聯(lián)影可旋轉(zhuǎn)540°機架直線加速器在容積調(diào)強放療計劃中的效率優(yōu)勢分析

張樓正，許 青，胡偉剛，鐘 陽，翟 鵬

復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放射治療中心，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海200032

放療是惡性腫瘤的主要治療手段［1-2］。放療的最終目的是腫瘤靶區(qū)接受到足夠的處方劑量，同時使腫瘤周圍的危及器官接受盡可能小的劑量，保護周圍正常組織［3］。由于從單個方向照射靶區(qū)存在局限性，并不能達到這種效果，所以在放療時，需旋轉(zhuǎn)機架，從不同方向照射到靶區(qū)，提高腫瘤控制率，減少正常組織并發(fā)癥，同時增加靶區(qū)劑量的均勻性［4］。隨著放療技術(shù)的日益發(fā)展，容積弧形旋轉(zhuǎn)調(diào)強放療（volumetric-modulated arc therapy，VMAT）作為一種成熟的三維適形調(diào)強放射治療技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的臨床應(yīng)用［5-6］。其主要特性是在相對較短的時間內(nèi)，進行單弧或多弧旋轉(zhuǎn)照射，在機架旋轉(zhuǎn)出束的同時，調(diào)整葉光柵的位置、射束劑量率、機架旋轉(zhuǎn)速度，以改變劑量強度分布，使靶區(qū)劑量高度適形。VMAT與傳統(tǒng)的固定野調(diào)強放療相比，可以改善靶區(qū)劑量覆蓋和靶區(qū)劑量均勻性，減少危及器官的高劑量體積［7-11］。由于傳統(tǒng)加速器在治療時，機架旋轉(zhuǎn)具有無法跨過180°的限制，在治療脊柱骨轉(zhuǎn)移、頭顱下方的腦轉(zhuǎn)移灶時，在弧的選擇上具有局限性。以脊柱轉(zhuǎn)移患者計劃為例，若采用滿?。C架起始角度為181°或179°）照射，即機架順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)360°，靶區(qū)雖然能達到比較好的劑量分布，但勢必擴大對正常組織的照射范圍。而理論的最佳布野區(qū)間應(yīng)是順時針120°～240°，由于傳統(tǒng)加速器在治療時，機架無法跨過180°，因此實際計劃設(shè)計弧則需要采取拼接，即179°～120°加上240°～181°的兩段弧治療方式（圖1A）。因此，機架需要空轉(zhuǎn)走到指定位置（圖中虛線），會導(dǎo)致總照射時間延長，增加患者在照射過程中的擺位誤差，對于一些距離身體中心較遠腫瘤，機架在空轉(zhuǎn)走位過程中還存在碰撞患者或治療床的風(fēng)險［12-13］（圖1B）。

圖1 uRT-linac 506c機架單?。?20°～240°）轉(zhuǎn)動軌跡與傳統(tǒng)360°機架拼接?。?40°～181°、179°～120°）轉(zhuǎn)動軌跡對比Fig.1 The trajectory of uRT-linac 506c (a single arc 180° from 120° to 240°) and traditional 360° linac (two combined arcs from 240° to 181° and 179° to 120°)

本研究對比和分析上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司可逆序執(zhí)行（540°）直線加速器uRT-linac 506c［14］機架與傳統(tǒng)360°機架（不跨越180°）在容積調(diào)強計劃臨床執(zhí)行時的潛在優(yōu)勢。

1 資料和方法

1.1 主要設(shè)備和儀器

本研究選用可旋轉(zhuǎn)540° uRT-linac 506c加速器為研究對象，相對于傳統(tǒng)加速器的360°機械設(shè)計見圖2［15］，其機架設(shè)計有兩個特點：①機架可轉(zhuǎn)動540°，軌跡見圖2A所示；② 在VMAT治療過程中，機架可逆序執(zhí)行，即從計劃設(shè)計弧長的終點開始執(zhí)行。

圖2 uRT-linac 506c機架轉(zhuǎn)動軌跡（A）與傳統(tǒng)360°機架轉(zhuǎn)動軌跡（B）Fig.2 Rotation trajectory of uRT-linac 506c (A) and traditional 360° gantry (B)

1.2 方法

在臨床連續(xù)照射多個容積調(diào)強的患者時，單個患者總治療時間為Tt：

Tt=出束時間（TR）+空轉(zhuǎn)時間（TM）+復(fù)位時間（TS）

出束時間TR為治療中計劃設(shè)計弧長出束所用的時間；空轉(zhuǎn)時間TM為計劃執(zhí)行過程中機架從上段弧結(jié)束位置移動到下段弧起始點空轉(zhuǎn)時間；復(fù)位時間Ts為治療結(jié)束機架運動到0°為下一例患者治療做準備所需要的時間，其中TR是只與計劃設(shè)計相關(guān)的參數(shù)。為了分析540°聯(lián)影加速器與傳統(tǒng)加速器的臨床執(zhí)行效率，本研究從TM和TS兩個方面進行討論和分析，通過軌跡模擬軟件，采用double S velocity模型描述轉(zhuǎn)動軌跡，測量每個計劃的執(zhí)行時間，進行效率模擬分析。

