個性化容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強準直器角度優(yōu)化在宮頸癌放療中的應(yīng)用

明淑鳳 童光武童肖廣 黃衛(wèi)彬 吳志權(quán)

作者單位：435300 黃岡 湖北省黃岡市蘄春縣人民醫(yī)院1腫瘤科，2腫瘤外科，3骨科

宮頸癌是臨床常見的婦科惡性腫瘤之一，放療是主要的治療手段，其中放療方式主要有調(diào)強放療和容積調(diào)強［1-2］。研究表明，與固定野調(diào)強（fixed-field intensity-modulated radiotherapy，F(xiàn)F-IMRT）相比，容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強（volumetric modulated arc therapy，VMAT）具有機器跳數(shù)（machine unit，MU）利用率高、照射時間短、靶區(qū)適形度和均勻性好等特點［3-4］。因此，VMAT已在宮頸癌等多種腫瘤放射治療中得到廣泛應(yīng)用［5-6］。由于目前商業(yè)計劃系統(tǒng)還不允許多葉準直器（multi-leaf collimator，MLC）角度優(yōu)化，因此在VMAT優(yōu)化過程中，MLC角度主要由人工基于靶區(qū)大小和形狀，結(jié)合經(jīng)驗進行設(shè)定并在整個弧中固定不變，其中在宮頸癌VMAT計劃中的MLC角度大多數(shù)設(shè)置在20°左右［7-9］。本研究擬設(shè)計一種宮頸癌個性化的VMAT準直器角度優(yōu)化方法，根據(jù)靶區(qū)投影形狀將全弧分成3個段弧，計算每段弧的最優(yōu)長度和準直器角度并設(shè)計VMATapt計劃，同時與傳統(tǒng)固定準直器角度 20°的VMAT20計劃比較，以期為臨床宮頸癌VMAT計劃設(shè)計提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2016年10月到2017年2月本院收治的早期宮頸癌術(shù)后輔助治療患者。納入標準：⑴經(jīng)病理證實為宮頸鱗狀細胞癌，且僅有1個病灶；⑵FIGO分期為ⅡB～ⅣA期；⑶行廣泛子宮切除術(shù)+盆腔淋巴結(jié)清掃術(shù)；⑷首次接受放射治療。排除標準：有智力或認知障礙、精神疾病患者；合并其他腫瘤者。本研究最終共納入10例患者，年齡43～60歲，中位年齡為53歲。

1.2 方法

1.2.1 靶區(qū)勾畫 患者取仰臥位，真空墊固定體位，大孔徑CT模擬定位，掃描電壓為120 kV，層厚為3 mm。按照RTOG宮頸癌術(shù)后放療靶區(qū)共識和ICRU50號報告要求勾畫靶區(qū)，臨床靶區(qū)（clinical target volume，CTV）包括術(shù)前腫瘤床及以下的淋巴引流區(qū)域，包括第4腰椎以下髂總、髂內(nèi)、髂外、閉孔、宮旁、宮頸旁及第5腰椎至第3骶椎的骶前淋巴結(jié)。宮頸癌術(shù)后盆腔CTV包括陰道上段1/2及殘端、陰道旁軟組織和盆腔淋巴引流區(qū)域（包括髂總、髂外、髂內(nèi)、閉孔及骶前淋巴結(jié)區(qū)），范圍為上界達第L4～5腰椎間、下界達閉孔下緣水平。CTV在三維方向上均勻外擴0.7 cm生成計劃靶區(qū)（planning target volume，PTV）。本研究PTV 體積為 880.6～1 237.7 cm3，平均體積為 1 099.3 cm3，同時勾畫膀胱、直腸、小腸、骨盆、左右股骨頭等危及器官。靶區(qū)外低劑量區(qū)域（PTV+2cm）定義為患者皮膚外輪廓減去PTV外擴2 cm后的區(qū)域。

