对偶弧功能在宫颈癌VMAT计划中的应用

冯永富，龙雨松，谭军文，贺先桃，李钢，王占宇

柳州市工人医院 肿瘤科，广西 柳州 545005

引言

宫颈癌是常见妇科恶性肿瘤之一，术后放射治疗可有效降低肿瘤局部复发率，延长患者生存时间[1]。调强放疗已成为治疗宫颈癌重要的放疗手段，容积旋转调强放疗（Volumetric Intensity Modulated Arc Therapy，VMAT）是在调强适形放疗的基础上发展起来的一种新的放射治疗技术，在保护危及器官、减少机器跳数（Monitor Units，MU）、提高靶区适形度及治疗效率等方面有较大优势[2-5]。目前，对单弧、双弧VMAT剂量学的相关研究已有较多报道[6-9]，而有关双弧与对偶弧的对比研究尚鲜见报道。本文基于Raystation计划系统制作双弧与对偶弧VMAT计划，对比2类计划的靶区和危及器官的剂量学参数、计划跳数及子野形状等，分析对偶弧对宫颈癌VMAT计划剂量学的影响，探讨适用于宫颈癌双弧VMAT计划的方式，旨在为临床放射治疗计划设计提供一定的理论参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2020年12月至2021年5月于柳州市工人医院肿瘤科接受放射治疗的宫颈癌术后患者20例作为研究对象，年龄28～81岁，中位年龄50岁。按照国际妇产科联盟（International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO）宫颈癌分期（2018版）标准：ⅠB期2例、ⅡA期6例、ⅡB期4例、ⅢB期1例、ⅢC1p期7例。

1.2 靶区定位

患者体位固定为仰卧位，双臂置于额头上方，热塑体膜固定，使用西门子大孔径CT进行扫描，扫描范围为胸10至坐骨结节下3 cm，层厚5 mm。根据ICRU 83号报告[10]，由放疗物理师勾画临床靶区（Clinical Target Volume，CTV），并外扩5 mm得到计划靶区（Planning Target Volume，PTV）。勾画的危及器官（Organs at Risk，OAR）包括直肠、膀胱、股骨头、小肠等。处方剂量为50.4 Gy/28次，PTV D95%≥50.4 Gy。危及器官剂量体积限值分别为直肠V50＜50%、膀胱V50＜50%、股骨头 V50＜5%、小肠 V50＜15%。

1.3 治疗设备

治疗设备为瓦里安Trilogy直线加速器，具有60对多叶光栅（Multi Leaf Collimator，MLC），中间40对在等中心处投影为5 mm，其余为10 mm。加速器使用6 MV光子线，剂量率为50～600 MU/min的可变剂量率，多叶光栅最大速度设置为2.25 cm/s。

1.4 计划设计

制作VMAT计划时，根据需求可创建单弧和多弧计划。科室拥有Raysearch公司的Raystation 4.7.5.4计划系统。该系统的RayArc模块具有对偶弧功能[11]，可在手动创建第1个弧后自动创建第2个弧，该治疗弧方向与第1个弧相反，两个对偶的弧即形成对偶弧，弧的钨门大小及位置、剂量率等由计划系统自动调节[12]。RayArc模块中双弧优化步骤：弧每隔24°产生一个通量图；每个通量图转化为2～4个初始控制点；过滤小的控制点，留下2个初始控制点分布到相邻机架角度；通过在弧上克隆初始控制点实现所需的最终每个控制点间的机架角度。对偶弧优化步骤中不同的是，通量图转化为5个初始控制点，且在转换步骤中创建4个初始控制点（MLC开口），而不是单个弧中的2个，从通量图中保留了更多的信息。此外，2个对偶弧的MLC开口互补，可减少MLC的移动距离[13]。

使用Raystation进行VMAT计划制作，每例患者重新制作双弧（A1和A2两个弧均为手动创建）和对偶弧（手动创建A1，勾选对偶弧功能自动创建A2）计划，均为2个共面全弧，第1个弧A1为179°～181°（逆时针），第2个弧A2为181°～179°（顺时针），A1和A2的准直器角度均为10°，控制点间距为3°，控制点为120个，计算网格为3 mm×3 mm。为减少误差，使用系统脚本勾画辅助线、创建计划及运算，优化条件及优化次数一致，且所有计划为同一临床医师制作。计划的优化使用Raystation多目标优化（Multi-Criterion Optimization，MCO）算法。

