基于Halcyon 加速器左乳腺癌不同旋轉弧數(shù)VMAT 計劃比較

梅國建，尹楚歐，劉 江，鄧 娟，何迎盈，葉程偉

乳腺癌術后放射治療（簡稱放療）可降低局部復發(fā)和死亡的風險， 放療將乳腺癌首次復發(fā)的10 年風險從35.0%降低到19.3%，將15 年的乳腺癌死亡風險從25.2%降低到21.4%[1～3]。 鄧曉琴等[4]、Vasiljevic D 等[5]研究顯示放射性心臟損傷和肺損傷是乳腺癌術后放療最為常見且預后較差的并發(fā)癥，照射體積和照射劑量等指標是心肺放射性損傷的高危因素。由于左乳腺癌靶區(qū)更靠近心臟更易發(fā)生放射性心臟損傷。Darby SC 等[6]研究顯示，發(fā)生冠狀動脈疾病的概率隨心臟平均劑量增加而線性增加， 每增加1 Gy 的照射劑量，發(fā)生冠狀動脈疾病的概率增加7.4%。 因此設計乳腺癌放療計劃應在滿足計劃靶區(qū)體積（planning target volume，PTV）劑量的前提下盡量降低心、肺的照射劑量和體積，以降低其發(fā)生放射性損傷的概率和程度。 容積調(diào)強放療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）可在滿足乳腺癌PTV 劑量的同時，降低心肺等危及器官的受照射劑量[7，8]。

Varian Halcyon 放療平臺是在Truebeam 放療平臺上研發(fā)的一款新型加速器，全球均采用統(tǒng)一標準并將相關數(shù)據(jù)預裝入放射治療計劃系統(tǒng)（treatment planningsystem，TPS）。采用6 MV-FFF 的單光子射線和雙層多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC），具有更低的射線漏射率（0.47%），其最大劑量率為800 MU/min?？砷_展多種放療技術， 適合全身多部位腫瘤的放療[9，10]。 傳統(tǒng)加速器的乳腺癌VMAT 計劃受治療時間的影響多采用2 個治療弧設計。 而Halcyon 加速器1 cm 葉寬的MLC 可能會對VMAT 計劃的葉片調(diào)制帶來困難，但其具有更快的機架旋轉速度（4 r/min）和葉片運動速度（5 cm/s），可利用增加旋轉弧數(shù)量來解決這一挑戰(zhàn)[11]。 因此筆者研究基于Halcyon 加速器，分別在每個左乳腺癌患者的CT 圖像上制作2 弧、3弧、4 弧和5 弧的VMAT 計劃， 比較4 種弧數(shù)的VMAT 計劃的劑量學差異和執(zhí)行效率、執(zhí)行準確度的差異。探尋提高靶區(qū)劑量學指數(shù)和降低心肺等危及器官的VMAT 計劃參數(shù)， 為左乳腺癌改良根治術后的VMAT 計劃設計提供臨床參考。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

選擇2021 年1 月至12 月在德陽市人民醫(yī)院就診的左側乳腺癌改良根治術后患者20 例，均為女性；年齡32 ～69 歲，中位年齡51 歲；腫瘤分期均為T3 ～T4、N1；位置為非內(nèi)象限。

1.2 方法

1.2.1 CT 掃描定位

患者仰臥位，采用頭頸胸熱塑膜固定。 采用德國Siemens 公司Somatom Confidence CT 行定位掃描，掃描范圍上界為下頜骨，下界為肝臟下緣，掃描層厚為3 mm。

1.2.2 靶區(qū)和危及器官器官勾畫

采用Varian Eclipse 15.6.8 計劃系統(tǒng)制作VMAT計劃，放療機型選擇Varian Halcyon 2.0 加速器，射線為非均整（flattening filter free，F(xiàn)FF）模式的6 MV X 射線。