1.2.1 考慮復(fù)位的時間效率模擬

臨床VMAT計劃弧長一般>60°，因此選取60°、90°、120°、180°、270°和滿弧6種弧長，有放回隨機挑選生成100個計劃。起始角度為任意位置，其中uRT-linac 506c加速器進行下一個模擬開始的角度為最近的弧起點或終點（可逆序執(zhí)行），而傳統(tǒng)加速器移動到最近的弧起始點。對于滿弧計劃（360°?。?，uRT-linac 506c加速器設(shè)置的起始角度為0°，而傳統(tǒng)加速器的起始角度為180°。在臨床連續(xù)照射多個容積調(diào)強患者時，必須將復(fù)位的時間考慮進來，即每例患者治療完成后，機架均需復(fù)位到0°。按照圖2描述的加速器運動軌跡特點，將100個計劃分別生成A（UIH）和B（傳統(tǒng)加速器）兩組：A組（540°機架）弧長計劃可跨越180°（如291°～69°逆時針）；B組（360°機架）為兩段位于180°兩側(cè)的拼接弧、且總弧長等于A組（如69°～180°順時針和180°～291°順時針）。臨床計劃也考慮雙?。ㄒ缘谝欢位〉慕K點為起點反向回到起點）的情況。假設(shè)100個計劃中雙弧的比例為m。進行1 000次模擬比較A和B兩組計劃執(zhí)行效率。

1.2.2 臨床跨180°病例效率模擬

最后選取2019年5月1日—2020年5月1日在復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院放療中心治療的10例患者進行效率模擬，進一步分析實際臨床執(zhí)行效率。10例病例均采用最具代表性的跨越180°臨床治療計劃：包含3例腫瘤脊柱轉(zhuǎn)移患者，4例脊柱附近肺癌轉(zhuǎn)移患者，3例腦腫瘤轉(zhuǎn)移患者。每例患者利用uRT-linac 506c uRT-TPOIS計劃系統(tǒng)（版本R001）的U-arc技術(shù)按機架轉(zhuǎn)動軌跡的不同以及最優(yōu)原則布野。

同樣分為A、B兩組，計劃除弧的設(shè)計外，其余參數(shù)如優(yōu)化目標函數(shù)、子野數(shù)、子野面積等均相同。實際臨床計劃中也會有滿弧的計劃，因此將滿弧計劃的情況也考慮進來。假設(shè)滿弧計劃比例為n，從本研究的10例患者中有放回的隨機挑取100×(1-n)個計劃，剩余為滿弧計劃，100個計劃治療順序隨機，比較A和B組計劃的總照射時間，進行進一步540°機架臨床執(zhí)行效率分析。

2 結(jié)果

2.1 復(fù)位時間效率分析

考慮每例患者治療完成后，都要機架復(fù)位到0°，通過對100個6種弧長和不同雙弧比例的計劃進行1 000次模擬。在治療多例患者時，考慮復(fù)位，節(jié)省的空轉(zhuǎn)時間與雙弧計劃比例成正比，若均為雙弧計劃，節(jié)省時間最大，UIH機架設(shè)計空轉(zhuǎn)時間比為0.61±0.04，節(jié)省約32 min（表1）。

表1 不同比例雙弧計劃1000次模擬的空轉(zhuǎn)時間比值Tab.1 The idling time ratio of 1000 simulations for different proportions of dual arc plans

2.2 臨床跨180°計劃執(zhí)行效率分析

將選取的10例患者的方案A和B的執(zhí)行時間進行統(tǒng)計。結(jié)果顯示，僅考慮出束時間，計劃A和計劃B照射差異非常?。ū?）。計劃B和計劃A執(zhí)行時間的差異主要來自機器空轉(zhuǎn)的時間，空轉(zhuǎn)時間占計劃出束時間的10.0%～50.0%（圖3）。

圖3 臨床10例跨180°病例計劃設(shè)計方案A和B時間對比Fig.3 Time comparison between group A and B of 10 clinical cases

表2 臨床10例跨180°病例計劃機架軌跡、時間及跳數(shù)統(tǒng)計Tab.2 The statistics of trajectory,time and MU for 10 clinical cases

在考慮復(fù)位的情況下，通過對100個不同滿弧比例的跨180°計劃進行1 000次模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在治療多例患者時，考慮復(fù)位，節(jié)省的空轉(zhuǎn)時間與滿弧計劃占比成正比，若均為滿弧計劃時，節(jié)省時間達到最大值，UIH機架設(shè)計空轉(zhuǎn)時間比約為0.05±0.00，節(jié)省約85 min。若均為本研究特定終止位置計劃，節(jié)省時間為最小值，UIH機架設(shè)計空轉(zhuǎn)時間比為0.49±0.02，節(jié)省約43 min（表3）。

