MONACO放療計劃系統VMAT計劃照射野Arc數目對治療計劃影響的比較分析

薛濤，何曉陽，孫云川，劉光波，王斌，劉志坤，閆慧娟，周麗霞，王珮燁

1. 河北省滄州中西醫結合醫院 放射物理治療科，河北 滄州 061000；2. 滄州市人民醫院醫專院區 腎內泌尿科，河北 滄州 061000

引言

容積旋轉調強（Volumetric-Modulated Arc Therapy，VMAT）是調強放療的一種，它是在出束過程中通過機架的旋轉、準直器和MLC 的運動，再與劑量率的變化相結合完成放射治療的一種技術。VMAT 技術已被證明是在實現靶區覆蓋率的情況下，減少實施時間的有效方法[1-3]，并且在多項臨床研究中，通過與IMRT 和三維適形技術相比，顯著降低了危及器官（Organs at Risk，OARs）的受照劑量[4-5]。在許多情況下，VMAT 技術比IMRT 有更好的劑量學優勢。已有研究表明，在VMAT 計劃中使用多個弧的情況下會使得靶區有著更好的靶區覆蓋和劑量均勻性，但代價是出現面積更大的低劑量區域、更多的MU 數以及更長的計劃執行時間[6]。

MONACO TPS V5.11.00 版本中的“Arc-per-beam”參數設置中可以對每個照射野進行多個Arc 設定，雖然在實現方式上不同于其他TPS，但是通過TPS 自身的優化參數設置可以保證治療計劃最優化。該參數能夠使在計劃優化的過程中，在固定的準直器角度下，機架先以順時針/逆時針方向旋轉的過程中完成第一個Arc 的輻射劑量輸出，然后再以反方向完成下一個Arc 劑量輸出，期間不停止輻射劑量的輸出[7]。在此項研究中，我們選取了32 例宮頸癌患者對在計劃優化時使用一個射野2 個Arc（2APB）的參數優化計劃和與已執行的使用兩個射野每個射野1 個Arc（1APB）的參數優化計劃進行了回顧性比較分析，為使用MONACO TPS 設計VAMT 治療計劃提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取2018 年1 月至2018 年8 月在河北省滄州中西醫結合醫院放射物理治療科治療的32 例宮頸癌患者，進行了回顧性分析。

1.2 計劃設計

對32 例患者進行了回顧性分析。參考的已治療的臨床計劃全部為每個計劃2 個射野，每個射野1 個Arc，Arc 旋轉角度為360°（179°～181°）全弧照射。在保持原有約束條件不變的情況下，將射野參數設置為1 個射野，每個射野2 個Arc，Arc 旋轉角度同樣為360°（179°～181°）全弧照射。在MONACO 計劃系統的“Arc-per-beam”的參數設置為1～4，有報道指出對常規的VAMT 調強計劃，兩個Arc均能滿足臨床要求[8]，故在此研究中對其參數設置為“2”。

1.3 計劃參數評估

所有計劃均采用劑量體積直方圖（Dose Volume Histogram，DVH）進行評估。靶區的評價指標包括：適形指數（Conformity Index，CI）、均勻指數（Homogeneity Index，HI）。HI=（D2%-D98%）/D50%，HI 值越接近0，表示均勻性越好。DX%表示X%的靶區體積受到照射的最低劑量。CI=（VTref/VT）×（VTref/Vref），CI 值越接近1，表示適行度越好。VTref為95%參考等劑量曲線包繞的靶區體積，VT 為靶區體積，Vref為處方劑量所包繞的所有區域的體積。危及器官的評價指標包括：膀胱的V50，直腸的V50，小腸的Dmax，骨盆的V30以及股骨頭的V5，并且對各個計劃的控制點數（Control Point，CP）和機器跳數（Monitor Units，MU）進行統計。

1.4 計劃劑量驗證

將每個患者的兩個治療計劃分別進行了劑量驗證。將QA 計劃導出至Elekta Synergy 直線加速器執行，由Delta4三維驗證設備（ScandiDos，瑞典）采集劑量輸出數據并分析。并對計劃執行時間進行記錄，劑量比較采用γ 分析方法，設置γ 分析標準為3%/3 mm[9-10]，同時將通過率標準提高到2%/2 mm 重新分析。

1.5 統計學分析

采用SPSS 20.0 統計軟件，對各參數進行配對樣本t 檢驗，為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 靶區和危及器官參數