將CT 掃描圖像傳入Varian Eclipse 15.6.8 計劃系統(tǒng)，由同一放療醫(yī)師勾畫靶區(qū)和危及器官。 靶區(qū)包括患側鎖骨上淋巴結引流區(qū)、患側胸壁。 危及器官包括雙肺、心臟、右側乳腺、食管、左側肱骨頭和脊髓等。勾畫完成后由高級職稱的放療醫(yī)師進行修改和審核，以確保勾畫的準確性。

1.2.3 VMAT 計劃的設計制作

采用Varian Eclipse 15.6.8 計劃系統(tǒng)并基于Varian Halcyon 2.0 加速器在每個患者的CT 圖像上分別制作2 弧、3 弧、4 弧和5 弧4 組VMAT 計劃。 PTV 處方劑量為5 000 cGy/25 次； 旋轉弧角度分別為2 弧（300°～0°～140°，140°～0°～300°）、3 ?。?00°～0°～140°，140°～0°～300°，300°～0°～140°）、4 弧（300°～0° ～140°，140° ～0° ～300°，300° ～0° ～140°，140° ～0°～300°）和5 ?。?00°～0°～140°，140°～0°～300°，300°～0°～140°，140°～0°～300°，300°～0°～140°）；準直器角度均為0°，采用各向異性解析算法（anisotropic analytical algorithm，AAA），計算網(wǎng)格為2.5 mm。 將PTV、雙肺、心臟、右側乳腺、食管、左側肱骨頭和脊髓進行優(yōu)化，4 組計劃均采用相同的目標函數(shù)進行優(yōu)化。要求95%PTV ≥處方劑量，2%PTV ≤處方劑量的110%，危及器官受照劑量需滿足臨床劑量學要求。

1.2.4 危及器官評估

觀察4 組計劃的空間劑量分布和劑量體積直方圖，并統(tǒng)計4 組計劃PTV 的D98、D50、D2、Dmean、適形度指數(shù) （conformity index，CI） 和均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI），以及危及器官的V5、V10、V20、V30、V40、Dmax 和Dmean 等劑量指標。其中D98、D50和D2分別表示PTV 98%、50%和2%體積的吸收劑量；V5、V10、V20、V30和V40分別為5 Gy、10 Gy、20 Gy、30 Gy 和40 Gy 劑量曲線包圍危及器官的百分體積，Dmax 表示最大劑量，Dmean 表示平均劑量。 根據(jù)國際輻射單位和測量委員會（International Commission on Radiation Units＆Measurements，ICRU）83 號報告[12，13]，CI=（VPTV，ref）2/VPTV/Vref，其中：VPTV，ref表示為PTV 接受到≥處方劑量的體積；VPTV表示PTV 的體積；Vref表示處方劑量覆蓋的總體積。CI 小于1，越接近1 說明靶區(qū)適形度越好。HI=（D2-D98）/D50，HI 越接近于零，說明靶區(qū)均勻性越好。

1.2.5 放療計劃驗證

將4 組VMAT 計劃傳入Halcyon 2.0 加速器，并用加速器在Sun Nuclear Arccheck 模體上分別執(zhí)行4組計劃，并統(tǒng)計4 組計劃的跳數(shù)（monitor unit ，MU）、出束時間及γ 通過率。

1.3 統(tǒng)計學方法

為使統(tǒng)計數(shù)據(jù)有可比性， 將4 組VMAT 劑量歸一，使處方劑量覆蓋95%PTV。 采用SPSS 21.0 軟件對4 組計劃的數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以均數(shù)± 標準差進行統(tǒng)計描述，并行隨機區(qū)組設計方差分析和Bonferroni 多重比較；非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以中位數(shù)（25%，75%）進行統(tǒng)計描述，并采用非參數(shù)Friedman 檢驗分析和多重比較。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 4 組靶區(qū)劑量比較結果

