联影可旋转540°机架直线加速器在容积调强放疗计划中的效率优势分析

张楼正，许 青，胡伟刚，钟 阳，翟 鹏

复旦大学附属肿瘤医院放射治疗中心，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海200032

放疗是恶性肿瘤的主要治疗手段［1-2］。放疗的最终目的是肿瘤靶区接受到足够的处方剂量，同时使肿瘤周围的危及器官接受尽可能小的剂量，保护周围正常组织［3］。由于从单个方向照射靶区存在局限性，并不能达到这种效果，所以在放疗时，需旋转机架，从不同方向照射到靶区，提高肿瘤控制率，减少正常组织并发症，同时增加靶区剂量的均匀性［4］。随着放疗技术的日益发展，容积弧形旋转调强放疗（volumetric-modulated arc therapy，VMAT）作为一种成熟的三维适形调强放射治疗技术已经得到了广泛的临床应用［5-6］。其主要特性是在相对较短的时间内，进行单弧或多弧旋转照射，在机架旋转出束的同时，调整叶光栅的位置、射束剂量率、机架旋转速度，以改变剂量强度分布，使靶区剂量高度适形。VMAT与传统的固定野调强放疗相比，可以改善靶区剂量覆盖和靶区剂量均匀性，减少危及器官的高剂量体积［7-11］。由于传统加速器在治疗时，机架旋转具有无法跨过180°的限制，在治疗脊柱骨转移、头颅下方的脑转移灶时，在弧的选择上具有局限性。以脊柱转移患者计划为例，若采用满弧（机架起始角度为181°或179°）照射，即机架顺时针或逆时针旋转360°，靶区虽然能达到比较好的剂量分布，但势必扩大对正常组织的照射范围。而理论的最佳布野区间应是顺时针120°～240°，由于传统加速器在治疗时，机架无法跨过180°，因此实际计划设计弧则需要采取拼接，即179°～120°加上240°～181°的两段弧治疗方式（图1A）。因此，机架需要空转走到指定位置（图中虚线），会导致总照射时间延长，增加患者在照射过程中的摆位误差，对于一些距离身体中心较远肿瘤，机架在空转走位过程中还存在碰撞患者或治疗床的风险［12-13］（图1B）。

图1 uRT-linac 506c机架单弧（120°～240°）转动轨迹与传统360°机架拼接弧（240°～181°、179°～120°）转动轨迹对比Fig.1 The trajectory of uRT-linac 506c (a single arc 180° from 120° to 240°) and traditional 360° linac (two combined arcs from 240° to 181° and 179° to 120°)

本研究对比和分析上海联影医疗科技有限公司可逆序执行（540°）直线加速器uRT-linac 506c［14］机架与传统360°机架（不跨越180°）在容积调强计划临床执行时的潜在优势。

1 资料和方法

1.1 主要设备和仪器

本研究选用可旋转540° uRT-linac 506c加速器为研究对象，相对于传统加速器的360°机械设计见图2［15］，其机架设计有两个特点：①机架可转动540°，轨迹见图2A所示；② 在VMAT治疗过程中，机架可逆序执行，即从计划设计弧长的终点开始执行。

图2 uRT-linac 506c机架转动轨迹（A）与传统360°机架转动轨迹（B）Fig.2 Rotation trajectory of uRT-linac 506c (A) and traditional 360° gantry (B)

1.2 方法

在临床连续照射多个容积调强的患者时，单个患者总治疗时间为Tt：

Tt=出束时间（TR）+空转时间（TM）+复位时间（TS）

出束时间TR为治疗中计划设计弧长出束所用的时间；空转时间TM为计划执行过程中机架从上段弧结束位置移动到下段弧起始点空转时间；复位时间Ts为治疗结束机架运动到0°为下一例患者治疗做准备所需要的时间，其中TR是只与计划设计相关的参数。为了分析540°联影加速器与传统加速器的临床执行效率，本研究从TM和TS两个方面进行讨论和分析，通过轨迹模拟软件，采用double S velocity模型描述转动轨迹，测量每个计划的执行时间，进行效率模拟分析。

1.2.1 考虑复位的时间效率模拟

临床VMAT计划弧长一般>60°，因此选取60°、90°、120°、180°、270°和满弧6种弧长，有放回随机挑选生成100个计划。起始角度为任意位置，其中uRT-linac 506c加速器进行下一个模拟开始的角度为最近的弧起点或终点（可逆序执行），而传统加速器移动到最近的弧起始点。对于满弧计划（360°弧），uRT-linac 506c加速器设置的起始角度为0°，而传统加速器的起始角度为180°。在临床连续照射多个容积调强患者时，必须将复位的时间考虑进来，即每例患者治疗完成后，机架均需复位到0°。按照图2描述的加速器运动轨迹特点，将100个计划分别生成A（UIH）和B（传统加速器）两组：A组（540°机架）弧长计划可跨越180°（如291°～69°逆时针）；B组（360°机架）为两段位于180°两侧的拼接弧、且总弧长等于A组（如69°～180°顺时针和180°～291°顺时针）。临床计划也考虑双弧（以第一段弧的终点为起点反向回到起点）的情况。假设100个计划中双弧的比例为m。进行1 000次模拟比较A和B两组计划执行效率。

1.2.2 临床跨180°病例效率模拟

最后选取2019年5月1日—2020年5月1日在复旦大学附属肿瘤医院放疗中心治疗的10例患者进行效率模拟，进一步分析实际临床执行效率。10例病例均采用最具代表性的跨越180°临床治疗计划：包含3例肿瘤脊柱转移患者，4例脊柱附近肺癌转移患者，3例脑肿瘤转移患者。每例患者利用uRT-linac 506c uRT-TPOIS计划系统（版本R001）的U-arc技术按机架转动轨迹的不同以及最优原则布野。

