最小子野寬度對肺癌容積調(diào)強弧形治療計劃質(zhì)量的影響

魏敏，牛振洋，劉苓苓，李兵兵，費振樂，王磊，李志杰

1.安徽醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，安徽合肥230032；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第901醫(yī)院放療科，安徽合肥230031；3.中國科學院合肥腫瘤醫(yī)院，安徽合肥230031

前言

放療是治療肺癌的主要手段之一。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT）是一種弧形調(diào)強放療技術(shù)，已被廣泛應用于癌癥的放療。相比傳統(tǒng)的放療手段，VMAT具有良好的劑量學優(yōu)勢，能使靶區(qū)內(nèi)劑量分布更均勻，同時也能更好地保護靶區(qū)周圍正常組織［1-3］。對于肺部不規(guī)則的靶區(qū)，由于存在呼吸運動，若放療時間較長，則可能增加每次放療中器官的位移，同時靶區(qū)劑量的不確定性也會增加。有研究顯示，在不影響靶區(qū)劑量分布和危及器官受量的前提下，通過改善優(yōu)化的方式可以減少機器跳數(shù)，縮短治療時間［4-7］。本研究通過設計不同最小子野寬度下肺癌VMAT 計劃來分析最小子野寬度對計劃質(zhì)量的影響，并確定合適的最小子野寬度，從而為肺癌的放療計劃設計提供參考。

1 資料與方法

1.1 病例資料

選取2018年6～12月在解放軍聯(lián)勤保障部隊第901 醫(yī)院受治療的肺癌患者12 例。左肺癌3 例，右肺癌9例；中位年齡為56歲（46～72歲）。

1.2 CT定位及放療計劃設計

采用荷蘭飛利浦大孔徑CT 模擬機進行掃描，患者采用仰臥位，熱塑體模固定，圖像層厚為3 mm，將圖像傳至Monaco 5.11 計劃系統(tǒng)中進行三維重建。醫(yī)生根據(jù)ⅠCRU 83 號報告［8］進行靶區(qū)勾畫。放療計劃選用醫(yī)科達synergy 直線加速器配備的MLCi2 多葉光柵具有插指功能，能量為6 MV 的X 線，處方劑量為60 Gy/30 次，單次劑量為2 Gy。計算網(wǎng)格均為0.3 cm，最大旋轉(zhuǎn)弧數(shù)為2，每個弧的最大控制點數(shù)為200。整個計劃計算不確定度為1%。最小子野寬度依次選擇為0.5、0.7、1.0、1.2 和1.5 cm。各VMAT 計劃設計好后不做劑量的歸一操作。

1.3 評價指標

根據(jù)ⅠCRU 83號報告，最小劑量定義為98%的計劃靶區(qū)（Planning Target Volume,PTV）受到的照射劑量D98，最大劑量定義為2%的PTV受到的照射劑量D2［8］。根據(jù)劑量體積直方圖曲線評估VMAT計劃，參數(shù)包括PTV的D98、Dmean、D2、均勻性指數(shù)（Homogeneity Ⅰndex,HⅠ）、適形度指數(shù)（Conformity Ⅰndex,CⅠ）、靶區(qū)覆蓋率（Target Coverage,TC）以及不同子野寬度下優(yōu)化的機器跳數(shù)和計劃控制點數(shù)。其中，CⅠ=（VTref/VT）×（VTref/Vref），VTref為參考等劑量線面所包繞區(qū)域體積，VT為總的靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量曲線包繞的PTV體積。CⅠ值范圍為0～1，數(shù)值越接近1，表示適形度越高；HⅠ=(D2-D98)/D50，D50為50%體積收到的照射劑量，HⅠ值越低，表示靶區(qū)劑量的均勻性越好；TC(%)=(TVP/TV)×100，TVp為接受處方劑量的靶區(qū)體積，TV表示總靶區(qū)體積。危及器官受量評價包括患側(cè)肺V20（表示接受20 Gy照射區(qū)域所占體積百分比）、V15、V5，健側(cè)肺V5，脊髓Dmax，心臟V30、V20。

1.4 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 22.0 軟件對PTV 及危及器官的數(shù)據(jù)和不同最小子野寬度優(yōu)化下12例患者數(shù)據(jù)分別進行正態(tài)性檢驗。若服從正態(tài)分布則進行配對t檢驗，否則，進行Wilcoxon 符號秩和檢驗。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 不同最小子野寬度下靶區(qū)劑量的比較

