Eclipse計劃系統(tǒng)計算網(wǎng)格大小對腦膠質(zhì)瘤VMAT計劃影響分析

王天賦，李星月，馬明旭，許海燕，關(guān)大維，高峰，宮瑾

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院 放射治療科，北京 100070

引言

腦膠質(zhì)瘤是顱內(nèi)最常見的原發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤，幾乎所有患者都面臨復(fù)發(fā)風(fēng)險，放療是膠質(zhì)瘤術(shù)后主要的治療方式[1-2]。當前我科放療患者治療物理技術(shù)為容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強治療（Volume Modulated Arc Therapy，VMAT），相比調(diào)強放射治療（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），VMAT 具有執(zhí)行時間短，危及器官受量低等特點。Varian Eclipse 計劃系統(tǒng)通過光子束優(yōu)化器（Photon Optimizer，PO）算法進行快速VMAT優(yōu)化，優(yōu)化過程通過調(diào)節(jié)Gantry 旋轉(zhuǎn)、劑量率、多葉準直器（Multi Leaf Collimator，MLC）形狀以及一些特定函數(shù)。優(yōu)化共分為4 個水平（Level），每個水平本質(zhì)是通過調(diào)整漸進分辨率（Multi Resolution，MR）實現(xiàn)最終的劑量分布。計劃優(yōu)化初控制點已經(jīng)加好，并且在優(yōu)化過程中控制點是確定不變的，計劃系統(tǒng)從優(yōu)化初到優(yōu)化結(jié)束在劑量體積直方圖劑量分布具有明顯的一致性[3-5]。研究表明，MR 影響計劃優(yōu)化的過程，劑量計算網(wǎng)格（Dose Calculation Grid Size，DCGS）影響計劃計算的結(jié)果。采取不同的計算網(wǎng)格最后展現(xiàn)的劑量計算結(jié)果不同[6-8]。選取小網(wǎng)格優(yōu)化計劃，計算精度越高，但計算時間成倍增加[9-14]。膠質(zhì)瘤放療有許多體積小的危及器官，如晶體、視神經(jīng)、視交叉、垂體。目前靶區(qū)與體積小的危及器官對于計算網(wǎng)格切換是否存在高度敏感性尚未有明確結(jié)論?；诖耍狙芯恐荚谔接懖煌膭┝坑嬎憔W(wǎng)格對膠質(zhì)瘤VMAT 計劃的劑量差異，以期為臨床選取適宜的計算網(wǎng)格提供依據(jù)。

1 VMAT優(yōu)化MR原理

VMAT 計劃優(yōu)化過程是計劃系統(tǒng)將射野分為眾多小的Arc 段，這些Arc 段通過控制點分成許多小射束來確定Gantry 角度、MLC 形狀和MU 權(quán)重。在隨后的每個Level 中，系統(tǒng)都會成倍增加Arc 段（圖1），隨著分辨率的遞增與Level 的遞進，精確度逐漸增加。

圖1 VMAT優(yōu)化MR示意圖

2 資料與方法

2.1 一般資料

回顧性選取2021 年9 月至2022 年6 月我院收治的行VMAT 計劃的膠質(zhì)瘤患者33 例，其中男性18 例、女性15 例，年齡18～62 歲，平均年齡44 歲，中位年齡44 歲。

納入標準：① 經(jīng)病理證實為腦膠質(zhì)瘤；② 治療前完善術(shù)后腦MRI，明確腫瘤切除程度；③ 放療前血常規(guī)、血生化在規(guī)定范圍內(nèi)；④ Karnofsky 評分均＞60 分。排除標準：① 未行開顱手術(shù)或活檢；② 不能配合完成放化療；③ 身體有其他系統(tǒng)疾?。虎?有遠處轉(zhuǎn)移、淋巴轉(zhuǎn)移。

2.2 靶區(qū)勾畫及處方設(shè)定

患者定位采用SIEMENS SOMATOM Definition AS大孔徑CT，（Q-Fix）頭架20°、A 枕。固定面網(wǎng)Orift UON?HEAD MASK 熱塑模。CT 掃描層厚3 mm，掃描范圍從顱頂?shù)紺3。

