PINNACLE系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)對(duì)宮頸癌術(shù)后VMAT計(jì)劃質(zhì)量和照射精度的影響

李娜，尹策，馮革，賈明軒中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放療計(jì)劃設(shè)計(jì)室，沈陽(yáng)110022

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技術(shù)是一種弧形調(diào)強(qiáng)放射治療技術(shù)，機(jī)架旋轉(zhuǎn)的同時(shí)多葉準(zhǔn)直器（multi-leaf collimator，MLC）同步運(yùn)動(dòng)，劑量率和機(jī)架運(yùn)動(dòng)速度也隨之不斷變化[1-2]。VMAT技術(shù)不僅能夠達(dá)到腫瘤靶區(qū)劑量的高適形度，保護(hù)周邊正常組織，而且還可以減少機(jī)器跳數(shù)（monitor units，MU）、縮短治療所需時(shí)間。目前，多種放射治療計(jì)劃系統(tǒng)支持VMAT計(jì)劃設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)均對(duì)優(yōu)化參數(shù)如子野數(shù)量、最小MU、劑量率、照射弧數(shù)量等對(duì)VMAT計(jì)劃質(zhì)量以及照射精度的影響進(jìn)行了探討[3-5]。PINNACLE計(jì)劃系統(tǒng)采用Smart Arc算法優(yōu)化VMAT計(jì)劃，其中參數(shù)MLC motion speed（單位為cm/deg）與MLC的運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。目前，較少文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于參數(shù)MLC motion speed對(duì)VMAT照射精度的影響。因此，本研究針對(duì)計(jì)劃優(yōu)化參數(shù)MLC motion speed對(duì)VMAT計(jì)劃質(zhì)量和照射精度的影響進(jìn)行探討，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年6月至2017年12月于中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院接受宮頸癌術(shù)后輔助放療的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①國(guó)際婦產(chǎn)科聯(lián)盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，F(xiàn)IGO）分期[6]為Ⅱa～Ⅲa期；②無(wú)放療禁忌證。排除標(biāo)準(zhǔn)：合并其他系統(tǒng)惡性腫瘤者。根據(jù)納入和排除標(biāo)準(zhǔn)，本研究共納入60例宮頸癌患者，年齡為31～64歲，中位年齡為49歲；FIGO分期：Ⅱa期31例，Ⅱb期22例，Ⅲa期7例。

1.2 計(jì)算機(jī)斷層掃描模擬定位

患者取仰臥位，雙腿并攏，雙手上舉至頭頂，交叉互抱對(duì)側(cè)手肘。使用盆腔固定板、低溫?zé)崴苣す潭?，模擬計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT），掃描范圍自第一腰椎上緣至坐骨結(jié)節(jié)下5 cm，掃描層厚5 mm，將CT圖像傳輸至治療計(jì)劃系統(tǒng)（treatment planning system，TPS）（PINNACLE，version 9.10，荷蘭飛利浦公司），由放療醫(yī)師勾畫(huà)腫瘤靶區(qū)和危及器官。

1.3 靶區(qū)和危及器官勾畫(huà)

根據(jù)Small等[7]總結(jié)的宮頸癌術(shù)后放療靶區(qū)勾畫(huà)方式以及Tyalor等[8]建議的淋巴結(jié)勾畫(huà)方式，宮頸癌術(shù)后盆腔臨床靶體積（clinical target volume，CTV）包括陰道上段1/2及殘端、陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區(qū)域（包括髂總、髂外、髂內(nèi)、閉孔及骶前淋巴結(jié)區(qū)），范圍：上界達(dá)第4～5腰椎間，下界達(dá)閉孔下緣水平。CTV上下、左右、前方向各外擴(kuò)8 mm，后方向外擴(kuò)5 mm生成計(jì)劃靶體積（planning target volume，PTV）。危及器官（organ at risk，OAR）包括脊髓、直腸、結(jié)腸、小腸、膀胱、左右股骨頭。

