射线能量和均整特性对直肠癌容积旋转调强计划质量的影响

梁 惠, 沈笑飞, 周 锐

(安徽省六安市中医院 肿瘤放疗科, 安徽 六安, 237006)



射线能量和均整特性对直肠癌容积旋转调强计划质量的影响

梁 惠, 沈笑飞, 周 锐

(安徽省六安市中医院 肿瘤放疗科, 安徽 六安, 237006)

目的 探讨光子射线能量和均整特性对直肠癌VMAT计划质量的影响。方法 回顾性选取30例直肠癌术前辅助放疗患者，每例患者使用4种能量模式(6 MV、10 MV、非均整射线6 FFF和10 FFF), 用同样的处方和优化函数分别设计VMAT计划。通过剂量体积直方图计算靶区剂量、适形指数(CI)、均匀性指数(HI); 统计膀胱、小肠、股骨头和正常组织的剂量; 记录每个计划的机器跳数(MU)和计划执行时间，比较4种能量模式下VMAT计划的质量差异。结果 4种计划的靶区的剂量参数D98%、D50%、D2%、CI、HI均值无显著差异; 6 FFF、10 FFF能量模式下小肠的最高剂量D2%比6 MV计划的结果小0.7%和1.5%(P<0.05), 其余OAR的DVH结果无显著差异。正常组织NT的低剂量区域V5Gy、V10Gy和V20Gy、6 FFF、10 FFF计划比6 MV计划的结果分别减少了0.9%、1.4%、1.1%、1.4%和1.2%、2.4%(P<0.05)。与6 MV能量计划相比, 6 FFF、10MV和10 FFF VMAT计划的MU变化了24%、-3%、29% (P<0.05)。结论 光子射线能量的变化对直肠癌VMAT计划质量的影响微小，非均整射线可以稍微降低VMAT计划的低剂量照射区体积。

射线能量; 均整特性; 容积弧形调强治疗; 计划质量; 直肠癌

随着放疗设备和技术的发展，非均整光子线(FFF)因其高剂量率在临床中得到了越来越多的应用，但射线的均整特性和能量对容积弧形调强放射治疗(VMAT)计划的影响的报道不多。VMAT技术是目前先进的放疗技术之一，与传统放疗技术相比, VMAT可以提供更好的计划适形性，并能极大地缩短治疗执行时间[1-6]。本研究通过分析6、10 MV光子射线和其非均整(FFF)6、10 FFF能量模式下直肠癌VMAT计划的剂量学差异，评估光子射线能量及均整特性对VMAT计划质量的影响，现报告如下。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2016年4—11月六安市中医院放疗科收治的经直肠镜病理确诊的直肠腺癌Ⅱ、Ⅲ期患者(直肠癌, UICC第6版分期), ECOG评分≤2分，随机入组，其中男20例，中位年龄58岁; 女10例，中位年龄55岁。所有患者资料经统计学分析证实具有均质可比性，无放疗禁忌证。

1.2 射线特性

使用医科达infinity医用直线加速器, Agility治疗头配备80对多叶准直器(MLC), 每个叶片在等中心位置处的投影宽度为5 mm, 每个叶片的最大运动速度为3.5 cm/s。配备均整射线6、10 MV(也称为6 FF和10 FF)和非均整射线6、10 FFF, 共4档光子线能量模式。6 MV、10 MV、6 FFF、10 FFF X射线能量挡的剂量率连续可变，上限分别为600、600、1400和2200 MU/min, 四种能量的射线质指数(PDD20/10)分别为0.59、0.63、0.58、0.61。6 FFF与6 FF及10 FFF与10 FF射线能量之间差异很小。

1.3 计划设计

在Monaco计划系统(Version 5.1)内，回顾性选取30例直肠癌术前辅助放疗患者，每例患者分别使用相应的4种能量模式设计VMAT计划。4种计划使用相同的优化参数和目标函数设置。靶区剂量处方为PTV 150 Gy/25 F, PTV 246 Gy/25 F; 正常组织剂量限量为：小肠Dmax≤ 52.5 Gy, V45 Gy< 150 cc; 膀胱D5%≤ 50 Gy; 双侧股骨头V40 Gy< 5%; 全局最大剂量小于55 Gy。计划设计参数为单弧顺时针360度，控制点数量限制为150, 剂量计算格点为0.3 cm, 蒙特卡罗计算的不确定性设为3%每个控制点，最小子野宽度设为0.8 cm。