4 組VMAT 計劃的等劑量曲線分布圖和PTV、危及器官的劑量體積直方圖 （dose and volume histogram，DVH） 見圖1。 4 弧組和5 弧組VMAT 計劃PTV 的D98、D50、D2、Dmean、CI 和HI 均優(yōu)于2 弧組和3弧組（P＜0.05）。5 弧組D2優(yōu)于4 弧組，降低20.6 cGy（P＜0.05）；而D98、D50、Dmean、CI 和HI 則與4 弧組間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。 見表1。

表1 4 組PTV 劑量統(tǒng)計Tab.1 Comparison of PTV dose in 4 groups

圖1 乳腺癌4 組VMAT 計劃的劑量曲線分布圖和PTV、危及器官的DVHFig.1 Dose curve distribution diagram and DVH of PTV and organs at risk of VMAT plan in 4 groups of breast cancer

2.2 4 組危及器官的劑量比較

4 弧組和5 弧組左肺（患側肺）的V5、V10、V20、V30、V40和Dmean 最低（P＜0.05）。 右肺（健側肺）方面，4弧組和5 弧組Dmean 低于2 弧組（P＜0.05），而V5、V10和V20在4 組計劃之間差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。 4 弧組和5 弧組心臟的V20和V30最低，V10和Dmean 則低于2 弧組（P＜0.05）。 4 弧組和5 弧組食管的Dmean 最低， 右乳的Dmax 也低于2 弧組（P＜0.05）。5 弧組與4 弧組各危及器官的劑量均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。 見表2。

表2 4 組危及器官劑量統(tǒng)計Tab.2 Comparison of organs of risk dose in 4 groups

2.3 4 組跳數(shù)、出束時間及γ 通過率比較

4 弧組MU 和出束時間較2 弧組和3 弧組有少量增加，分別增加26.2 MU、0.05 min 和28.9 MU、0.04 min（P＜0.05）；5 弧組較4 弧組增加31.8MU、0.05 min（P＜0.05）。4 組計劃γ 通過率（3 mm/3%，閾值10 %）分別為99.7（99.5，99.9） %、99.8（99.5，99.9） %、99.8（99.5，99.9）%和99.8（99.5，99.9）%，4 組計劃間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。 見表3。

表3 4 組MU、出束時間及γ 通過率比較Tab.3 Comparison of MU number，beaming time and γ pass rate in 4 groups

3 討論

VMAT 是通過加速器機架旋轉照射來實現(xiàn)的動態(tài)VMAT 技術，該技術通過機架旋轉、MLC 動態(tài)運動和改變加速器輸出劑量率形成的可變束流來實施放療計劃。其能夠在短時間內(nèi)完成多個旋轉治療弧的照射，現(xiàn)已被廣泛應用于乳腺癌術后放療[14]。 高艷等[7]、苗俊杰等[8]研究結果顯示乳腺癌VMAT 計劃相較于IMRT 計劃靶區(qū)具有更好的CI 和HI， 并能降低心臟和肺等危及器官的劑量。VMAT 采用多角度照射并且增加照射弧個數(shù)可以提高靶區(qū)劑量的相關指數(shù)，Halcyon 加速器雙層MLC 設計具有低穿射性的特點，能使危及器官的低劑量區(qū)域降低[10]。 但是Halcyon 加速器1 cm 寬度的MLC 可能會對VMAT 計劃調(diào)制帶來困難，故筆者研究在VMAT 計劃中采用2 弧、3 弧、4 弧和5 弧的設計，以增加旋轉弧數(shù)量來解決這一挑戰(zhàn)。

