新型“環(huán)形”機(jī)架加速器在宮頸癌術(shù)后盆腔放療的臨床應(yīng)用研究

楊波，汪之群，李文博，王憶君，張新，吳柱鳳，周宗凱，胡克，張福泉，邱杰

1. 北京協(xié)和醫(yī)院 放療科，北京 100730；2. 瓦里安醫(yī)療設(shè)備（中國(guó)）有限公司，北京 100176

引言

放射治療在宮頸癌綜合治療中扮演著重要的角色[1-3]，近年來(lái)隨著放療設(shè)備、治療技術(shù)的推陳出新，腫瘤患者的局控率及生存率不斷提高，正常組織并發(fā)癥概率逐步降低。Portelance等[4]研究發(fā)現(xiàn)，與3D-CRT技術(shù)相比，采用固定野調(diào)強(qiáng)放療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT），高劑量區(qū)域的受照體積減少3～10倍。Isohashi等[5]研究結(jié)果表明，IMRT技術(shù)危及器官受量及毒副反應(yīng)均明顯降低。

瓦里安Halcyon 1.0“環(huán)形”直線加速器是基于Truebeam平臺(tái)全新研發(fā)的一款機(jī)型，射線能量為6 MV-FFF模式，劑量率800 MU/min，多葉準(zhǔn)直器采用雙側(cè)模式，最大射野28 cm×28 cm，最快運(yùn)動(dòng)速度5 cm/s，治療計(jì)劃系統(tǒng)采用預(yù)裝數(shù)據(jù)模式，采用全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。該加速器兼有常規(guī)“C”型加速器、CT機(jī)及螺旋斷層加速器的特點(diǎn)，具有安裝調(diào)試速度快、治療快速精確、圖像引導(dǎo)高度集成及操作流程智能化等優(yōu)點(diǎn)，適用于開(kāi)展多種技術(shù)，治療全身大部分部位的腫瘤[6-8]。

該機(jī)型自2017年商業(yè)化以來(lái)，已在大部分病種進(jìn)行了研究，主要研究聚焦于頭頸腫瘤、乳腺癌、前列腺癌及腦轉(zhuǎn)移瘤等病種[9-14]。而針對(duì)婦科腫瘤的研究確很少涉及，尤其是針對(duì)Halcyon加速器治療中低穿射、每次圖像引導(dǎo)、快速治療、margin外放等特點(diǎn)。

本研究使用瓦里安Halcyon直線加速器對(duì)宮頸癌術(shù)后患者進(jìn)行規(guī)范化治療，并對(duì)劑量分布、調(diào)強(qiáng)驗(yàn)證、擺位誤差、穿射劑量等結(jié)果進(jìn)行分析，為宮頸癌術(shù)后患者精確放射治療提供質(zhì)量保證。

1 材料與方法

1.1 材料

隨機(jī)選擇2019年8月至2020年3月間本院28例宮頸癌術(shù)后患者，國(guó)際婦產(chǎn)科聯(lián)盟分期為ⅠB～ⅡA期、術(shù)后病理結(jié)果證實(shí)為中-低分化鱗癌、有中危因素需接受術(shù)后盆腔放療的患者?；颊吣挲g為37～66歲，中位年齡50歲；計(jì)劃靶區(qū)體積為952.5～646.1 cm3，平均體積1277.2 cm3。

1.2 方法

1.2.1 模擬定位

定位前2 h，排空直腸、膀胱，口服60%的泛影葡胺（500 mL水稀釋?zhuān)?0 mL。患者取仰臥位，熱塑體膜固定，靜脈增強(qiáng)造影，使用Philips Briliance 16排大孔徑CT模擬定位機(jī)采集圖像。采集范圍從L1椎體到恥骨聯(lián)合下5 cm，掃描層厚0.5 cm。

1.2.2 靶區(qū)及危及器官勾畫(huà)

