Monaco計劃系統不同通量平滑方式對直腸癌術后容積旋轉調強放射治療計劃影響的分析

葛 雙，王 尋，郗會珍，馬 俊，葉書成,陳長建，陳其超，馬守印，徐 寧

(1.濟寧醫學院附屬醫院，山東 濟寧 272001 2.山東省濟寧市腫瘤醫院放療科，山東 濟寧 272007)

直腸癌是我國發病率前10位的惡性腫瘤之一，也是常見的盆腔部位腫瘤[1]，嚴重威脅人們生命健康。由于直腸癌發病部位特殊，腫瘤體積較大，單純手術治療，局部復發率高，需聯合放射治療行全盆腔輔助照射[2]。直腸癌放射治療需考慮其解剖結構的復雜性，腫瘤位置較低，形狀不規則，周圍緊鄰膀胱、腸道和股骨頭，為降低危及器官(OAR)并發癥的發生率，對靶區適形性和均勻性有更高的要求。容積旋轉調強放射治療(VMAT)技術相對傳統的固定機架調強放射治療(IMRT)技術有更多的調制因素，機架旋轉的同時，可實時調節MLC葉片、機架旋轉速度以及劑量率的大小，實現輻射束的多維度調節，在獲得更好靶區適形度，降低OAR受照劑量的同時，還能有效減少機器跳數(MU)和治療時間，提高計劃執行效率[3,4]，在直腸癌術后放射治療中擁有明顯優勢。蒙特卡羅(MC)算法是均勻物質或非均勻物質進行劑量計算最精確的劑量算法[5]。Monaco計劃系統(treatment planning system，TPS)的劑量算法采用的是快速蒙特卡羅(XVMC)算法，優化算法包括物理約束函數和生物約束函數[6]。在VMAT計劃設計方面，許多研究者[7～9]針對Monaco TPS提供的多種優化參數(比如不確定度、最小子野、Arc弧數等)做了大量的劑量學研究，但關于通量平滑方式對盆腔深部大體積腫瘤的劑量影響方面，還未有相關文獻參考。本文基于Monaco5.11計劃系統，研究FSH、FSM和FSL 3種不同通量平滑方式在直腸癌術后患者VMAT計劃設計中的劑量學差異、計劃驗證通過率和執行效率，來綜合評估放射治療計劃質量，為臨床提供參考。

1 材料與方法

1.1影像學資料:從2019年12月到2020年5月在我院放療中心接受過放射治療的直腸癌術后病例中隨機選取16例患者的影像學資料，其中女性10例，男性6例，年齡33～86歲(中位年齡59歲)，病理類型均為腺癌，病理分期ⅡA 4例、ⅡB 3例、ⅢA 2例、ⅢB 6例和ⅢC 1例，均行同步放化療。CT模擬定位1h前，患者排空腸道，飲水800～1000mL充盈膀胱；采取熱塑膜配合碳纖維束體架仰臥位固定；通過Brilliance大孔徑CT模擬定位機(荷蘭飛利浦公司)行強化CT掃描，層厚5mm，掃描范圍上界自膈頂水平，下界至股骨上中1/3段，采集的影像傳輸到Monaco 5.11 TPS(瑞典醫科達公司)。

1.2靶區、OAR勾畫及劑量限值:由同1名經驗豐富的腫瘤放療醫師對16例直腸癌患者行臨床靶區(clinicaltarget volume，CTV)和OAR的勾畫與確認。計劃靶區(planning target volume，PTV)由CTV左右、腹部方向外擴0.7～1cm，頭腳方向外擴1cm，體積大小為657.2～1463.8cm3(平均體積1201.3 cm3)。OAR包括腸道、膀胱、右側股骨頭和右側股骨頭，其臨床劑量限值要求為：腸道V30<190cm3，V40<150cm3；膀胱V40<50%；股骨頭V20<30%，D2%<5000cGy。

