控制點(diǎn)與弧數(shù)目對宮頸癌放療計(jì)劃劑量學(xué)的影響

馮永富，譚軍文，賀先桃，李 鋼，梁衛(wèi)學(xué)，韋 婷，龍雨松

（廣西醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院腫瘤科放療室，廣西柳州 545005）

0 引言

放射治療在大多數(shù)婦科惡性腫瘤治療中占有重要地位，尤其是宮頸癌和子宮內(nèi)膜癌[1]。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強(qiáng)放射治療（volumetric modulated arc therapy，VMAT）作為一種新型調(diào)強(qiáng)放療方式，其射束可在360°范圍進(jìn)行劑量優(yōu)化[2]。而影響VMAT劑量學(xué)的因素包括弧數(shù)目、控制點(diǎn)間距、最大照射時(shí)間、計(jì)算網(wǎng)格、葉運(yùn)動(dòng)約束與擺位誤差等[3-6]。目前，弧數(shù)目及控制點(diǎn)間距對劑量學(xué)的影響已有相關(guān)研究[7-10]，但結(jié)合弧數(shù)目和控制點(diǎn)的相關(guān)研究少見報(bào)道。本文通過研究宮頸癌VMAT計(jì)劃中弧數(shù)目與控制點(diǎn)的改變對放療計(jì)劃的劑量學(xué)影響，為臨床應(yīng)用提供一定參考。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

選取2017年10月至2018年4月本院接受放療的10例宮頸癌患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）病理確診為宮頸癌；（2）均為首程放療；（3）靶區(qū)與危及器官分布合理，無同步推量；（4）均簽訂放療知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）放療計(jì)劃適形度較差；（2）KPS 評分＜80 分；（3）有放療禁忌證。10例患者年齡為39～56歲，平均年齡49.1歲，均為宮頸癌術(shù)后放療，分期按照FIGO分期標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰa期1例、Ⅰb期4例、Ⅱa期4例、Ⅲb期1例。

1.2 體位固定及靶區(qū)勾畫

患者取仰臥位，雙臂交叉放于額頭，熱塑膜固定體位。CT掃描層厚5 mm，掃描范圍為T10至坐骨結(jié)節(jié)下3 cm。由科室醫(yī)師勾畫亞臨床病灶和預(yù)防照射區(qū)，將上述靶區(qū)分別外擴(kuò)0.5 cm，得到相應(yīng)的計(jì)劃靶區(qū)（planning target volume，PTV），同時(shí)參考 ICRU 83號(hào)報(bào)告勾畫膀胱、直腸、小腸等危及器官。PTV處方劑量為5 040 cGy，分28次進(jìn)行。根據(jù)本單位靶區(qū)勾畫情況，危及器官劑量限值分別為直腸V50（接受50 Gy劑量照射的體積）≤50%、膀胱V50≤50%、小腸 V50≤10%～15%、股骨頭 V50≤5%。

1.3 治療設(shè)備

治療設(shè)備為瓦里安Trilogy加速器，其多葉光柵共60對，中間40對在等中心處投影寬度為每對5 mm，其余均為每對10 mm。加速器采用6 MV X射線、100～600 cGy/min的可變劑量率進(jìn)行治療，多葉光柵速度最大設(shè)為0.45 cm/°。計(jì)劃系統(tǒng)為Raystation 4.7.5.4。

1.4 計(jì)劃設(shè)計(jì)

應(yīng)用VMAT模塊進(jìn)行計(jì)劃設(shè)計(jì)，控制點(diǎn)間距分別取2、3和4°，弧數(shù)目為單弧與雙弧，計(jì)劃分為1F2（控制點(diǎn)間距為2°的單弧計(jì)劃）、1F3（控制點(diǎn)間距為3°的單弧計(jì)劃）、1F4（控制點(diǎn)間距為4°的單弧計(jì)劃）、2F2（控制點(diǎn)間距為 2°的雙弧計(jì)劃）、2F3（控制點(diǎn)間距為3°的雙弧計(jì)劃）和2F4（控制點(diǎn)間距為4°的雙弧計(jì)劃）6組。其對應(yīng)的一個(gè)全弧控制點(diǎn)數(shù)分別為180、120和 90個(gè)。單弧取 179～181°（CCW，逆時(shí)針）；雙弧為方便治療，取 0～179°（CW，順時(shí)針）、179～181°（CCW）和 181～0°（CW）3段弧，即完整的 2個(gè)全弧。當(dāng)機(jī)架轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，準(zhǔn)直器角度取345°，逆時(shí)針則取15°。輔助線均采用自制腳本自動(dòng)勾畫，計(jì)劃優(yōu)化步驟均相同，對劑量分布不合理的計(jì)劃，其所在組均做相同的優(yōu)化處理，使其滿足臨床處方劑量要求。