5 組不同最小子野寬度優(yōu)化下靶區(qū)的劑量指標如表1 所示，以最小子野寬度1.0 cm 的計劃為參考。最小子野寬度為0.5 cm時，優(yōu)化的計劃相比最小子野寬度1.0 cm 的計劃，靶區(qū)D98無明顯差異（P＞0.05）。隨著優(yōu)化的最小子野寬度增大為1.2、1.5 cm 時，靶區(qū)D98降低（P＜0.05）。靶區(qū)Dmean、D2在最小子野寬度為0.5、0.7 cm 時，變化差異較小（P＞0.05）；最小子野增大到1.2、1.5 cm時，Dmean、D2變化比較明顯（P＜0.05）。

2.2 不同最小子野寬度下，靶區(qū)HⅠ、CⅠ、TC分布

如表1和圖1所示，最小子野寬度為1.2、1.5 cm時，靶區(qū)HⅠ高于最小子野寬度為1.0 cm 時的靶區(qū)HⅠ（Z=-2.714、-2.831,P＜0.05）；最小子野寬度為0.5、0.7 cm 時，與參考最小子野寬度下靶區(qū)HⅠ相比無明顯變化。最小子野寬度為0.5、0.7、1.2 cm時，相比較最小子野寬度1.0 cm，靶區(qū)CⅠ無明顯變化；最小子野寬度增大到1.5 cm時，CⅠ變化顯著（Z=-2.694,P＜0.05）。不同最小子野優(yōu)化條件下，靶區(qū)的TC變化顯著（P＜0.05）。

2.3 不同最小子野寬度下各VMAT 計劃的機器跳數(shù)和控制點數(shù)

不同最小子野寬度下，各VMAT 計劃的機器跳數(shù)和控制點數(shù)見圖2。同一病例，在不同最小子野寬度優(yōu)化下，最大相差425.2 MU。最小子野寬度為1.0 cm 時的平均機器跳數(shù)為684.4 MU；最小子野寬度為0.5、0.7、1.2、1.5 cm 時，平均機器跳數(shù)為972.8、763.8、660.1、665.3 MU。機器跳數(shù)隨著最小子野寬度的增加而逐漸減少。隨著最小子野寬度的增加，VMAT計劃的平均控制點數(shù)為278、243、220、206、190，呈現(xiàn)降低趨勢。

表1 不同最小子野寬度下靶區(qū)的劑量指標對比（±s）Tab.1 Dosimetric indexes of target areas under different minimum segment widths (Mean±SD)

表1 不同最小子野寬度下靶區(qū)的劑量指標對比（±s）Tab.1 Dosimetric indexes of target areas under different minimum segment widths (Mean±SD)

與參考計劃（最小子野寬度為1.0 cm）相比較，a分別表示t=3.331，Z=-2.9035、-3.059（P均＜0.05）；b分別表示t=-3.150，t=-6.080（P均＜0.05）；c分別表示t=-2.903，t=3.059（P均＜0.05）；d分別表示Z=-2.714、-2.831（P均＜0.05）；e表示Z=-2.694（P＜0.05）；f分別表示Z=-2.904、-3.061、-2.747、-2.941（P均＜0.05）

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圖1 不同最小子野寬度下靶區(qū)的HI、CI、TCFig.1 Homogeneity index,conformity index and target coverage of target areas under different minimum segment widths

2.4 不同最小子野寬度下危及器官的劑量比較

危及器官劑量分布結(jié)果如表2 所示。選擇最小子野寬度為0.7 cm 時，心臟V20相比較最小子野寬度為1.0 cm 時，差異有統(tǒng)計學意義（Z=-2.380,P＜0.05）；最小子野寬度為1.5 cm 時，患側(cè)肺V5相比較最小子野寬度1.0 cm 時，差異有統(tǒng)計學意義（Z=-2.197,P＜0.05）。其他危及器官在不同的最小子野寬度下無明顯的差異。

3 討論

本研究比較了5 種不同最小子野寬度下優(yōu)化設計的計劃方案，以最小子野寬度1.0 cm 為參考，將其他計劃結(jié)果與其結(jié)果相比較。隨著最小子野寬度值的改變，靶區(qū)的劑量產(chǎn)生變化。最小子野寬度為0.5、0.7 cm時，靶區(qū)Dmean、D2、CⅠ與參考最小子野寬度的差別不大（P＞0.05）；隨著最小子野寬度增大為1.2、1.5 cm 時，靶區(qū)Dmean、D2產(chǎn)生統(tǒng)計學意義的變化。靶區(qū)TC 隨著最小子野寬度的增大，最大變化值小于1%。對于本研究采用的靶區(qū)評價指標Dmean、D2、D98、HⅠ、CⅠ，當最小子野寬度為0.5 cm時對于靶區(qū)評價指標與參考最小子野寬度相比差異無統(tǒng)計學意義。對于危及器官，最小子野寬度增大為1.5 cm 時，患側(cè)肺V5的差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；最小子野寬度為0.7 cm時，心臟V20的差異具有統(tǒng)計學意義；其它危及器官則無明顯變化。隨著最小子野寬度的增加，VMAT計劃的機器跳數(shù)和控制點數(shù)顯著降低，其中最小子野寬度為1.2 cm 時，機器跳數(shù)降低幅度最大，此時靶區(qū)的D98、HⅠ和TC指標與最小子野寬度為1.0 cm的計劃相比已產(chǎn)生統(tǒng)計學差異，即機器跳數(shù)和控制點數(shù)的降低使計劃靶區(qū)范圍內(nèi)的劑量分布變差。

