基于Halcyon加速器的乳腺癌IMRT计划设计方法

魏夏平，苏洁洪，黄小伟，王小深，王兴柳，张震，刘叶明，黄明超

1.广州中医药大学金沙洲医院肿瘤放射治疗中心，广东 广州 510080；2.东莞理工学院科学技术处，广东 东莞 523808；3.瓦里安医疗系统公司，北京 100176

前言

近年来，国内乳腺癌发病率不断增高，是威胁广大女性健康的恶性疾病。放射治疗在乳腺癌的治疗过程中发挥着重要作用，乳腺癌的放射治疗不仅能够降低肿瘤复发率，而且还能进一步提升患者生存率［1-3］。随着放射治疗技术的发展，乳腺癌的放射治疗方法也在不断进步。从早期的普放技术，到三维适形技术再到当前广泛使用的调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiation Therapy,IMRT）技术，使得乳腺癌放疗中，危及器官的照射剂量不断降低，靶区剂量更加均匀，并且能够进一步提高靶区放疗剂量［4-6］。包含锁骨上靶区的乳腺癌计划对物理师/剂量师的计划设计水平要求较高，不同的计划设计方法存在较大的剂量学差异。如使用切线野或者靶区入射角度的均分野，危及器官接受剂量则存在较大差异［7］；使用基于轮廓优化技术的正向调强方法能得到较好的剂量分布［8］；固定铅门技术和铅门跟随技术可以进一步降低危及器官剂量［9-11］；此外仍可以通过分段布野的方式进行放疗计划设计，能够减少心脏和患侧肺剂量［12］；常规加速器乳腺癌计划设计方法多样，且设计方法的不同可能导致较大的剂量学差异。

Halcyon 加速器为瓦里安新一代智慧放疗平台，其设计与常规加速器存在较大差异。Halcyon 具有双层多叶准直器（Multi-Leaf Collimator,MLC）错位设计，其射线漏射极小，且具有很高的治疗安全性［13］。且Halcyon 在乳腺癌放疗中应用广泛，具有很高的束流效率［14-19］。本研究基于Halcyon加速器平台探索一种固定模式的IMRT 计划设计方法，减少物理师/剂量师的计划经验对放射治疗计划的影响，提高乳腺癌计划设计效率。

1 材料和方法

1.1 患者信息

回顾性选取10 例包含锁骨上区域的乳腺癌患者，计划处方为计划靶区（Plan Target Volume,PTV）50 Gy/25 F。10 例患者均采用容积弧形调强治疗（Volumetric Modulated Arc Therapy,VMAT）技术，使用瓦里安公司TrueBeam 医用直线加速器完成治疗（TrueBeam_VMAT 计划）。现将这10 例患者在Halcyon 加速器平台上重新进行计划设计（HAL_IMRT计划），并与原治疗计划进行对比。

1.2 Halcyon加速器平台

Halcyon加速器为瓦里安新一代智慧放疗系统，其设计与常规加速器存在较大差异。如图1所示，Halcyon加速器采用环形机架设计，且使用双层MLC设计，加速器治疗机架旋转达到2圈/min，MLC叶片运行速度达到5 cm/s，剂量率达800 MU/min，相对于常规加速器治疗速度更快且实际临床操作更加便捷。

图1 Halcyon加速器构造Figure 1 Overview of Halcyon accelerator

1.3 计划设计方法

Halcyon 乳腺癌计划布野方式如图2所示，射野数量为12 个射野，角度采用患侧均分原则。如左侧乳腺癌计划设计布野从机架角160°的切线野开始以20°递减，直到机架角300°切线野为止；右侧乳腺癌计划设计则从机架角200°切线野开始以20°递增，直到机架角60°切线野为止。

图2 Halcyon乳腺癌计划布野方式Figure 2 Field arrangement of Halcyon-based IMRT plan of breast cancer

