固定铅门模式下控制点间距对乳腺癌容积旋转调强放射治疗计划剂量学的影响

李 钢，谭军文，贺先桃，冯永富，龙雨松

（广西医科大学第四附属医院肿瘤科放疗室，广西柳州 545005）

0 引言

乳腺癌是女性中常见的恶性肿瘤，是中国女性发病率最高、病死率位居第六的恶性肿瘤[1]。放射治疗作为乳腺癌的一种重要治疗方法，可有效降低局部复发率，提高乳腺癌患者的生存率[2]。目前，乳腺癌放射治疗技术正从二维常规切线放射治疗向三维适形放射治疗（three dimensional conformal radiotherapy，3D-CRT）、调强放射治疗（intensity-modulated radiotherapy，IMRT）、容积旋转调强放射治疗（volumetric modulated arc therapy，VMAT）发展。有研究[3]对左侧乳腺癌根治术后IMRT和3D-CRT技术的剂量学进行比较，结果表明IMRT计划靶区（planning target volume，PTV）处方剂量覆盖率、靶区适形性和均匀性均优于3D-CRT计划，且在保护心肺方面更具优势。巩汉顺等[4]对乳腺癌根治术后VMAT与静态IMRT计划的临床剂量学参数进行比较，得出VMAT技术在靶区均匀性、危及器官（organ at risk，OAR）的受量、出束时间方面均优于IMRT技术。综上可见，VMAT技术在乳腺癌放射治疗中最具优势，作为一种360°范围的剂量投射，有很多影响VMAT技术的剂量学因素，其中控制点间距就是一个很重要的因素。有研究报道了直肠癌VMAT中不同参数对计划的影响[5]，表明控制点间距为2°时的计划比4°时的计划质量更优，但该研究只对比了控制点间距为2°和控制点间距为4°的VMAT计划，未与控制点间距为3°的VMAT计划对比。也有研究报道了[6]乳腺癌改良根治术后3种放射治疗技术的对比，表明VMAT技术优于固定野调强技术和容积旋转调强光子线联合电子线照射技术，但该研究中提到容积旋转调强机架角起止范围为290°～180°，未避开锁骨上靶区非必要的手臂照射。因此，本研究在乳腺癌改良根治术后进行控制点间距为2°、3°、4°的VMAT计划剂量学比较，并且在设计照射锁骨上靶区时避开手臂，在145°～50°和50°～145°这2段弧通过固定铅门时只照射胸壁靶区范围，规避手臂的不自主运动，使剂量投照更准确[7]，为临床计划设计提供参考。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选取2021年1—8月在广西医科大学第四附属医院已进行放射治疗的左侧乳腺癌患者17例，均为女性，年龄36～63岁，中位年龄44岁。纳入标准：（1）临床分期确诊为Ⅲ期的乳腺癌患者；（2）行改良根治术后左侧乳腺癌患者；（3）靶区包括胸壁靶区和锁骨上靶区。排除标准：（1）靶区包含有区域淋巴结的患者；（2）有放疗禁忌证的患者。

1.2 治疗设备

治疗设备为瓦里安Trilogy直线加速器，配备60对多叶准直器，叶片宽度中间为0.5 cm、两头为1.0 cm，治疗用6 MV X射线，治疗技术为VMAT；计划系统为RayStation 4.7.5（瑞典RaySearch公司）。

1.3 CT模拟机定位

患者呈仰卧位，使用乳腺专用一体架和热塑体膜进行固定，其双臂展开置于托架上，用铅丝标记胸壁范围，嘱患者平静呼吸，扫描范围为第二颈椎至乳皱下4 cm，层厚5 cm，扫描图像传入RayStation计划系统，待医师勾画靶区完毕后，再行计划设计。

