个性化容积旋转调强准直器角度优化在宫颈癌放疗中的应用

明淑凤 童光武童肖广 黄卫彬 吴志权

作者单位：435300 黄冈 湖北省黄冈市蕲春县人民医院1肿瘤科，2肿瘤外科，3骨科

宫颈癌是临床常见的妇科恶性肿瘤之一，放疗是主要的治疗手段，其中放疗方式主要有调强放疗和容积调强［1-2］。研究表明，与固定野调强（fixed-field intensity-modulated radiotherapy，FF-IMRT）相比，容积旋转调强（volumetric modulated arc therapy，VMAT）具有机器跳数（machine unit，MU）利用率高、照射时间短、靶区适形度和均匀性好等特点［3-4］。因此，VMAT已在宫颈癌等多种肿瘤放射治疗中得到广泛应用［5-6］。由于目前商业计划系统还不允许多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）角度优化，因此在VMAT优化过程中，MLC角度主要由人工基于靶区大小和形状，结合经验进行设定并在整个弧中固定不变，其中在宫颈癌VMAT计划中的MLC角度大多数设置在20°左右［7-9］。本研究拟设计一种宫颈癌个性化的VMAT准直器角度优化方法，根据靶区投影形状将全弧分成3个段弧，计算每段弧的最优长度和准直器角度并设计VMATapt计划，同时与传统固定准直器角度 20°的VMAT20计划比较，以期为临床宫颈癌VMAT计划设计提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2016年10月到2017年2月本院收治的早期宫颈癌术后辅助治疗患者。纳入标准：⑴经病理证实为宫颈鳞状细胞癌，且仅有1个病灶；⑵FIGO分期为ⅡB～ⅣA期；⑶行广泛子宫切除术+盆腔淋巴结清扫术；⑷首次接受放射治疗。排除标准：有智力或认知障碍、精神疾病患者；合并其他肿瘤者。本研究最终共纳入10例患者，年龄43～60岁，中位年龄为53岁。

1.2 方法

1.2.1 靶区勾画 患者取仰卧位，真空垫固定体位，大孔径CT模拟定位，扫描电压为120 kV，层厚为3 mm。按照RTOG宫颈癌术后放疗靶区共识和ICRU50号报告要求勾画靶区，临床靶区（clinical target volume，CTV）包括术前肿瘤床及以下的淋巴引流区域，包括第4腰椎以下髂总、髂内、髂外、闭孔、宫旁、宫颈旁及第5腰椎至第3骶椎的骶前淋巴结。宫颈癌术后盆腔CTV包括阴道上段1/2及残端、阴道旁软组织和盆腔淋巴引流区域（包括髂总、髂外、髂内、闭孔及骶前淋巴结区），范围为上界达第L4～5腰椎间、下界达闭孔下缘水平。CTV在三维方向上均匀外扩0.7 cm生成计划靶区（planning target volume，PTV）。本研究PTV 体积为 880.6～1 237.7 cm3，平均体积为 1 099.3 cm3，同时勾画膀胱、直肠、小肠、骨盆、左右股骨头等危及器官。靶区外低剂量区域（PTV+2cm）定义为患者皮肤外轮廓减去PTV外扩2 cm后的区域。

1.2.2 VMAT弧度范围和准直器角度优化方法 采用EclipseTM13.5治疗计划系统，将患者CT计划图像和勾画结构（structure，Str）以DICOM文件格式导出，并基于MATLAB自编程重建靶区三维，计算最优准直器角度，具体公式和图解思路如下：⑴导出DICOM CT和Str文件，基于MATLAB 2017b进行三维PTV重建。⑵从179°到181°等中心旋转计算机架一周，每5°生成一副射野方向观（beam eyes view，BEV）下的PTV 影像 Sn（n=1，2，3，…，73），共 73 张。⑶将 360°全弧分为Arc1、Arc2和Arc3共3段弧，计划系统最小优化弧长为 30°，因此每段弧范围为 30°～300°。根据生成的Sn影像，每段弧长均设置为5°的倍数，通过排列组合计算共有1 540种分割方案。⑷分别计算第i（i=1，2，3，…，1 540）种分割方案中Arc1i、Arc2i和Arc3i3段弧内各自所有的Sn影像并集，同时分别加和为U1i、U2i和U3i。⑸根据最小面积法分别计算U1i、U2i和 U3i的最优准直器角度 Coll1i、Coll2i和Coll3i及其相对应的X,Y钨门范围（构成Jaw_xy1i、Jaw_xy2i和Jaw_xy3i）。⑹将Jaw_xy1i与本段弧内的所有角度靶区BEV投影Sn取差集，作为漏射面积△Sn；对△Sn面积求和为△S1i，并定义为第i种分割第1段弧内的总漏射面积。⑺重复⑷～⑹步骤，计算第i种情况其余2段弧的总漏射面积△S2i和△S3i，并求和得到第i种分割的总漏射面积△Si。⑻取所有分割方案中最小的△Si，并定义其Arc1i、Arc2i和Arc3i及对应的Coll1i、Coll2i和Coll3i为最优段弧范围和段弧准直器角度。

