of beam energy and FFF on plan quality of volumetric modulated arc therapy (VMAT) in patients with rectal cancer. Methods A total of 30 rectal cancer patients with preoperative radiotherapy were retrospectively selected, and 6 MV, 10 MV, 6 FFF and 10 FFF VMAT plans were generated for each patient by using the same prescription and optimization functions. Through dose volume histogram (DVH) parameters, PTVs dose, conformal index (CI), homogeneity index (HI), bladder, intestine, femoral heads and normal tissue doses were calculated and compared, and themonitor units (MU) and delivery time of all plans were recorded. Results There were no significant differences among the four VMAT plans in target doses, CI and HI. The maximum dose, D2%of the small intestine from the 6 FFF, 10 FFF VMAT plans were 0.7% and 1.5%, which were significantly smaller than the result of 6 MV VMAT plans (P< 0.05). The other OAR DVH parameters results showed no significant difference between the four VMATs. Compared with 6 MV VMAT results, the NT low dose volumes, V5Gy, V10Gy, V20Gyof 6 FFF and 10 FFF VMATs were decreased by 0.9%, 1.4%, 1.1%, 1.4% and 1.2%, 2.4% respectively (P<0.05). Compared with 6 MV plans, 6 FFF, 10MV and 10 FFF plans′MUs changed by 24%, -3% and 29% (P< 0.05). Conclusion Effect of beam energy on plan quality of VMAT in patients with rectal cancer can be almost neglected. The FFF VMATs can slightly reduce the low dose irradiated volume of normal tissue.

beam energy; flattening-filter free; volumetric modulated arc therapy; plan quality; rectal cancer

2017-02-05

R 735.3

A

1672-2353(2017)13-095-05

10.7619/jcmp.201713025