首先傳輸CT圖像至Manteia AccuContour系統(tǒng)進(jìn)行靶區(qū)及危及器官自動(dòng)勾畫(huà)，然后再回傳至Varian Eclipse 15.5計(jì)劃系統(tǒng)，基于RTOG 0418對(duì)靶區(qū)進(jìn)行修改確認(rèn)。臨床靶區(qū)（Clinical Target Volume，CTV）前后、左右方向外放0.6 cm，頭腳方向外放0.8 cm形成計(jì)劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）。危及器官包括膀胱、直腸、小腸、骨髓、馬尾神經(jīng)、股骨頭。

1.2.3 處方劑量和計(jì)劃設(shè)計(jì)

PTV處方劑量（Prescribed Dose，PD）45 Gy/25次、1.8 Gy/次。要求PD至少包繞95%的PTV，平均劑量Dmean＜104% PD，最大劑量D2%＜107% PD，最小劑量D98%＞9 8% P D。危及器官劑量限值：膀胱D40%≤40 Gy，直腸D40%≤40 Gy，小腸D40%≤30 Gy，骨髓D90%≤18 Gy，馬尾神經(jīng)D0.1 cc≤25 Gy，股骨頭D5%≤40 Gy。所有計(jì)劃設(shè)計(jì)均采用容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volume-Modulated Arc Radiotherapy，VMAT）技術(shù)，3～4個(gè)全弧照射，準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)±45°，射線能量6 X-FFF，最大劑量率800 MU/min。

1.2.4 計(jì)劃評(píng)估

使用劑量體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）評(píng)估靶區(qū)和危及器官的劑量分布，PTV評(píng)估參數(shù)包括：最大劑量D2%、最小劑量D98%、平均劑量Dmean、靶區(qū)的均勻性指數(shù)（Homogeneity index，HI）、適形度指數(shù)（Conformity Index，CI）及劑量跌落指數(shù)（Gradient Index，GI）。HI 定義為D2%～D98%/ D50%。將CF 定義為PTV接受處方劑量的體積與PTV體積之比，SF定義為接受處方劑量的PTV體積與接受處方劑量的全身體積之比，故CI 按以下公式計(jì)算：CI=CF×SF。GI定義為V50%PD/PTV的比值。危及器官評(píng)估參數(shù)包括：膀胱、直腸、小腸、骨髓的V20、V30、V40及Dmean和小腸D2cc；股骨頭D5%；馬尾神經(jīng)D0.1cc；Body的V5及 Dmean。

1.2.5 治療計(jì)劃獨(dú)立核查

傳輸確認(rèn)后的計(jì)劃至Mobius二次獨(dú)立核查驗(yàn)證系統(tǒng)，使用collapsed cone convolution/superposition算法對(duì)計(jì)劃重新進(jìn)行劑量計(jì)算，比較、分析不同系統(tǒng)算法三維方向的劑量差異，評(píng)估采用3%/3 mm，閾值10%的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.6 患者計(jì)劃質(zhì)量保證

將患者計(jì)劃分別移植于固體水、Arccheck和電子射野影像系統(tǒng)（Electronic Portal Imaging Device，EPID）進(jìn)行點(diǎn)劑量和面劑量驗(yàn)證，結(jié)果分析分別采用Arccheck（2%/2 mm、3%/3 mm，閾值10%），Portal Dosimetry（2%/2 mm，閾值10%）的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.7 圖像引導(dǎo)及劑量傳輸

患者每次治療前，均行MV-CBCT圖像引導(dǎo)，圖像采集后自動(dòng)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，人工確認(rèn)后計(jì)算空間三個(gè)位移大小，左右LAT、前后VRT、頭腳LNG。同時(shí)記錄射野數(shù)量、MU數(shù)量和出束時(shí)間。

1.2.8 穿射劑量一致性分析

患者治療中，EPID接受每個(gè)治療射野的穿射劑量，設(shè)定第一次治療的穿射劑量為基準(zhǔn)值，后續(xù)單野及合成野穿射劑量與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，分析其因體重變化、器官充盈等因素引入的誤差。分析、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)采用2%/2 mm，閾值10%的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