1.2.3 VMAT计划设计 采用Varian Eclipse 13.5计划系统（Varian 23IX型加速器，配备60对MLC叶片，射束为6 MV光子线），10例宫颈癌患者分别设计VMATapt和VMAT20计划。VMATapt计划采用“1.2.2 VMAT弧度范围和准直器角度优化方法”计算的3段段弧范围、准直器角度和钨门范围，构成一段逆时针全弧，然后复制生成另一段顺时针全弧。VMAT20计划设计2段全弧，准直器角度为20°，钨门范围为包含所有机架角度BEV下的PTV投影。两种计划采用相同的优化条件优化2次，第2次优化为基于第1次优化的再优化。剂量计算方法采用3A算法，剂量网格设置为2.5 mm；数据计算采用MATLAB。处方剂量为50.4 Gy/28 F，所有计划均要求达到95%PTV体积接受100%的处方剂量照射。危及器官剂量限制：小肠最大剂量（Dmax）＜54 Gy；直肠 Dmax＜54 Gy，平均剂量（Dmean）＜39 Gy；骨盆 V10＜90%、V30＜50%；左股骨头V30＜15%；右股骨头V30＜15%。V10和V30分别表示剂量超过10 Gy和10 Gy的体积占整个器官体积的百分比。

1.3 计划参数评估

采用剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）评估两种计划靶区的剂量学指标，包括98%的靶区剂量 D98、D95、D2、D1，均匀性指数（homogeneity index，HI）和适形指数（conformal index，CI）。D98、D95、D2和D1分别表示在DVH中98%、95%、2%和1%体积所对应的剂量。HI计算公式：HI=（D2-D98）/D50，HI越低，代表剂量分布越均匀。CI计算公式：CI=95%处方剂量线所包绕的靶区体积2/（95%处方剂量线所包绕的所有体积×PTV），CI值越接近1，代表95%处方剂量线与靶区的一致性越高。同时比较危及器官剂量参数，包括小肠、直肠的Dmax和Dmean，骨盆的V10和V30，左右股骨头的V30等；总机器跳数（monitor units，MUs）；平均坞门面积；PTV+2cm的平均剂量［10］。

1.4 统计学方法

采用SPSS 22.0软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差（±s）表示，两组计划比较采用配对t检验。以双侧P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 10例宫颈癌患者的最优准直器角度和平均钨门面积

根据MLC角度优化方法计算出VMATapt计划的3段弧弧长及其对应的最优MLC角度，见表1。VMATapt计划的钨门面积为17.4～19.5 cm2，平均钨门面积为（18.5±0.7）cm2；VMAT20计划的钨门面积为 19.0～22.2 cm2，平均钨门面积为（20.2±0.9）cm2；两种计划的平均钨门面积比较，差异有统计学意义（t=8.392，P＜0.001）。

表1 10例宫颈癌患者VMATapt计划的弧长及其对应的最优MLC角度Tab.1 The arc lengths of the VMATapt plan in 10 patients with cervical cancer and their corresponding optimal MLC angles

2.2 两种计划剂量学参数比较

10例患者的VMATapt和VMAT20计划靶区剂量均能满足临床剂量学要求，两种计划的剂量学参数比较见表2。VMATapt计划靶区HI优于VMAT20计划［（0.05±0.02）vs（0.06±0.01），t=5.232，P=0.001］，但两种计划的PTV参数、危及器官参数、CI比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。VMATapt计划的MUs较VMAT20计划减少13.5%，两者比较差异有统计学意义（P=0.033）。VMATapt计划PTV+2cm区域剂量优于VMAT20计划，差异有统计学意义（P=0.023）。

3 讨论

MLC角度是计划优化中的一个重要参数，通过MLC角度优化，可使MLC叶片与靶区轮廓更适形，减少漏射剂量［10-11］。现阶段的调强放疗技术是通过MLC叶片运动调制靶区剂量，在机架旋转过程中，若MLC角度能根据靶区和危及器官位置动态改变，可能提高计划质量［7］。有研究表明，在VMAT计划中根据靶区投影与危及器官的位置关系设定MLC角度能得到更优的剂量分布［9-13］。此外，XIE 等［14］研究认为VMAT计划的坞门范围在一定程度内减小，同时保证MLC运动方向与靶区的长轴准直，可有效降低MLC叶片运动距离，减少MU、漏射剂量和靶区外低剂量。本研究采用个性化的VMAT准直器角度优化方法并设计宫颈癌患者VMATapt计划，与传统固定准直器角度20°的VMAT20计划相比，VMATapt计划的坞门面积明显减小，在满足靶区基本剂量学指标D2、D1、D95和D98的同时降低了MUs和靶区外低剂量区PTV+2cm的剂量；在危及器官的保护上，VMATapt计划与VMAT20计划相当，与上述文献报道一致，说明个性化的VMAT准直器角度优化方法可应用于宫颈癌VMAT设计。HI和CI是评估放疗计划的重要指标，HI指数越高说明靶区剂量越均匀；CI指数越高则表明剂量与靶区更适形，靶区外剂量降低［15］。本研究结果显示，VMATapt计划的靶区HI明显优于VMAT20计划，可能得益于VMATapt计划根据靶区形状将全弧分成3个段弧并对每个段弧进行MLC角度优化，相当于一个全弧有3种MLC角度，使同一层面的剂量有更多的叶片参与调制，从而显著增加靶区的HI指数。本研究中两种计划的靶区CI并无明显差异，推测可能与VMATapt计划根据最小面积计算的坞门面积和准直器角度未使用MLC叶片对靶区外轮廓进行适形有关。