1.2.2 VMAT弧度范圍和準直器角度優(yōu)化方法 采用EclipseTM13.5治療計劃系統(tǒng)，將患者CT計劃圖像和勾畫結(jié)構(gòu)（structure，Str）以DICOM文件格式導出，并基于MATLAB自編程重建靶區(qū)三維，計算最優(yōu)準直器角度，具體公式和圖解思路如下：⑴導出DICOM CT和Str文件，基于MATLAB 2017b進行三維PTV重建。⑵從179°到181°等中心旋轉(zhuǎn)計算機架一周，每5°生成一副射野方向觀（beam eyes view，BEV）下的PTV 影像 Sn（n=1，2，3，…，73），共 73 張。⑶將 360°全弧分為Arc1、Arc2和Arc3共3段弧，計劃系統(tǒng)最小優(yōu)化弧長為 30°，因此每段弧范圍為 30°～300°。根據(jù)生成的Sn影像，每段弧長均設(shè)置為5°的倍數(shù)，通過排列組合計算共有1 540種分割方案。⑷分別計算第i（i=1，2，3，…，1 540）種分割方案中Arc1i、Arc2i和Arc3i3段弧內(nèi)各自所有的Sn影像并集，同時分別加和為U1i、U2i和U3i。⑸根據(jù)最小面積法分別計算U1i、U2i和 U3i的最優(yōu)準直器角度 Coll1i、Coll2i和Coll3i及其相對應(yīng)的X,Y鎢門范圍（構(gòu)成Jaw_xy1i、Jaw_xy2i和Jaw_xy3i）。⑹將Jaw_xy1i與本段弧內(nèi)的所有角度靶區(qū)BEV投影Sn取差集，作為漏射面積△Sn；對△Sn面積求和為△S1i，并定義為第i種分割第1段弧內(nèi)的總漏射面積。⑺重復⑷～⑹步驟，計算第i種情況其余2段弧的總漏射面積△S2i和△S3i，并求和得到第i種分割的總漏射面積△Si。⑻取所有分割方案中最小的△Si，并定義其Arc1i、Arc2i和Arc3i及對應(yīng)的Coll1i、Coll2i和Coll3i為最優(yōu)段弧范圍和段弧準直器角度。

1.2.3 VMAT計劃設(shè)計 采用Varian Eclipse 13.5計劃系統(tǒng)（Varian 23IX型加速器，配備60對MLC葉片，射束為6 MV光子線），10例宮頸癌患者分別設(shè)計VMATapt和VMAT20計劃。VMATapt計劃采用“1.2.2 VMAT弧度范圍和準直器角度優(yōu)化方法”計算的3段段弧范圍、準直器角度和鎢門范圍，構(gòu)成一段逆時針全弧，然后復制生成另一段順時針全弧。VMAT20計劃設(shè)計2段全弧，準直器角度為20°，鎢門范圍為包含所有機架角度BEV下的PTV投影。兩種計劃采用相同的優(yōu)化條件優(yōu)化2次，第2次優(yōu)化為基于第1次優(yōu)化的再優(yōu)化。劑量計算方法采用3A算法，劑量網(wǎng)格設(shè)置為2.5 mm；數(shù)據(jù)計算采用MATLAB。處方劑量為50.4 Gy/28 F，所有計劃均要求達到95%PTV體積接受100%的處方劑量照射。危及器官劑量限制：小腸最大劑量（Dmax）＜54 Gy；直腸 Dmax＜54 Gy，平均劑量（Dmean）＜39 Gy；骨盆 V10＜90%、V30＜50%；左股骨頭V30＜15%；右股骨頭V30＜15%。V10和V30分別表示劑量超過10 Gy和10 Gy的體積占整個器官體積的百分比。

1.3 計劃參數(shù)評估

采用劑量體積直方圖（dose volume histogram，DVH）評估兩種計劃靶區(qū)的劑量學指標，包括98%的靶區(qū)劑量 D98、D95、D2、D1，均勻性指數(shù)（homogeneity index，HI）和適形指數(shù)（conformal index，CI）。D98、D95、D2和D1分別表示在DVH中98%、95%、2%和1%體積所對應(yīng)的劑量。HI計算公式：HI=（D2-D98）/D50，HI越低，代表劑量分布越均勻。CI計算公式：CI=95%處方劑量線所包繞的靶區(qū)體積2/（95%處方劑量線所包繞的所有體積×PTV），CI值越接近1，代表95%處方劑量線與靶區(qū)的一致性越高。同時比較危及器官劑量參數(shù)，包括小腸、直腸的Dmax和Dmean，骨盆的V10和V30，左右股骨頭的V30等；總機器跳數(shù)（monitor units，MUs）；平均塢門面積；PTV+2cm的平均劑量［10］。

1.4 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料以均數(shù)±標準差（±s）表示，兩組計劃比較采用配對t檢驗。以雙側(cè)P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 10例宮頸癌患者的最優(yōu)準直器角度和平均鎢門面積

根據(jù)MLC角度優(yōu)化方法計算出VMATapt計劃的3段弧弧長及其對應(yīng)的最優(yōu)MLC角度，見表1。VMATapt計劃的鎢門面積為17.4～19.5 cm2，平均鎢門面積為（18.5±0.7）cm2；VMAT20計劃的鎢門面積為 19.0～22.2 cm2，平均鎢門面積為（20.2±0.9）cm2；兩種計劃的平均鎢門面積比較，差異有統(tǒng)計學意義（t=8.392，P＜0.001）。