1.4 计划质量评价和指标

通过剂量体积直方图(DVH)计算靶区的适形指数(CI)、均匀指数(HI); 使用ICRU 83号报告推荐的D98%、D50%、D2%剂量体积参数来表示最低剂量，中位剂量和最高剂量[7]。CI和HI分别计算[8]为: CI = TVRI/VPTV× TVRI/VT, HI = D5%/D95%。其中TVRI是100%的处方等剂量线所覆盖的PTV体积, VPTV是PTV的体积, VT是该等剂量线所覆盖的全部受照射体积; CI值越接近1, 表示计划的适形性越好; D5%是指5%靶体积所接受的照射剂量, D95%指95%靶体积所接受的照射剂量，HI值越接近1, 表示靶区剂量的均匀性越好。

计算小肠、膀胱和双侧股骨头等危及器官(OAR)和正常组织(NT，NT定义为Body减去靶区和勾画的OAR后剩下的体积)的DVH参数。统计OAR和NT接受一定剂量的体积占该结构体积的百分数, V10Gy、V20Gy、V30Gy…等(其中VxGy表示该结构接受x Gy照射剂量的体积占该OAR体积的百分数)。同时统计每个计划的机器跳数(MU)和计划执行时间(即Beam on到Beam off之间用时)。

1.5 统计学分析

数据以均值和标准偏差形式表示，通过SPSS软件分析四种能量模式下的计划剂量结果，以6 FF为参考组，另外三种能量模式与其进行配对t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 靶区剂量

在4种能量模式下，直肠癌VMAT靶区剂量的计算显示4种能量的结果非常接近，可以看到6 FFF、10 MV和10 FFF能量下的计划结果与常规6 FF能量的计划结果无显著差异(只有10 FFF下PTV 2 的D98%结果要稍小，但数值上的差异非常小)。这也说明不同的射线能量和均整模式下VMAT计划有相似的靶区剂量覆盖。见表1。

2.2 OAR和NT剂量

与常规6 FF能量计划相比，另外3种能量模式计划的膀胱的DVH结果平均偏差均在0.5%以内，差异无统计学意义(P>0.05), 见表2; 6 FFF, 10 FFF能量模式下小肠的最高剂量D2%比6 FF能量计划的结果小0.7%和1.5%(P<0.05), 其余小肠的DVH参数无显著差异(P>0.05); 两侧股骨头10 FF能量计划的V30Gy的剂量体积偏大，其余结果无显著差异(P>0.05)。四种计划的正常组织NT的平均剂量Dmean差异在1 Gy以内，见表3。6 FFF和10 FFF计划的5 Gy、10 Gy和20 Gy低剂量的NT体积百分数比6 FF计划的结果要低约1%～2%。10 FF计划的NT结果与6 FF计划NT的剂量结果之间无显著差异。

表1 4种能量模式下直肠癌VMAT计划靶区剂量

P1、P2、P3分别对应6 FFF、10 FF、10 FFF能量计划与6 FF计划配对t检验的P值。

表2 4种能量模式下30例直肠癌VMAT计划OAR剂量

P1、P2、P3分别对应6 FFF、10 FF、10 FFF能量计划与6 FF计划配对t检验的P值。

表3 4种能量模式30例直肠癌VMAT计划NT剂量

P1、P2、P3分别对应6 FFF、10 FF、10 FFF能量计划与6 FF计划配对t检验的P值。

2.3 机器跳数和计划执行时间

6 FF、6 FFF、10 FF和10 FFF计划的机器跳数分别为: 439±30、543±52、425±37、566±46 MU。与6 FF能量计划相比，另外三种能量模式计划的MU变化了24%, -3%, 29%; 与FF能量相比, FFF射线计划的MU明显增加24%(6 FFF∶6 FF,P<0.05)和33%(10 FFF∶10 FF,P<0.05)。4种计划的执行时间差异不大，分别为(96±6)、(103±6 )、(95±6)、(106±4) s。

3 讨 论

在常规和三维放疗时代，射线能量的提升对深部肿瘤，特别是盆腔肿瘤的放疗计划质量的影响比较明显，普遍认为高能射线会带来益处[9]; Prizkall等[10]研究结果显示，随着静态调强(IMRT)射野数量的增加，光子射线能量对计划质量的影响变小。VMAT计划旋转照射，臂架可以在360度空间出束，射野(控制点)数量大大增加，因此射线能量对计划的影响可能更小。Ost P[11]和Pasler M等[12]的研究表明，对前列腺癌VMAT计划，高能射线(18、15、10 MV)对计划剂量的影响非常小。本研究结果显示，10 MV和6 MV光子射线的直肠癌VMAT计划剂量参数中，除了股骨头的10 MV计划的V30Gy稍大，无论是靶区剂量(包括最高剂量D2%、中位剂量D50%、最低剂量D98%、适形性指数CI和均匀性指数HI)，还是OAR(膀胱，小肠，左右股骨头)剂量, 10 MV能量的计划结果与6 MV计划的结果相似，并无显著差异。考虑到光子射线能量高于10 MV后，会产生中子辐射，引起次级污染，对辐射防护要求更高，带来的使用成本相对较高。因此，对直肠癌VMAT计划而言, 10 MV射线并无使用上的优势。

