Eclipse计划系统计算网格大小对脑胶质瘤VMAT计划影响分析

王天赋，李星月，马明旭，许海燕，关大维，高峰，宫瑾

首都医科大学附属北京天坛医院 放射治疗科，北京 100070

引言

脑胶质瘤是颅内最常见的原发中枢神经系统恶性肿瘤，几乎所有患者都面临复发风险，放疗是胶质瘤术后主要的治疗方式[1-2]。当前我科放疗患者治疗物理技术为容积旋转调强治疗（Volume Modulated Arc Therapy，VMAT），相比调强放射治疗（Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT），VMAT 具有执行时间短，危及器官受量低等特点。Varian Eclipse 计划系统通过光子束优化器（Photon Optimizer，PO）算法进行快速VMAT优化，优化过程通过调节Gantry 旋转、剂量率、多叶准直器（Multi Leaf Collimator，MLC）形状以及一些特定函数。优化共分为4 个水平（Level），每个水平本质是通过调整渐进分辨率（Multi Resolution，MR）实现最终的剂量分布。计划优化初控制点已经加好，并且在优化过程中控制点是确定不变的，计划系统从优化初到优化结束在剂量体积直方图剂量分布具有明显的一致性[3-5]。研究表明，MR 影响计划优化的过程，剂量计算网格（Dose Calculation Grid Size，DCGS）影响计划计算的结果。采取不同的计算网格最后展现的剂量计算结果不同[6-8]。选取小网格优化计划，计算精度越高，但计算时间成倍增加[9-14]。胶质瘤放疗有许多体积小的危及器官，如晶体、视神经、视交叉、垂体。目前靶区与体积小的危及器官对于计算网格切换是否存在高度敏感性尚未有明确结论。基于此，本研究旨在探讨不同的剂量计算网格对胶质瘤VMAT 计划的剂量差异，以期为临床选取适宜的计算网格提供依据。

1 VMAT优化MR原理

VMAT 计划优化过程是计划系统将射野分为众多小的Arc 段，这些Arc 段通过控制点分成许多小射束来确定Gantry 角度、MLC 形状和MU 权重。在随后的每个Level 中，系统都会成倍增加Arc 段（图1），随着分辨率的递增与Level 的递进，精确度逐渐增加。

图1 VMAT优化MR示意图

2 资料与方法

2.1 一般资料

回顾性选取2021 年9 月至2022 年6 月我院收治的行VMAT 计划的胶质瘤患者33 例，其中男性18 例、女性15 例，年龄18～62 岁，平均年龄44 岁，中位年龄44 岁。

纳入标准：① 经病理证实为脑胶质瘤；② 治疗前完善术后脑MRI，明确肿瘤切除程度；③ 放疗前血常规、血生化在规定范围内；④ Karnofsky 评分均＞60 分。排除标准：① 未行开颅手术或活检；② 不能配合完成放化疗；③ 身体有其他系统疾病；④ 有远处转移、淋巴转移。

2.2 靶区勾画及处方设定

患者定位采用SIEMENS SOMATOM Definition AS大孔径CT，（Q-Fix）头架20°、A 枕。固定面网Orift UON®HEAD MASK 热塑模。CT 扫描层厚3 mm，扫描范围从颅顶到C3。

所有患者均由同一主任医生采用CT 图像融合MRI图像勾画临床靶区（Clinical Tumor Volume，CTV）。计划靶区（Planning Target Volume，PTV）由CTV 二维方向外扩0.3 mm 得到。危及器官包括脑干、左/右侧视神经、左/右侧晶体、视交叉。处方剂量为60 Gy，单次剂量2 Gy，共30 次。

2.3 计划设计

采用Eclipse 13.6 计划系统，VMAT 优化采用PO，点剂量计算用各向异性算法（Anisotropic Analytical Algorithm，AAA），体积剂量计算用光子剂量算法（Acuros External Beam，AXB）。医用电子直线加速器型号为Varian C 系列Trilogy，6 MV 光子线对33 例患者行VMAT 计划设计。根据PTV 在颅内情况，设置全弧或部分弧VMAT 计划。优化参数不变的情况下，对1.25、2.50、5.00 mm 3 种不同剂量计算网格分别设计3 组计划（1.25 mm 组、2.50 mm 组、5.00 mm 组）。

靶区剂量要求处方覆盖率＞95%，与靶区有交集的OAR 相对剂量要求低于靶区总剂量的105%，晶体相对剂量低于13%。1 例患者布野、靶区、危及器官示意图如图2 所示。

2.4 剂量参数获取

考虑到1.25 mm 剂量计算网格精细，本研究以1.25 mm 组为参考，分别比较3 种剂量网格下CTV 的最大剂量（Dmax）、最小剂量（Dmin）、平均剂量（Dmean），PTV 的Dmax、Dmin、Dmean。