表2VMATapt和VMAT20计划剂量学参数比较（±s）Tab.2 Comparison of the dosimetric parameters between VMATapt and VMAT20 plans（±s）

表2VMATapt和VMAT20计划剂量学参数比较（±s）Tab.2 Comparison of the dosimetric parameters between VMATapt and VMAT20 plans（±s）

Structure VMAT20 VMATapt t p PTV 50.4（cGy）D1 5262.6 ±73.62 5309.62±60.93 -1.843 0.162 D2 5286.45±59.75 5300.32±59.72 -1.646 0.183 D98 4995.89±32.36 4997.86±53.73 -1.023 0.819 D95 5044.32±11.12 5057.54±28.48 -1.327 0.246 HI 0.06±0.01 0.05±0.02 5.232 0.001 CI 0.85±0.03 0.85±0.03 -1.659 0.313 Intestine（cGy）Dmax 4952.86±30.67 4985.45±32.65 -1.702 0.343 Dmean 2653.78±75.00 2649.43±77.76 1.569 0.194 Rectum（cGy）Dmax 4808.34 ±40.72 4814.35±40.41 -1.032 0.758 Dmean 3759.23±27.92 3800.65±31.98 -1.297 0.623 Left femoral head16.56±3.43 16.52±2.28 1.178 0.934 V30（%） Right femoral head18.76±3.21 16.78±3.79 -1.347 0.249 V30（%） Pelvis（%）V10 87.86±5.47 88.09±5.39 -1.353 0.236 V30 54.81±8.08 55.03±6.51 -1.076 0.793 MUs 465.65±24.52 402.55±29.02 2.307 0.033 PTV+2 cm（cGy） 1694.43±32.59 1583.69±36.22 2.956 0.023

有研究发现，靶区外的剂量有诱发二次肿瘤的风险［16-17］，而VMAT计划与FF-IMRT计划、三维适形计划相比，在一定程度上增加了靶区外的低剂量区域范围［18］。因此，如何降低VMAT计划靶区外剂量，对提高VMAT计划质量有重要意义。本研究采用个性化VMAT准直器角度优化方法所设计的VMATapt计划，与传统固定准直器角度的VMAT20计划相比，能够显著降低靶区外PTV+2cm区域剂量，可能有助于降低二次肿瘤发生风险，有关方面值得进一步深入研究。

AHN 等［13］研究将全弧分成 40°～90°若干段弧，发现段弧弧长越小（总段弧数量越多），总MUs降低越显著，在腹部、头颈、胸部段弧长为40°（共9段弧）的计划中MU分别降低32.5%、38.1%和31.5%。KIM等［9］在设计脑部不规则靶区VMAT计划时，将全弧分成多个固定长度的分段弧并对每段弧准直器角度进行优化，结果亦发现分段弧计划能更好地保护部分危及器官和显著降低MU。此外，ZHANG等［12］提出一种准直器轨迹优化算法，根据不同机架角度BEV下靶区和脊髓的位置关系调整MLC角度，使叶片运动方向与脊髓平行，该方法设计的计划较固定准直器角度的VMAT计划可降低危及器官脊髓的受照射剂量。本研究采用个性化的VMAT准直器角度优化方法，根据靶区投影形状将全弧分成3个段弧，计算每段弧的最优长度和准直器角度并设计VMATapt计划，与VMAT20计划相比，MUs降低了13.5%，降低幅度小于AHN等［13］报道的结果，分析原因可能是VMATapt计划的每段弧长平均为120°，显著大于AHN等［13］报道的段弧长度40°，造成VMATapt计划的降低幅度较小。

本研究在VMATapt计划中还发现，10例患者的3 段弧长均值分别为 160°、70.5°、129.5°，对于大部分宫颈癌术后放疗患者，如采取3段弧形式，可按此分段范围进行分段。MLC角度除第1，3，6，8编号患者的部分弧为 90°外，其余均在 0°，20°，340°左右，尤其是第三段弧的MLC角度均约为340°。对MLC角度为90°的患者进行分析，发现此类患者体型较胖，宫旁淋巴结横向径较靶区上下界长，将其MLC角度设为90°，能减少MLC叶片运动距离，提高调制精度，因此使用时需加以注意。

综上所述，采用个性化VMAT准直器角度优化方法所设计的VMATapt计划，能够满足宫颈癌患者临床处方剂量要求，与VMAT20计划比较，能够提高均匀指数，降低机器跳数和靶区外PTV+2cm区域剂量，且可能有助于降低二次肿瘤发生风险，临床上值得推广应用。