魏敏，牛振洋，劉苓苓，李兵兵，費(fèi)振樂，王磊，李志杰

1.安徽醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230032；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第901醫(yī)院放療科，安徽合肥230031；3.中國科學(xué)院合肥腫瘤醫(yī)院，安徽合肥230031

前言

放療是治療肺癌的主要手段之一。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放療（Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT）是一種弧形調(diào)強(qiáng)放療技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于癌癥的放療。相比傳統(tǒng)的放療手段，VMAT具有良好的劑量學(xué)優(yōu)勢，能使靶區(qū)內(nèi)劑量分布更均勻，同時(shí)也能更好地保護(hù)靶區(qū)周圍正常組織［1-3］。對于肺部不規(guī)則的靶區(qū)，由于存在呼吸運(yùn)動，若放療時(shí)間較長，則可能增加每次放療中器官的位移，同時(shí)靶區(qū)劑量的不確定性也會增加。有研究顯示，在不影響靶區(qū)劑量分布和危及器官受量的前提下，通過改善優(yōu)化的方式可以減少機(jī)器跳數(shù)，縮短治療時(shí)間［4-7］。本研究通過設(shè)計(jì)不同最小子野寬度下肺癌VMAT 計(jì)劃來分析最小子野寬度對計(jì)劃質(zhì)量的影響，并確定合適的最小子野寬度，從而為肺癌的放療計(jì)劃設(shè)計(jì)提供參考。

1 資料與方法

1.1 病例資料

選取2018年6～12月在解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第901 醫(yī)院受治療的肺癌患者12 例。左肺癌3 例，右肺癌9例；中位年齡為56歲（46～72歲）。

1.2 CT定位及放療計(jì)劃設(shè)計(jì)

采用荷蘭飛利浦大孔徑CT 模擬機(jī)進(jìn)行掃描，患者采用仰臥位，熱塑體模固定，圖像層厚為3 mm，將圖像傳至Monaco 5.11 計(jì)劃系統(tǒng)中進(jìn)行三維重建。醫(yī)生根據(jù)ⅠCRU 83 號報(bào)告［8］進(jìn)行靶區(qū)勾畫。放療計(jì)劃選用醫(yī)科達(dá)synergy 直線加速器配備的MLCi2 多葉光柵具有插指功能，能量為6 MV 的X 線，處方劑量為60 Gy/30 次，單次劑量為2 Gy。計(jì)算網(wǎng)格均為0.3 cm，最大旋轉(zhuǎn)弧數(shù)為2，每個弧的最大控制點(diǎn)數(shù)為200。整個計(jì)劃計(jì)算不確定度為1%。最小子野寬度依次選擇為0.5、0.7、1.0、1.2 和1.5 cm。各VMAT 計(jì)劃設(shè)計(jì)好后不做劑量的歸一操作。

1.3 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)ⅠCRU 83號報(bào)告，最小劑量定義為98%的計(jì)劃靶區(qū)（Planning Target Volume,PTV）受到的照射劑量D98，最大劑量定義為2%的PTV受到的照射劑量D2［8］。根據(jù)劑量體積直方圖曲線評估VMAT計(jì)劃，參數(shù)包括PTV的D98、Dmean、D2、均勻性指數(shù)（Homogeneity Ⅰndex,HⅠ）、適形度指數(shù)（Conformity Ⅰndex,CⅠ）、靶區(qū)覆蓋率（Target Coverage,TC）以及不同子野寬度下優(yōu)化的機(jī)器跳數(shù)和計(jì)劃控制點(diǎn)數(shù)。其中，CⅠ=（VTref/VT）×（VTref/Vref），VTref為參考等劑量線面所包繞區(qū)域體積，VT為總的靶區(qū)體積，Vref為參考等劑量曲線包繞的PTV體積。CⅠ值范圍為0～1，數(shù)值越接近1，表示適形度越高；HⅠ=(D2-D98)/D50，D50為50%體積收到的照射劑量，HⅠ值越低，表示靶區(qū)劑量的均勻性越好；TC(%)=(TVP/TV)×100，TVp為接受處方劑量的靶區(qū)體積，TV表示總靶區(qū)體積。危及器官受量評價(jià)包括患側(cè)肺V20（表示接受20 Gy照射區(qū)域所占體積百分比）、V15、V5，健側(cè)肺V5，脊髓Dmax，心臟V30、V20。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 22.0 軟件對PTV 及危及器官的數(shù)據(jù)和不同最小子野寬度優(yōu)化下12例患者數(shù)據(jù)分別進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。若服從正態(tài)分布則進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，否則，進(jìn)行Wilcoxon 符號秩和檢驗(yàn)。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同最小子野寬度下靶區(qū)劑量的比較