危及器官剂量参数包括Dmax、Dmean。具体剂量参数从体积直方图获取，见图3。

图3 3种不同剂算网格体积直方图

2.5 统计学分析

使用SPASS 24.0 统计软件进行数据分析，计量资料采用±s表示，组间比较采用t检验，因每例患者的处方剂量以及危及器官受量的绝对偏差有较大差异，本文采用相对偏差[相对偏差=（A-B）/A]进行比较（以1.25 mm 为基础，分别用2.50 mm 组与1.25 mm 组、5.00 mm 与1.25 mm 的数据对比得出结果），分析计划优化时间，该时间只包括计划开始优化到计划优化结束的时间，目标函数迭代计算完毕，不包括临床实际调整计划的时间，实际临床计划时间还要增加，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 靶区剂量分布、危及器官受量和机器跳数比较

如表1 所示，5.00 mm 组躯干Dmax均显著高于1.25 mm 组和2.50 mm 组，1.25 mm 组的PTV Dmin均显著高于2.50 mm 组和5.00 mm 组，1.25 mm 组的CTV Dmin均显著高于2.50 mm 组和5.00 mm 组，5.00 mm 组的CTV Dmax均显著高于1.25 mm 组和2.50 mm 组。3 组其他靶区剂量指标比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表1 靶区剂量分布（±s）

表1 靶区剂量分布（±s）

注：PTV：计划靶区；CTV：临床靶区；CI：靶区适形度指数。

靶区剂量评估指标1.25 mm组2.50 mm组5.00 mm组1.25 mm组vs.2.50 mm组1.25 mm组vs.5.00 mm组2.50 mm组vs.5.00 mm组t值P值t值P值t值P值躯干Dmax/cGy6629.14±75.06 6617.71±69.91 6692.57±81.93 0.562 0.288 -3.328 0.001 -4.052 ＜0.001躯干Dmean/cGy1642.23±348.69 1727.69±650.35 1647.24±352.20 -0.651 0.258 -0.023 0.4900.6340.264 PTV Dmin/cGy5056.30±268.84 4883.72±235.36 4885.17±217.58 2.816 0.003 2.885 0.002 -0.0260.489 PTV Dmean/cGy6182.50±43.62 6189.14±43.17 6196.76±45.75 -0.631 0.265 -1.354 0.090 -0.7240.236 CTV Dmin/cGy5361.56±226.40 5079.29±229.29 5073.22±199.72 5.108 0.001 5.292 0.0010.1120.456 CTV Dmax/cGy6622.94±80.94 6612.10±73.42 6678.71±81.81 0.578 0.283 -3.038 0.002 -3.628 ＜0.001 CTV Dmean/cGy6203.28±51.01 6210.20±50.85 6217.57±54.52 -0.560 0.289 -1.189 0.119 -0.6130.271

如表2 所示，3 组危及器官受量和机器跳数比较差异均无统计学意义（P＞0.05）。

表2 危及器官受量和机器跳数（±s）

表2 危及器官受量和机器跳数（±s）

评估指标1.25 mm组2.50 mm组5.00 mm组1.25 mm组vs.2.50 mm组1.25 mm组vs.5.00 mm组2.50 mm组vs.5.00 mm组t值P值t值P值t值P值脑干D max/cGy5500.62±1321.88 5492.57±1314.68 5542.10±1287.86 0.025 0.490 -0.134 0.447 -0.160 0.437脑干Dmean/cGy2390.23±1190.24 2389.83±1209.36 2411.62±1212.67 0.001 0.499 -0.076 0.470 -0.078 0.469左侧晶体Dmax/cGy413.17±227.14 403.81±223.88 425.23±240.12 0.171 0.432 -0.230 0.409 -0.410 0.342左侧晶体Dmean/cGy302.02±144.85 299.38±145.60 310.73±154.20 0.075 0.470 -0.260 0.398 -0.339 0.368右侧晶体Dmax/cGy417.93±220.40 403.01±214.99 420.03±229.07 0.283 0.389 -0.042 0.483 -0.341 0.367右侧晶体Dmean/cGy301.52±145.50 296.61±143.41 302.72±148.53 0.140 0.444 -0.036 0.486 -0.185 0.427左侧视神经Dmax/cGy 3097.76±2225.14 2981.05±2233.54 3057.57±2237.01 0.216 0.415 0.079 0.469 -0.151 0.440左侧视神经Dmean/cGy 1968.20±1673.91 1946.50±1691.57 1957.23±1656.09 0.053 0.479 0.029 0.489 -0.228 0.489右侧视神经Dmax/cGy 3252.96±2467.03 3233.99±2495.06 3288.65±2508.52 0.032 0.487 -0.064 0.475 -0.098 0.461右侧视神经Dmean/cGy 2196.54±1849.74 2246.61±1890.67 2229.29±1882.0 -0.110 0.456 -0.078 0.469 0.041 0.484视交叉Dmax/cGy5095.01±1777.63 5057.71±1837.13 5094.09±1801.46 0.085 0.466 0.002 0.499 -0.090 0.464视交叉Dmean/cGy4103.16±1796.62 4080.49±1834.66 4110.20±1813.68 0.051 0.480 -0.017 0.493 -0.074 0.471机器跳数237.59±19.21236.44±21.44238.74±21.87 0.162 0.436 -0.177 0.430 -0.354 0.363