靶區劑量方面，通過進行劑量歸一，保證靶區100% 體積接受95% 處方劑量的標準下，兩種計劃靶區的HI 指數和CI 指數相比，均值相近差異無統計學意義，具體數值如表1 所示。危及器官的受照劑量均值同樣相近，差異無統計學意義，具體數值如表2 所示。

表1 兩種靶區劑量分布參數比較

表2 兩種計劃危及器官受照劑量比較

2.2 計劃執行參數

2APB 計劃與1APB 計劃相比的CP 數與MU 數顯著減少，差異具有統計學意義。通過統計計劃的執行時間，發現與1APB 計劃相比，2APB 計劃的實施時間縮短了約26%，差異具有統計學意義。具體結果，見表3。

2.3 計劃劑量驗證通過率

將每個患者的兩個治療計劃分別進行了劑量驗證，并交付到Delta4 三維驗證設備（ScandiDos，瑞典）進行劑量輸出分析。通過γ 方法，對3%/3 mm，2%/2 mm 兩種標準進行分析。比較1APB 計劃和2APB 計劃的劑量驗證通過率，差異無統計學意義。具體結果，見表4。

表3 兩種計劃執行參數與劑量驗證通過率比較

表4 兩種計劃劑量驗證通過率比較

3 討論

由于VAMT 能在較少的出束時間下，獲得較高適形度的劑量分布，因此VAMT 已經在臨床上得到廣泛的應用[11-12]。醫科達MONACO 治療計劃系統采用目前放療物理中最精確地蒙特卡洛（Monte Carlo）劑量計算算法，其在極限條件的劑量計算精度優于各項異性、卷積迭代等算法，因此可以進一步提高非均質組織中劑量分布計算的準確性[13-15]。本研究在MONACO TPS V5.11.00 版本中，對宮頸癌腫瘤患者的單野單弧和單野多弧的VMAT 計劃進行了比較。已有類似的研究發現，2-Arc 計劃實現了更好的劑量分布，且使靶區得到更高的處方劑量覆蓋，劑量熱點更低，與1-Arc 計劃和IMRT 計劃相比有著更好的適形性和劑量均勻性，同時在實施效率上有著顯著的優勢[16-17]。本研究的對比結果顯示，雖然在2APB 計劃（一個射野）與1APB 計劃（二個射野）在劑量分布方面并沒有顯著優勢，但是CP 數與MU 數顯著減少，原因在于MONACO TPS在進行2APB 計劃優化時是采用通過Y 軸中心為分割線對輪廓進行優化，通過子野形狀顯示，算法的優化以不同的方式來進行優化處理，第一個Arc 的優化方向主要集中在患者治療體位的X1 方向，第二個Arc 的優化集中在患者治療體位的X2 方向，因此優化過程具有更多自由度的分段形狀和整體權重中來完成。由此可以縮短每個患者的治療時間，從而使每天相同的工作時間內增加臨床治療患者的數量。此外，就患者的治療過程而言，由于無法控制患者身體的不自主移動和器官的運動，因此減少計劃的執行時間是有利的，由于MU 數明顯減少，從而進一步降低了機頭的散射線數量，因此在理論上降低了2 次致癌概率[10]。且在2APB 計劃實施過程中，兩個Arc 之間的停留時間為零，因此在計劃執行和計劃劑量驗證的過程中，2APB 計劃就可以減掉已采集的相關數據保存、重新啟動第二射束和重新啟動QA 軟件所需的時間。與1APB 計劃交付及處理相比，2APB 計劃處理的總體交付時間在這種情況下減少了大約25%。此前已有報道在使用其他的治療計劃系統在進行計劃計算時，通過對多個Arc 進行整合輸出可提高執行效率[18]。因此，這樣在有效地減少加速器的工作的執行時間，從而對加速器起到了保護的作用，同時也減少了物理師對治療計劃的進行QA 驗證的工作時間，從而提高了工作效率。

此外，在對兩種計劃的劑量驗證通過率比較后，我們發現沒有出現2APB 計劃質量低于1APB 計劃的情況。且通過劑量γ 驗證分析，劑量驗證通過率能夠滿足臨床標準。綜上所述，兩種計劃相比從劑量學方面都能較好的滿足臨床要求，但是在計劃的執行方面，2APB 計劃在保證劑量輸出通過率的前提下，較1APB 計劃明顯減少了計劃的執行時間，從而在減少治療機損耗的同時提升了整體的工作效率。