1.3VMAT計劃設計:靶區處方劑量為45Gy，分25次照射。采用Monaco5.11 TPS系統的MC算法及擁有80對AgilityTM多葉光柵(MLC)的VersaHD加速器模型對每個病例采用3種通量平滑方式(High，Medium和Low)分別設計3組單中心雙弧VMAT計劃，即FSH組、FSM組和FSL組。3組計劃均采用相同的劑量約束條件和物理優化參數進行優化和計算，結果以處方量滿足PTV95%的體積進行劑量歸一。其中物理優化和計算的參數設置見表1。

表1 直腸癌VMAT計劃物理優化和計算參數

1.4劑量學評估：通過劑量—體積直方圖(dose-volume histogram，DVH)來評估靶區的適形指數(conformity index，CI)、均勻性指數(homogeneity index，HI)、劑量梯度(dose gradient index，GI)、劑量參數、MU、控制點數(CP)，以及腸道、膀胱、雙側股骨頭的各項劑量-體積參數(V5、V10、V20、V30和V40，表示xGy劑量覆蓋的體積)。CI=(VT,ref)2/(VT*Vref)，式中VT,ref為處方劑量線包括的靶區體積，T為靶區體積，Vref為處方劑量線包括的全部體積，0

1.5劑量驗證:劑量驗證均采用Matrixx(瑞典IBA公司)二維矩陣探測器在醫科達VersaHD加速器上測量。MatriXX探測器由1020個空腔電離室組成，相鄰探測中心的距離為0.76 cm，可探測面積為24cm×24 cm。為保證每次測量的一致性，排除設備因素的干擾，開始測量前需對Matrixx進行校準。采集到的數據直接傳輸到MyQA系統作二維平面γ通過率(gamma passing rate，GRP)的分析，分析標準分別為3mm/3%、2mm/2%和1mm/1%。測量時，記錄MOSAIQ出束時間為T/min。

2 結 果

2.1靶區劑量學參數:三組計劃靶區的Dmean、D2%和HI等參數結果相近，差異無統計學意義(P>0.05)，FSM的Dmin、Dmax和D98%較FSH增加2.58%、0.57%和0.30%，差異有統計學意義(P<0.05)，FSL的Dmin和D98%較FSH增加2.84%和0.41%，差異有統計學意義(P<0.05)；FSL的CI均較FSM和FSH增加2.20%和3.17%，差異有統計學意義(P<0.05)，FSM略大于FSH，差異無有統計學意義(P>0.05)，可見FSL靶區適形性要明顯好于FSM和FSH；而FSH的GI均較FSM和FSL增加2.0%和1.75%(P<0.05)，FSM與FSL接近，差異無統計學意義(P>0.05)，可見FSL和FSM計劃的劑量梯度均好于FSH，更有利于靶區外OAR的保護，見表2。

表2 3種通量平滑方式靶區各項參數劑量結果

2.2OAR劑量學參數:三組計劃腸道的各項劑量學參數相比差異均無統計學意義(P>0.05)。膀胱的Dmean和V30，滿足FSL0.05)，而FSL的Dmean和V20均低于FSH和FSM，分別為4.83%、3.88%、9.10%和8.22%(P<0.05)。左側股骨頭，FSL的V20較FSH降低7.40%，FSM的D2%較FSH降低2.29%，差異有統計學意義(P<0.05)，其他參數三者相近，差異無統計學意義(P>0.05)，見表3。

表3 3種通量平滑方式OAR各項參數劑量結果

2.3計劃控制點數(CP)和機器跳數(MU):CP和MU均滿足FSH

圖1 3種通量平滑方式的VMAT計劃CP和MU比較結果圖

2.4劑量驗證通過率GRP和出束時間T:三組計劃的GRP在3%/3mm標準下均大于99%，滿足臨床要求，差異無統計學意義(P>0.05)；在1%/1mm和2%/2mm標準下，FSH和FSM的GRP是明顯高于FSL，差異有統計學意義(P<0.05)，而FSH和FSM相近，差異無統計學意義(P>0.05)，結果見表4。三組計劃出束時間(T)，滿足FSH