5 組不同最小子野寬度優(yōu)化下靶區(qū)的劑量指標(biāo)如表1 所示，以最小子野寬度1.0 cm 的計(jì)劃為參考。最小子野寬度為0.5 cm時(shí)，優(yōu)化的計(jì)劃相比最小子野寬度1.0 cm 的計(jì)劃，靶區(qū)D98無明顯差異（P＞0.05）。隨著優(yōu)化的最小子野寬度增大為1.2、1.5 cm 時(shí)，靶區(qū)D98降低（P＜0.05）。靶區(qū)Dmean、D2在最小子野寬度為0.5、0.7 cm 時(shí)，變化差異較?。≒＞0.05）；最小子野增大到1.2、1.5 cm時(shí)，Dmean、D2變化比較明顯（P＜0.05）。

2.2 不同最小子野寬度下，靶區(qū)HⅠ、CⅠ、TC分布

如表1和圖1所示，最小子野寬度為1.2、1.5 cm時(shí)，靶區(qū)HⅠ高于最小子野寬度為1.0 cm 時(shí)的靶區(qū)HⅠ（Z=-2.714、-2.831,P＜0.05）；最小子野寬度為0.5、0.7 cm 時(shí)，與參考最小子野寬度下靶區(qū)HⅠ相比無明顯變化。最小子野寬度為0.5、0.7、1.2 cm時(shí)，相比較最小子野寬度1.0 cm，靶區(qū)CⅠ無明顯變化；最小子野寬度增大到1.5 cm時(shí)，CⅠ變化顯著（Z=-2.694,P＜0.05）。不同最小子野優(yōu)化條件下，靶區(qū)的TC變化顯著（P＜0.05）。

2.3 不同最小子野寬度下各VMAT 計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)

不同最小子野寬度下，各VMAT 計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)見圖2。同一病例，在不同最小子野寬度優(yōu)化下，最大相差425.2 MU。最小子野寬度為1.0 cm 時(shí)的平均機(jī)器跳數(shù)為684.4 MU；最小子野寬度為0.5、0.7、1.2、1.5 cm 時(shí)，平均機(jī)器跳數(shù)為972.8、763.8、660.1、665.3 MU。機(jī)器跳數(shù)隨著最小子野寬度的增加而逐漸減少。隨著最小子野寬度的增加，VMAT計(jì)劃的平均控制點(diǎn)數(shù)為278、243、220、206、190，呈現(xiàn)降低趨勢。

表1 不同最小子野寬度下靶區(qū)的劑量指標(biāo)對比（±s）Tab.1 Dosimetric indexes of target areas under different minimum segment widths (Mean±SD)

表1 不同最小子野寬度下靶區(qū)的劑量指標(biāo)對比（±s）Tab.1 Dosimetric indexes of target areas under different minimum segment widths (Mean±SD)

與參考計(jì)劃（最小子野寬度為1.0 cm）相比較，a分別表示t=3.331，Z=-2.9035、-3.059（P均＜0.05）；b分別表示t=-3.150，t=-6.080（P均＜0.05）；c分別表示t=-2.903，t=3.059（P均＜0.05）；d分別表示Z=-2.714、-2.831（P均＜0.05）；e表示Z=-2.694（P＜0.05）；f分別表示Z=-2.904、-3.061、-2.747、-2.941（P均＜0.05）

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圖1 不同最小子野寬度下靶區(qū)的HI、CI、TCFig.1 Homogeneity index,conformity index and target coverage of target areas under different minimum segment widths

2.4 不同最小子野寬度下危及器官的劑量比較

危及器官劑量分布結(jié)果如表2 所示。選擇最小子野寬度為0.7 cm 時(shí)，心臟V20相比較最小子野寬度為1.0 cm 時(shí)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-2.380,P＜0.05）；最小子野寬度為1.5 cm 時(shí)，患側(cè)肺V5相比較最小子野寬度1.0 cm 時(shí)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-2.197,P＜0.05）。其他危及器官在不同的最小子野寬度下無明顯的差異。

3 討論

本研究比較了5 種不同最小子野寬度下優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)劃方案，以最小子野寬度1.0 cm 為參考，將其他計(jì)劃結(jié)果與其結(jié)果相比較。隨著最小子野寬度值的改變，靶區(qū)的劑量產(chǎn)生變化。最小子野寬度為0.5、0.7 cm時(shí)，靶區(qū)Dmean、D2、CⅠ與參考最小子野寬度的差別不大（P＞0.05）；隨著最小子野寬度增大為1.2、1.5 cm 時(shí)，靶區(qū)Dmean、D2產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變化。靶區(qū)TC 隨著最小子野寬度的增大，最大變化值小于1%。對于本研究采用的靶區(qū)評價(jià)指標(biāo)Dmean、D2、D98、HⅠ、CⅠ，當(dāng)最小子野寬度為0.5 cm時(shí)對于靶區(qū)評價(jià)指標(biāo)與參考最小子野寬度相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對于危及器官，最小子野寬度增大為1.5 cm 時(shí)，患側(cè)肺V5的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；最小子野寬度為0.7 cm時(shí)，心臟V20的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；其它危及器官則無明顯變化。隨著最小子野寬度的增加，VMAT計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)顯著降低，其中最小子野寬度為1.2 cm 時(shí)，機(jī)器跳數(shù)降低幅度最大，此時(shí)靶區(qū)的D98、HⅠ和TC指標(biāo)與最小子野寬度為1.0 cm的計(jì)劃相比已產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，即機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)的降低使計(jì)劃靶區(qū)范圍內(nèi)的劑量分布變差。