1.4 靶区、OAR勾画和处方剂量

17例乳腺癌患者的靶区均由我科放疗医师进行勾画。临床靶区（clinical target volume，CTV）包括胸壁区域及腋窝、锁骨上相关预防照射区域，分别记为CTV1和CTV2。PTV由CTV在三维方向上外扩5 mm得到，同时勾画出双肺、心脏、脊髓、甲状腺等OAR。PTV的处方剂量为50 Gy/25次，所有计划在95%PTV达到处方剂量的前提下，比较靶区的相关参数和OAR的受照量。OAR剂量限制主要包括患侧肺V20Gy＜25%、V30Gy＜15%、平均剂量＜15 Gy，健侧乳腺平均剂量＜8 Gy，心脏V30Gy＜10%，甲状腺V50Gy＜10%，脊髓最大剂量＜40 Gy。同时对比3组VMAT计划的剂量体积直方图（dose volume histogram，DVH）、等剂量分布图。

1.5 计划设计

使用RayStation计划系统分别设计控制点间距为2°、3°、4°的3组VMAT计划。选用6 MV能量X射线、均整模式，计算网格为3 mm×3 mm×3 mm，剂量计算算法为锥形束卷积（collapse cone convolution，CCC）。为了保证放射治疗时锁骨上部分靶区的照射精准性，避开不必要的照射区域，在设计VMAT计划时分段成多段弧，其中2段弧固定铅门大小，即限定照射野范围，在出束的过程中铅门可遮挡上臂部分，使X射线对胸壁靶区进行调制照射。本研究乳腺癌VMAT计划设计成7段弧，依次为逆时针方向0°～300°、顺时针方向300°～50°、顺时针方向50°～145°、顺时针方向145°～179°、逆时针方向179°～145°、逆时针方向145°～50°、逆时针方向50°～0°，小机头角度设计依照靶区而定。其中，顺时针方向50°～145°与逆时针方向145°～50°2段弧通过调整4块铅门（X1、X2、Y1、Y2）的大小，使X射线只对胸壁靶区进行调制，锁骨上靶区通过其他弧进行调制照射。每例患者的3组VMAT计划（控制点间距分别为2°、3°、4°）都使用相同的优化参数和优化条件。

1.6 评估指标

靶区均匀性指数（homogeneity index，HI）的计算公式如下：

式中，D2%为2%靶区所受剂量；D98%为98%靶区所受剂量；D50%为50%靶区所受的剂量。HI范围为0～1，HI值越小，说明剂量曲线坡度越陡，靶区剂量分布越均匀。

靶区适形性指数（conformity index，CI）的计算公式如下：

式中，VTref为处方剂量所包绕的靶区体积；VT为靶区的体积；Vref为处方剂量所包绕的体积。CI范围为0～1，CI值越大，说明靶区适形性越好。

靶区最高剂量一般不超过靶区处方剂量的110%，考虑到靶区邻近体表，其最高剂量限定为靶区处方剂量的105%，因此可以评估靶区的剂量体积参数V105%，其代表105%处方剂量所包含的体积。

OAR的评估参数主要包括患侧肺（左侧肺）的平均剂量、V5Gy、V10Gy、V20Gy、V30Gy（V5Gy表示5 Gy等剂量线覆盖体积百分比，依此类推），心脏的平均剂量、V5Gy、V10Gy、V20Gy、V30Gy，健侧肺（右侧肺）的平均剂量、V5Gy，健侧乳腺（右乳）的平均剂量、V20Gy，脊髓的最大剂量，甲状腺V50Gy。

评估指标还包括机器跳数和出束时间。

1.7 统计学分析

使用SPSS 20.0软件对3组数据进行双因素方差分析，如果存在差异，用LSD-t检验进行两两比较，结果用±s表示，P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 3组VMAT计划分析

分别对3组VMAT计划靶区的CI、HI、V105%OAR剂量学参数以及机器跳数和出束时间进行双因素方差分析，其结果详见表1。从表1中可以看出，右乳V20Gy、心脏V5Gy、右侧肺平均剂量、右侧肺V5Gy、脊髓最大剂量在3组VMAT计划之间差异无统计学意义（P＞0.05），而心脏平均剂量及V10Gy之间的P=0.04，已经接近0.05，所以结合两两比较结果，视为心脏平均剂量和V10Gy在3组VMAT计划之间的差异同样没有统计学意义，其他OAR的受量在3组VMAT计划之间的差异均存在统计学意义（P＜0.05）。

