基于肝癌的VMAT與IMRT放療計劃的劑量學對比研究

孫長江，李　軍,2，張西志，張先穩(wěn)，桂龍剛，陳雪梅

(1.蘇北人民醫(yī)院放療中心，江蘇 揚州 225001；2.南京航空航天大學核科學與工程系，江蘇 南京 210016)

基于肝癌的VMAT與IMRT放療計劃的劑量學對比研究

孫長江1，李軍1,2，張西志1，張先穩(wěn)1，桂龍剛1，陳雪梅1

(1.蘇北人民醫(yī)院放療中心，江蘇 揚州 225001；2.南京航空航天大學核科學與工程系，江蘇 南京 210016)

[摘要]目的比較分析肝癌旋轉容積調強放療(VMAT)計劃與固定野調強放療(IMRT)計劃靶區(qū)及其周圍危機器官的劑量學差異。方法選擇36例肝癌患者的CT圖像數(shù)據(jù)，分別設計VMAT計劃、IMRT計劃，比較兩者的靶區(qū)劑量分布、危及器官受量、正常組織受量、機器跳數(shù)及治療時間等。結果VMAT計劃的靶區(qū)劑量最大值比IMRT計劃低(Z=2.090，P<0.05)；VMAT計劃的90%的處方劑量的適形指數(shù)比IMRT計劃小(Z=2.809，P<0.05)；VMAT計劃的正常肝組織的V30低于IMRT計劃(Z=2.395，P<0.05)；VMAT計劃的正常腎臟組織的V20低于IMRT計劃(Z=2.201，P<0.05)；VMAT計劃機器跳數(shù)是IMRT計劃的約40%，治療時間低于IMRT計劃的50%。結論2種治療計劃在劑量學上均能滿足臨床要求，并且劑量分布基本一致，VMAT計劃的適形指數(shù)比IMRT好，危及器官劑量比IMRT計劃略有降低，正常組織的低劑量區(qū)VMAT計劃與IMRT相比有先高后低的趨勢，并且機器跳數(shù)少，治療時間短，更值得臨床推廣應用。

[關鍵詞]肝癌；旋轉容積調強放療；固定野調強放療；劑量學

ResultsThe maximum value in the target region of the VMAT plan was lower than that of the IMRT plan (Z=2.090,P<0.05); the conformal index of 90% of prescription dose in the VMAT plan was smaller than that in the IMRT plan (Z=2.809,P<0.05); the V30of liver in the VMAT plan was lower than that in the IMRT plan (Z=2.395,P<0.05); the V20of kidney in the VMAT plan was lower than that in the IMRT plan (Z=2.201,P<0.05); the machine unit in the VMAT plan was 40% of that in the IMRT plan,the treatment time in the VMAT plan was lower than 50% in the IMRT plan.ConclusionTwo kinds of treatment plan can satisfy the clinical requirements on dosimetry and dose distribution; conformal index of the VMAT plan is better than IMRT plan; dose of organs at risk in the VMAT plan is lower than that in the IMRT plan; compared with the IMRT plan,low dose area of normal tissues in the VMAT plan has the tendency of high after the first low,and the less machine units,the short treatment time.

自Brahme[1]提出固定野調強放療(IMRT)技術以來，固定野調強(IMRT)被廣泛應用于臨床放療。IMRT的問題是機器跳數(shù)多，治療時間長，接受低劑量照射的正常器官組織的體積大[2-3]。1995年Yu[4]第1次提出旋轉容積調強放療(volumetric modulated arc radiotherapy，VMAT)的概念，VMAT技術是通過控制機架的轉速和劑量率來實現(xiàn)劑量的疊加和調整，集旋轉治療和多葉光柵動態(tài)調強治療優(yōu)點的放射治療模式。VMAT是在加速器機架連續(xù)旋轉的過程中利用動態(tài)多葉光柵連續(xù)運動形成一系列子野，并配合通過改變劑量率形成可變的束流來完成的調強放療方式。本文旨在通過對比研究VMAT與IMRT這2種放療方式對肝癌的劑量學影響。

1材料與方法

1.1一般資料選取36例肝癌患者，男20例，女16例；年齡33～86歲，中位年齡53歲；腫瘤個數(shù)為1～5個；靶區(qū)體積112.33 ～2 856.64 cm3，中位靶區(qū)體積982.55 cm3。36例患者均有完整的CT圖像數(shù)據(jù)。