3.2 靶区剂量相对偏差

由表3 可知，1.25 mm 组与2.50 mm 组、5.00 mm 组的CTV Dmin、PTV Dmin靶区剂量相对偏差较大，其他靶区剂量参数相对偏差较小。

表3 靶区剂量相对偏差（%）

3.3 危及器官受量相对偏差

从表4 可知，1.25 mm 组与2.50 mm 组、5.00 mm组的左侧晶体、左侧视神经、右侧视神经的相对偏差较大。

表4 危及器官剂量相对偏差（%）

3.4 机器跳数相对偏差

从表5 可知，1.25 mm 组与2.50 mm 组、5.00 mm组的机器跳数相对偏差均较小。

表5 机器跳数相对偏差（%）

3.5 计划优化时间比较

1.25 mm 组、2.50 mm 组、5.00 mm 组计算网格平均计划优化时间分别为95、45、25 min，1.25 mm 组计划优化时间明显短于2.50 mm 组和5.00 mm 组。

4 讨论

本研究主要分析Eclipse 计划系统优化VMAT 计划时，选取不同的剂量计算网格对临床脑胶质瘤放疗患者产生剂量方面的影响，结果表明，Eclipse 计划系统选取不同计算网格会对靶区及危及器官产生物理剂量变化。1.25 mm 计算网格优化VMAT 计划时间是2.50 mm 计算网格的2 倍，是5.00 mm 计算网格的3.8 倍，建议选取2.50 mm 剂量计算网格进行VMAT 优化。目前国内尚鲜见剂量网格选取对胶质瘤放疗产生剂量学方面的影响。对比不同计划系统，陈飞虎等[15]研究表明，Pinnacle3 计划系统，物理剂量会随剂量计算网格变大而减小，与本研究结果不一致，本研究中Eclipse13.6 VMAT PO 优化算法得出小的计算网格会使靶区高量变低，靶区最小剂量增大，而危及器官剂量增大。郭隆佳等[16]研究表明，相同计划系统Eclipse，虽然肿瘤位置不同，但结果类似，小计算网格能改善剂量准确性，并且能提高靶区剂量，与本研究结果一致。

目前，虽然有研究报道小网格插值为线性，计算精度较高，但还需要大量的临床计划验证来证明大网格计算的计划带来的剂量影响是否可以完全符合条件用于临床[17-18]。验证计划准确性需要用到当前的三维验证设备，如Delta4、Compass 和Arc check[19-21]，虽然这些验证设备采集VMAT 剂量时是三维，其实际Gamma 分析时还是将三维的剂量展开化为二维剂量分布，采用一定数目的剂量点来进行剂量验证。首先这种剂量验证方式采样点少，也不能完全还原医用电子直线加速器实际出束剂量与计划系统计算剂量进行对比。其次，实际Gamma分析中设置距离、剂量百分比差异，是在规定范围规定剂量限值内如果验证设备与治疗计划系统对应的剂量点剂量相近，这种距离和剂量差异的设置是否会导致不同剂量计算网格带来的影响差异被消除，有待进一步验证。当前三维重建剂量验证在逐步应用于临床，Gamma分析采样点多，同时可以还原靶区、危及器官的实际受量[22-24]。未来，还需研究计算网格对靶区体积大小是否存在敏感，找出剂量网格大小对体积范围的影响，以及通过Arc-Check 实际测量医用电子直线加速器出束剂量，联合3DVH 系统重建三维剂量来与治疗计划系统采取不同计算网格得出的计算剂量进行对比，为临床提供依据。

5 结论

综上所述，脑胶质瘤放射治疗中Eclipse 计划系统选取不同计算网格会对靶区及危及器官产生物理剂量变化，选取小剂量计算网格，靶区剂量高量降低，靶区最小剂量增高，单从靶区剂量角度来考虑，效果更佳，但是小的剂量计算网格会导致危及器官剂量受量增高，临床计划设计时，如果选取小计算网格，建议增大危及器官限量权重或者降低危及器官受量限值来平衡。从VMAT 计划优化时间来考虑，1.25 mm 计算网格优化VMAT 计划时间是2.50 mm 计算网格的2 倍，是5.00 mm计算网格的3.8 倍。综合考虑，建议选取2.50 mm 剂量计算网格进行VMAT 优化。