所有DVH數(shù)據(jù)使用描述性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（平均值、中位值、范圍），數(shù)據(jù)使用MATLAB R2018a統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析。

2 結(jié)果

28例宮頸癌術(shù)后患者治療計(jì)劃均滿足臨床治療標(biāo)準(zhǔn)，共有700個(gè)分次治療，其中28例計(jì)劃中射野數(shù)量4ARC共10例，占35.7%，MU平均值為813.950，治療時(shí)間平均值為132 s；3ARC共18例，占64.3%，MU平均值為750.478，治療時(shí)間平均值為89 s。

2.1 靶區(qū)劑量評(píng)估

靶區(qū)平均DVH、劑量參數(shù)分別如圖1和表1所示，最大劑量、最小劑量及平均劑量的平均值分別為47.472 Gy（105.493% PD）、44.630 Gy（99.179% PD）、46.287 Gy（102.861% PD），CI、GI及 HI的平均值分別為 0.992、3.911、1.064，所有患者靶區(qū)劑量結(jié)果均滿足處方劑量要求。

表1 靶區(qū)劑量參數(shù)

圖1 靶區(qū)及危及器官最大、最小及平均劑量體積直方圖

2.2 危及器官劑量評(píng)估

危及器官平均DVH、劑量參數(shù)分別如圖1和表2所示，膀胱、直腸V40，小腸V30的體積平均值分別為16.533%、23.318%和11.536%，遠(yuǎn)低于劑量限值40%的標(biāo)準(zhǔn)。股骨頭-左和股骨頭-右D5%的平均值分別為33.811 Gy、33.928 Gy，均低于劑量限值40 Gy的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 危及器官劑量參數(shù)

2.3 治療計(jì)劃獨(dú)立核查結(jié)果

28例患者計(jì)劃Mobius 3D獨(dú)立核查結(jié)果如圖2所示，3D γ平均通過(guò)率為99.386%，通過(guò)率范圍為98.4%～99.8%。其中通過(guò)率為98%～99%的3例，占比10.71%；99%～100%的25例，占比89.29%。

圖2 治療計(jì)劃獨(dú)立核查結(jié)果

2.4 計(jì)劃驗(yàn)證結(jié)果

患者計(jì)劃面劑量驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，EPID Portal Dosimetry面劑量2%/2 mm 3D γ通過(guò)率范圍為94.2%～99.8%，平均值為97.120%。Arccheck 面劑量2%/2 mm、3%/3 mm的3D γ通過(guò)率范圍和平均值分別為89.1%～99.4%、97.2%～99.9%；95.560%、99.180%。點(diǎn)劑量偏差結(jié)果范圍為-1.637%±0.863%，平均值為-0.117%。

圖3 治療計(jì)劃面劑量驗(yàn)證結(jié)果

2.5 圖像引導(dǎo)結(jié)果

28例患者，共700個(gè)分次的圖像引導(dǎo)被執(zhí)行，擺位誤差如圖4所示。VRT、LNG、LAT的平均值分別為0.140、0.294、0.200 cm；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.116、0.253和0.159。若采用Stroom的2∑+0.7σ公式計(jì)算Margin的大小，其三維方向的大小分別為AP：0.3 cm、SI：0.8 cm、LR：0.5 cm。

圖4 患者擺位誤差

2.6 穿射劑量結(jié)果

28例患者合成野穿射劑量一致性結(jié)果如圖5所示，采用2%/2 mm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一致性檢測(cè)，所有結(jié)果范圍為81.6%～100%，平均值為97.308%。一致性結(jié)果在80%～85%、85%～90%、90%～95%、95%～100%的比例分別為0.45%、3.72%、12.50%、83.33%。