所有患者均由同一主任醫(yī)生采用CT 圖像融合MRI圖像勾畫臨床靶區(qū)（Clinical Tumor Volume，CTV）。計劃靶區(qū)（Planning Target Volume，PTV）由CTV 二維方向外擴0.3 mm 得到。危及器官包括腦干、左/右側(cè)視神經(jīng)、左/右側(cè)晶體、視交叉。處方劑量為60 Gy，單次劑量2 Gy，共30 次。

2.3 計劃設(shè)計

采用Eclipse 13.6 計劃系統(tǒng)，VMAT 優(yōu)化采用PO，點劑量計算用各向異性算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA），體積劑量計算用光子劑量算法（Acuros External Beam，AXB）。醫(yī)用電子直線加速器型號為Varian C 系列Trilogy，6 MV 光子線對33 例患者行VMAT 計劃設(shè)計。根據(jù)PTV 在顱內(nèi)情況，設(shè)置全弧或部分弧VMAT 計劃。優(yōu)化參數(shù)不變的情況下，對1.25、2.50、5.00 mm 3 種不同劑量計算網(wǎng)格分別設(shè)計3 組計劃（1.25 mm 組、2.50 mm 組、5.00 mm 組）。

靶區(qū)劑量要求處方覆蓋率＞95%，與靶區(qū)有交集的OAR 相對劑量要求低于靶區(qū)總劑量的105%，晶體相對劑量低于13%。1 例患者布野、靶區(qū)、危及器官示意圖如圖2 所示。

2.4 劑量參數(shù)獲取

考慮到1.25 mm 劑量計算網(wǎng)格精細，本研究以1.25 mm 組為參考，分別比較3 種劑量網(wǎng)格下CTV 的最大劑量（Dmax）、最小劑量（Dmin）、平均劑量（Dmean），PTV 的Dmax、Dmin、Dmean。

危及器官劑量參數(shù)包括Dmax、Dmean。具體劑量參數(shù)從體積直方圖獲取，見圖3。

圖3 3種不同劑算網(wǎng)格體積直方圖

2.5 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPASS 24.0 統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，計量資料采用±s表示，組間比較采用t檢驗，因每例患者的處方劑量以及危及器官受量的絕對偏差有較大差異，本文采用相對偏差[相對偏差=（A-B）/A]進行比較（以1.25 mm 為基礎(chǔ)，分別用2.50 mm 組與1.25 mm 組、5.00 mm 與1.25 mm 的數(shù)據(jù)對比得出結(jié)果），分析計劃優(yōu)化時間，該時間只包括計劃開始優(yōu)化到計劃優(yōu)化結(jié)束的時間，目標函數(shù)迭代計算完畢，不包括臨床實際調(diào)整計劃的時間，實際臨床計劃時間還要增加，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 靶區(qū)劑量分布、危及器官受量和機器跳數(shù)比較

如表1 所示，5.00 mm 組軀干Dmax均顯著高于1.25 mm 組和2.50 mm 組，1.25 mm 組的PTV Dmin均顯著高于2.50 mm 組和5.00 mm 組，1.25 mm 組的CTV Dmin均顯著高于2.50 mm 組和5.00 mm 組，5.00 mm 組的CTV Dmax均顯著高于1.25 mm 組和2.50 mm 組。3 組其他靶區(qū)劑量指標比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 靶區(qū)劑量分布（±s）

表1 靶區(qū)劑量分布（±s）

注：PTV：計劃靶區(qū)；CTV：臨床靶區(qū)；CI：靶區(qū)適形度指數(shù)。

靶區(qū)劑量評估指標1.25 mm組2.50 mm組5.00 mm組1.25 mm組vs.2.50 mm組1.25 mm組vs.5.00 mm組2.50 mm組vs.5.00 mm組t值P值t值P值t值P值軀干Dmax/cGy6629.14±75.06 6617.71±69.91 6692.57±81.93 0.562 0.288 -3.328 0.001 -4.052 ＜0.001軀干Dmean/cGy1642.23±348.69 1727.69±650.35 1647.24±352.20 -0.651 0.258 -0.023 0.4900.6340.264 PTV Dmin/cGy5056.30±268.84 4883.72±235.36 4885.17±217.58 2.816 0.003 2.885 0.002 -0.0260.489 PTV Dmean/cGy6182.50±43.62 6189.14±43.17 6196.76±45.75 -0.631 0.265 -1.354 0.090 -0.7240.236 CTV Dmin/cGy5361.56±226.40 5079.29±229.29 5073.22±199.72 5.108 0.001 5.292 0.0010.1120.456 CTV Dmax/cGy6622.94±80.94 6612.10±73.42 6678.71±81.81 0.578 0.283 -3.038 0.002 -3.628 ＜0.001 CTV Dmean/cGy6203.28±51.01 6210.20±50.85 6217.57±54.52 -0.560 0.289 -1.189 0.119 -0.6130.271

