基于肝癌的VMAT与IMRT放疗计划的剂量学对比研究

孙长江，李　军,2，张西志，张先稳，桂龙刚，陈雪梅

(1.苏北人民医院放疗中心，江苏 扬州 225001；2.南京航空航天大学核科学与工程系，江苏 南京 210016)

基于肝癌的VMAT与IMRT放疗计划的剂量学对比研究

孙长江1，李军1,2，张西志1，张先稳1，桂龙刚1，陈雪梅1

(1.苏北人民医院放疗中心，江苏 扬州 225001；2.南京航空航天大学核科学与工程系，江苏 南京 210016)

[摘要]目的比较分析肝癌旋转容积调强放疗(VMAT)计划与固定野调强放疗(IMRT)计划靶区及其周围危机器官的剂量学差异。方法选择36例肝癌患者的CT图像数据，分别设计VMAT计划、IMRT计划，比较两者的靶区剂量分布、危及器官受量、正常组织受量、机器跳数及治疗时间等。结果VMAT计划的靶区剂量最大值比IMRT计划低(Z=2.090，P<0.05)；VMAT计划的90%的处方剂量的适形指数比IMRT计划小(Z=2.809，P<0.05)；VMAT计划的正常肝组织的V30低于IMRT计划(Z=2.395，P<0.05)；VMAT计划的正常肾脏组织的V20低于IMRT计划(Z=2.201，P<0.05)；VMAT计划机器跳数是IMRT计划的约40%，治疗时间低于IMRT计划的50%。结论2种治疗计划在剂量学上均能满足临床要求，并且剂量分布基本一致，VMAT计划的适形指数比IMRT好，危及器官剂量比IMRT计划略有降低，正常组织的低剂量区VMAT计划与IMRT相比有先高后低的趋势，并且机器跳数少，治疗时间短，更值得临床推广应用。

[关键词]肝癌；旋转容积调强放疗；固定野调强放疗；剂量学

ResultsThe maximum value in the target region of the VMAT plan was lower than that of the IMRT plan (Z=2.090,P<0.05); the conformal index of 90% of prescription dose in the VMAT plan was smaller than that in the IMRT plan (Z=2.809,P<0.05); the V30of liver in the VMAT plan was lower than that in the IMRT plan (Z=2.395,P<0.05); the V20of kidney in the VMAT plan was lower than that in the IMRT plan (Z=2.201,P<0.05); the machine unit in the VMAT plan was 40% of that in the IMRT plan,the treatment time in the VMAT plan was lower than 50% in the IMRT plan.ConclusionTwo kinds of treatment plan can satisfy the clinical requirements on dosimetry and dose distribution; conformal index of the VMAT plan is better than IMRT plan; dose of organs at risk in the VMAT plan is lower than that in the IMRT plan; compared with the IMRT plan,low dose area of normal tissues in the VMAT plan has the tendency of high after the first low,and the less machine units,the short treatment time.

自Brahme[1]提出固定野调强放疗(IMRT)技术以来，固定野调强(IMRT)被广泛应用于临床放疗。IMRT的问题是机器跳数多，治疗时间长，接受低剂量照射的正常器官组织的体积大[2-3]。1995年Yu[4]第1次提出旋转容积调强放疗(volumetric modulated arc radiotherapy，VMAT)的概念，VMAT技术是通过控制机架的转速和剂量率来实现剂量的叠加和调整，集旋转治疗和多叶光栅动态调强治疗优点的放射治疗模式。VMAT是在加速器机架连续旋转的过程中利用动态多叶光栅连续运动形成一系列子野，并配合通过改变剂量率形成可变的束流来完成的调强放疗方式。本文旨在通过对比研究VMAT与IMRT这2种放疗方式对肝癌的剂量学影响。

1材料与方法

1.1一般资料选取36例肝癌患者，男20例，女16例；年龄33～86岁，中位年龄53岁；肿瘤个数为1～5个；靶区体积112.33 ～2 856.64 cm3，中位靶区体积982.55 cm3。36例患者均有完整的CT图像数据。