1.5 計(jì)劃評估

劑量評估指標(biāo)包括靶區(qū)均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）和適形度指數(shù)（conformity index，CI），靶區(qū)近似最小劑量D98%（覆蓋98%PTV體積的最小吸收劑量）[11]、中位劑量D50%（覆蓋50%PTV體積的最小吸收劑量）、近似最大劑量D2%（覆蓋2%PTV體積的最小吸收劑量）、各危及器官接受45和50 Gy劑量照射的體積（V45和 V50）、平均劑量（Dmean）以及各條件下的通過率。HI、CI計(jì)算公式如下：

其中，VPTV，ref為處方劑量覆蓋的靶區(qū)體積；VPTV為靶區(qū)體積；Vref為處方劑量覆蓋的體積。

1.6 劑量驗(yàn)證

采用Octavius 4D驗(yàn)證系統(tǒng)制作驗(yàn)證計(jì)劃，用PTW公司的二維電離室矩陣Octavius Detector 1 500和模體對各個(gè)計(jì)劃進(jìn)行劑量驗(yàn)證。計(jì)算在1 mm/1%、2 mm/2%及3 mm/3%通過標(biāo)準(zhǔn)下的γ通過率。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 劑量體積直方圖（dose volume histograms，DVH）比較

圖1為一名患者的DVH。為方便比較，所有計(jì)劃都將覆蓋99%PTV的體積劑量歸一為處方劑量5 040 cGy。由圖1可以看出，直腸與膀胱劑量線從左到右均為 2F2、2F3、2F4、1F2、1F3 和 1F4，PTV 和正常組織的劑量線與直腸、膀胱類似。右股骨頭受量在3 500 cGy左右時(shí)，劑量線從左到右為1F2、1F3、1F4、2F2、2F3和2F4。左股骨頭在單弧計(jì)劃時(shí)，劑量線從左到右為1F2、1F3、1F4，雙弧計(jì)劃時(shí)2F3較2F2和2F4更靠左。小腸劑量線左右順序隨劑量的變化而變化，但范圍較直腸、膀胱和股骨頭小。

圖1 不同控制點(diǎn)及弧數(shù)目下的DVH圖

2.2 靶區(qū)劑量比較

不同條件下各PTV受照劑量及HI、CI見表1。由表1可看出，1F和2F D2%隨控制點(diǎn)間距的增加而增加，但1F中僅1F3與1F4有顯著差異，2F的D2%均顯著低于1F。D50%變化趨勢與D2%類似，但2F中2F3與2F4之間差異不顯著，2F D50%低于1F，且差異顯著。1F D98%幾乎相同，2F D98%隨控制點(diǎn)間距的增加而減少，且2F4與2F2、2F3之間差異顯著。2F D98%稍大于或等于1F，其中控制點(diǎn)間距為2°時(shí)與控制點(diǎn)間距為3°時(shí)差異顯著，可能是由于PTV劑量歸一到99%，各條件下D98%差異不大。

PTV的HI隨著控制點(diǎn)間距的增加而增加，隨弧數(shù)目的增加而降低，且差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。1F中PTV的CI隨控制點(diǎn)間距的增加而降低，且1F2與1F3、1F4之間差異顯著。2F中PTV的CI變化趨勢則與1F相反，2F4與2F2、2F3之間差異顯著。2F的CI高于1F，且控制點(diǎn)間距為3°時(shí)與控制點(diǎn)間距為4°時(shí)差異顯著。

表1 不同條件下各PTV受照劑量及適形度、均勻性指數(shù)

2F4 的 D2%、D50%和 HI小于 1F2、1F3，2F3 的 D2%、D50%和HI小于1F2，且多數(shù)差異顯著。2F4的CI大于 1F2、1F3，2F3 的 CI大于 1F2。

2.3 危及器官劑量比較

從表2可以看出，各危及器官的V45隨著控制點(diǎn)間距的增加而增加，隨弧數(shù)目的增加而降低。1F中除右股骨頭1F3與1F4外，其余危及器官各控制點(diǎn)間距之間的V45差異顯著。2F中除左股骨頭2F2與2F3外，其余危及器官各控制點(diǎn)間距之間的V45差異顯著。各危及器官1FV45均高于2F，且在對應(yīng)控制點(diǎn)間距時(shí)差異顯著。

表2 各危及器官的V45

從表3可以看出，1F的V50變化趨勢與V45一致，膀胱1F2、1F3、1F4之間差異顯著，直腸、小腸和正常組織1F2與1F3、1F4之間差異顯著，右股骨頭1F2與1F4之間差異顯著。2F中膀胱、直腸、左/右股骨頭V50隨控制點(diǎn)間距的增加稍有改變，但差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。小腸2F4的V50較2F3低，正常組織V50隨控制點(diǎn)間距增加而降低，2F4與2F2、2F3之間差異顯著。與V45類似，1F V50均高于2F，膀胱、直腸和小腸的1F、2F之間差異顯著，正常組織控制點(diǎn)間距為3和4°以及左股骨頭控制點(diǎn)間距為3°的1F和2F之間差異顯著。