筆者研究結果顯示4 弧和5 弧的VMAT 計劃可以獲得較2 弧和3 弧更優(yōu)的劑量分布。在PTV 方面4弧和5 弧計劃的CI、HI、D98、D50、D2和Dmean 均優(yōu)于3 弧和2 弧。 危及器官方面，4 弧和5 弧在左肺的V5、V10、V20、V30、V40、Dmean 和右肺的Dmean 及心臟的V10、V20、V30、Dmean 較2 弧和 （或）3 弧均有不同程度降低。而5 弧較4 弧僅在PTV 的D2上降低20.6 cGy，其他危及器官之間差異無統(tǒng)計學意義。 Yeginer M 等[15]研究顯示3 弧VMAT 計劃的危及器官劑量較1 弧和2 弧VMAT 計劃更低。 張杰等[16]、楊波等[17]研究顯示，在宮頸癌的VMAT 計劃中4 弧計劃的PTV 較3 弧和2 弧計劃具有更優(yōu)的CI 和HI， 部分危及器官的劑量也有所降低。 這與筆者研究在Halcyon 加速器上左乳癌VMAT 計劃得出的結論一致。 多數(shù)乳腺癌患者在接受放療后其生存周期較長，放射性心肺損傷為其常見并發(fā)癥。放射性肺損傷是乳腺癌術后放療最為常見的嚴重并發(fā)癥， 受照射體積和劑量是其高危因素，其中V5、V20、V30和Dmean 等劑量學指標是放射性肺損傷獨立且顯著的危險因素[5，18]。 放射性心臟損傷的發(fā)生概率和程度與心臟受照射的劑量和體積呈正相關，其主要表現(xiàn)為急慢性心肌炎和心包炎、心臟瓣膜和冠狀動脈損傷、遲發(fā)性心肌纖維化及心臟傳導系統(tǒng)損傷等[19]。 說明在一定范圍內(nèi)（≤4 ?。┰黾有D弧數(shù)量可使處方劑量包繞PTV 更加精準，PTV 的劑量分布更加均勻。 同時能降低雙肺和心臟的多個體積劑量指標，從而可降低放射性心臟損傷和放射性肺損傷發(fā)生的概率和程度。 4 弧的VMAT 計劃的劑量學更優(yōu)，繼續(xù)增加旋轉弧數(shù)量并不能給PTV 和危及器官帶來更優(yōu)的劑量分布。

在MU、出束時間及γ 通過率方面，筆者研究結果顯示4 弧組MU 和出束時間較2 弧組和3 弧組有少量增加， 而5 弧組較4 弧組分別增加31.8 MU 和0.05 min。 2 弧、3 弧、4 弧和5 弧的VMAT 計劃在3%/3 mm 標準下γ 通過率分別為99.7（99.5，99.9）%、99.8（99.5，99.9）%、99.8（99.5，99.9）%和99.8（99.5，99.9）%，4 組計劃之間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。 這與張杰等[16]、楊波等[17]研究結果基本一致。 說明增加旋轉弧數(shù)量對VMAT 計劃的MU 和出束時間有少量增加。加速器執(zhí)行計劃的準確度是保證放療效果和控制放療并發(fā)癥的重要因素[20]。 γ 通過率的高低反映加速器執(zhí)行計劃偏差的大小， 在3%/3 mm 評價標準時γ通過率≥95%表示加速器執(zhí)行計劃狀態(tài)較好[21]。 筆者研究4 組計劃γ 通過率在3%/3 mm 評價標準時均＞95%， 說明Halcyon 加速器執(zhí)行VMAT 計劃的準確度較高，且增加旋轉弧數(shù)不會對治療準確度帶來影響。

綜上所述，4 弧的乳腺癌VMAT 計劃可獲得更優(yōu)的劑量學分布。 其能夠使PTV 受照射更加精準，劑量分布更加均勻，肺和心臟等危及器官的受照射體積和劑量也有不同程度降低。繼續(xù)增加旋轉弧數(shù)量不能帶來更好的劑量學收益，反而會少量增加MU、出束時間及兩弧之間的銜接時間和計劃優(yōu)化時間。推薦在左乳腺癌改良根治術后基于Halcyon 加速器采用4 弧的VMAT 計劃。