新型“環形”機架加速器在宮頸癌術后盆腔放療的臨床應用研究

楊波，汪之群，李文博，王憶君，張新，吳柱鳳，周宗凱，胡克，張福泉，邱杰

1. 北京協和醫院 放療科，北京 100730；2. 瓦里安醫療設備（中國）有限公司，北京 100176

引言

放射治療在宮頸癌綜合治療中扮演著重要的角色[1-3]，近年來隨著放療設備、治療技術的推陳出新，腫瘤患者的局控率及生存率不斷提高，正常組織并發癥概率逐步降低。Portelance等[4]研究發現，與3D-CRT技術相比，采用固定野調強放療（Intensity Modulated Radiation Therapy，IMRT），高劑量區域的受照體積減少3～10倍。Isohashi等[5]研究結果表明，IMRT技術危及器官受量及毒副反應均明顯降低。

瓦里安Halcyon 1.0“環形”直線加速器是基于Truebeam平臺全新研發的一款機型，射線能量為6 MV-FFF模式，劑量率800 MU/min，多葉準直器采用雙側模式，最大射野28 cm×28 cm，最快運動速度5 cm/s，治療計劃系統采用預裝數據模式，采用全球統一標準。該加速器兼有常規“C”型加速器、CT機及螺旋斷層加速器的特點，具有安裝調試速度快、治療快速精確、圖像引導高度集成及操作流程智能化等優點，適用于開展多種技術，治療全身大部分部位的腫瘤[6-8]。

該機型自2017年商業化以來，已在大部分病種進行了研究，主要研究聚焦于頭頸腫瘤、乳腺癌、前列腺癌及腦轉移瘤等病種[9-14]。而針對婦科腫瘤的研究確很少涉及，尤其是針對Halcyon加速器治療中低穿射、每次圖像引導、快速治療、margin外放等特點。

本研究使用瓦里安Halcyon直線加速器對宮頸癌術后患者進行規范化治療，并對劑量分布、調強驗證、擺位誤差、穿射劑量等結果進行分析，為宮頸癌術后患者精確放射治療提供質量保證。

1 材料與方法

1.1 材料

隨機選擇2019年8月至2020年3月間本院28例宮頸癌術后患者，國際婦產科聯盟分期為ⅠB～ⅡA期、術后病理結果證實為中-低分化鱗癌、有中危因素需接受術后盆腔放療的患者。患者年齡為37～66歲，中位年齡50歲；計劃靶區體積為952.5～646.1 cm3，平均體積1277.2 cm3。

1.2 方法

1.2.1 模擬定位

定位前2 h，排空直腸、膀胱，口服60%的泛影葡胺（500 mL水稀釋）20 mL。患者取仰臥位，熱塑體膜固定，靜脈增強造影，使用Philips Briliance 16排大孔徑CT模擬定位機采集圖像。采集范圍從L1椎體到恥骨聯合下5 cm，掃描層厚0.5 cm。

1.2.2 靶區及危及器官勾畫

首先傳輸CT圖像至Manteia AccuContour系統進行靶區及危及器官自動勾畫，然后再回傳至Varian Eclipse 15.5計劃系統，基于RTOG 0418對靶區進行修改確認。臨床靶區（Clinical Target Volume，CTV）前后、左右方向外放0.6 cm，頭腳方向外放0.8 cm形成計劃靶區（Planning Target Volume，PTV）。危及器官包括膀胱、直腸、小腸、骨髓、馬尾神經、股骨頭。

1.2.3 處方劑量和計劃設計

PTV處方劑量（Prescribed Dose，PD）45 Gy/25次、1.8 Gy/次。要求PD至少包繞95%的PTV，平均劑量Dmean＜104% PD，最大劑量D2%＜107% PD，最小劑量D98%＞9 8% P D。危及器官劑量限值：膀胱D40%≤40 Gy，直腸D40%≤40 Gy，小腸D40%≤30 Gy，骨髓D90%≤18 Gy，馬尾神經D0.1 cc≤25 Gy，股骨頭D5%≤40 Gy。所有計劃設計均采用容積旋轉調強放療（Volume-Modulated Arc Radiotherapy，VMAT）技術，3～4個全弧照射，準直器旋轉±45°，射線能量6 X-FFF，最大劑量率800 MU/min。

1.2.4 計劃評估

使用劑量體積直方圖（Dose-Volume Histogram，DVH）評估靶區和危及器官的劑量分布，PTV評估參數包括：最大劑量D2%、最小劑量D98%、平均劑量Dmean、靶區的均勻性指數（Homogeneity index，HI）、適形度指數（Conformity Index，CI）及劑量跌落指數（Gradient Index，GI）。HI 定義為D2%～D98%/ D50%。將CF 定義為PTV接受處方劑量的體積與PTV體積之比，SF定義為接受處方劑量的PTV體積與接受處方劑量的全身體積之比，故CI 按以下公式計算：CI=CF×SF。GI定義為V50%PD/PTV的比值。危及器官評估參數包括：膀胱、直腸、小腸、骨髓的V20、V30、V40及Dmean和小腸D2cc；股骨頭D5%；馬尾神經D0.1cc；Body的V5及 Dmean。