1.5 计划评估

结合剂量分布和剂量体积直方图（Dose-Volume Histogram，DVH）进行评估。计划质量比较前，将所有计划靶区剂量归一至其中最高的PTV处方剂量百分比（97.8%）处。靶区评估参数包括：D2%（2%的靶体积的受照剂量）、D50%和D98%、V50.4,Body（处方剂量为50.4 Gy时覆盖正常组织的体积）、适形度指数（Conformity Index，CI）和均匀性指数（Homogeneity Index，HI）。

危及器官评估参数：直肠和膀胱的V30（接受30 Gy剂量的体积）、V40、V50和Dmean（平均剂量）；股骨头的V20、V30、V40和 Dmean；小肠的V20、V30、V40、V50和Dmean。最后分析2种计划的子野形状。

1.6 统计学分析

采用SPSS 22.0进行数据分析，计量资料采用±s或中位数（四分位）表示，Spapiro-Wilk检验数据正态性，符合正态分布的数据采用配对样本t检验，不符合正态分布的数据采用非参数配对Wilcoxon符号秩检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2种计划的剂量分布图与DVH比较

2种计划的剂量分布如图1所示，图1a和图1b中绿色区域为60%～70%处方剂量，双弧计划中绿色区域明显多于对偶弧计划，图1c为双弧计划减去对偶弧计划的剂量分布，整体上橙/红色面积较蓝色面积多，PTV中无颜色显示，膀胱、股骨头和直肠中主要为橙/红色区域。如图2所示，对偶弧计划中正常组织和危及器官受照剂量均低于双弧计划，而PTV受量高于双弧计划。

图1 双弧与对偶弧计划的剂量分布图

图2 双弧与对偶弧计划的DVH图

2.2 2种计划PTV剂量参数、机器跳数和治疗时间

对偶弧计划的PTV D50%较双弧计划高，差异具有统计学意义（P＜0.05），2种计划的PTV D2%和D98%无统计学差异（P＞0.05）。对偶弧计划V50.4,Body较双弧计划减少，CI较双弧计划提高，差异均有统计学意义（P＜0.05），而2种计划的HI无统计学差异（P＞0.05）。对偶弧计划跳数较双弧增加，差异有统计学意义（P＜0.05），2种计划的治疗时间差异无统计学意义(P＞0.05)（表1）。

表1 2种计划PTV剂量参数、机器跳数和治疗时间比较

2.3 2种计划的OAR剂量参数

对偶弧计划的膀胱受量低于双弧计划，差异有统计学意义（P＜0.05）。小肠除V20外，对偶弧计划中其他参数均较双弧计划降低，差异有统计学意义（P＜0.05）。两种计划的股骨头Dmean和V20无统计学差异（P＞0.05），而对偶弧计划中V30和V40较双弧计划降低，差异有统计学意义（P＜0.05）。直肠除V50外，对偶弧计划的其他参数均较双弧计划降低，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。

表2 2种计划OAR剂量参数比较

2.4 2种计划的子野形状

由于VMAT计划子野较多，故在机架角为179°、90°、0°和270°时各取1个子野。双弧计划（图 3a～d）中A1（左侧）与A2（右侧）子野钨门的X1、X2、Y1和Y2大小几乎一致，图3b～d中A1与A2的射野形状相似。对偶弧计划（图3e～h）中A1子野钨门较A2大，A1子野开口偏X1侧，而A2子野偏X2侧，A1与A2子野之间大多呈左右互补的形状，见图3。

图3 双弧与对偶弧计划的子野形状

3 讨论

VMAT是一种新的调强放疗技术，直线加速器执行VMAT计划时，其MLC开口形状、剂量率和机架转速均可能发生变化。相较于传统的三维适形和静态调强放疗技术，VMAT技术可以减少放疗计划的出束时间，提高CI的同时保护OAR。