1.4 治療計(jì)劃設(shè)計(jì)

在PINNACLE計(jì)劃系統(tǒng)上行治療計(jì)劃設(shè)計(jì)，采用Smart Arc算法，雙弧照射，旋轉(zhuǎn)角度分別為181°順時(shí)針至180°（CW），180°逆時(shí)針至181°（CCW），準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)5°，計(jì)算網(wǎng)格0.3 cm。其中優(yōu)化參數(shù)MLC motion speed定義為機(jī)架旋轉(zhuǎn)1°過(guò)程中任何給定葉片可移動(dòng)的距離，最大值為0.46 cm/deg；將優(yōu)化參數(shù)MLC motion speed設(shè)置為0.30 cm/deg（作為 0.30 cm/deg 組）、0.46 cm/deg（作為 0.46 cm/deg組）及默認(rèn)值（不勾選，作為默認(rèn)值組），每例患者均行上述3組治療計(jì)劃。處方總劑量為45 Gy，單次劑量1.8 Gy，共照射25次，靶區(qū)劑量要求95%PTV受照劑量不低于處方劑量，最高劑量不高于處方劑量的107%。脊髓限制劑量為Dmax＜40 Gy，直腸、結(jié)腸限制劑量為V35＜40%，小腸限制劑量為V35＜25%，膀胱限制劑量為V35＜50%，股骨頭限制劑量為V40＜5%。

1.5 治療計(jì)劃評(píng)估

評(píng)估3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)適形度指數(shù)（coverage index，CI）和均勻度指數(shù)（homogeneity index，HI），其中CI=（PTVref/VPTV）×（PTVref/Vref），式中PTVref為參考等劑量面（本文取95%）所包裹的PTV靶區(qū)體積，VPTV為PTV靶區(qū)總體積，Vref為參考等劑量面所包裹的總體積。CI的范圍為0～1，其值越大，則適形度越好。HI=（D2%～D98%）/D50%，式中D2%、D50%、D98%分別代表2%、50%、98%靶區(qū)體積接受照射的劑量，HI越接近0，均勻度越好。

1.6 治療計(jì)劃驗(yàn)證

將60例宮頸癌患者共180個(gè)治療計(jì)劃的CT圖像、勾畫(huà)的靶區(qū)和器官、治療計(jì)劃參數(shù)、劑量分布從TPS導(dǎo)入COMPASS系統(tǒng)，計(jì)劃傳至直線加速器上執(zhí)行。COMPASS系統(tǒng)是一種三維劑量驗(yàn)證系統(tǒng)，由一個(gè)帶有角度探測(cè)器的二維電離室矩陣和一套基于患者CT圖像進(jìn)行患者體內(nèi)劑量分布重建計(jì)算的軟件系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)將患者的CT圖像、勾畫(huà)的靶區(qū)和器官、治療計(jì)劃參數(shù)、劑量分布從TPS導(dǎo)入，既可以由內(nèi)嵌的模型根據(jù)導(dǎo)入的治療計(jì)劃參數(shù)得到預(yù)測(cè)通量，在各個(gè)機(jī)架角度實(shí)際測(cè)量相應(yīng)的子野通量并與預(yù)測(cè)通量比較，修正重建后獲得患者CT圖像上三維的劑量分布；又可以進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算作為第3方驗(yàn)證系統(tǒng)。COMPASS系統(tǒng)根據(jù)在加速器上實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，重建每個(gè)治療計(jì)劃的劑量分布，重建網(wǎng)格與計(jì)算網(wǎng)格一致為0.3 cm，并與TPS優(yōu)化的劑量分布作γ（3%，3 mm）分析，獲得腫瘤靶區(qū)和危及器官的劑量體積參數(shù)偏差值和γ通過(guò)率，γ值小于1表示被驗(yàn)證的點(diǎn)通過(guò)。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。非正態(tài)分布的計(jì)量資料以中位數(shù)（M）和四分位數(shù)間距（QR）表示，采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，進(jìn)一步兩兩比較，采用Mann-Whitney檢驗(yàn)；正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，采用單因素方差分析法，進(jìn)一步兩兩比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 劑量學(xué)參數(shù)的比較