6 FFF和10 FFF两种能量模式下直肠癌的VMAT计划的靶区剂量与均整射线6 FF计划的结果相近，无显著差异; OAR中膀胱，股骨头剂量也无显著差异，但6 FFF、10 FFF计划下小肠的最高剂量D2%分别降低了0.7%和1.5%(P<0.05)。对没有勾画出的正常组织NT, 6 FFF, 10 FFF计划的低剂量区域V5Gy、V10Gy和V20Gy分别减少了0.9%、1.4%、1.1%、1.4%和1.2%、2.4%(相对6 FF计划的结果)，这主要是由于FFF射线均整器移除后减少了机头的散射线和漏射线[13]。上述研究表明, 6 FFF、10 FFF 直肠癌的VMAT计划质量比6 FF射线的计划质量要稍好。已有的鼻咽癌的VMAT计划研究结果也表明, 6 FFF非均整射线VMAT计划能够满足临床剂量要求，FFF射线在保护正常组织上有微小优势，但计划质量与6 FF得计划质量相当[14-17]。

10 FF计划与6 FF计划相比，MU数减少了约3%，变化不大; 但6 FFF和10 FFF计划的MU数明显比6FF计划增加了24%、29%。可见，射线的均整特性对VMAT计划的MU数影响很大。这主要是由于FFF射线与FF射线相比，虽然中心轴剂量相同[18-19](本研究中VersaHD的FFF射线与FF射线的射线质非常接近，分别为0.58∶0.59, 0.61∶0.63), 但离轴剂量相对偏低，故照射相同的剂量时，需要FFF射线的机器跳数要更多。但由于FFF射线剂量率的提升较多(6 FFF、10 FFF射线剂量率上限1 400, 2 200 MU/min, 是相应FF射线的2倍和4倍左右)，故四种能量计划执行时间差异不大(差异在10 s以内)[20]。

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Effect of photon beam energy and flattening-filter characteristic on plan quality of volumetric modulated arc therapy in patients with rectal cancer

LIANG Hui, SHEN Xiaofei, ZHOU Rui

(DepartmentofTumorRadiotherapy,Lu′anHospitalofTraditionalChineseHospital,Lu′an,Anhui, 237006)

Objective To explore the influence of beam energy and FFF on plan quality of volumetric modulated arc therapy (VMAT) in patients with rectal cancer. Methods A total of 30 rectal cancer patients with preoperative radiotherapy were retrospectively selected, and 6 MV, 10 MV, 6 FFF and 10 FFF VMAT plans were generated for each patient by using the same prescription and optimization functions. Through dose volume histogram (DVH) parameters, PTVs dose, conformal index (CI), homogeneity index (HI), bladder, intestine, femoral heads and normal tissue doses were calculated and compared, and themonitor units (MU) and delivery time of all plans were recorded. Results There were no significant differences among the four VMAT plans in target doses, CI and HI. The maximum dose, D2%of the small intestine from the 6 FFF, 10 FFF VMAT plans were 0.7% and 1.5%, which were significantly smaller than the result of 6 MV VMAT plans (P< 0.05). The other OAR DVH parameters results showed no significant difference between the four VMATs. Compared with 6 MV VMAT results, the NT low dose volumes, V5Gy, V10Gy, V20Gyof 6 FFF and 10 FFF VMATs were decreased by 0.9%, 1.4%, 1.1%, 1.4% and 1.2%, 2.4% respectively (P<0.05). Compared with 6 MV plans, 6 FFF, 10MV and 10 FFF plans′MUs changed by 24%, -3% and 29% (P< 0.05). Conclusion Effect of beam energy on plan quality of VMAT in patients with rectal cancer can be almost neglected. The FFF VMATs can slightly reduce the low dose irradiated volume of normal tissue.

beam energy; flattening-filter free; volumetric modulated arc therapy; plan quality; rectal cancer

2017-02-05

R 735.3

A

1672-2353(2017)13-095-05

10.7619/jcmp.201713025