如表2 所示，3 組危及器官受量和機器跳數(shù)比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 危及器官受量和機器跳數(shù)（±s）

表2 危及器官受量和機器跳數(shù)（±s）

評估指標1.25 mm組2.50 mm組5.00 mm組1.25 mm組vs.2.50 mm組1.25 mm組vs.5.00 mm組2.50 mm組vs.5.00 mm組t值P值t值P值t值P值腦干D max/cGy5500.62±1321.88 5492.57±1314.68 5542.10±1287.86 0.025 0.490 -0.134 0.447 -0.160 0.437腦干Dmean/cGy2390.23±1190.24 2389.83±1209.36 2411.62±1212.67 0.001 0.499 -0.076 0.470 -0.078 0.469左側(cè)晶體Dmax/cGy413.17±227.14 403.81±223.88 425.23±240.12 0.171 0.432 -0.230 0.409 -0.410 0.342左側(cè)晶體Dmean/cGy302.02±144.85 299.38±145.60 310.73±154.20 0.075 0.470 -0.260 0.398 -0.339 0.368右側(cè)晶體Dmax/cGy417.93±220.40 403.01±214.99 420.03±229.07 0.283 0.389 -0.042 0.483 -0.341 0.367右側(cè)晶體Dmean/cGy301.52±145.50 296.61±143.41 302.72±148.53 0.140 0.444 -0.036 0.486 -0.185 0.427左側(cè)視神經(jīng)Dmax/cGy 3097.76±2225.14 2981.05±2233.54 3057.57±2237.01 0.216 0.415 0.079 0.469 -0.151 0.440左側(cè)視神經(jīng)Dmean/cGy 1968.20±1673.91 1946.50±1691.57 1957.23±1656.09 0.053 0.479 0.029 0.489 -0.228 0.489右側(cè)視神經(jīng)Dmax/cGy 3252.96±2467.03 3233.99±2495.06 3288.65±2508.52 0.032 0.487 -0.064 0.475 -0.098 0.461右側(cè)視神經(jīng)Dmean/cGy 2196.54±1849.74 2246.61±1890.67 2229.29±1882.0 -0.110 0.456 -0.078 0.469 0.041 0.484視交叉Dmax/cGy5095.01±1777.63 5057.71±1837.13 5094.09±1801.46 0.085 0.466 0.002 0.499 -0.090 0.464視交叉Dmean/cGy4103.16±1796.62 4080.49±1834.66 4110.20±1813.68 0.051 0.480 -0.017 0.493 -0.074 0.471機器跳數(shù)237.59±19.21236.44±21.44238.74±21.87 0.162 0.436 -0.177 0.430 -0.354 0.363

3.2 靶區(qū)劑量相對偏差

由表3 可知，1.25 mm 組與2.50 mm 組、5.00 mm 組的CTV Dmin、PTV Dmin靶區(qū)劑量相對偏差較大，其他靶區(qū)劑量參數(shù)相對偏差較小。

表3 靶區(qū)劑量相對偏差（%）

3.3 危及器官受量相對偏差

從表4 可知，1.25 mm 組與2.50 mm 組、5.00 mm組的左側(cè)晶體、左側(cè)視神經(jīng)、右側(cè)視神經(jīng)的相對偏差較大。

表4 危及器官劑量相對偏差（%）

3.4 機器跳數(shù)相對偏差

從表5 可知，1.25 mm 組與2.50 mm 組、5.00 mm組的機器跳數(shù)相對偏差均較小。

表5 機器跳數(shù)相對偏差（%）

3.5 計劃優(yōu)化時間比較

1.25 mm 組、2.50 mm 組、5.00 mm 組計算網(wǎng)格平均計劃優(yōu)化時間分別為95、45、25 min，1.25 mm 組計劃優(yōu)化時間明顯短于2.50 mm 組和5.00 mm 組。

