基于Halcyon不同旋转弧数量的VMAT计划剂量学比较

北京协和医院 放疗科，北京 100730

引言

容积弧形调强放射治疗（Volumetric Intensity-modulated Arc Therapy，VMAT）技术[1-2]的出现使放射治疗的实施变得高效化。VMAT技术是在机架连续旋转，动态多叶准直器（Multi-Leaf Collimator，MLC）连续运动以及剂量率的调节变化下，形成可变束流来实现调强放射治疗的一种方式，经临床实践证明VMAT技术在宫颈癌术后放射治疗中有着重要的地位。

目前常用的放射治疗技术包括三维适形（3 Dimensional Conformal Radiation Therapy, 3D-CRT），传统的调强放疗（Intensity-modulated Radiation Therapy，IMRT）和 VMAT技术。许多学者针对这三种技术在临床中的应用进行了对比研究[3-11]。龙雨松等[12]基于Trilogy加速器和RayStation放疗计划系统开展了不同弧数目对宫颈癌治疗计划的剂量学差异研究，分别对单弧，双弧和三弧的靶区、危及器官及正常组织的剂量学数据进行统计分析，并把计划优化时间、MU数和治疗时间的差异进行对比。研究表明，随着弧数量的增加，靶区的适形度指数（Conformity Index，CI）和均匀性指数（Homogeneity index，HI）都更优，在危机器官保护方面优势更加明显。在采用相同的优化参数时，多弧的优化时间更短，以双弧为例，单弧治疗时间可节省18.6%，三弧增加了6.7%的治疗时间。

Halcyon加速器[13]采用双层MLC叶片，具有较小剂量漏射的特点，每次治疗都必须进行图像引导摆位，提高照射的准确性。目前已有研究更多是针对VMAT技术与传统的IMRT技术的剂量学对比[14-17]，对VMAT技术影响因素的研究较少。因此本研究的目的是基于Halcyon加速器，比较不同旋转弧数量对宫颈癌术后患者放疗计划设计的剂量学差异，根据其剂量学差异，对VMAT技术在临床中应用有一定的参考指导作用。

1 材料和方法

1.1 材料

随机选取我科20例宫颈癌术后患者，均采用仰卧位，热塑体膜进行固定。定位前口服造影剂，膀胱憋尿充盈，直肠排空，静脉增强造影。采用我科Philips Brilliance 16排大孔径CT进行CT扫描，层厚0.5 cm，扫描图像传输至Varian Eclipse 15.6计划系统（ECLIPSE，Varian Medical Systems，USA），并完成靶区及器官勾画如图1所示。Halcyon加速器：光子能量为6MV FFF模式，采用双层MLC动态叶片，叶片最大速度为5 cm/s，无铅门配置，最大剂量率为800 MU/min，机架旋转速度最大为4 RPM。

图1 靶区及危及器官勾画投影图

1.2 处方剂量和计划设计

PTV（Planning Target Volume）处方剂量（Prescription Dose，PD）给出95%的PTV体积接受剂量≥45 Gy（28次×1.8 Gy），常规分割。基于Eclipse计划系统平台，完成靶区和危及器官的勾画并添加治疗床支持结构，选定盆腔对应电子密度曲线。治疗中心为勾画靶区的几何中心，添加MVCBCT，准直器角度为±45°。采用VMAT技术，分别设置2，3，4个360°旋转照射野，剂量计算选择各向异性分析算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA），计算矩阵为2.5 mm。计划优化选择光子优化算法（Photon Optimizer，PO），采用相同的目标函数限值进行优化，优化靶区为PTV，危及器官包括膀胱、小肠、直肠和脊髓。