1.2设备模拟定位机购自日本Toshiba公司；16层螺旋大孔径CT模拟机购自美国GE公司；IX医用直线加速器和Eclipse 8.6三维治疗计划系统购自美国Varian公司。其中IX直线加速器携带的多叶光栅由60对叶片组成，光栅中心40对叶片每片宽度在等中心位置的投影为5 mm，两端20对叶片每片宽度在等中心位置的投影为10 mm。叶片最大运动速度为2.5 cm·s-1，为保证机架旋转的稳定和安全，机架旋转速度设置为每秒4.8度。

1.3CT影像获取所有病例均采用仰卧位，且双手上举，用热塑成形体膜固定于有孔碳纤维复合板上，并在患者的体表和体膜上做好定位标记。在CT模拟机上进行增强扫描。其中扫描层厚为5 mm，扫描范围包括隔顶上5 cm到右肾下缘10 cm。扫描后将CT图像通过ARIA网络传至Varian Eclipse 8.6三维治疗计划系统工作站上。

1.4靶区和危及器官勾画及剂量要求由放疗科医生负责勾画靶区和危及器官，靶区包括GTV和PTV，其中PTV由GTV前后、左右外放0.7 cm，上下外放1 cm而成。危及器官为减去PTV的正常肝脏、肾脏、脊髓外扩3 mm。处方剂量均为50 Gy，分次剂量2 Gy，靶区要求归一到99%的PTV体积最低受到95%(4 750 cGy)的处方剂量，PTV的最高剂量不超过5 500 cGy。参考文献[5-11]的方法，观察并记录不同放疗方案靶区剂量分布、危及器官受量、正常组织受量、机器跳数及治疗时间等。

1.5计划设计IMRT计划均采用5野固定照射，机头及治疗床角度均为0度，多叶光栅运动方式采用滑窗式动态调强，设置射野角度应尽量避开穿过正常肝脏的体积和其他危及器官。剂量算法均为各向异性解析算法，计算网格为2.5 mm，由于治疗床会影响剂量计算结果[9]，所以治疗计划设计均考虑治疗床以保证剂量计算准确。将各个患者的计划进行反复优化调整并计算，直至每个计划均满足剂量学要求。

VMAT计划设计采用共面双弧技术：第1个治疗弧的机架从181度顺时针方向旋转到179度，准直器角度为340度；第2个治疗弧机架从179度逆时针方向旋转至181度，准直器角度为20度。准直器形状应根据肿瘤大小与形状自动调整，PTV和危及器官的剂量限定条件与IMRT计划相同，经反复调整优化条件并计算，直至计算结果满足剂量要求为止。

1.6统计学处理采用SPSS 19.0进行数据处理，计量数据采用±s表示，比较采用Wilcoxon符号秩检验和Z检验，检验水准α=0.05。

2结果

2.1靶区剂量VMAT计划的靶区剂量最大值比IMRT计划低(Z=2.090，P<0.05)，说明VMAT计划组能更好地控制剂量热点。VMAT计划的90%的处方剂量的适形指数比IMRT计划小(Z=2.809，P<0.05)，说明VMAT计划的适形指数比IMRT好。见表1。

表1　2种计划的靶区剂量学参数比较

注：2种计划D2、V100、V105、V110、适形指数比较，Z=2.090、2.293、2.803、2.010、2.809，P均<0.05

2.2危及器官剂量VMAT计划的正常肝组织的V30低于IMRT计划(Z=2.395，P<0.05)。VMAT计划的正常肾脏组织的V20低于IMRT计划(Z=2.201，P<0.05)。见表2。