表3 各危及器官的V50%

從表4可以看出，1F與2F中，危及器官的Dmean隨控制點(diǎn)間距的增加而增加。1F中，除左股骨頭和小腸的1F3與1F4及右股骨頭的1F2與1F3外，其余危及器官組內(nèi)之間劑量差異顯著。1F控制點(diǎn)間距為2°時(shí)，正常組織、膀胱、小腸、左股骨頭、右股骨頭及直腸的Dmean相較于 3和 4°時(shí)分別低約1.1%、1.1%、1.3%、3.2%、1.8%、1.0%和 1.5%、2.0%、1.4%、4.4%、4.0%、1.6%。2F中除左股骨頭2F2與2F3及右股骨頭2F3與2F4外，其余危及器官組內(nèi)之間劑量差異顯著。2F控制點(diǎn)間距為2°時(shí)，正常組織、膀胱、小腸、左股骨頭、右股骨頭及直腸的Dmean相較于3和4°時(shí)分別低約 0.9%、1.0%、0.7%、0.8%、3.0%、0.8%和 1.6%、1.8%、1.3%、2.6%、3.6%、1.3%。除右股骨頭外，2F危及器官Dmean均比1F低。2F的正常組織、膀胱、小腸、左股骨頭及直腸的Dmean相對于1F分別低約3.0%、3.3%、3.7%、6.2%和1.3%。

表4 各危及器官的DmeanGy

除右股骨頭Dmean外，其余危及器官的V45、V50和Dmean的2F3和2F4低于1F2，2F4低于1F3，且多數(shù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.4 通過率比較

相對于1F，各控制點(diǎn)間距及通過標(biāo)準(zhǔn)下的2F γ通過率稍高，但并無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，各條件下的計(jì)劃平均通過率均高于99%。2 mm/2%和3 mm/3%標(biāo)準(zhǔn)下，各控制點(diǎn)間距的通過率有少許變化但差異不顯著。1 mm/1%標(biāo)準(zhǔn)下，4°控制點(diǎn)間距的通過率比2和3°稍高，但無顯著差異，較小變化的控制點(diǎn)間距對γ通過率無明顯影響。不同弧數(shù)目、控制點(diǎn)間距及通過條件下的γ通過率如圖2所示。

圖2 不同弧數(shù)目、控制點(diǎn)間距及通過條件下的γ通過率

3 討論

VMAT是一種新型的調(diào)強(qiáng)放射治療手段，其在機(jī)架旋轉(zhuǎn)的過程中通過改變劑量率、多葉光柵形狀、機(jī)架速度等來調(diào)節(jié)靶區(qū)劑量分布。計(jì)劃設(shè)計(jì)時(shí)的弧數(shù)目及控制點(diǎn)間隔等參數(shù)設(shè)置對放療劑量分布也有較大影響。本研究設(shè)計(jì)了在控制點(diǎn)間距分別為2、3和4°時(shí)的單、雙弧計(jì)劃，并對其劑量學(xué)進(jìn)行比較，為計(jì)劃設(shè)計(jì)提供一定參考。

結(jié)果顯示，2F靶區(qū)D2%和D50%均比1F小，D98%略高于1F；靶區(qū)均勻性顯著優(yōu)于1F；控制點(diǎn)間距為3和4°時(shí)，2F適形度均優(yōu)于1F；2F在PTV多數(shù)劑量指標(biāo)明顯優(yōu)于1F的情況下，其多數(shù)危及器官受照劑量均明顯更低。有研究發(fā)現(xiàn)：隨著弧數(shù)目的增加，PTV的D2%、D50%逐漸降低，D98%逐漸升高，靶區(qū)均勻性逐漸變優(yōu)，危及器官受照劑量隨弧數(shù)目的增加而減少[12]。另有研究顯示，2F在靶區(qū)劑量均勻性和適形度方面均優(yōu)于 1F，D2%更低，D98%更高[10]，較 1F 更能保護(hù)危及器官[7]。2F增加了弧數(shù)目，就可以在同一個(gè)角度上產(chǎn)生2種不同的通量分布，相較于1F提高了劑量調(diào)制能力，計(jì)劃靶區(qū)劑量分布也更優(yōu)，靶區(qū)周圍的大部分危及器官受量都有所減少[8]。