圖2 不同最小子野寬度下計劃的機器跳數(shù)和控制點數(shù)Fig.2 Number of monitor units and control points under different minimum segment widths

表2 不同最小子野寬度下危及器官受量（±s）Tab.2 Organs-at-risk doses under different minimum segment widths(Mean±SD)

表2 不同最小子野寬度下危及器官受量（±s）Tab.2 Organs-at-risk doses under different minimum segment widths(Mean±SD)

與最小子野寬度1.0 cm優(yōu)化下的數(shù)據(jù)相比較，a表示Z=-2.197，P＜0.05；b表示Z=-2.380，P＜0.05

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對于肺部腫瘤患者，病人在治療過程中存在呼吸運動，因此臨床中采用了一系列方法降低呼吸運動產(chǎn)生的影響，如運動環(huán)繞技術(shù)、呼吸門控技術(shù)、呼吸抑制技術(shù)等。最小子野寬度的不同導致計劃優(yōu)化得到的機器跳數(shù)和控制點數(shù)不同，機器跳數(shù)越大，實際放療中出束時間就會延長，控制點越多，加速器在非出束狀態(tài)下多葉光柵運動時間也會延長，這都增加了單次治療中患者位移的幾率以及靶區(qū)劑量的不確定性［9-10］。對存在呼吸運動的器官，時間的延長有可能造成病人在放療過程中的移動或因呼吸導致的腫瘤運動，進而導致照射劑量的偏差，而治療時間的縮短則會減少呼吸運動對放療劑量的影響。若在優(yōu)化過程中適當?shù)卦龃笞钚∽右皩挾?，則會減少機器跳數(shù)和控制點數(shù)量，同時將減少治療時間并增加患者的舒適度，特別是對于采用呼吸系統(tǒng)進行管理的患者，放療時間的縮短會增大治療的效果。

Younge 等［11］通過孔徑規(guī)則化減少機器跳數(shù)，使動態(tài)移動中所需的葉片運動最小化，從而縮短治療時間。同時，機器跳數(shù)的明顯減少，進一步降低了加速器輻射頭內(nèi)的散射線數(shù)量，理論上降低了二次致癌的概率［12］。VMAT 計劃設計的可調(diào)因素較多，如優(yōu)化限制條件設置、優(yōu)化權(quán)重設置和優(yōu)化過程控制等多個因素［12-14］，即計劃設計過程相對復雜。通常，在調(diào)強治療計劃中，由計劃系統(tǒng)產(chǎn)生的強度分布被轉(zhuǎn)換成葉片的軌跡，以達到期望的劑量分布，進而產(chǎn)生任意形狀的二維非均勻平面。有研究者提出平滑程序、直接孔徑優(yōu)化等，以減少治療計劃中的光束復雜性和復雜的優(yōu)化模式［15］。之前的研究表明，降低治療實施的機器跳數(shù)會降低葉片軌跡的約束因子、調(diào)節(jié)放射治療計劃的復雜性和治療時間［16-19］。因此，隨著最小子野寬度值的增加，VMAT計劃的復雜性逐漸降低，治療效率也可以有所提高。

雖然機器跳數(shù)和控制點數(shù)量的降低提高了治療效率［11］，但是臨床醫(yī)生及物理師進行放療計劃的評估批準時不能僅僅只參考劑量體積直方圖曲線，因為其僅能反映劑量與體積的數(shù)量關(guān)系，缺乏劑量的空間分布信息；也不能追求治療效率而犧牲靶區(qū)劑量分布。評估計劃還是要綜合考慮劑量的整體分布和治療效率之間的獲益關(guān)系。筆者認為設計肺部腫瘤的VMAT 計劃時，最小子野寬度設置為1.0 cm 相對比較合理，既保證靶區(qū)和危及器官的所受劑量滿足臨床要求，同時又能相對提高治療效率。Wang等［20］報道VMAT 中最小子野寬度對宮頸癌患者的影響，得到了與本研究相似的結(jié)果。

綜上所述，對于Monaco 計劃系統(tǒng)設計肺癌VMAT計劃時，最小子野寬度設為1.0 cm相對較為合理，不僅能保證計劃的整體質(zhì)量還能減少治療時間提高治療效率，同時也提高了接受運動管理系統(tǒng)治療的患者舒適度。