3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)D2%、Dmean、HI比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=22.30、9.83、13.21，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的D2%、Dmean、HI均大于 0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)D98%、CI及其余危及器官（脊髓、直腸、結(jié)腸、小腸、膀胱、左股骨頭、右股骨頭）的劑量學(xué)參數(shù)比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。（表1）

表1 參數(shù)MLC motion speed 采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃的劑量學(xué)參數(shù)比較

2.2 TPS優(yōu)化與COMPASS測(cè)量重建之間差值的比較

3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)ΔDmean比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=18.35，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的PTV靶區(qū)ΔDmean明顯小于0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)ΔD95%和其余危及器官（脊髓、直腸、結(jié)腸、小腸、膀胱、左股骨頭、右股骨頭）的劑量體積參數(shù)差值比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。（表2）

表2 參數(shù)MLC motion speed 采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃TPS與COMPSS測(cè)量重建之間差值的比較[%，M（QR）]

2.3 γ通過(guò)率的比較

3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)γ通過(guò)率比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=4.05，P＜0.01）；默認(rèn)值組的PTV靶區(qū)γ通過(guò)率低于0.30 cm/deg組與0.46 cm/deg組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。3組計(jì)劃的結(jié)腸γ通過(guò)率比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=3.49，P=0.01）；0.30 cm/deg組的結(jié)腸γ通過(guò)率高于0.46 cm/deg組與默認(rèn)值組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。3組計(jì)劃的其余危及器官（脊髓、直腸、結(jié)腸、小腸、膀胱、左股骨頭、右股骨頭）的γ通過(guò)率比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。（表3）

表3 參數(shù)MLC motion speed 采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃的 γ通過(guò)率比較（%，± s）

表3 參數(shù)MLC motion speed 采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃的 γ通過(guò)率比較（%，± s）

注：a與默認(rèn)值組比較，P＜0.05；b與0.3 cm/deg組比較，P＜0.05

感興趣區(qū)域PTV脊髓直腸大腸小腸膀胱左股骨頭右股骨頭0.30 cm/deg組94.78±2.44a 100.00±0.00 99.56±0.29 99.42±0.34a 98.90±0.53 99.61±0.28 99.27±0.48 97.58±2.87 0.46 cm/deg組91.80±3.24a 100.00±0.00 99.53±0.32 98.54±1.13b 98.81±0.53 99.03±0.66 98.99±0.70 98.29±0.98默認(rèn)值組89.29±2.29 99.96±0.10 99.31±0.51 98.83±0.76 98.31±0.94 99.71±0.36 99.07±1.57 97.54±1.79

2.4 MU和治療時(shí)間的比較

3組計(jì)劃的治療時(shí)間比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=16.51，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的治療時(shí)間短于0.46 cm/deg組與默認(rèn)值組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。3組計(jì)劃的MU比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。（表4）

表4 參數(shù)MLC motion speed 采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃的MU和治療時(shí)間的比較[M（QR）]

2.5 實(shí)際執(zhí)行時(shí)機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度和MLC運(yùn)動(dòng)速度

3組計(jì)劃的實(shí)際機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=3.37，P＜0.05）；0.30 cm/deg組的機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度快于0.46 cm/deg組與默認(rèn)值組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。3組計(jì)劃的MLC運(yùn)動(dòng)速度比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=47.12，P＜0.01）；0.30 cm/deg組的MLC運(yùn)動(dòng)速度慢于0.46 cm/deg組與默認(rèn)值組，0.46 cm/deg組的MLC運(yùn)動(dòng)速度慢于默認(rèn)值組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。（表5）

表5 參數(shù)MLC motion speed采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃的實(shí)際機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度和MLC運(yùn)動(dòng)速度的比較（± s）