表4 3種通量平滑方式的VMAT計劃GRP和出束時間比較結果

3 討 論

容積旋轉調強放射治療(VMAT)計劃在優化時分為兩階段進行，第一階段是理想通量圖的優化過程，主要是根據物理和生物約束函數，通過對射束子野分布和數量的不斷優化，最終以筆形束(PB)算法計算劑量分布；第二階段是MLC排序器執行子野形狀和權重的優化，對于每個子野均采用Monto Carlo算法重新計算劑量分布，而通量平滑方式的改變，直接作用在于第一階段通量圖的優化上[10]。本文基于Monaco 計劃系統提供的FSH、FSM和FSL 3種不同通量平滑方式，探究其在在直腸癌術后患者VMAT計劃設計中的劑量學差異，為臨床提供參考。

研究結果表明：雖然FSL在提高靶區均勻性方面，是略優于FSM和FSH，但在靶區適形性上是明顯好于FSM和FSH(2.20%和3.17%)，并且FSL與FSM的GI，均優于FSH組(1.75%和2.0%)，對靶區之外的OAR保護更有優勢。FSL和FSM兩者在提高靶區的Dmin和D98%方面均有明顯優勢，相比FSH可最大提高2.84%，因此FSL組的計劃質量是依次好于FSM和FSH的。在直腸癌VMAT全弧形照射的同時，膀胱會不可避免地受到照射。Viswanathan AN[11]和Romano KD[12]等人的研究指出，膀胱毒副反應的發生和嚴重程度是與膀胱受到照射的體積是高度相關的，結果顯示FSL組膀胱的Dmean、V30和V40相比FSM可最大降低3.76%，較FSH可最大降低7.01%，因此FSL方式能更有效的降低膀胱受照后的毒副反應。在股骨頭保護方面，對右側股骨頭Dmean和V20，FSL較FSH與FSM可降低最大為9.10%；FSL和FSM兩者在保護左側股骨頭上，均略優于FSH，因此FSL方式更有利于降低股骨頭毒副反應，避免骨折等風險的發生，FSM次之。在腸道受量方面，三者結果相近，均滿足臨床劑量限值的要求。分析其主要原因，FSL方式在為靶區外部獲得較快劑量跌落的同時，緊鄰靶區位置固定形狀規則的膀胱和股骨頭受照劑量和體積也必然會降低；而腸道分布彌散，體積不規則，因而優勢不明顯。

FSH和FSM在降低CP、MU和出束時間T上有明顯優勢，其中較FSL對CP降低15.93%和8.68%，對MU降低14.30%和8.33%，對T可減少13.39%和6.91%，因此在提高計劃執行效率方面FSH和FSM是更有利的，這與吳凡[13]等人的研究一致。FSH、FSM和FSL 3組計劃的GRP在3%/3mm標準下均大于99%，均滿足臨床要求，但在1%/1mm和2%/2mm較高標準下，FSH和FSM的GRP相近，但均明顯高于FSL。因此，降低通量平滑方式，射野內子野數量會增加，劑量分布也會越好，然而會造成控制點數增加，子野走位交換時間延長，增加出束時間。除此之外，降低通量平滑方式，也會增加小MU和小面積子野數量，也會降低較高標準1%/1mm和2%/2mm的GRP。綜上所述，直腸癌術后患者基于Monaco TPS系統3種通量平滑方式設計的VMAT計劃，劑量學參數和GRP均能滿足臨床要求。在提高計劃質量，更好的HI、CI和GI，降低膀胱和股骨頭受照射劑量，減少毒副反應方面，FSL最好，FSM次之，FSH后之；在提高計劃執行效率方面，減少MU、CP和T方面，FSH最好，FSM次之，FSL后之。因此，在計劃設計時，要根據臨床要求進行和患者個體化差異進行綜合考慮，優先選擇FSM方式，這樣既能滿足較好的計劃質量也能提高計劃執行效率。