表2　2种计划的危及器官剂量参数比较

注：2种计划正常肝脏组织V30、正常肾脏组织V20比较，Z=2.395、2.201，P均<0.05

2.3机器跳数和治疗时间VMAT计划机器跳数是IMRT计划的约40%，治疗时间低于IMRT计划的50%。见表3。

表3　2种计划的机器跳数和治疗时间比较

3讨论

VMAT应用于临床以来，国外已经报道过头颈部和体部的病例。Clivio等[12]比较分析了VMAT计划与IMRT计划在肛管癌治疗中的应用情况，发现VMAT计划不改变靶区剂量分布的情况下危及器官和正常组织受量优于IMRT计划。Cozzi等[7]所做宫颈癌VMAT计划除了能达到IMRT计划的靶区剂量分布外，靶区的适形度和均匀性更好，而危及器官和正常组织受量反而降低。关于肝癌的VMAT计划还未见报道。本研究结果显示，在靶区剂量分布和靶区适形度方面，VMAT计划好于IMRT计划，但是靶区的均匀性比较一致。在降低危及器官受量上，VMAT计划比IMRT计划略有降低，但是如果要保证某一器官接受最低的剂量，IMRT计划可以人为设置完全避开野，而VMAT计划旋转过程中散射线的影响较大，因而实际治疗时可能不如IMRT计划。与IMRT相比，正常组织的低剂量区VMAT具有先高后低的趋势，本研究比较了5～30 Gy的低剂量区，得出分界点大约在15 Gy。VMAT计划的机器跳数是IMRT计划的约40%，治疗时间也明显减少，使加速器的出束利用率得到显著提高，同时增加肿瘤细胞杀伤效应，减少患者治疗过程中自主或不自主运动造成的误差，对图像引导下的治疗有重要意义。VMAT综合了多叶光栅动态调强和旋转治疗的优点，是一种自动优化设计的技术[13]。由于VMAT计划需要优化的变量多、求解空间大，射线质可选外，VMAT的实施参数还包括旋转弧的数目、机架转速、叶片运动速度和峰值剂量率，而IMRT计划仅仅考虑固定野的机架角度、准直器角度和多叶光栅等。本研究结果显示，VMAT计划的优化调整时间大约是IMRT计划的3～7倍，另外VMAT计划采用直接子野优化法[14]，与传统IMRT优化强度分布不同，由于包括加速器物理限制参数在内的可变优化参数较多，使得子野优化过程较复杂，比较耗时。Otto等[15]对子野优化算法进行了改良，提高了优化效率。而VMAT计划通常需要使用多弧治疗模式，并设置机架旋转的起始和终止角度、治疗床角度、准直器角度、多叶光栅的限制条件、治疗计划的优化限制条件等，其计划设计复杂，有待于进一步改进。

本研究表明，2种计划剂量分布基本一致，VMAT计划的适形指数比IMRT好。在降低危及器官方面两者各有优势，与IMRT相比，正常组织低剂量区VMAT计划具有先高后低的趋势，VMAT计划具有较少的总机器跳数和总治疗时间短的优势，这样就减少了治疗过程中不确定性因素影响及患者不适感[16]。而且对加速器的剂量投射而言，VMAT计划具有更高的效率，推荐使用VMAT。

参考文献：

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DOI:10.3969/j.issn.1673-5412.2015.05.018

[中图分类号]R735.7;R730.55

[文献标识码]A

[文章编号]1673-5412(2015)05-0421-04

基金项目：江苏省博士后科研资助计划项目(编号：1002012C)

作者简介：孙长江(1972-)，男，主任医师，主要从事肿瘤放疗工作。E-mail: scjly@aliyun.com

通信作者：李军(1975-)，男，博士在读，高级工程师，主要从事肿瘤放射物理学研究。E-mail: lijun19751000@sina.com

(收稿日期：2014-11-30)

Dosimetric Comparison Between VMAT and IMRT for Liver Cancer

Sun Changjiang1,Li Jun1,2,Zhang Xizhi1,Zhang Xianwen1,Gui Longgang1,Chen Xuemei1

(1.RadiotherapyCenter,NorthernJiangsuPeople’sHospital,Yangzhou225001,China;2.Departmentof

NuclearScienceandEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautic,Nanjing210016,China)

[Abstract]ObjectiveTo compare the dosimetric differences of the target volume and the surrounding organ at risk between volumetric modulated arc radiotherapy (VMAT) and fixed field intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans for liver cancer.MethodsThe CT image data of 36 patients with liver cancer were observed,the VMAT plan and the IMRT plan were designed,the target dose distribution of the two plans,organs at risk affected by quantity,normal tissue by volume,the number of machine unit and treatment time of the two plans were compared.

[Key words]liver cancer; volumetric modulated arc radiotherapy; fixed field intensity-modulated radiation therapy; dosimetry