目前多位学者研究了双弧VMAT技术在放疗中的应用，如葛双等[14]比较了宫颈癌双弧VMAT在Monaco计划系统中采用正常组织优先与靶区优先两种优化模式的剂量学差异；张惠玲等[15]比较了全弧VMAT和分段弧VMAT治疗胸中段食管癌的剂量学差异；周云泷等[16]研究了VMAT的单双弧照射技术与静态固定野调强技术在早期非小细胞肺癌治疗计划的剂量学差异；龚长飞等[17]研究了逐次优化算法的自动双弧VMAT技术在食管癌放疗中的应用。以上研究表明，双弧VMAT计划中双弧与对偶弧的设置是否对宫颈癌放疗计划的质量产生影响，是一个值得探讨的问题。

本研究采用Raystation计划系统提供的对偶弧功能，在Trilogy加速器上分别设计双弧与对偶弧VMAT计划，比较2种计划的剂量学差异。本研究结果表明，双弧和对偶弧计划均能满足临床要求，对偶弧计划的PTV D50%高于双弧计划，对偶弧计划靶区CI优于双弧计划，虽然对偶弧计划跳数较双弧计划增加，但2种计划的治疗时间并无显著差异；对偶弧计划中大多数OAR剂量分布优于双弧计划，表明通过使用对偶弧功能可以改善计划质量。

郑莉萍等[18]比较了舌癌术后单野双弧和双野双弧两种VMAT计划的射野设置方式，结果显示，单野双弧计划的 D98%、D50%、D2%、D5%、Dmean剂量、HI和 CI均优于双野双弧计划；OAR方面，单野双弧计划的喉和咽缩肌平均量低于双野双弧计划，与本研究结果一致。此外，本文中对偶弧计划投照到正常组织的处方剂量体积减少，而D98%无差异，表明对偶弧计划将更大比例的射线投射到了PTV内。投射到正常组织的剂量由每个子野的MLC开口控制，故总MU增加并不代表投射到正常组织内总剂量的增加。对偶弧总机器跳数增加，而V50.4,Body减少，说明对偶弧计划的MLC开口更小，其调节能力更强。2种计划的剂量率均为50～600 MU/min的可变剂量率，对偶弧计划总机器跳数增加而治疗时间却与双弧计划无统计学差异，说明对偶弧计划的剂量率可能更高。

在双弧计划中，每个弧的特性可由用户定义，例如，起始/终止角度、机架角度间隔、准直器角度、钨门固定位置等。如果2个弧的机架覆盖角度一致，则转换时2个弧的通量可能非常相似，从而导致控制点相似，所以本文中双弧计划A1与A2子野钨门大小及MLC开口形状相似。手动多在设置多个弧适合在弧的覆盖角度不同或个性化的铅门设置时使用[19]。

对偶弧计划将控制点分配给圆弧时，算法考虑了控制点沿X轴的重心和叶片的行程。这会使一个弧开口在MLC左侧，另一个弧开口在MLC右侧，从而使叶片行程最小[10]，与本研究中对偶弧计划的A1子野开口偏X1侧，A2子野开口偏X2侧对应。直肠、膀胱等OAR将PTV分为左右两侧，双弧计划为确保好的覆盖率，控制点的开口将创建在OAR的两侧，此时MLC需要在OAR上来回移动，过程中便增加了直肠、膀胱、小肠等OAR的受照剂量。而采用对偶弧计划时，一个弧聚焦在PTV左侧，另一个弧聚焦在PTV右侧，减少了OAR上的MLC开口，进而减少了OAR的照射剂量。

但本研究中病例数仅为20例，未来还需要更多病例来证实对偶弧功能。宫颈癌为腹部盆腔肿瘤，对偶弧是否对头颈部/胸部肿瘤的放疗计划质量有提升，值得进一步研究。

4 结论

对于宫颈癌VMAT计划设计，双弧计划和对偶弧计划均能实现较好的靶区覆盖，但对偶弧计划适形度更优，且使用对偶弧功能可以进一步降低多数OAR的受照剂量，而计划出束时间几乎一致，即宫颈癌双弧VMAT计划制作过程中建议使用对偶弧功能，可提升放疗计划质量。