1.3 计划评估

治疗计划的剂量学分为靶区和危及器官两部分，分别统计三类计划剂量体积直方图（Dose Volume Histogram，DVH）。靶区部分评估包括98%的PTV所接受的最小照射剂量（D98%），PTV内不小于107%的处方剂量的体积（V107%），PTV内不小于110%的处方剂量的体积（V110%），PTV内的平均剂量（Dmean），PTV内的最大剂量（Dmax），PTV的CI和HI；危及器官部分包括膀胱、直肠、小肠和脊髓的绝对（D0.1cc）和相对体积受量（D5等）。根据ICRU No.83报告，CI和 HI定义为公式 (1)～(2)[17-18]。

其中，Vptv,ref为PTV接受大于等于处方剂量的体积，Vptv为PTV的体积，Vref为PD剂量线所覆盖的体积，D2为2%的PTV体积所接受的最小照射剂量。

1.4 统计学处理

为使评估数据更具可比性，所有治疗计划均作归一化处理使处方剂量覆盖95%的PTV。采用SPSS 22.0软件对三类计划的剂量学数据进行两两配对t检验，P＜0.05说明差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 PTV剂量统计结果

基于Halcyon加速器治疗平台的2Arc、3Arc和4Arc计划均满足处方剂量覆盖95%的靶区体积，各组靶区剂量学参数结果如表1所示。三组中V107%体积随着Arc数量的增加而减小；三组计划靶区内最大剂量和平均剂量比较为：2Arc＞3Arc＞4Arc。在靶区均匀度和适形度方面，适形度指数CI越接近1，说明处方剂量对靶区体积的覆盖程度越准确，正常组织受量更低；靶区均匀度指数HI越低，说明靶区内剂量梯度越小，分布越均匀。三组结果中4Arc组的适形度指数最高，适形度最好；4Arc组的HI指数最低，靶区均匀度最好，三组结果比较均具有统计学意义（P＜0.05）。

表1 2Arc、3Arc和4Arc组计划的PTV数据统计

2.2 危及器官剂量统计结果

表2为三组VMAT计划危及器官剂量分布和统计结果，分别对每个危及器官进行剂量参数对比。

表2 2Arc、3Arc和4Arc组计划的危及器官剂量数据统计

2.2.1 膀胱

Dmax，2Arc组和4Arc组、3Arc组和4Arc组的统计结果无统计学差异（P＞0.05），2Arc组和3Arc组有统计学差异（P＜0.05）。D20，D30，D40，D50，D60，Dmean， 三组统计结果均具有统计学差异（P＜0.05）。从表2中膀胱部分可以得到，3Arc组和4Arc组的体积受量相对2Arc组均有明显降低，最大相差约为3 Gy，4Arc组剂量结果比3Arc组低，但相差不大。

2.2.2 直肠

Dmax，2Arc组和4Arc组、3Arc组和4Arc组的统计结果无统计学差异（P＞0.05），2Arc组和3Arc组有统计学差异（P＜0.05）。对于 D20，D30，D40，D50，D60，Dmean，三组统计结果均具有统计学差异。从表2中直肠部分可以得到，4Arc组＜3Arc组＜2Arc组，依次相差1 Gy左右，最大相差约为3.5 Gy。

2.2.3 小肠

Dmax，2Arc组和3Arc组、3Arc组和4Arc组的统计结果无统计学差异（P＞0.05），2Arc组和3Arc组有统计学差异（P＜0.05）。对于 D40，D50，D60，3Arc组和 4Arc组均没有统计学差异（P＞0.05）。从表2中小肠部分可以得到，D10，D20，D30，Dmean，三组统计结果均具有统计学差异，且4Arc组＜3Arc组＜2Arc组，4Arc组比2Arc组剂量统计最大降低1.3Gy。

2.2.4 骨髓

D80，D90，三组的统计结果均无统计学差异（P＞0.05）；D70，2Arc组和4Arc组、3Arc组和4Arc组无统计学差异（P＞0.05）。对于 D40，D50，D60，Dmean，Dmax，三组均有统计学差异（P＜0.05）。从表2中骨髓剂量学参数统计比较可知，4Arc组＜3Arc组＜2Arc组，4Arc组和3Arc组相差不大，4Arc组比2Arc组剂量约降低0.8 Gy。