表1 不同控制点间距的VMAT计划各个参数统计量的方差分析结果

2.2 靶区剂量与覆盖比较

由表2可以看出，控制点间距为2°和4°的VMAT计划之间的CI差异无统计学意义（P＞0.05）且均高于控制点间距为3°的VMAT计划，这说明在靶区覆盖层面上控制点间距为2°和4°的VMAT计划一致，均优于控制点间距为3°的VMAT计划。而控制点间距为2°的VMAT计划的HI优于控制点间距为3°和4°的VMAT计划。本研究中乳腺癌的放疗计划评估为靶区处方剂量的105%，相对处方剂量的110%，要求更高。控制点间距为2°和4°的VMAT计划之间的V105%差异没有统计学意义（P＞0.05），均优于控制点间距为3°的VMAT计划。从靶区剂量学参数对比上看，控制点间距为2°的VMAT计划最优，控制点间距为4°的VMAT计划接近控制点间距为2°的VMAT计划，均优于控制点间距为3°的VMAT计划。

表2 不同控制点间距的VMAT计划的靶区剂量学参数对比结果

2.3 OAR剂量比较

从表3中可以看出，3组VMAT计划均满足患侧肺V20Gy＜25%、平均剂量＜15 Gy、心脏V30Gy＜10%，控制点间距为2°和4°的VMAT计划满足甲状腺V50Gy＜10%，但控制点间距为3°的VMAT计划甲状腺V50Gy已经超过了10%，且患侧肺V30Gy超过了15%。控制点间距为2°的VMAT计划的右乳平均剂量、左侧肺V30Gy、甲状腺V50Gy优于控制点间距为4°的VMAT计划，并且控制点间为2°和4°的VMAT计划均优于控制点间距为3°的VMAT计划。控制点间距为3°和4°的VMAT计划间心脏V20Gy、V30Gy，左侧肺平均剂量、V5Gy、V10Gy、V20Gy差异均无统计学意义（P＞0.05），但均劣于控制点间距为2°的VMAT计划。从多个OAR的剂量学参数比较结果可以看出，总体上控制点间距为2°的VMAT计划是最优的，控制点间距为3°和4°的VMAT计划基本上无差异。

表3 不同控制点间距的VMAT计划OAR的剂量学参数对比结果

2.4 DVH及剂量分布图比较

3组VMAT计划的OAR和PTV的DVH比较结果如图1所示。从图1中可以看出，3组计划的PTV都归一到处方剂量，即5 000 cGy达到95%的靶区体积。控制点间距为2°和4°的VMAT计划PTV的DVH曲线基本上一致，且相比于控制点间距为3°的VMAT计划，曲线更陡，斜率更大。总体上，控制点间距为2°的VMAT计划OAR的DVH曲线相比于控制点间距为3°和4°的VMAT计划更向左平移，而控制点间距为3°和4°的VMAT计划的OAR的DVH曲线大体一致。这说明控制点间距为2°的VMAT计划总体上OAR受量更低，控制点间距为3°和4°的VMAT计划的OAR受量大体一致。某患者横断面上控制点间距分别为2°、3°、4°的VMAT计划的某同一层面的横断面剂量分布图如图2所示。从图2中可以看出，控制点间距为2°和4°的VMAT计划的剂量分布图差异不大，都能较好地包绕靶区，相比于控制点间距为3°的VMAT计划更优，且控制点间距为2°和4°的VMAT计划比控制点间距为3°的VMAT计划的V105%处方剂量面积更小。因此，结合DVH和剂量分布图的分析，总体上控制点间距为2°的VMAT计划最优，控制点间距为4°的VMAT计划次之。

图1 不同控制点间距的VMAT计划的DVH比较结果

图2 某患者控制点间距为2°、3°、4°的VMAT计划的同一层面的横断面剂量分布图

2.5 机器跳数和出束时间比较

3组VMAT计划的跳数和出束时间对比结果详见表4。从表4可以看出，控制点间距为4°的VMAT计划使用了最少的机器跳数，出束时间最短，其次为控制点间距为3°的VMAT计划，但从机器跳数和出束时间数值上看，3组VMAT计划相差不是很大，不作为计划评估主要比较因素。