圖5 合成野穿射劑量一致性結(jié)果

3 討論

針對(duì)宮頸癌這種形狀變化較大的靶區(qū)，Halcyon 1.0加速器能獲得等同于或優(yōu)于常規(guī)“C”型加速器的復(fù)雜劑量分布，劑量要求滿足臨床治療標(biāo)準(zhǔn)。與Li等[15]采用的FFIMRT技術(shù)相比，本研究采用VMAT技術(shù)，GI、CI和HI均有不同程度的提升，而危及器官受量進(jìn)一步降低。這與楊波等[16]關(guān)于FF-IMRT和VMAT技術(shù)研究是一致的。VMAT技術(shù)多角度入射以及照射弧數(shù)量的增加勢(shì)必提升靶區(qū)劑量指數(shù)，而Halcyon 0.47%的穿射因子進(jìn)一步降低了危及器官的中低劑量區(qū)域的劑量[7]。

治療速度快是Halcyon 1.0加速器區(qū)別與常規(guī)“C”型加速器的一大特點(diǎn)，800 MU/min的劑量率、2圈/min的機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度、5 cm/s的MLC運(yùn)動(dòng)速度使得4ARC治療平均時(shí)間僅為132 s，與常規(guī)“C”型加速器2ARC平均時(shí)間150 s、9F IMRT平均時(shí)間768 s相比，治療時(shí)間明顯縮短，降低了患者內(nèi)部器官運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤照射的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)進(jìn)一步提高了患者治療的舒適度[7-8]。

Halcyon 1.0加速器治療計(jì)劃設(shè)計(jì)的兩個(gè)限制是最大照射野28 cm×28 cm和1 cm的葉片寬度。長(zhǎng)度超過(guò)28 cm的長(zhǎng)靶區(qū)對(duì)Halcyon 1.0加速器來(lái)講，使用一個(gè)等中心點(diǎn)是無(wú)法完成計(jì)劃設(shè)計(jì)的，目前的解決方案一般采用“baseplan”方案，但是該方案費(fèi)時(shí)費(fèi)力、靈活性差。若升級(jí)到Halcyon 2.0版本，該問(wèn)題可以使用一個(gè)計(jì)劃兩個(gè)等中心點(diǎn)同時(shí)優(yōu)化完成，治療總長(zhǎng)度可以達(dá)36 cm。葉片寬度對(duì)計(jì)劃質(zhì)量也是有一定的影響的，Wang等[17]研究表明，采用0.4 cm的葉片，靶區(qū)覆蓋度和均一性比1 cm的葉片有較大的提升。為解決Halcyon 1.0加速器葉片較寬的問(wèn)題，我們一般在計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器±45°來(lái)提高葉片的分辨率，但是需要通過(guò)增加照射野和MU的數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)償。

Halcyon 1.0加速器每次治療患者前，MV級(jí)圖像引導(dǎo)是強(qiáng)制性的，一般采用“High Quality”模式，與傳統(tǒng)的加速器相比，MV級(jí)圖像將會(huì)對(duì)正常組織引入額外的劑量，但是，計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)，Eclipse系統(tǒng)會(huì)考慮MV級(jí)圖像的劑量貢獻(xiàn)，保證劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性。Li等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在胸部模體中，“High Quality”模式條件下，不同位置的劑量范圍為6.51～8.45 cGy，而劑量偏差小于0.5%的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于MV級(jí)圖像較低分辨率和額外圖像引導(dǎo)劑量的問(wèn)題，也會(huì)隨Halcyon 2.0系統(tǒng)的KV-CBCT和ICBCT的出現(xiàn)得到很好的解決。