4 討論

本研究主要分析Eclipse 計劃系統(tǒng)優(yōu)化VMAT 計劃時，選取不同的劑量計算網(wǎng)格對臨床腦膠質(zhì)瘤放療患者產(chǎn)生劑量方面的影響，結(jié)果表明，Eclipse 計劃系統(tǒng)選取不同計算網(wǎng)格會對靶區(qū)及危及器官產(chǎn)生物理劑量變化。1.25 mm 計算網(wǎng)格優(yōu)化VMAT 計劃時間是2.50 mm 計算網(wǎng)格的2 倍，是5.00 mm 計算網(wǎng)格的3.8 倍，建議選取2.50 mm 劑量計算網(wǎng)格進行VMAT 優(yōu)化。目前國內(nèi)尚鮮見劑量網(wǎng)格選取對膠質(zhì)瘤放療產(chǎn)生劑量學(xué)方面的影響。對比不同計劃系統(tǒng)，陳飛虎等[15]研究表明，Pinnacle3 計劃系統(tǒng)，物理劑量會隨劑量計算網(wǎng)格變大而減小，與本研究結(jié)果不一致，本研究中Eclipse13.6 VMAT PO 優(yōu)化算法得出小的計算網(wǎng)格會使靶區(qū)高量變低，靶區(qū)最小劑量增大，而危及器官劑量增大。郭隆佳等[16]研究表明，相同計劃系統(tǒng)Eclipse，雖然腫瘤位置不同，但結(jié)果類似，小計算網(wǎng)格能改善劑量準確性，并且能提高靶區(qū)劑量，與本研究結(jié)果一致。

目前，雖然有研究報道小網(wǎng)格插值為線性，計算精度較高，但還需要大量的臨床計劃驗證來證明大網(wǎng)格計算的計劃帶來的劑量影響是否可以完全符合條件用于臨床[17-18]。驗證計劃準確性需要用到當前的三維驗證設(shè)備，如Delta4、Compass 和Arc check[19-21]，雖然這些驗證設(shè)備采集VMAT 劑量時是三維，其實際Gamma 分析時還是將三維的劑量展開化為二維劑量分布，采用一定數(shù)目的劑量點來進行劑量驗證。首先這種劑量驗證方式采樣點少，也不能完全還原醫(yī)用電子直線加速器實際出束劑量與計劃系統(tǒng)計算劑量進行對比。其次，實際Gamma分析中設(shè)置距離、劑量百分比差異，是在規(guī)定范圍規(guī)定劑量限值內(nèi)如果驗證設(shè)備與治療計劃系統(tǒng)對應(yīng)的劑量點劑量相近，這種距離和劑量差異的設(shè)置是否會導(dǎo)致不同劑量計算網(wǎng)格帶來的影響差異被消除，有待進一步驗證。當前三維重建劑量驗證在逐步應(yīng)用于臨床，Gamma分析采樣點多，同時可以還原靶區(qū)、危及器官的實際受量[22-24]。未來，還需研究計算網(wǎng)格對靶區(qū)體積大小是否存在敏感，找出劑量網(wǎng)格大小對體積范圍的影響，以及通過Arc-Check 實際測量醫(yī)用電子直線加速器出束劑量，聯(lián)合3DVH 系統(tǒng)重建三維劑量來與治療計劃系統(tǒng)采取不同計算網(wǎng)格得出的計算劑量進行對比，為臨床提供依據(jù)。

5 結(jié)論

綜上所述，腦膠質(zhì)瘤放射治療中Eclipse 計劃系統(tǒng)選取不同計算網(wǎng)格會對靶區(qū)及危及器官產(chǎn)生物理劑量變化，選取小劑量計算網(wǎng)格，靶區(qū)劑量高量降低，靶區(qū)最小劑量增高，單從靶區(qū)劑量角度來考慮，效果更佳，但是小的劑量計算網(wǎng)格會導(dǎo)致危及器官劑量受量增高，臨床計劃設(shè)計時，如果選取小計算網(wǎng)格，建議增大危及器官限量權(quán)重或者降低危及器官受量限值來平衡。從VMAT 計劃優(yōu)化時間來考慮，1.25 mm 計算網(wǎng)格優(yōu)化VMAT 計劃時間是2.50 mm 計算網(wǎng)格的2 倍，是5.00 mm計算網(wǎng)格的3.8 倍。綜合考慮，建議選取2.50 mm 劑量計算網(wǎng)格進行VMAT 優(yōu)化。