放疗计划参数对剂量验证计划γ通过率的相关性研究

游鸿强

随着放疗技术的发展，现如今放疗技术能够精确定位、精确计划、精确治疗。调强放疗（intensity-modulated radio therapy，IMRT）和容积旋转调强放疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）技术普遍用于肿瘤患者的治疗中[1-2]。IMRT 能更好保护关键器官、邻近器官受照剂量小、可调整射束强度、子野序列等，使靶区剂量分布均匀；VMAT 兼具IMRT 的优势，在多数肿瘤中可体现靶区均匀剂量与高度合适的形度，具有高效快捷优势，更好保护危及器官并缩短治疗时间[3]。由于在治疗计划中，涉及较多的动态变化参数，增加了整个计划的不确定性，如射束调制程度越高，射野越复杂，子野形状越不规则，会导致治疗计划的剂量验证结果越差[4-5]。因此需要通过计算并调整计划参数，提高放疗计划的安全性和可靠性[2]。本研究通过探索射野复杂性的差异，比较IMRT 和VMAT 2 种技术与γ 通过率的相关性，为临床治疗计划设计提供参考，以期为以后放疗技术在实施过程中的射野参数的调整优化的标准制定提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2019年11月—2021年9月福建肿瘤医院放疗中心收治的184 例放射治疗的头颈部肿瘤患者（甲状腺癌63 例、鼻咽癌42 例、舌癌31 例、上颌窦癌48 例）。纳入标准：接受了放疗的头颈部肿瘤患者，且放疗计划信息完整。排除标准：放疗计划信息不完整，且图像序列不完整，存在伪影。其中85 例采用IMRT 计划，男性40 例，女性45 例，平均年龄（45.00±12.82）岁；99 例采用VMAT 计划，男性52 例，女性47 例，平均年龄（48.00±13.43）岁。2 种放疗计划患者的一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。本研究经医院医学伦理委员会批准。

1.2 方法

1.2.1 仪器设备

直线加速器为VersaHD 加速器（Eleta，Sweden），配备AgilityTM 多叶准直器（Eleta，Sweden），射线能量为6 MV。计划系统选用Monaco 5.10。验证设备为ArcCHECK（Sun Nuclear 公司，USA），半导体探头数量1 386 个，矩阵直径21 cm，矩阵长度21 cm，测量范围20 cm×20 cm，探头最小间距1.0 cm。

1.2.2 剂量验证方法

通过使用VersaHD 加速器上的电子射野影像装置分别对IMRT 和VMAT 计划进行计量验证，得到每个计划的γ通过率。采用绝对剂量模式，分析标准选取1%/1 mm，2%/2 mm 和3%/3 mm 进行比较，阈值设定为10%。

1.3 观察指标

分别将85 例采用IMRT 计划、99 例采用VMAT 计划的资料按医学数字成像及通信文件格式导出，并使用基于python，自主编写的的程序读取相关的射野复杂度指标进行射野复杂度指标计算。基于多叶准直器（multi-leaf collimator，MLC）分别计算计划标准跳数（plan normalized MU，PMU）、平均调制复杂度分数（modulation complexity score，MCS）、计划平均射野面积（plan averaged beam area，PA）、计划平均射野不规则性（plan averaged beam irregularity，PI）、计划平均射野调制（plan averaged beam modulation，PM）。MCS 的值域为0 ～1，MCS 值越大射野复杂度越低，反之越小表明射野中子野形状不规则程度越高，子野面积变异程度越大，射野越复杂。PA 值越小，射野越复杂。PI 值能反映射野的狭窄程度，PI 值越大，射野越狭窄形状越不规则，射野越复杂。

1.4 统计学处理

采用SPSS 23.0 统计学软件进行数据分析。计量资料以（±s）表示，组间比较采用独立样本均数t检验；计数资料以n（%）表示，采用χ2检验。对所有射野复杂度指标和计划γ 通过率进行Spearman 相关性检验，相关性系数的绝对值|r|越大表明两变量之间的相关性越强。|r|＜0.4 为弱相关，|r|在0.4～0.7为中度相关，|r|＞0.7为强相关。检验水准α＝0.05。

2 结果

2.1 IMRT 计划和VMAT 计划在不同γ 分析标准下的γ 通过率

85 例患者采用IMRT 计划，99 例患者采用VMAT 计划，分别验证γ 通过率，VMAT 计划在1%/1 mm 标准下γ通过率低于IMRT 计划，差异有统计学意义（P＜0.05）；2 种计划在2%/2 mm、3%/3 mm 标准下γ 通过率比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。2 种计划在1%/1 mm 标准下γ 通过率较低，在3%/3 mm 标准下γ 通过率较高。见表1。

表1 IMRT 计划和VMAT 计划在不同γ 分析标准下的γ 通过率（%，±s）

表1 IMRT 计划和VMAT 计划在不同γ 分析标准下的γ 通过率（%，±s）

计划1%/1 mm2%/2 mm3%/3 mm IMRT（n ＝85）58.88±7.9090.59±5.1998.64±1.00 VMAT（n ＝99）54.71±4.6190.72±2.8497.02±1.71 t 值4.0213.9272.832 P 值0.0050.1720.211

2.2 IMRT 计划和VMAT 计划的不同射野复杂度指标比较

IMRT 计划和VMAT 计划的不同射野复杂度指标中，VMAT 计划的PMU、PI、PM 均大于IMRT 计划；VMAT计划的MCS、PA 小于IMRT 计划，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 IMRT 计划和VMAT 计划的不同射野复杂度指标比较（±s）