1.2.5 治療計劃獨立核查

傳輸確認后的計劃至Mobius二次獨立核查驗證系統，使用collapsed cone convolution/superposition算法對計劃重新進行劑量計算，比較、分析不同系統算法三維方向的劑量差異，評估采用3%/3 mm，閾值10%的標準。

1.2.6 患者計劃質量保證

將患者計劃分別移植于固體水、Arccheck和電子射野影像系統（Electronic Portal Imaging Device，EPID）進行點劑量和面劑量驗證，結果分析分別采用Arccheck（2%/2 mm、3%/3 mm，閾值10%），Portal Dosimetry（2%/2 mm，閾值10%）的標準。

1.2.7 圖像引導及劑量傳輸

患者每次治療前，均行MV-CBCT圖像引導，圖像采集后自動進行圖像配準，人工確認后計算空間三個位移大小，左右LAT、前后VRT、頭腳LNG。同時記錄射野數量、MU數量和出束時間。

1.2.8 穿射劑量一致性分析

患者治療中，EPID接受每個治療射野的穿射劑量，設定第一次治療的穿射劑量為基準值，后續單野及合成野穿射劑量與基準值進行比較，分析其因體重變化、器官充盈等因素引入的誤差。分析、評估標準采用2%/2 mm，閾值10%的標準。

1.2.9 統計學處理

所有DVH數據使用描述性數據統計（平均值、中位值、范圍），數據使用MATLAB R2018a統計學軟件分析。

2 結果

28例宮頸癌術后患者治療計劃均滿足臨床治療標準，共有700個分次治療，其中28例計劃中射野數量4ARC共10例，占35.7%，MU平均值為813.950，治療時間平均值為132 s；3ARC共18例，占64.3%，MU平均值為750.478，治療時間平均值為89 s。

2.1 靶區劑量評估

靶區平均DVH、劑量參數分別如圖1和表1所示，最大劑量、最小劑量及平均劑量的平均值分別為47.472 Gy（105.493% PD）、44.630 Gy（99.179% PD）、46.287 Gy（102.861% PD），CI、GI及 HI的平均值分別為 0.992、3.911、1.064，所有患者靶區劑量結果均滿足處方劑量要求。

表1 靶區劑量參數

圖1 靶區及危及器官最大、最小及平均劑量體積直方圖

2.2 危及器官劑量評估

危及器官平均DVH、劑量參數分別如圖1和表2所示，膀胱、直腸V40，小腸V30的體積平均值分別為16.533%、23.318%和11.536%，遠低于劑量限值40%的標準。股骨頭-左和股骨頭-右D5%的平均值分別為33.811 Gy、33.928 Gy，均低于劑量限值40 Gy的標準。

表2 危及器官劑量參數

2.3 治療計劃獨立核查結果

28例患者計劃Mobius 3D獨立核查結果如圖2所示，3D γ平均通過率為99.386%，通過率范圍為98.4%～99.8%。其中通過率為98%～99%的3例，占比10.71%；99%～100%的25例，占比89.29%。

圖2 治療計劃獨立核查結果

2.4 計劃驗證結果

患者計劃面劑量驗證結果如圖3所示，EPID Portal Dosimetry面劑量2%/2 mm 3D γ通過率范圍為94.2%～99.8%，平均值為97.120%。Arccheck 面劑量2%/2 mm、3%/3 mm的3D γ通過率范圍和平均值分別為89.1%～99.4%、97.2%～99.9%；95.560%、99.180%。點劑量偏差結果范圍為-1.637%±0.863%，平均值為-0.117%。

圖3 治療計劃面劑量驗證結果

2.5 圖像引導結果

28例患者，共700個分次的圖像引導被執行，擺位誤差如圖4所示。VRT、LNG、LAT的平均值分別為0.140、0.294、0.200 cm；標準差分別為0.116、0.253和0.159。若采用Stroom的2∑+0.7σ公式計算Margin的大小，其三維方向的大小分別為AP：0.3 cm、SI：0.8 cm、LR：0.5 cm。

圖4 患者擺位誤差

2.6 穿射劑量結果

28例患者合成野穿射劑量一致性結果如圖5所示，采用2%/2 mm的標準進行一致性檢測，所有結果范圍為81.6%～100%，平均值為97.308%。一致性結果在80%～85%、85%～90%、90%～95%、95%～100%的比例分別為0.45%、3.72%、12.50%、83.33%。

圖5 合成野穿射劑量一致性結果

3 討論

針對宮頸癌這種形狀變化較大的靶區，Halcyon 1.0加速器能獲得等同于或優于常規“C”型加速器的復雜劑量分布，劑量要求滿足臨床治療標準。與Li等[15]采用的FFIMRT技術相比，本研究采用VMAT技術，GI、CI和HI均有不同程度的提升，而危及器官受量進一步降低。這與楊波等[16]關于FF-IMRT和VMAT技術研究是一致的。VMAT技術多角度入射以及照射弧數量的增加勢必提升靶區劑量指數，而Halcyon 0.47%的穿射因子進一步降低了危及器官的中低劑量區域的劑量[7]。

