Monaco計劃系統(tǒng)不同通量平滑方式對直腸癌術(shù)后容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療計劃影響的分析

葛 雙，王 尋，郗會珍，馬 俊，葉書成,陳長建，陳其超，馬守印，徐 寧

(1.濟寧醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，山東 濟寧 272001 2.山東省濟寧市腫瘤醫(yī)院放療科，山東 濟寧 272007)

直腸癌是我國發(fā)病率前10位的惡性腫瘤之一，也是常見的盆腔部位腫瘤[1]，嚴重威脅人們生命健康。由于直腸癌發(fā)病部位特殊，腫瘤體積較大，單純手術(shù)治療，局部復(fù)發(fā)率高，需聯(lián)合放射治療行全盆腔輔助照射[2]。直腸癌放射治療需考慮其解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，腫瘤位置較低，形狀不規(guī)則，周圍緊鄰膀胱、腸道和股骨頭，為降低危及器官(OAR)并發(fā)癥的發(fā)生率，對靶區(qū)適形性和均勻性有更高的要求。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(VMAT)技術(shù)相對傳統(tǒng)的固定機架調(diào)強放射治療(IMRT)技術(shù)有更多的調(diào)制因素，機架旋轉(zhuǎn)的同時，可實時調(diào)節(jié)MLC葉片、機架旋轉(zhuǎn)速度以及劑量率的大小，實現(xiàn)輻射束的多維度調(diào)節(jié)，在獲得更好靶區(qū)適形度，降低OAR受照劑量的同時，還能有效減少機器跳數(shù)(MU)和治療時間，提高計劃執(zhí)行效率[3,4]，在直腸癌術(shù)后放射治療中擁有明顯優(yōu)勢。蒙特卡羅(MC)算法是均勻物質(zhì)或非均勻物質(zhì)進行劑量計算最精確的劑量算法[5]。Monaco計劃系統(tǒng)(treatment planning system，TPS)的劑量算法采用的是快速蒙特卡羅(XVMC)算法，優(yōu)化算法包括物理約束函數(shù)和生物約束函數(shù)[6]。在VMAT計劃設(shè)計方面，許多研究者[7～9]針對Monaco TPS提供的多種優(yōu)化參數(shù)(比如不確定度、最小子野、Arc弧數(shù)等)做了大量的劑量學(xué)研究，但關(guān)于通量平滑方式對盆腔深部大體積腫瘤的劑量影響方面，還未有相關(guān)文獻參考。本文基于Monaco5.11計劃系統(tǒng)，研究FSH、FSM和FSL 3種不同通量平滑方式在直腸癌術(shù)后患者VMAT計劃設(shè)計中的劑量學(xué)差異、計劃驗證通過率和執(zhí)行效率，來綜合評估放射治療計劃質(zhì)量，為臨床提供參考。

1 材料與方法

1.1影像學(xué)資料:從2019年12月到2020年5月在我院放療中心接受過放射治療的直腸癌術(shù)后病例中隨機選取16例患者的影像學(xué)資料，其中女性10例，男性6例，年齡33～86歲(中位年齡59歲)，病理類型均為腺癌，病理分期ⅡA 4例、ⅡB 3例、ⅢA 2例、ⅢB 6例和ⅢC 1例，均行同步放化療。CT模擬定位1h前，患者排空腸道，飲水800～1000mL充盈膀胱；采取熱塑膜配合碳纖維束體架仰臥位固定；通過Brilliance大孔徑CT模擬定位機(荷蘭飛利浦公司)行強化CT掃描，層厚5mm，掃描范圍上界自膈頂水平，下界至股骨上中1/3段，采集的影像傳輸?shù)組onaco 5.11 TPS(瑞典醫(yī)科達公司)。

1.2靶區(qū)、OAR勾畫及劑量限值:由同1名經(jīng)驗豐富的腫瘤放療醫(yī)師對16例直腸癌患者行臨床靶區(qū)(clinicaltarget volume，CTV)和OAR的勾畫與確認。計劃靶區(qū)(planning target volume，PTV)由CTV左右、腹部方向外擴0.7～1cm，頭腳方向外擴1cm，體積大小為657.2～1463.8cm3(平均體積1201.3 cm3)。OAR包括腸道、膀胱、右側(cè)股骨頭和右側(cè)股骨頭，其臨床劑量限值要求為：腸道V30<190cm3，V40<150cm3；膀胱V40<50%；股骨頭V20<30%，D2%<5000cGy。