1.2設備模擬定位機購自日本Toshiba公司；16層螺旋大孔徑CT模擬機購自美國GE公司；IX醫(yī)用直線加速器和Eclipse 8.6三維治療計劃系統(tǒng)購自美國Varian公司。其中IX直線加速器攜帶的多葉光柵由60對葉片組成，光柵中心40對葉片每片寬度在等中心位置的投影為5 mm，兩端20對葉片每片寬度在等中心位置的投影為10 mm。葉片最大運動速度為2.5 cm·s-1，為保證機架旋轉的穩(wěn)定和安全，機架旋轉速度設置為每秒4.8度。

1.3CT影像獲取所有病例均采用仰臥位，且雙手上舉，用熱塑成形體膜固定于有孔碳纖維復合板上，并在患者的體表和體膜上做好定位標記。在CT模擬機上進行增強掃描。其中掃描層厚為5 mm，掃描范圍包括隔頂上5 cm到右腎下緣10 cm。掃描后將CT圖像通過ARIA網(wǎng)絡傳至Varian Eclipse 8.6三維治療計劃系統(tǒng)工作站上。

1.4靶區(qū)和危及器官勾畫及劑量要求由放療科醫(yī)生負責勾畫靶區(qū)和危及器官，靶區(qū)包括GTV和PTV，其中PTV由GTV前后、左右外放0.7 cm，上下外放1 cm而成。危及器官為減去PTV的正常肝臟、腎臟、脊髓外擴3 mm。處方劑量均為50 Gy，分次劑量2 Gy，靶區(qū)要求歸一到99%的PTV體積最低受到95%(4 750 cGy)的處方劑量，PTV的最高劑量不超過5 500 cGy。參考文獻[5-11]的方法，觀察并記錄不同放療方案靶區(qū)劑量分布、危及器官受量、正常組織受量、機器跳數(shù)及治療時間等。

1.5計劃設計IMRT計劃均采用5野固定照射，機頭及治療床角度均為0度，多葉光柵運動方式采用滑窗式動態(tài)調強，設置射野角度應盡量避開穿過正常肝臟的體積和其他危及器官。劑量算法均為各向異性解析算法，計算網(wǎng)格為2.5 mm，由于治療床會影響劑量計算結果[9]，所以治療計劃設計均考慮治療床以保證劑量計算準確。將各個患者的計劃進行反復優(yōu)化調整并計算，直至每個計劃均滿足劑量學要求。

VMAT計劃設計采用共面雙弧技術：第1個治療弧的機架從181度順時針方向旋轉到179度，準直器角度為340度；第2個治療弧機架從179度逆時針方向旋轉至181度，準直器角度為20度。準直器形狀應根據(jù)腫瘤大小與形狀自動調整，PTV和危及器官的劑量限定條件與IMRT計劃相同，經(jīng)反復調整優(yōu)化條件并計算，直至計算結果滿足劑量要求為止。

1.6統(tǒng)計學處理采用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)處理，計量數(shù)據(jù)采用±s表示，比較采用Wilcoxon符號秩檢驗和Z檢驗，檢驗水準α=0.05。

2結果

2.1靶區(qū)劑量VMAT計劃的靶區(qū)劑量最大值比IMRT計劃低(Z=2.090，P<0.05)，說明VMAT計劃組能更好地控制劑量熱點。VMAT計劃的90%的處方劑量的適形指數(shù)比IMRT計劃小(Z=2.809，P<0.05)，說明VMAT計劃的適形指數(shù)比IMRT好。見表1。

表1　2種計劃的靶區(qū)劑量學參數(shù)比較

注：2種計劃D2、V100、V105、V110、適形指數(shù)比較，Z=2.090、2.293、2.803、2.010、2.809，P均<0.05

2.2危及器官劑量VMAT計劃的正常肝組織的V30低于IMRT計劃(Z=2.395，P<0.05)。VMAT計劃的正常腎臟組織的V20低于IMRT計劃(Z=2.201，P<0.05)。見表2。