與調(diào)強(qiáng)放療（intensity modulated radiation therapy，IMRT）類似，VMAT同樣需要設(shè)置子野來優(yōu)化靶區(qū)劑量分布。本研究結(jié)果顯示：控制點(diǎn)間距越?。ㄗ右皵?shù)越多），靶區(qū)D2%和D50%越小，靶區(qū)均勻性越好，危及器官V45、V50和Dmean越低，1F控制點(diǎn)間距越小，適形度越好。劉光波等[9]發(fā)現(xiàn)：隨著控制點(diǎn)的增加，靶區(qū)最大劑量和平均劑量小幅下降，均勻性也隨控制點(diǎn)的增加而增加，危及器官受量也有減少的跡象，與本研究結(jié)果一致。但在制作放療計(jì)劃時(shí)，應(yīng)使多葉準(zhǔn)直器簡單化，控制點(diǎn)的設(shè)置直接影響出束時(shí)葉片走位速度與劑量率，設(shè)置過大會(huì)使多葉光柵走位更加復(fù)雜，勢必影響劑量偏差[13]。

對于1F3，若要達(dá)到更好的劑量學(xué)分布，可通過增加弧數(shù)目或者控制點(diǎn)來進(jìn)行優(yōu)化，即優(yōu)化計(jì)劃為2F3或1F2。對于1F4，則相應(yīng)優(yōu)化的計(jì)劃為2F4、1F2或1F3。本研究顯示，增加弧數(shù)目與增加控制點(diǎn)這兩類計(jì)劃，其優(yōu)化結(jié)果存在差異。

在將覆蓋99%PTV的體積劑量歸一為處方劑量5 040 cGy情況下，對于1F3，增加弧數(shù)目的2F3較增加控制點(diǎn)的 1F2有更低的D2%、D50%、HI和更高的CI。對于1F4，結(jié)果與 1F3類似，即2F4較1F2、1F3有更低的 D2%、D50%、HI和更高的 CI。D2%和 D50%為PTV的近似最大劑量和中位劑量，增加計(jì)劃的弧數(shù)目或控制點(diǎn)均能減少PTV的D2%和D50%，使得靶區(qū)劑量更接近于處方劑量，但增加弧數(shù)目的計(jì)劃較增加控制點(diǎn)的計(jì)劃更明顯。HI為靶區(qū)均勻指數(shù)，HI值越小，靶區(qū)均勻性越好，因此增加弧數(shù)目或控制點(diǎn)均能減小均勻指數(shù)，即靶區(qū)劑量分布更均勻，但增加弧數(shù)目計(jì)劃的HI較增加控制點(diǎn)的更小，即PTV劑量分布更均勻。CI為適形度指數(shù)，CI值在0～1之間，適形度越高CI值越接近1，因此增加弧數(shù)目或控制點(diǎn)均能增加CI，即劑量分布與靶區(qū)更適形，但增加弧數(shù)目計(jì)劃的CI較增加控制點(diǎn)的CI更大，即PTV劑量分布更適形。

危及器官受量方面，對于1F3，增加弧數(shù)目的2F3較增加控制點(diǎn)的1F2有更低的V45、V50和Dmean。對于1F4，結(jié)果與1F3類似，增加弧數(shù)目較增加控制點(diǎn)能更大程度地減少多數(shù)危及器官的受照劑量。

弧數(shù)目的增加在靶區(qū)劑量均勻性和適形度調(diào)制、危及器官保護(hù)等方面優(yōu)于控制點(diǎn)間距的減小。由于目前VMAT收費(fèi)的主要依據(jù)是弧數(shù)目，所以，若在不增加收費(fèi)的同時(shí)提升計(jì)劃質(zhì)量，增加控制點(diǎn)也許是一個(gè)較好的選擇。

有研究發(fā)現(xiàn)：宮頸癌單、雙弧計(jì)劃通過率分別為（98.2±1.5）%與（98.5±1.4）%，雙弧比單弧稍高，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[10]，與本研究結(jié)果類似。賴佳路等[14]發(fā)現(xiàn)γ通過率隨射野間角度間距的增加出現(xiàn)緩慢下降，本文研究的是控制點(diǎn)間距由2°增加到3和4°時(shí)γ通過率的變化，可能由于間隔僅為1°，角度改變很小，導(dǎo)致三者驗(yàn)證通過率的差異不大。雖然增加控制點(diǎn)個(gè)數(shù)能提高計(jì)算精度，但同時(shí)也會(huì)帶來大量的小跳數(shù)子野，可能導(dǎo)致劑量傳遞不精確[15]。

綜上所述，控制點(diǎn)及弧數(shù)目的增加均能降低危及器官受照劑量，提升PTV均勻性及適形度，相較于控制點(diǎn)的增加，弧數(shù)目的增加對靶區(qū)劑量分布更具優(yōu)勢。γ通過率隨弧數(shù)目的增加稍有提高，控制點(diǎn)間距的變化對其影響不大。