同样分为A、B两组，计划除弧的设计外，其余参数如优化目标函数、子野数、子野面积等均相同。实际临床计划中也会有满弧的计划，因此将满弧计划的情况也考虑进来。假设满弧计划比例为n，从本研究的10例患者中有放回的随机挑取100×(1-n)个计划，剩余为满弧计划，100个计划治疗顺序随机，比较A和B组计划的总照射时间，进行进一步540°机架临床执行效率分析。

2 结果

2.1 复位时间效率分析

考虑每例患者治疗完成后，都要机架复位到0°，通过对100个6种弧长和不同双弧比例的计划进行1 000次模拟。在治疗多例患者时，考虑复位，节省的空转时间与双弧计划比例成正比，若均为双弧计划，节省时间最大，UIH机架设计空转时间比为0.61±0.04，节省约32 min（表1）。

表1 不同比例双弧计划1000次模拟的空转时间比值Tab.1 The idling time ratio of 1000 simulations for different proportions of dual arc plans

2.2 临床跨180°计划执行效率分析

将选取的10例患者的方案A和B的执行时间进行统计。结果显示，仅考虑出束时间，计划A和计划B照射差异非常小（表2）。计划B和计划A执行时间的差异主要来自机器空转的时间，空转时间占计划出束时间的10.0%～50.0%（图3）。

图3 临床10例跨180°病例计划设计方案A和B时间对比Fig.3 Time comparison between group A and B of 10 clinical cases

表2 临床10例跨180°病例计划机架轨迹、时间及跳数统计Tab.2 The statistics of trajectory,time and MU for 10 clinical cases

在考虑复位的情况下，通过对100个不同满弧比例的跨180°计划进行1 000次模拟。结果发现，在治疗多例患者时，考虑复位，节省的空转时间与满弧计划占比成正比，若均为满弧计划时，节省时间达到最大值，UIH机架设计空转时间比约为0.05±0.00，节省约85 min。若均为本研究特定终止位置计划，节省时间为最小值，UIH机架设计空转时间比为0.49±0.02，节省约43 min（表3）。

表3 不同比例满弧计划1 000次模拟的空转时间比值Tab.3 The idling time ratio of 1 000 simulations for different proportions of full arc plans

本研究分析了A组和B组的剂量分布，发现10例患者剂量体积直方图（dose-volume histogram，DVH）曲线的剂量学差异无统计学意义。本研究选取了偏离人体中心的立体定向放疗（stereotactic body radiation therapy，SBRT）患者，为了避免碰撞，增加了一组不跨越180°的弧计划。3种计划设计方案剂量分布和DVH见图4。结果显示，在SBRT患者剂量分布上A组和B组差异无统计学意义。相比于C组，50%的剂量线跌落更为均匀，有明显的优势，能更好地满足临床要求。

图4 三种计划设计方案剂量分布Fig.4 Dose distribution of 3 different plans and DVH

3 讨 论

VMAT是调强放疗技术的实现方式之一，与三维适形以及静态调强放疗技术相比，VMAT技术具有更少的跳数、更好的靶区适形度及更短的治疗时间［16-17］。传统加速器受限于机架无法跨过180°的机械设计，使得背侧肿瘤设计照射弧时有局限，通常需要采取拼接形式，执行时机架需要空转走位到指定位置，使得总照射时间显著延长。本研究采用double S velocity模型，模拟出uRT-linac 506c加速器540°机架的旋转轨迹，分析对比与传统360°机架设计的加速器在容积调强放疗中的效率及潜在优势。

通过模拟结果可知，连续治疗患者的总时间与出束时间无关，主要与空转时间和复位时间有关。考虑复位，空转时间与双弧计划比例成正比，节省时间最大值为全双弧计划，空转时间比约为0.61，节省约32 min。540°机架的设计更多地体现在跨180°计划的临床应用上，优势更为明显体现于全满弧计划，其执行时间可缩短约85 min。

因为考虑复位，540°机架复位时间相对于传统加速器复位时间减少。以满弧患者为例，若不考虑复位，上一例满弧计划患者的终止角度可与下一例满弧计划患者的起始角度无缝连接。360°机架则没有此优势，每例患者治疗完成后，机架均需复位到0°，由此机架从上一例满弧计划患者的终止角度空转至0°复位，复位完毕后机架又空转至下一例满弧计划患者的起始角度，因此两满弧计划患者交替时，机架空转了360°。但是540°机架满弧患者计划可设计为0°～360°，即使考虑复位，机架也不需要空转，计划执行时间等于出束时间，效率大幅提高。

本研究选取了偏离人体中心的SBRT病例，为了避免碰撞，增加了一组不跨越180°的弧计划。结果显示，在SBRT患者剂量分布上A组和B组差异无统计学意义。相比于C组，50%的剂量线跌落更为均匀，有明显的优势，能更好地满足临床需求。因此，540°机架对于单弧偏离人体中心或不规则的靶区，剂量分布强度调节能力有限，但能形成较好的靶区剂量分布，提高照射野形状的合理性和射线的利用率，改善靶区剂量分布。

本研究也存在一定的不足，在对540°机架直线加速器的临床效率进行评估时，只选取6种弧长进行模拟，没有进行任意弧长模拟，因为考虑实际情况计划弧长一般>60，且不是随机的。此外，uRT-linac 506c加速器在进行CBCT摆位验证时，是否也具有时间效率未知，有待于进一步对患者CBCT的临床时间效率进行研究。综上所述，540°机架直线加速器在执行VMAT计划时，特别是对偏离人体中心的计划，在满足临床剂量分布的同时，可以节省机架空转时间和复位时间，提高治疗效率，并且能有效地避免机架和患者碰撞的风险。