表2　2種計劃的危及器官劑量參數(shù)比較

注：2種計劃正常肝臟組織V30、正常腎臟組織V20比較，Z=2.395、2.201，P均<0.05

2.3機器跳數(shù)和治療時間VMAT計劃機器跳數(shù)是IMRT計劃的約40%，治療時間低于IMRT計劃的50%。見表3。

表3　2種計劃的機器跳數(shù)和治療時間比較

3討論

VMAT應用于臨床以來，國外已經(jīng)報道過頭頸部和體部的病例。Clivio等[12]比較分析了VMAT計劃與IMRT計劃在肛管癌治療中的應用情況，發(fā)現(xiàn)VMAT計劃不改變靶區(qū)劑量分布的情況下危及器官和正常組織受量優(yōu)于IMRT計劃。Cozzi等[7]所做宮頸癌VMAT計劃除了能達到IMRT計劃的靶區(qū)劑量分布外，靶區(qū)的適形度和均勻性更好，而危及器官和正常組織受量反而降低。關于肝癌的VMAT計劃還未見報道。本研究結果顯示，在靶區(qū)劑量分布和靶區(qū)適形度方面，VMAT計劃好于IMRT計劃，但是靶區(qū)的均勻性比較一致。在降低危及器官受量上，VMAT計劃比IMRT計劃略有降低，但是如果要保證某一器官接受最低的劑量，IMRT計劃可以人為設置完全避開野，而VMAT計劃旋轉過程中散射線的影響較大，因而實際治療時可能不如IMRT計劃。與IMRT相比，正常組織的低劑量區(qū)VMAT具有先高后低的趨勢，本研究比較了5～30 Gy的低劑量區(qū)，得出分界點大約在15 Gy。VMAT計劃的機器跳數(shù)是IMRT計劃的約40%，治療時間也明顯減少，使加速器的出束利用率得到顯著提高，同時增加腫瘤細胞殺傷效應，減少患者治療過程中自主或不自主運動造成的誤差，對圖像引導下的治療有重要意義。VMAT綜合了多葉光柵動態(tài)調強和旋轉治療的優(yōu)點，是一種自動優(yōu)化設計的技術[13]。由于VMAT計劃需要優(yōu)化的變量多、求解空間大，射線質可選外，VMAT的實施參數(shù)還包括旋轉弧的數(shù)目、機架轉速、葉片運動速度和峰值劑量率，而IMRT計劃僅僅考慮固定野的機架角度、準直器角度和多葉光柵等。本研究結果顯示，VMAT計劃的優(yōu)化調整時間大約是IMRT計劃的3～7倍，另外VMAT計劃采用直接子野優(yōu)化法[14]，與傳統(tǒng)IMRT優(yōu)化強度分布不同，由于包括加速器物理限制參數(shù)在內的可變優(yōu)化參數(shù)較多，使得子野優(yōu)化過程較復雜，比較耗時。Otto等[15]對子野優(yōu)化算法進行了改良，提高了優(yōu)化效率。而VMAT計劃通常需要使用多弧治療模式，并設置機架旋轉的起始和終止角度、治療床角度、準直器角度、多葉光柵的限制條件、治療計劃的優(yōu)化限制條件等，其計劃設計復雜，有待于進一步改進。

本研究表明，2種計劃劑量分布基本一致，VMAT計劃的適形指數(shù)比IMRT好。在降低危及器官方面兩者各有優(yōu)勢，與IMRT相比，正常組織低劑量區(qū)VMAT計劃具有先高后低的趨勢，VMAT計劃具有較少的總機器跳數(shù)和總治療時間短的優(yōu)勢，這樣就減少了治療過程中不確定性因素影響及患者不適感[16]。而且對加速器的劑量投射而言，VMAT計劃具有更高的效率，推薦使用VMAT。

參考文獻：

[1]Brahme A.Optimization of stationary and moving beam radiation therapy techniques[J].Radiother Oncol,1988,12(2):129-140.

[2]Wang JZ,Li XA,D'Souza WD,et al.Impact of prolonged fraction delivery times on tumor control: a note of caution for intensity-modulated radiation therapy (IMRT) [J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2003,57(2):543-552.