在Halcyon 1.0加速器使用的初期，對(duì)每一例患者計(jì)劃分別使用固體水、Arccheck和EPID進(jìn)行點(diǎn)劑量和面劑量驗(yàn)證。點(diǎn)劑量偏差采用3%的標(biāo)準(zhǔn)，使用CC13電離室進(jìn)行測(cè)量；面劑量采用全局歸一、3%/3 mm和2%/2 mm的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析、評(píng)估。對(duì)Arccheck采用合成野分析，而EPID采用單野分析。針對(duì)合成野和單野分析、評(píng)估的問(wèn)題，AAPM TG 218報(bào)告推薦[19]，采用合成野分析更能模擬真實(shí)的傳輸狀態(tài)，而采用單野分析更容易發(fā)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制的射野的一些隱藏錯(cuò)誤，所以建議調(diào)強(qiáng)初期需對(duì)合成野和單野一起分析。另外，基于EPID的患者計(jì)劃驗(yàn)證是非常方便的，越來(lái)越被一線的物理師和相關(guān)組織所接受，但是其可靠性和穩(wěn)定性通過(guò)需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

Mobius治療計(jì)劃獨(dú)立核查軟件在該文中主要用于核對(duì)同一計(jì)劃不同計(jì)算模式下的三維劑量差異以及計(jì)劃系統(tǒng)的系統(tǒng)錯(cuò)誤，進(jìn)一步提高計(jì)劃的安全性和治療過(guò)程中的準(zhǔn)確性。但是治療過(guò)程中Log文件及CBCT圖像的分析沒(méi)有涉及，這也是將來(lái)患者自動(dòng)質(zhì)控發(fā)展的方向。目前已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道[20-21]，基于治療計(jì)劃獨(dú)立核查軟件、Log文件及特定模體來(lái)替代患者計(jì)劃的質(zhì)控。與常規(guī)計(jì)劃系統(tǒng)相比，無(wú)論建模的數(shù)據(jù)量還是系統(tǒng)算法，獨(dú)立核查軟件均稍顯平庸，有待于進(jìn)一步完善。

Halcyon加速器的EPID不僅能應(yīng)用于患者圖像的采集和配準(zhǔn)，也可以用于Portal Dosimetry患者計(jì)劃驗(yàn)證及治療過(guò)程中穿射劑量的收集及比對(duì)。分次間穿射劑量的一致性可以反應(yīng)治療過(guò)程中體重變化、位置變化及器官充盈等因素帶來(lái)的劑量差異，這方面Nailon等[22]也就常規(guī)“C”型加速器做了相關(guān)的報(bào)道。但是目前該技術(shù)還有一些技術(shù)缺陷需要解決，比如只能把第一分次的穿射劑量作為基準(zhǔn)值，而不能通過(guò)計(jì)劃系統(tǒng)計(jì)算穿過(guò)人體后預(yù)期的劑量分布；另外就是所得到的穿射劑量不能反算至體內(nèi)，得到實(shí)際患者體內(nèi)每次的劑量分布，為后續(xù)的自適應(yīng)放療做準(zhǔn)備。

本文針對(duì)靶區(qū)及危及器官劑量分布、計(jì)劃獨(dú)立核查、患者治療計(jì)劃治療控制、圖像引導(dǎo)及穿射劑量進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究表明，Halcyon 1.0新型“環(huán)形”機(jī)架加速器在宮頸癌術(shù)后盆腔放療中能獲得較優(yōu)的劑量分布和較快的執(zhí)行效率，基于EPID的分次間劑量檢測(cè)能有效發(fā)現(xiàn)治療過(guò)程中體重及內(nèi)部器官的變化。由于目前Halcyon還處于1.0的版本，其圖像質(zhì)量、圖像劑量、長(zhǎng)靶區(qū)治療均是困擾臨床治療的難點(diǎn)，希望在后續(xù)的2.0版本中逐漸解決。

自適應(yīng)放療是婦科腫瘤發(fā)展的終極目標(biāo)，Enthos加速器是Halcyon加速器的后續(xù)研發(fā)版本，聚力于自適應(yīng)臨床應(yīng)用，采用該技術(shù)能夠降低調(diào)強(qiáng)放療中擺位誤差、腫瘤退縮、器官運(yùn)動(dòng)等因素的影響，提高治療的準(zhǔn)確性與精確性。