2.2.5 脊髓

脊髓评估D0.1cc，2Arc组和3Arc组、2Arc组和4Arc组具有统计学差异（P＜0.05）。由表2中脊髓剂量学参数统计可知，4Arc组＜3Arc组＜2Arc组，4Arc组和3Arc组相差不大，4Arc组比2Arc组剂量约降低1.4 Gy。

2.2.6 股骨头

左、右股骨头临床评价D5，2Arc组和3Arc组、2Arc组和4Arc组具有统计学差异（P＜0.05），左侧股骨头4Arc组和3Arc组无统计学差异（P＞0.05）。由表2中股骨头剂量学参数统计可知，4Arc组＜3Arc组＜2Arc组，4Arc组比2Arc组剂量约降低1.1 Gy（左侧）和1.3 Gy（右侧）。

2.3 MU数统计结果

三组VMAT计划MU数统计结果分别为715.18±63.43（2Arc），785.74±31.61（3Arc），785.57±30.98（4Arc）。表3为三组VMAT计划MU数结果分析，3Arc组和4Arc组的MU数相差不大，与2Arc组相比，差异具有统计学差异（P＜0.05）。

表3 2Arc、3Arc和4Arc组计划的MU数据统计

3 讨论

Halcyon加速器独特的硬件配置，包括双层MLC叶片和5 cm/s的叶片运动速度减少了叶片间的漏射，封闭的环形机架配合较高的旋转速度，使得VMAT计划的执行变得更加高效。经临床测试，Halcyon的VMAT计划平均执行时间约为2Arc/min，大大缩短了临床的治疗时间。基于Halcyon加速器和Eclipse计划系统，对2Arc，3Arc和4Arc进行剂量学比较，分析发现4Arc组在靶区适形度和均匀度方面均表现最好，且4Arc组的靶区内最大剂量和平均剂量均低于另外两组。由危及器官剂量学参数统计得到，3Arc组和4Arc组的危及器官受量明显低于2Arc组，而3Arc组和4Arc组相比，4Arc组的各器官体积受量低于3Arc组的器官受量，但相差不大，因此对于危及器官而言，3Arc组和4Arc组的剂量学差异相当。统计3组MU数发现，3Arc组和4Arc组的MU数差异较小，无统计学意义。龙雨松等[12]基于Trilogy加速器和RayStation放疗计划系统对单弧，双弧和三弧的VMAT计划进行对比分析，发现在采用相同的优化参数时，多弧的优化时间更短，但治疗时间更长，均值4 min左右。参考其他文献可知，相比于IMRT固定野调强技术，VMAT技术综合动态多叶准直器调整、可变射线剂量率和可变机架转速，来实现高质量的剂量分布，同时对于机器的执行效率也有所提高[19]。参考大多已有研究发现，对于VMAT技术，主要对双弧和7野固定野调强进行剂量学比较，结果发现VMAT技术可以实现相当甚至更好的靶区和危及器官受量，射线利用率高，可以大大降低治疗时间和机器跳数。昌志刚等[20]研究了全弧和半弧对于宫颈癌术后放疗的剂量学比较，研究发现全弧照射，靶区可以获得更好的均匀性。Yeginer等[21]研究发现与1Arc和2Arc相比，3Arc可以得到较低的危及器官受量，并且相对于IMRT固定野调强计划，大大降低MU数。

综上所述，宫颈癌术后采用Halcyon加速器进行治疗，相比于2Arc和3Arc，4Arc的VMAT计划的靶区及危及器官的投照剂量更优。2Arc、3Arc和4Arc的治疗时间比约为2:3:4，4Arc的VMAT计划治疗时间大约为2 min，与Trilogy加速器的单弧计划执行时间相近；MU数统计发现弧目数量没有统计学差异，因此针对Halcyon加速器，对宫颈癌术后患者推荐使用4Arc的VMAT计划进行计划设计，满足临床高效的同时，提高计划设计的质量。