[3]Hall EJ.Intensity-modulated radiation therapy,protons,and the risk of second cancers[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2006,65(1):1-7

[4]Yu CX.Intensity-modulated arc therapy with dynamic multileaf collimation: an alternative to tomotherapy[J].Phys Med Biol,1995,40(9):1435-1449.

[5]Fogliata A,Clivio A,Nicolini G,et al.Intensity modulation with photons for benign intracranial tumours: a planning comparison of volumetric single arc,helical arc and fixed gantry techniques[J].Radiother Oncol,2008,89(3):254-262.

[6]Wu QJ,Yoo S,Kirkpatrick JP,et al.Volumetric arc intensity-modulated therapy for spine body radiotherapy: comparison with static intensity-modulated treatment[J].Int J Radiat Oncol Biol Phys,2009,75(5):1596-1604.

[7]Cozzi L,Dinshaw KA,Shrivastava SK,et al.A treatment planning study comparing volumetric arc modulation with RapidArc and fixed field IMRT for cervix uteri radiotherapy[J].Radiother Oncol,2008,89(2):180-191.

[8]習勉，劉孟忠，鄧小武，等.基于四維CT原發(fā)性肝癌內靶體積的確定及劑量學研究[J].中華放射腫瘤學雜志，2009，18(6)：477-481.

[9]Vanetti E,Nicolini G,Clivio A,et al.The impact of treatment couch modelling on RapidArc[J].Phys Med Biol,2009,54(9):N157- N166.

[10]李軍，張西志，花威，等.胸段食管癌VMAT計劃的劑量學驗證研究[J].中華放射腫瘤學雜志，2014，23(3)：259-261.

[11]Vivekanandan N,Sriram P,Kumar SA,et al.Volumetric modulated arc radiotherapy for esophageal cancer[J].Med Dosim,2012,37(1):108-113.

[12]Clivio A,Fogliata A,Franzetti-Pellanda A,et al.Volumetric-modulated arc radiotherapy for carcinomas of the anal canal: A treatment planning comparison with fixed field IMRT[J].Radiother Oncol,2009,92(1):118-124.

[13]Bortfeld T,Webb S.Single-Arc IMRT? [J].Phys Med Biol,2009,54(1):N9- N 20.

[14]Shepard DM,Earl MA,Li XA,et al.Direct aperture optimization: a turnkey solution for step-and-shoot IMRT[J].Med Phys,2002,29(6):1007-1018.

[15]Otto K.Volumetric modulated arc therapy: IMRT in a single gantry arc[J].Med Phys,2008,35(1):310-317.

[16]李軍，陳雪梅，張西志，等.宮頸癌術后常規(guī)與旋轉容積調強放療計劃劑量學研究[J].中華腫瘤防治雜志，2014，21(14)：1104-1108.

DOI:10.3969/j.issn.1673-5412.2015.05.018

[中圖分類號]R735.7;R730.55

[文獻標識碼]A

[文章編號]1673-5412(2015)05-0421-04

基金項目：江蘇省博士后科研資助計劃項目(編號：1002012C)

作者簡介：孫長江(1972-)，男，主任醫(yī)師，主要從事腫瘤放療工作。E-mail: scjly@aliyun.com

通信作者：李軍(1975-)，男，博士在讀，高級工程師，主要從事腫瘤放射物理學研究。E-mail: lijun19751000@sina.com

(收稿日期：2014-11-30)

Dosimetric Comparison Between VMAT and IMRT for Liver Cancer

Sun Changjiang1,Li Jun1,2,Zhang Xizhi1,Zhang Xianwen1,Gui Longgang1,Chen Xuemei1

(1.RadiotherapyCenter,NorthernJiangsuPeople’sHospital,Yangzhou225001,China;2.Departmentof

NuclearScienceandEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautic,Nanjing210016,China)

[Abstract]ObjectiveTo compare the dosimetric differences of the target volume and the surrounding organ at risk between volumetric modulated arc radiotherapy (VMAT) and fixed field intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans for liver cancer.MethodsThe CT image data of 36 patients with liver cancer were observed,the VMAT plan and the IMRT plan were designed,the target dose distribution of the two plans,organs at risk affected by quantity,normal tissue by volume,the number of machine unit and treatment time of the two plans were compared.

[Key words]liver cancer; volumetric modulated arc radiotherapy; fixed field intensity-modulated radiation therapy; dosimetry