表2 IMRT 计划和VMAT 计划的不同射野复杂度指标比较（±s）

计划PMUMCSPAPIPM IMRT（n ＝85）707.04±259.410.26±0.1660.74±13.8015.45±1.540.73±0.17 VMAT（n ＝99）882.21±123.430.16±0.0553.79±8.4732.54±4.560.82±0.05 t 值1.2214.8215.3822.9122.933 P 值0.0210.0050.028＜0.0010.031

2.3 IMRT 和VMAT 计划基于射野复杂度指标与γ 通过率不同标准下的相关性

Spearman 相关性检验结果表明，85 例患者IMRT 计划中，射野复杂度指标与γ 通过率呈不同程度的相关性。在1%/1 mm 标准下，PMU、MCS、PM 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r| ≤0.7，P＜0.05）；在2%/2 mm 标准下，MCS、PM 和γ 通过率呈弱相关性（|r|＜0.4，P＜0.05），PMU 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 标准下，PMU、MCS、PM 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）。3 种γ 分析标准下，PA、PI 与γ 通过率均无相关性（P＞0.05）。见表3。

表3 85 例患者IMRT 计划基于射野复杂度指标与γ 通过率不同标准下的相关性

Spearman 相关性检验结果表明，99 例患者VMAT 计划中，射野复杂度指标与γ 通过率呈不同程度的相关性。在1%/1 mm 标准下，PMU、PI 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05），MCS、PM 和γ 通过率呈强相关性（|r|＞0.7，P＜0.05）；在2%/2 mm 标准下，PMU、MCS、PI、PM 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 标准下，PMU、MCS、PM、PI 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）。3 种γ 分析标准下，PA 与γ 通过率均无相关性（P＞0.05）。见表4。

表4 99 例患者VMAT 计划基于射野复杂度指标与γ 通过率不同标准下的相关性

3 讨论

由于IMRT 和VMAT 包含不同强度的复杂射野，参数多且容易变化，计划复杂度高，容易发生错误导致剂量的不准确。有研究表明，射野复杂度与计划质量和执行精度有着密切的关系，过高的射野复杂度会增加多叶光栅（multileaf collimator，MLC）漏射和散射剂量，延长治疗时间和降低计划通过率；而射野通量调制不足则影响靶区和危及器官剂量目标的实现[6-7]。治疗计划的射束调制程度越高，射野越复杂，子野形状越不规则，小面积子野越多，治疗计划的剂量验证结果越差[8]。多种情况下，均表明在治疗前，需对治疗计划进行验证，以保证为保障患者的生命安全，并保证剂量传递的准确性。

γ 分析方法是一种定量比较的常用方法，是用于治疗前计划质量检查常用的比较指标[9]。本研究在通用剂量阈值10% 的条件下，采用3 种剂量偏差/ 一致性距离（dose deviation/ distance to agreement，DD/DTA）评价标准组合（3%/3 mm、2%/2 mm、1%/1 mm）进行了基于相对剂量模式下的全局剂量归一的γ 指数分析，γ 通过率最好≥95% 或最低≥90%[10-11]。本研究通过IMRT 和VMAT 2 种计划分别通过ArcCHECK 进行剂量验证，结果表明，阈值选择10%，2 种计划在3%/3 mm标准下平均γ 通过率较高，在2%/2 mm 标准下，通过率虽有所下降，但平均γ 通过率均＞90%。

在射野复杂度指标的应用中，需在计划设计的过程中，根据射野复杂度指标优化设计参数，用于减少复杂子野[12-14]。而射野复杂度指标可以作为减少剂量验证工作量的辅助工具，如对于实际剂量验证来说，低复杂性的计划可能更需要较少的验证，通过复杂度指标可提前关注到有较大可能性无法通过剂量验证的计划，以及时采取干预措施[15]。本研究分析了在IMRT 计划和VMAT 计划中的不同射野复杂度指标，结果表明，VMAT 计划的PMU、PI、PM 均大于IMRT 计划，说明VMAT 计划中跳数多，射野越狭窄形状较不规则；VMAT 计划的MCS、PA 小于IMRT 计划，说明VMAT 计划中射野中子野形状不规则程度较高，子野面积变异程度较大。2 种计划的不同射野复杂度指标比较差异有统计学意义（P＜0.05）。因此从不同射野复杂度指标中的比较结果分析，VMAT 计划中射野较复杂。

有研究表明，若IMRT 计划越复杂，其组成射野的子野形状越不规则，子野形状的变异越大，小面积子野越多，狭长野、孤岛野越多，机器跳数越高[16-17]。因此本研究又对2 种计划中的射野复杂度指标与γ 通过率进行相关性分析。在IMRT 计划中Spearman 相关性检验结果表明，射野复杂度指标与γ 通过率呈不同程度的相关性。在2%/2 mm 标准下，MCS、PM 和γ 通过率呈弱相关性（|r| ＜0.4，P＜0.05），PMU 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r| ≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 标准下，PMU、MCS、PM和γ通过率呈中度相关性（0.4≤|r|≤0.7，P＜0.05）。PA、PI 与γ 通过率均无相关性（P＞0.05）。在VMAT 计划中Spearman 相关性检验结果表明，射野复杂度指标与γ 通过率呈现出不同程度的相关性。在2%/2 mm 标准下，PMU、MCS、PI、PM 和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）；在3%/3 mm 标准下，PMU、MCS、PM、PI和γ 通过率呈中度相关性（0.4 ≤|r|≤0.7，P＜0.05）。PA 与γ 通过率均无相关性（P＞0.05）。

综上所述，采用ArcCHECK 验证IMRT 计划和VMAT计划，通过电子射野影像装置，得出射野复杂度指标与γ通过率具有不同程度的相关性，因此推荐临床可在剂量验证前调整射野指标来辅助设计放疗计划。