表4 不同控制点间距的VMAT计划的机器跳数和出束时间对比结果

3 讨论

在乳腺癌非调强放射治疗时代，放射治疗靶区的适形性及靶区剂量的均匀性差，不能对OAR进行足够的保护，而VMAT技术不仅可以较好地保护OAR，还能提高靶区剂量的适形性和均匀性，同时放射治疗实施过程中效率也得到大幅提高。VMAT计划中涉及到很多参数，其中参数值设置的不同对放疗计划的靶区和OAR有很大影响，比如本研究中的控制点间距。

刘光波等[8]在Monaco 5.0计划系统上研究控制点数量对子宫颈癌的计划的影响，计划设计分别设置10、20、30、40、50、60、70个控制点数量，结果表明在50个控制点以内，靶区的适形性和均匀性具有上升的趋势。也有研究[9]报道了RayStation计划系统在宫颈癌不同控制点间距的VMAT计划之间的差异，指出在控制点间距为2°时正常组织的受量均低于控制点间距为3°、4°的VMAT计划。以上2项研究与本研究得出的控制点间距越小，控制点越多，靶区剂量更具优势的结论一致。洪楷彬等[10]在Monaco 5.11计划系统上研究了控制点数量对鼻咽癌的VMAT计划的影响，分别设计100个和120个控制点数量，结果表明2种控制点数量的VMAT计划的PTV和OAR的剂量分布无差异，与本研究控制点间距为3°和4°的VMAT计划差异不大，有一定的类似性。吴晓辉等[11]在Oncentra计划系统上研究角间距对鼻咽癌、肺癌、乳腺癌VMAT计划的影响，得出的结论是角间距设置参数的不同会影响乳腺癌VMAT计划质量，对鼻咽癌和肺癌VMAT计划质量影响较小，验证了本研究控制点间距对乳腺癌VMAT计划的影响。其中，Monaco计划系统上的控制点数量和Oncentra计划系统上的角间距对应着本研究RayStation计划系统上的控制点间距。Bedford等[12]的研究表明更小的控制点间距可以提高剂量准确性和剂量分布优越性，但控制点间距的缩小，导致控制点数量增多，在旋转角度相同的情况下，会导致机器跳数的增加和出束时间的增多，同样优化时间也增加。本研究结果也验证了控制点间距为2°的VMAT计划的机器跳数和出束时间多于控制点间距为3°的VMAT计划，而控制点间距为3°的VMAT计划的机器跳数和出束时间多于控制点间距为4°的VMAT计划。

本研究采用固定铅门模式，物理师需根据靶区形状设定铅门位置，一定程度上增加了计划设计和优化时间，并且分成7段弧也在一定程度上降低了治疗效率。本研究的不足之处在于选取的是左侧乳腺癌病例，未将右侧乳腺癌病例纳入研究，下一步将研究控制点间距对右侧乳腺癌VMAT计划的影响。乳腺癌靶区贴近浅表，X射线可以直接到达靶区，旋转调强照射中大部分角度的X射线无需穿过人体的正常组织，所以采用小角度的控制点间距会使计划系统在进行剂量优化过程中更精细，优化效果更好，但一定程度上也增加了机器跳数和出束时间。而鼻咽癌、肺癌等深部肿瘤的周围保护组织更多，剂量到达肿瘤的路径更长，研究结论是否同样适用尚不清楚，后期本课题组将进一步研究控制点间距对鼻咽癌、肺癌VMAT计划的影响。

综上所述，控制点间距为2°的VMAT计划的靶区覆盖度、靶区剂量均匀性以及OAR受量均优于控制点间距为3°和4°的VMAT计划，而控制点间距为3°的VMAT计划和控制点间距为4°的VMAT计划差异不大，但控制点间距为4°的VMAT计划机器跳数和出束时间低于控制点间距为3°的VMAT计划。因此，建议在针对左侧乳腺癌的VMAT计划设计时，控制点间距优先采用2°，其次为4°。