圖2 不同最小子野寬度下計(jì)劃的機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)Fig.2 Number of monitor units and control points under different minimum segment widths

表2 不同最小子野寬度下危及器官受量（±s）Tab.2 Organs-at-risk doses under different minimum segment widths(Mean±SD)

表2 不同最小子野寬度下危及器官受量（±s）Tab.2 Organs-at-risk doses under different minimum segment widths(Mean±SD)

與最小子野寬度1.0 cm優(yōu)化下的數(shù)據(jù)相比較，a表示Z=-2.197，P＜0.05；b表示Z=-2.380，P＜0.05

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對于肺部腫瘤患者，病人在治療過程中存在呼吸運(yùn)動，因此臨床中采用了一系列方法降低呼吸運(yùn)動產(chǎn)生的影響，如運(yùn)動環(huán)繞技術(shù)、呼吸門控技術(shù)、呼吸抑制技術(shù)等。最小子野寬度的不同導(dǎo)致計(jì)劃優(yōu)化得到的機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)不同，機(jī)器跳數(shù)越大，實(shí)際放療中出束時(shí)間就會延長，控制點(diǎn)越多，加速器在非出束狀態(tài)下多葉光柵運(yùn)動時(shí)間也會延長，這都增加了單次治療中患者位移的幾率以及靶區(qū)劑量的不確定性［9-10］。對存在呼吸運(yùn)動的器官，時(shí)間的延長有可能造成病人在放療過程中的移動或因呼吸導(dǎo)致的腫瘤運(yùn)動，進(jìn)而導(dǎo)致照射劑量的偏差，而治療時(shí)間的縮短則會減少呼吸運(yùn)動對放療劑量的影響。若在優(yōu)化過程中適當(dāng)?shù)卦龃笞钚∽右皩挾?，則會減少機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)將減少治療時(shí)間并增加患者的舒適度，特別是對于采用呼吸系統(tǒng)進(jìn)行管理的患者，放療時(shí)間的縮短會增大治療的效果。

Younge 等［11］通過孔徑規(guī)則化減少機(jī)器跳數(shù)，使動態(tài)移動中所需的葉片運(yùn)動最小化，從而縮短治療時(shí)間。同時(shí)，機(jī)器跳數(shù)的明顯減少，進(jìn)一步降低了加速器輻射頭內(nèi)的散射線數(shù)量，理論上降低了二次致癌的概率［12］。VMAT 計(jì)劃設(shè)計(jì)的可調(diào)因素較多，如優(yōu)化限制條件設(shè)置、優(yōu)化權(quán)重設(shè)置和優(yōu)化過程控制等多個因素［12-14］，即計(jì)劃設(shè)計(jì)過程相對復(fù)雜。通常，在調(diào)強(qiáng)治療計(jì)劃中，由計(jì)劃系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)度分布被轉(zhuǎn)換成葉片的軌跡，以達(dá)到期望的劑量分布，進(jìn)而產(chǎn)生任意形狀的二維非均勻平面。有研究者提出平滑程序、直接孔徑優(yōu)化等，以減少治療計(jì)劃中的光束復(fù)雜性和復(fù)雜的優(yōu)化模式［15］。之前的研究表明，降低治療實(shí)施的機(jī)器跳數(shù)會降低葉片軌跡的約束因子、調(diào)節(jié)放射治療計(jì)劃的復(fù)雜性和治療時(shí)間［16-19］。因此，隨著最小子野寬度值的增加，VMAT計(jì)劃的復(fù)雜性逐漸降低，治療效率也可以有所提高。

雖然機(jī)器跳數(shù)和控制點(diǎn)數(shù)量的降低提高了治療效率［11］，但是臨床醫(yī)生及物理師進(jìn)行放療計(jì)劃的評估批準(zhǔn)時(shí)不能僅僅只參考劑量體積直方圖曲線，因?yàn)槠鋬H能反映劑量與體積的數(shù)量關(guān)系，缺乏劑量的空間分布信息；也不能追求治療效率而犧牲靶區(qū)劑量分布。評估計(jì)劃還是要綜合考慮劑量的整體分布和治療效率之間的獲益關(guān)系。筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)肺部腫瘤的VMAT 計(jì)劃時(shí)，最小子野寬度設(shè)置為1.0 cm 相對比較合理，既保證靶區(qū)和危及器官的所受劑量滿足臨床要求，同時(shí)又能相對提高治療效率。Wang等［20］報(bào)道VMAT 中最小子野寬度對宮頸癌患者的影響，得到了與本研究相似的結(jié)果。

綜上所述，對于Monaco 計(jì)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)肺癌VMAT計(jì)劃時(shí)，最小子野寬度設(shè)為1.0 cm相對較為合理，不僅能保證計(jì)劃的整體質(zhì)量還能減少治療時(shí)間提高治療效率，同時(shí)也提高了接受運(yùn)動管理系統(tǒng)治療的患者舒適度。