治療速度快是Halcyon 1.0加速器區別與常規“C”型加速器的一大特點，800 MU/min的劑量率、2圈/min的機架旋轉速度、5 cm/s的MLC運動速度使得4ARC治療平均時間僅為132 s，與常規“C”型加速器2ARC平均時間150 s、9F IMRT平均時間768 s相比，治療時間明顯縮短，降低了患者內部器官運動錯誤照射的風險，同時進一步提高了患者治療的舒適度[7-8]。

Halcyon 1.0加速器治療計劃設計的兩個限制是最大照射野28 cm×28 cm和1 cm的葉片寬度。長度超過28 cm的長靶區對Halcyon 1.0加速器來講，使用一個等中心點是無法完成計劃設計的，目前的解決方案一般采用“baseplan”方案，但是該方案費時費力、靈活性差。若升級到Halcyon 2.0版本，該問題可以使用一個計劃兩個等中心點同時優化完成，治療總長度可以達36 cm。葉片寬度對計劃質量也是有一定的影響的，Wang等[17]研究表明，采用0.4 cm的葉片，靶區覆蓋度和均一性比1 cm的葉片有較大的提升。為解決Halcyon 1.0加速器葉片較寬的問題，我們一般在計劃設計時旋轉準直器±45°來提高葉片的分辨率，但是需要通過增加照射野和MU的數量進行補償。

Halcyon 1.0加速器每次治療患者前，MV級圖像引導是強制性的，一般采用“High Quality”模式，與傳統的加速器相比，MV級圖像將會對正常組織引入額外的劑量，但是，計劃設計時，Eclipse系統會考慮MV級圖像的劑量貢獻，保證劑量計算的準確性。Li等[18]研究發現，在胸部模體中，“High Quality”模式條件下，不同位置的劑量范圍為6.51～8.45 cGy，而劑量偏差小于0.5%的標準。關于MV級圖像較低分辨率和額外圖像引導劑量的問題，也會隨Halcyon 2.0系統的KV-CBCT和ICBCT的出現得到很好的解決。

在Halcyon 1.0加速器使用的初期，對每一例患者計劃分別使用固體水、Arccheck和EPID進行點劑量和面劑量驗證。點劑量偏差采用3%的標準，使用CC13電離室進行測量；面劑量采用全局歸一、3%/3 mm和2%/2 mm的標準進行分析、評估。對Arccheck采用合成野分析，而EPID采用單野分析。針對合成野和單野分析、評估的問題，AAPM TG 218報告推薦[19]，采用合成野分析更能模擬真實的傳輸狀態，而采用單野分析更容易發現對強度調制的射野的一些隱藏錯誤，所以建議調強初期需對合成野和單野一起分析。另外，基于EPID的患者計劃驗證是非常方便的，越來越被一線的物理師和相關組織所接受，但是其可靠性和穩定性通過需要大量數據進行比對。

Mobius治療計劃獨立核查軟件在該文中主要用于核對同一計劃不同計算模式下的三維劑量差異以及計劃系統的系統錯誤，進一步提高計劃的安全性和治療過程中的準確性。但是治療過程中Log文件及CBCT圖像的分析沒有涉及，這也是將來患者自動質控發展的方向。目前已有多篇文獻報道[20-21]，基于治療計劃獨立核查軟件、Log文件及特定模體來替代患者計劃的質控。與常規計劃系統相比，無論建模的數據量還是系統算法，獨立核查軟件均稍顯平庸，有待于進一步完善。

Halcyon加速器的EPID不僅能應用于患者圖像的采集和配準，也可以用于Portal Dosimetry患者計劃驗證及治療過程中穿射劑量的收集及比對。分次間穿射劑量的一致性可以反應治療過程中體重變化、位置變化及器官充盈等因素帶來的劑量差異，這方面Nailon等[22]也就常規“C”型加速器做了相關的報道。但是目前該技術還有一些技術缺陷需要解決，比如只能把第一分次的穿射劑量作為基準值，而不能通過計劃系統計算穿過人體后預期的劑量分布；另外就是所得到的穿射劑量不能反算至體內，得到實際患者體內每次的劑量分布，為后續的自適應放療做準備。

本文針對靶區及危及器官劑量分布、計劃獨立核查、患者治療計劃治療控制、圖像引導及穿射劑量進行了系統分析。研究表明，Halcyon 1.0新型“環形”機架加速器在宮頸癌術后盆腔放療中能獲得較優的劑量分布和較快的執行效率，基于EPID的分次間劑量檢測能有效發現治療過程中體重及內部器官的變化。由于目前Halcyon還處于1.0的版本，其圖像質量、圖像劑量、長靶區治療均是困擾臨床治療的難點，希望在后續的2.0版本中逐漸解決。

自適應放療是婦科腫瘤發展的終極目標，Enthos加速器是Halcyon加速器的后續研發版本，聚力于自適應臨床應用，采用該技術能夠降低調強放療中擺位誤差、腫瘤退縮、器官運動等因素的影響，提高治療的準確性與精確性。