表1 10例宮頸癌患者VMATapt計劃的弧長及其對應(yīng)的最優(yōu)MLC角度Tab.1 The arc lengths of the VMATapt plan in 10 patients with cervical cancer and their corresponding optimal MLC angles

2.2 兩種計劃劑量學參數(shù)比較

10例患者的VMATapt和VMAT20計劃靶區(qū)劑量均能滿足臨床劑量學要求，兩種計劃的劑量學參數(shù)比較見表2。VMATapt計劃靶區(qū)HI優(yōu)于VMAT20計劃［（0.05±0.02）vs（0.06±0.01），t=5.232，P=0.001］，但兩種計劃的PTV參數(shù)、危及器官參數(shù)、CI比較差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。VMATapt計劃的MUs較VMAT20計劃減少13.5%，兩者比較差異有統(tǒng)計學意義（P=0.033）。VMATapt計劃PTV+2cm區(qū)域劑量優(yōu)于VMAT20計劃，差異有統(tǒng)計學意義（P=0.023）。

3 討論

MLC角度是計劃優(yōu)化中的一個重要參數(shù)，通過MLC角度優(yōu)化，可使MLC葉片與靶區(qū)輪廓更適形，減少漏射劑量［10-11］?，F(xiàn)階段的調(diào)強放療技術(shù)是通過MLC葉片運動調(diào)制靶區(qū)劑量，在機架旋轉(zhuǎn)過程中，若MLC角度能根據(jù)靶區(qū)和危及器官位置動態(tài)改變，可能提高計劃質(zhì)量［7］。有研究表明，在VMAT計劃中根據(jù)靶區(qū)投影與危及器官的位置關(guān)系設(shè)定MLC角度能得到更優(yōu)的劑量分布［9-13］。此外，XIE 等［14］研究認為VMAT計劃的塢門范圍在一定程度內(nèi)減小，同時保證MLC運動方向與靶區(qū)的長軸準直，可有效降低MLC葉片運動距離，減少MU、漏射劑量和靶區(qū)外低劑量。本研究采用個性化的VMAT準直器角度優(yōu)化方法并設(shè)計宮頸癌患者VMATapt計劃，與傳統(tǒng)固定準直器角度20°的VMAT20計劃相比，VMATapt計劃的塢門面積明顯減小，在滿足靶區(qū)基本劑量學指標D2、D1、D95和D98的同時降低了MUs和靶區(qū)外低劑量區(qū)PTV+2cm的劑量；在危及器官的保護上，VMATapt計劃與VMAT20計劃相當，與上述文獻報道一致，說明個性化的VMAT準直器角度優(yōu)化方法可應(yīng)用于宮頸癌VMAT設(shè)計。HI和CI是評估放療計劃的重要指標，HI指數(shù)越高說明靶區(qū)劑量越均勻；CI指數(shù)越高則表明劑量與靶區(qū)更適形，靶區(qū)外劑量降低［15］。本研究結(jié)果顯示，VMATapt計劃的靶區(qū)HI明顯優(yōu)于VMAT20計劃，可能得益于VMATapt計劃根據(jù)靶區(qū)形狀將全弧分成3個段弧并對每個段弧進行MLC角度優(yōu)化，相當于一個全弧有3種MLC角度，使同一層面的劑量有更多的葉片參與調(diào)制，從而顯著增加靶區(qū)的HI指數(shù)。本研究中兩種計劃的靶區(qū)CI并無明顯差異，推測可能與VMATapt計劃根據(jù)最小面積計算的塢門面積和準直器角度未使用MLC葉片對靶區(qū)外輪廓進行適形有關(guān)。

表2VMATapt和VMAT20計劃劑量學參數(shù)比較（±s）Tab.2 Comparison of the dosimetric parameters between VMATapt and VMAT20 plans（±s）

表2VMATapt和VMAT20計劃劑量學參數(shù)比較（±s）Tab.2 Comparison of the dosimetric parameters between VMATapt and VMAT20 plans（±s）