1.3VMAT計劃設(shè)計:靶區(qū)處方劑量為45Gy，分25次照射。采用Monaco5.11 TPS系統(tǒng)的MC算法及擁有80對AgilityTM多葉光柵(MLC)的VersaHD加速器模型對每個病例采用3種通量平滑方式(High，Medium和Low)分別設(shè)計3組單中心雙弧VMAT計劃，即FSH組、FSM組和FSL組。3組計劃均采用相同的劑量約束條件和物理優(yōu)化參數(shù)進行優(yōu)化和計算，結(jié)果以處方量滿足PTV95%的體積進行劑量歸一。其中物理優(yōu)化和計算的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 直腸癌VMAT計劃物理優(yōu)化和計算參數(shù)

1.4劑量學(xué)評估：通過劑量—體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)來評估靶區(qū)的適形指數(shù)(conformity index，CI)、均勻性指數(shù)(homogeneity index，HI)、劑量梯度(dose gradient index，GI)、劑量參數(shù)、MU、控制點數(shù)(CP)，以及腸道、膀胱、雙側(cè)股骨頭的各項劑量-體積參數(shù)(V5、V10、V20、V30和V40，表示xGy劑量覆蓋的體積)。CI=(VT,ref)2/(VT*Vref)，式中VT,ref為處方劑量線包括的靶區(qū)體積，T為靶區(qū)體積，Vref為處方劑量線包括的全部體積，0

1.5劑量驗證:劑量驗證均采用Matrixx(瑞典IBA公司)二維矩陣探測器在醫(yī)科達VersaHD加速器上測量。MatriXX探測器由1020個空腔電離室組成，相鄰探測中心的距離為0.76 cm，可探測面積為24cm×24 cm。為保證每次測量的一致性，排除設(shè)備因素的干擾，開始測量前需對Matrixx進行校準。采集到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)組yQA系統(tǒng)作二維平面γ通過率(gamma passing rate，GRP)的分析，分析標準分別為3mm/3%、2mm/2%和1mm/1%。測量時，記錄MOSAIQ出束時間為T/min。

2 結(jié) 果

2.1靶區(qū)劑量學(xué)參數(shù):三組計劃靶區(qū)的Dmean、D2%和HI等參數(shù)結(jié)果相近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，F(xiàn)SM的Dmin、Dmax和D98%較FSH增加2.58%、0.57%和0.30%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，F(xiàn)SL的Dmin和D98%較FSH增加2.84%和0.41%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；FSL的CI均較FSM和FSH增加2.20%和3.17%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，F(xiàn)SM略大于FSH，差異無有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，可見FSL靶區(qū)適形性要明顯好于FSM和FSH；而FSH的GI均較FSM和FSL增加2.0%和1.75%(P<0.05)，F(xiàn)SM與FSL接近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，可見FSL和FSM計劃的劑量梯度均好于FSH，更有利于靶區(qū)外OAR的保護，見表2。

表2 3種通量平滑方式靶區(qū)各項參數(shù)劑量結(jié)果

2.2OAR劑量學(xué)參數(shù):三組計劃腸道的各項劑量學(xué)參數(shù)相比差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。膀胱的Dmean和V30，滿足FSL0.05)，而FSL的Dmean和V20均低于FSH和FSM，分別為4.83%、3.88%、9.10%和8.22%(P<0.05)。左側(cè)股骨頭，F(xiàn)SL的V20較FSH降低7.40%，F(xiàn)SM的D2%較FSH降低2.29%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其他參數(shù)三者相近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表3。

表3 3種通量平滑方式OAR各項參數(shù)劑量結(jié)果

2.3計劃控制點數(shù)(CP)和機器跳數(shù)(MU):CP和MU均滿足FSH

圖1 3種通量平滑方式的VMAT計劃CP和MU比較結(jié)果圖

2.4劑量驗證通過率GRP和出束時間T:三組計劃的GRP在3%/3mm標準下均大于99%，滿足臨床要求，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；在1%/1mm和2%/2mm標準下，F(xiàn)SH和FSM的GRP是明顯高于FSL，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，而FSH和FSM相近，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，結(jié)果見表4。三組計劃出束時間(T)，滿足FSH