勾画一个辅助结构block，目的是使用该结构实现MLC运动的限制，尽量保护肺组织。如图3所示，A标志线表示Block左侧区域到此线附近，B标志线表示Block右侧区域到此标志线附近，原则上不超出肺部区域；C和D标志线表示Block区域长轴方向和PTV长轴方向相同；E表示Block区域和PTV区域距离为3 cm（此距离可根据计划难度进行调整，本研究均采用3 cm）。

图3 辅助结构勾画方法Figure 3 Auxiliary structure delineation

计划优化方法与IMRT 计划优化方法相同，但是Block区域采用瓦里安Eclipse放射治疗计划系统特有的Entry+Exit功能。该功能可以将穿过Block结构的所有射束的通量设置为0，限制射线从此区域通过。其余靶区及危及器官均按照常规优化条件进行添加，并开始优化。由于乳腺癌肿瘤位置位于前侧体表，因此在放射治疗过程中存在呼吸动度问题，为避免在治疗过程中由于患者呼吸导致的靶区漏照，需要在射野外进行MLC外扩。针对IMRT计划使用Skin Flash Tool工具，将切线野外缘MLC叶片进行外扩，再使用该工具完成叶片外扩后，若剂量出现较大偏差，则直接继续优化，无需修改任何优化参数。对于优化后的热点处理使用Edit fluence功能，将高剂量点区域通量进行修改，以消除热点区域。

1.4 计划比较

将HAL_IMRT 计划与TrueBeam_VMAT 计划行剂量学比较，分别比较PTV、患侧肺、健侧肺、健侧乳腺、脊髓、心脏的相关剂量学参数，如表1所示。

表1 对比参数列表Table 1 Comparison parameters

适形度指数（Conformity Index,CI）和均匀性指数（Homogeneous Index,HI）公式如下：

其中，VT为靶区体积；VPrep为处方剂量包含所有组织体积；Vt,Prep为处方剂量包含靶区体积；D2为靶区2%体积对应的剂量；D98为靶区98%体积对应的剂量。

1.5 统计学分析

使用SPSS V19.0 软件进行统计学分析，统计数据结果以M（Q1,Q3）表示，且所有数据均使用Wilcoxon秩和检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

HAL_IMRT 计划与TrueBeam_VMAT 计划剂量学对比如表2所示。PTV 方面：CI、HI、D2、D98均无统计学差异（P＞0.05），但HAL_IMRT 计划的Dmax高于TrueBeam_VMAT 计划。危及器官方面：患侧肺及健侧乳腺HAL_IMRT 计划明显优于TrueBeam_VMAT计划，HAL_IMRT 计划健侧肺的 V5优于TrueBeam_VMAT 计划（P＜0.05）；心脏、健侧肺的Dmean以及脊髓的Dmax没有统计学差异（P＞0.05）。

表2 剂量学参数对比［M（Q1,Q3）］Table 2 Comparison of dosimetric parameters［M(Q1,Q3)］

图4为HAL_IMRT 计划和TrueBeam_VMAT 计划横断面剂量分布对比图，其中粉色加粗的剂量线为20 Gy的剂量线，橙色的为10 Gy剂量线、白色的为5 Gy 剂量线。HAL_IMRT 计划的剂量线更贴近胸壁，患侧肺的受照量更低。图5、图6为冠状面和矢状面的剂量分布对比，可以观察到同样的剂量分布结果，HAL_IMRT 计划在患侧肺的保护要明显优于TrueBeam_VMAT计划。

图4 横断面剂量分布对比图Figure 4 Comparison of transversal dose distribution

图5 冠状面剂量分布对比图Figure 5 Comparison of coronal dose distribution

图6 矢状面剂量分布对比图Figure 6 Comparison of sagittal dose distribution

3 讨论

Halcyon 为环形加速器，将所有束流设备集成安装在环形机架上，使其治疗时机架旋转速度大大提升，锥形束计算机断层成像（Cone Beam Computed Tomography,CBCT）扫描时间最短缩短至15 s，治疗时机架转速达24°/s，可实现治疗计划完全自动执行，Halcyon的MLC 叶片运动速度也提升至5 cm/s，剂量率达到800 MU/min，使得患者的治疗速度大幅度提升，因此即使治疗计划设置多个射野也能够快速完成治疗［14-15,18-19］。同时，Halcyon 加速器采用双层MLC错位设计（如图1a），摒弃铅门，该设计能够极大地减少叶片间漏射。