表5 參數(shù)MLC motion speed采用 3組設(shè)置值優(yōu)化的治療計(jì)劃的實(shí)際機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度和MLC運(yùn)動(dòng)速度的比較（± s）

注：a與0.30 cm/deg組比較，P＜0.05；b與0.46 cm/deg組比較，P＜0.05

比較參數(shù)機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度（deg/s）MLC運(yùn)動(dòng)速度（cm/s）0.30 cm/deg組3.12±0.25 0.93±0.08 0.46 cm/deg組3.03±0.10a 1.39±0.08a默認(rèn)值組2.96±0.06a 1.52±0.14a b

3 討論

本研究探討了PINNACLE系統(tǒng)優(yōu)化VMAT計(jì)劃時(shí)參數(shù)MLC motion speed設(shè)置不同數(shù)值對(duì)計(jì)劃質(zhì)量和照射精度的影響。本研究治療用加速器（Synergy，瑞典，Elekta）的物理參數(shù)MLC運(yùn)動(dòng)速度最大值為1.9 cm/s，機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度最大值為5.5 deg/s，優(yōu)化參數(shù)MLC motion speed最大值為0.46 cm/deg。MLC motion speed參數(shù)值對(duì)計(jì)劃優(yōu)化的影響結(jié)果顯示，3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)最小劑量D98%、CI指數(shù)及危及器官的劑量學(xué)參數(shù)比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；0.30 cm/deg組的PTV靶區(qū)D2%、Dmean均高于0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組（P＜0.05），而對(duì)PTV靶區(qū)HI的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也顯示，0.30 cm/deg組的HI高于0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組（P＜0.05）。表明0.30 cm/deg組PTV靶區(qū)的均勻性較0.30 cm/deg組和默認(rèn)值組略差；但0.30 cm/deg組的HI統(tǒng)計(jì)數(shù)值小于0.11，仍然能夠滿足臨床治療要求。在實(shí)際執(zhí)行所需時(shí)間上，0.30 cm/deg組的治療時(shí)間最短，默認(rèn)值組的治療時(shí)間最長(zhǎng)，通過(guò)讀取系統(tǒng)log文件，得到0.30 cm/deg組的機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度快于0.46 cm/deg組與默認(rèn)值組。

本研究采用COMPASS系統(tǒng)對(duì)VMAT計(jì)劃進(jìn)行治療前驗(yàn)證，已有國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)表明COMPSS系統(tǒng)可以應(yīng)用于臨床治療前計(jì)劃驗(yàn)證[9-10]。COMPASS通過(guò)比較TPS優(yōu)化計(jì)劃與測(cè)量重建計(jì)劃，獲得PTV靶區(qū)和危及器官的劑量體積參數(shù)偏差值，偏差值越大，代表實(shí)際照射與優(yōu)化計(jì)算值之間的偏差越大。本研究結(jié)果顯示，3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)ΔDmean比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組的PTV靶區(qū)ΔDmean值均明顯高于0.3 cm/deg組（P＜0.01），表明0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組計(jì)劃在實(shí)際照射中PTV靶區(qū)接受的Dmean與TPS優(yōu)化的Dmean之間的差值增大；3組計(jì)劃的其余危及器官的劑量體積參數(shù)差值比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），表明MLC motion speed設(shè)置值改變沒(méi)有使其余劑量體積參數(shù)值在實(shí)際照射中發(fā)生顯著變化。