Structure VMAT20 VMATapt t p PTV 50.4（cGy）D1 5262.6 ±73.62 5309.62±60.93 -1.843 0.162 D2 5286.45±59.75 5300.32±59.72 -1.646 0.183 D98 4995.89±32.36 4997.86±53.73 -1.023 0.819 D95 5044.32±11.12 5057.54±28.48 -1.327 0.246 HI 0.06±0.01 0.05±0.02 5.232 0.001 CI 0.85±0.03 0.85±0.03 -1.659 0.313 Intestine（cGy）Dmax 4952.86±30.67 4985.45±32.65 -1.702 0.343 Dmean 2653.78±75.00 2649.43±77.76 1.569 0.194 Rectum（cGy）Dmax 4808.34 ±40.72 4814.35±40.41 -1.032 0.758 Dmean 3759.23±27.92 3800.65±31.98 -1.297 0.623 Left femoral head16.56±3.43 16.52±2.28 1.178 0.934 V30（%） Right femoral head18.76±3.21 16.78±3.79 -1.347 0.249 V30（%） Pelvis（%）V10 87.86±5.47 88.09±5.39 -1.353 0.236 V30 54.81±8.08 55.03±6.51 -1.076 0.793 MUs 465.65±24.52 402.55±29.02 2.307 0.033 PTV+2 cm（cGy） 1694.43±32.59 1583.69±36.22 2.956 0.023

有研究發(fā)現(xiàn)，靶區(qū)外的劑量有誘發(fā)二次腫瘤的風險［16-17］，而VMAT計劃與FF-IMRT計劃、三維適形計劃相比，在一定程度上增加了靶區(qū)外的低劑量區(qū)域范圍［18］。因此，如何降低VMAT計劃靶區(qū)外劑量，對提高VMAT計劃質(zhì)量有重要意義。本研究采用個性化VMAT準直器角度優(yōu)化方法所設(shè)計的VMATapt計劃，與傳統(tǒng)固定準直器角度的VMAT20計劃相比，能夠顯著降低靶區(qū)外PTV+2cm區(qū)域劑量，可能有助于降低二次腫瘤發(fā)生風險，有關(guān)方面值得進一步深入研究。

AHN 等［13］研究將全弧分成 40°～90°若干段弧，發(fā)現(xiàn)段弧弧長越?。偠位?shù)量越多），總MUs降低越顯著，在腹部、頭頸、胸部段弧長為40°（共9段?。┑挠媱澲蠱U分別降低32.5%、38.1%和31.5%。KIM等［9］在設(shè)計腦部不規(guī)則靶區(qū)VMAT計劃時，將全弧分成多個固定長度的分段弧并對每段弧準直器角度進行優(yōu)化，結(jié)果亦發(fā)現(xiàn)分段弧計劃能更好地保護部分危及器官和顯著降低MU。此外，ZHANG等［12］提出一種準直器軌跡優(yōu)化算法，根據(jù)不同機架角度BEV下靶區(qū)和脊髓的位置關(guān)系調(diào)整MLC角度，使葉片運動方向與脊髓平行，該方法設(shè)計的計劃較固定準直器角度的VMAT計劃可降低危及器官脊髓的受照射劑量。本研究采用個性化的VMAT準直器角度優(yōu)化方法，根據(jù)靶區(qū)投影形狀將全弧分成3個段弧，計算每段弧的最優(yōu)長度和準直器角度并設(shè)計VMATapt計劃，與VMAT20計劃相比，MUs降低了13.5%，降低幅度小于AHN等［13］報道的結(jié)果，分析原因可能是VMATapt計劃的每段弧長平均為120°，顯著大于AHN等［13］報道的段弧長度40°，造成VMATapt計劃的降低幅度較小。

本研究在VMATapt計劃中還發(fā)現(xiàn)，10例患者的3 段弧長均值分別為 160°、70.5°、129.5°，對于大部分宮頸癌術(shù)后放療患者，如采取3段弧形式，可按此分段范圍進行分段。MLC角度除第1，3，6，8編號患者的部分弧為 90°外，其余均在 0°，20°，340°左右，尤其是第三段弧的MLC角度均約為340°。對MLC角度為90°的患者進行分析，發(fā)現(xiàn)此類患者體型較胖，宮旁淋巴結(jié)橫向徑較靶區(qū)上下界長，將其MLC角度設(shè)為90°，能減少MLC葉片運動距離，提高調(diào)制精度，因此使用時需加以注意。

綜上所述，采用個性化VMAT準直器角度優(yōu)化方法所設(shè)計的VMATapt計劃，能夠滿足宮頸癌患者臨床處方劑量要求，與VMAT20計劃比較，能夠提高均勻指數(shù)，降低機器跳數(shù)和靶區(qū)外PTV+2cm區(qū)域劑量，且可能有助于降低二次腫瘤發(fā)生風險，臨床上值得推廣應(yīng)用。