Halcyon 加速器在乳腺癌中已进行常规使用，相对于C 型加速器同样具有良好的剂量学优势［14-15］，且治疗时间明显缩短［14,16-18］。但是在乳腺癌计划的设计中，由于Halcyon 没有铅门，无法实现锁铅门技术，会导致射野路径方向的危及器官剂量升高（如该乳腺癌病种，患侧肺剂量升高）；为避免该问题，本研究使用优化界面的avoidance structure 工具，减少危及器官剂量。基于Halcyon 加速器设计的固有因素，本研究乳腺癌计划采用固定的计划设计模式，对于乳腺癌计划设计经验较少的物理师具有很好的帮助。Halcyon 加速器不具备呼吸监测功能，无法实现深吸气屏气或者主动呼吸控制治疗方法［20-24］，因此计划设计过程中同样需要考虑到呼吸运动问题，计划优化完成后使用skin flash tool 对射野通量进行皮肤外扩展，形成靶区外MLC的扩展［25］。

关于乳腺癌计划设计过程中高剂量点问题，常规方法可以通过勾画出高剂量区域，在优化界面进行限制，或者通过手动修改MLC 实现高剂量区域缩小［26］。基于Eclipse计划系统的乳腺癌计划设计容易产生体积较小的高剂量点，使用编辑通量的方式，对不同射野方向高剂量区域通量值进行修改，达到降低高剂量的作用。

PTV 的CI及HI均无统计学差异，但是最大剂量点TrueBeam_VMAT 计划优于HAL_IMRT 计划，其原因可能在于计划设计过程中为更好地保护危及器官，Block 辅助结构距离靶区较近，导致优化过程中高剂量点的出现。若要降低靶区最大点剂量则可尝试扩大Block 到靶区边缘的距离，但是患侧肺剂量会有所升高。HAL_IMRT 计划的患侧肺剂量明显优于常规加速器计划，正是得益于Block 辅助结构。计划优化时，任何射野通过该结构时，Block 投影区域通量都为0，实现该区域在射野方向的MLC 完全遮挡。该功能保证有效射野均是相切于靶区方向，严格控制患侧肺剂量。本研究使用12 个射野进行计划设计，射野数量较多，同样可以使用较少的8 或者9 个射野进行相关均分射野计划设计，以达到类似剂量学结果。

使用射野方向遮挡的计划设计方式相对于常规计划设计具有更好的优势，虽然没有铅门进行锁野技术，但是叶片透射极低，能够有效的避免叶片漏射导致的低剂量问题。另一方面由于Halcyon 加速器的MLC 能够完全在射野路径上移动，对于射野方向部分射野遮挡之后的偏心野问题能够很好的解决，而常规加速器则需要考虑铅门运动范围限制问题。

结合文献回顾，当前阶段乳腺癌计划设计方法很多［7-11,14,18］。其中使用适形切线野结合IMRT 技术进行混合计划设计，可在保证治疗稳定性的基础上实现更好的剂量分布；单纯使用IMRT 技术，不同的布野方式可能对计划质量造成较大的影响，因此对于经验较少的物理师，乳腺癌IMRT 计划设计具有很大挑战；或者使用当前流行的VMAT 技术进行计划设计，存在健侧肺和健侧乳腺的低剂量区问题。本研究结合Halcyon 加速器的物理特性及Eclipse 计划系统新版本特性，采用此固定的乳腺癌IMRT 计划设计方法，能够快速完成乳腺癌IMRT 计划设计，并较好的满足临床要求。

4 结论

本研究提出的基于Halcyon 平台的乳腺癌IMRT计划设计方法能够得到较好的临床计划结果，并且具有固定计划设计模式，减少对物理师计划设计经验的依赖，更好地应用于乳腺癌计划设计。