表4 3種通量平滑方式的VMAT計劃GRP和出束時間比較結(jié)果

3 討 論

容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強放射治療(VMAT)計劃在優(yōu)化時分為兩階段進行，第一階段是理想通量圖的優(yōu)化過程，主要是根據(jù)物理和生物約束函數(shù)，通過對射束子野分布和數(shù)量的不斷優(yōu)化，最終以筆形束(PB)算法計算劑量分布；第二階段是MLC排序器執(zhí)行子野形狀和權(quán)重的優(yōu)化，對于每個子野均采用Monto Carlo算法重新計算劑量分布，而通量平滑方式的改變，直接作用在于第一階段通量圖的優(yōu)化上[10]。本文基于Monaco 計劃系統(tǒng)提供的FSH、FSM和FSL 3種不同通量平滑方式，探究其在在直腸癌術(shù)后患者VMAT計劃設(shè)計中的劑量學(xué)差異，為臨床提供參考。

研究結(jié)果表明：雖然FSL在提高靶區(qū)均勻性方面，是略優(yōu)于FSM和FSH，但在靶區(qū)適形性上是明顯好于FSM和FSH(2.20%和3.17%)，并且FSL與FSM的GI，均優(yōu)于FSH組(1.75%和2.0%)，對靶區(qū)之外的OAR保護更有優(yōu)勢。FSL和FSM兩者在提高靶區(qū)的Dmin和D98%方面均有明顯優(yōu)勢，相比FSH可最大提高2.84%，因此FSL組的計劃質(zhì)量是依次好于FSM和FSH的。在直腸癌VMAT全弧形照射的同時，膀胱會不可避免地受到照射。Viswanathan AN[11]和Romano KD[12]等人的研究指出，膀胱毒副反應(yīng)的發(fā)生和嚴重程度是與膀胱受到照射的體積是高度相關(guān)的，結(jié)果顯示FSL組膀胱的Dmean、V30和V40相比FSM可最大降低3.76%，較FSH可最大降低7.01%，因此FSL方式能更有效的降低膀胱受照后的毒副反應(yīng)。在股骨頭保護方面，對右側(cè)股骨頭Dmean和V20，F(xiàn)SL較FSH與FSM可降低最大為9.10%；FSL和FSM兩者在保護左側(cè)股骨頭上，均略優(yōu)于FSH，因此FSL方式更有利于降低股骨頭毒副反應(yīng)，避免骨折等風(fēng)險的發(fā)生，F(xiàn)SM次之。在腸道受量方面，三者結(jié)果相近，均滿足臨床劑量限值的要求。分析其主要原因，F(xiàn)SL方式在為靶區(qū)外部獲得較快劑量跌落的同時，緊鄰靶區(qū)位置固定形狀規(guī)則的膀胱和股骨頭受照劑量和體積也必然會降低；而腸道分布彌散，體積不規(guī)則，因而優(yōu)勢不明顯。

FSH和FSM在降低CP、MU和出束時間T上有明顯優(yōu)勢，其中較FSL對CP降低15.93%和8.68%，對MU降低14.30%和8.33%，對T可減少13.39%和6.91%，因此在提高計劃執(zhí)行效率方面FSH和FSM是更有利的，這與吳凡[13]等人的研究一致。FSH、FSM和FSL 3組計劃的GRP在3%/3mm標準下均大于99%，均滿足臨床要求，但在1%/1mm和2%/2mm較高標準下，F(xiàn)SH和FSM的GRP相近，但均明顯高于FSL。因此，降低通量平滑方式，射野內(nèi)子野數(shù)量會增加，劑量分布也會越好，然而會造成控制點數(shù)增加，子野走位交換時間延長，增加出束時間。除此之外，降低通量平滑方式，也會增加小MU和小面積子野數(shù)量，也會降低較高標準1%/1mm和2%/2mm的GRP。綜上所述，直腸癌術(shù)后患者基于Monaco TPS系統(tǒng)3種通量平滑方式設(shè)計的VMAT計劃，劑量學(xué)參數(shù)和GRP均能滿足臨床要求。在提高計劃質(zhì)量，更好的HI、CI和GI，降低膀胱和股骨頭受照射劑量，減少毒副反應(yīng)方面，F(xiàn)SL最好，F(xiàn)SM次之，F(xiàn)SH后之；在提高計劃執(zhí)行效率方面，減少MU、CP和T方面，F(xiàn)SH最好，F(xiàn)SM次之，F(xiàn)SL后之。因此，在計劃設(shè)計時，要根據(jù)臨床要求進行和患者個體化差異進行綜合考慮，優(yōu)先選擇FSM方式，這樣既能滿足較好的計劃質(zhì)量也能提高計劃執(zhí)行效率。