表3 不同比例滿弧計劃1 000次模擬的空轉(zhuǎn)時間比值Tab.3 The idling time ratio of 1 000 simulations for different proportions of full arc plans

本研究分析了A組和B組的劑量分布，發(fā)現(xiàn)10例患者劑量體積直方圖（dose-volume histogram，DVH）曲線的劑量學(xué)差異無統(tǒng)計學(xué)意義。本研究選取了偏離人體中心的立體定向放療（stereotactic body radiation therapy，SBRT）患者，為了避免碰撞，增加了一組不跨越180°的弧計劃。3種計劃設(shè)計方案劑量分布和DVH見圖4。結(jié)果顯示，在SBRT患者劑量分布上A組和B組差異無統(tǒng)計學(xué)意義。相比于C組，50%的劑量線跌落更為均勻，有明顯的優(yōu)勢，能更好地滿足臨床要求。

圖4 三種計劃設(shè)計方案劑量分布Fig.4 Dose distribution of 3 different plans and DVH

3 討 論

VMAT是調(diào)強放療技術(shù)的實現(xiàn)方式之一，與三維適形以及靜態(tài)調(diào)強放療技術(shù)相比，VMAT技術(shù)具有更少的跳數(shù)、更好的靶區(qū)適形度及更短的治療時間［16-17］。傳統(tǒng)加速器受限于機架無法跨過180°的機械設(shè)計，使得背側(cè)腫瘤設(shè)計照射弧時有局限，通常需要采取拼接形式，執(zhí)行時機架需要空轉(zhuǎn)走位到指定位置，使得總照射時間顯著延長。本研究采用double S velocity模型，模擬出uRT-linac 506c加速器540°機架的旋轉(zhuǎn)軌跡，分析對比與傳統(tǒng)360°機架設(shè)計的加速器在容積調(diào)強放療中的效率及潛在優(yōu)勢。

通過模擬結(jié)果可知，連續(xù)治療患者的總時間與出束時間無關(guān)，主要與空轉(zhuǎn)時間和復(fù)位時間有關(guān)?？紤]復(fù)位，空轉(zhuǎn)時間與雙弧計劃比例成正比，節(jié)省時間最大值為全雙弧計劃，空轉(zhuǎn)時間比約為0.61，節(jié)省約32 min。540°機架的設(shè)計更多地體現(xiàn)在跨180°計劃的臨床應(yīng)用上，優(yōu)勢更為明顯體現(xiàn)于全滿弧計劃，其執(zhí)行時間可縮短約85 min。

因為考慮復(fù)位，540°機架復(fù)位時間相對于傳統(tǒng)加速器復(fù)位時間減少。以滿弧患者為例，若不考慮復(fù)位，上一例滿弧計劃患者的終止角度可與下一例滿弧計劃患者的起始角度無縫連接。360°機架則沒有此優(yōu)勢，每例患者治療完成后，機架均需復(fù)位到0°，由此機架從上一例滿弧計劃患者的終止角度空轉(zhuǎn)至0°復(fù)位，復(fù)位完畢后機架又空轉(zhuǎn)至下一例滿弧計劃患者的起始角度，因此兩滿弧計劃患者交替時，機架空轉(zhuǎn)了360°。但是540°機架滿弧患者計劃可設(shè)計為0°～360°，即使考慮復(fù)位，機架也不需要空轉(zhuǎn)，計劃執(zhí)行時間等于出束時間，效率大幅提高。

本研究選取了偏離人體中心的SBRT病例，為了避免碰撞，增加了一組不跨越180°的弧計劃。結(jié)果顯示，在SBRT患者劑量分布上A組和B組差異無統(tǒng)計學(xué)意義。相比于C組，50%的劑量線跌落更為均勻，有明顯的優(yōu)勢，能更好地滿足臨床需求。因此，540°機架對于單弧偏離人體中心或不規(guī)則的靶區(qū)，劑量分布強度調(diào)節(jié)能力有限，但能形成較好的靶區(qū)劑量分布，提高照射野形狀的合理性和射線的利用率，改善靶區(qū)劑量分布。

本研究也存在一定的不足，在對540°機架直線加速器的臨床效率進行評估時，只選取6種弧長進行模擬，沒有進行任意弧長模擬，因為考慮實際情況計劃弧長一般>60，且不是隨機的。此外，uRT-linac 506c加速器在進行CBCT擺位驗證時，是否也具有時間效率未知，有待于進一步對患者CBCT的臨床時間效率進行研究。綜上所述，540°機架直線加速器在執(zhí)行VMAT計劃時，特別是對偏離人體中心的計劃，在滿足臨床劑量分布的同時，可以節(jié)省機架空轉(zhuǎn)時間和復(fù)位時間，提高治療效率，并且能有效地避免機架和患者碰撞的風(fēng)險。