COMPASS通過(guò)比較TPS優(yōu)化計(jì)劃與測(cè)量重建計(jì)劃，同時(shí)得到PTV靶區(qū)與各危及器官的γ通過(guò)率，γ通過(guò)率越高，表明實(shí)際照射與優(yōu)化計(jì)算之間的劑量分布差異越小。本研究對(duì)3組計(jì)劃的γ通過(guò)率進(jìn)行比較，結(jié)果顯示3組計(jì)劃的PTV靶區(qū)和部分危及器官（結(jié)腸）γ通過(guò)率比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；而默認(rèn)值組的PTV靶區(qū)γ通過(guò)率低于0.3 cm/deg組和0.46 cm/deg組（P＜0.05），默認(rèn)值組的PTV靶區(qū)γ通過(guò)率均值為89.29%，其余兩組均在91%以上；對(duì)結(jié)腸γ通過(guò)率的分析結(jié)果顯示，0.3 cm/deg組的結(jié)腸γ通過(guò)率高于0.46 cm/deg組和默認(rèn)值組（P＜0.05），表明參數(shù)MLC motion speed設(shè)置不同值時(shí)，PTV靶區(qū)與危及器官的γ通過(guò)率也隨之發(fā)生改變，即對(duì)VMAT照射精度產(chǎn)生影響。隨著參數(shù)值的變化，例如該參數(shù)值設(shè)置為默認(rèn)值的默認(rèn)值組，VMAT照射精度下降，實(shí)際照射與優(yōu)化計(jì)算之間的劑量分布差異增大，從而使γ通過(guò)率降低。

本研究中PTV靶區(qū)和危及器官的劑量體積參數(shù)偏差值數(shù)據(jù)顯示，除了股骨頭的ΔDmean大于3%，其余均在3%以內(nèi)，臨床上可以接受，股骨頭由于體積小，而且照射過(guò)程中有部分時(shí)間位于照射野邊緣，有效測(cè)量點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，導(dǎo)致其測(cè)量值與TPS計(jì)算值產(chǎn)生較大偏差。本研究結(jié)果還顯示，危及器官γ通過(guò)率的變化沒(méi)有PTV靶區(qū)γ通過(guò)率的變化顯著，原因可能為PTV靶區(qū)始終處于照射野范圍內(nèi)，而危及器官不同，可能有大部分體積位于照射野外，導(dǎo)致危及器官整體劑量分布的變化不如PTV靶區(qū)變化的明顯。

進(jìn)一步分析MLC motion speed參數(shù)值影響照射精度的原因，通過(guò)讀取系統(tǒng)log文件發(fā)現(xiàn)，默認(rèn)值組的MLC運(yùn)動(dòng)速度最快。相關(guān)研究表明，隨著MLC運(yùn)動(dòng)速度增加，VMAT照射精度下降[11-12]。劑量率、機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度雖然也對(duì)VMAT照射精度產(chǎn)生影響，但有研究認(rèn)為MLC運(yùn)動(dòng)速度是影響照射精度的關(guān)鍵因素，而且他的影響作用比劑量率和機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度大[12-14]。本研究中，當(dāng)TPS優(yōu)化參數(shù)MLC motion speed設(shè)置不同值時(shí)，使3組治療計(jì)劃的MLC運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，從而影響VMAT照射精度，與上述研究結(jié)果相一致。

本文選取了0.30 cm/deg、0.46 cm/deg、默認(rèn)值（不勾選）3個(gè)參數(shù)值優(yōu)化的計(jì)劃相比較，因?yàn)楫?dāng)選值小于0.20 cm/deg時(shí)，優(yōu)化結(jié)果沒(méi)有達(dá)到臨床目標(biāo)，所以不列入本研究。結(jié)果表明，宮頸癌術(shù)后VMAT計(jì)劃MLC motion speed參數(shù)設(shè)置不同值會(huì)影響VMAT照射精度，特別是當(dāng)使用系統(tǒng)默認(rèn)值優(yōu)化VMAT計(jì)劃時(shí)，照射精度在3組計(jì)劃中最差。

綜上所述，PINNACLE計(jì)劃系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)MLC motion speed設(shè)置值的改變會(huì)影響VMAT照射精度，劑量師應(yīng)避免使用系統(tǒng)默認(rèn)值，而是選擇0.30～0.46 cm/deg值優(yōu)化計(jì)劃，盡量降低對(duì)VMAT照射精度的影響，從而保證VMAT照射能夠安全、有效、精確的實(shí)施。