2. 江苏省人民医院宿迁分院
2. Suqian Branch, Jiangsu Province hospital
随着放射治疗技术的发展，调强放射治疗(Intensity modulated radiotherapy, IMRT)在临床中被越来越广泛的使用[1]。调强放射治疗已经被证明在食管癌放射治疗中有剂量学优势，可以提高肿瘤控制率，保护危及器官，减少正常组织损伤[2-4]，目前应用最普遍的调强治疗技术是通过多叶准直器(Multi-Leaf collimator, MLC)实施。MLC实现调强有静态调强和动态调强两种方式。静态调强(Static intensity modulated radiotherapy，sIMRT)也称分步照射技术(step and shoot)，是将不均匀的射野强度分级成若干个子野进行逐个照射，两个子野切换之间必须停止射线出束[5-7]。动态调强(Dynamic intensity modulated radiotherapy, dIMRT)又称滑动窗口照射技术(Sliding window)，是通过调节DMLC叶片相对运动速度来实现对射野强度的调节，在叶片运动过程中一直伴随着射线产生[7]。近年来，随着放疗设备性能提高，一种新的调强放疗技术-容积旋转调强(Volumetric modulated arc therapy, VMAT)已应用于临床，VMAT是在加速器机架连续旋转过程中通过MLC连续运动形成一系列子野并配合通过改变剂量率形成可变束流来完成的IMRT方式，是一种兼有旋转照射优点的动态IMRT模式[8]。已经有研究证明VMAT与IMRT在胸上段食管癌治疗中，靶区及正常组织的剂量分布均无明显差异，但VMAT可缩短治疗时间，减少照射过程中病人自主运动误差，提高治疗效率。因此VMAT在食管上段癌放射治疗中有良好的应用前景[9]。由于VMAT有多参数协作的不确定性，因此对QC/QA提出了更高的要求。目前已有研究报道用于计划剂量验证的设备主要有MatriXX, ArcCheck, Delta-4和COM PASS等[10-12]，本文从ArcCheck剂量验证角度研究分析食道上段癌静态调强(sIMRT)、动态调强(dIMRT)、容积旋转调强(VMAT)三种方式放射治疗技术。
1 材料与方法 1.1 CT图像资料回顾性研究淮安市第一人民医院2017年收治的食管上段癌患者20例，均经病理学确诊为鳞癌，且分期较晚，未手术，行根治性放射治疗。男11例，女9例。年龄50~77岁，中位年龄为64岁。患者定位采取仰卧位，用热塑颈肩S膜固定，进行CT模拟定位(扫描层厚3 mm)，将扫描后的CT图像传到Monaco放射治疗计划系统，每个病例计划采用静态调强(sIMRT)、动态调强(dIMRT)、容积旋转调强(VMAT)这三种方式设计3个调强计划。
1.2 设备材料医科达公司的Versa HD型号直线加速器，Monaco治疗计划系统，标定加速器的剂量仪是PTW公司UNIDOS静电计和0.6cc指形电离室。验证的主要工具是SunNuclear公司的ArcCheck，SNC Patient软件装于专用电脑中，软件中可以显示测量的相对剂量和绝对剂量的分布，同时可以和计划系统计算出的剂量进行对比。
1.3 ArcCheck的校准根据SunNuclear公司的校准步骤，对ArcCheck进行本底校准、矩阵校准和绝对剂量校准。①本底校准，首先连接ArcCheck模体和SNC Patient软件，打开软件后自动对ArcCheck进行本底采集，创建每一个探测器的本底因子。在测量之前首先要做本底校准，否则测量结果会有影响。采集本底时应保证ArcCheck处于没有射线的环境中[13]。②矩阵校准，矩阵校准是对ArcCheck每一个探测器的灵敏度做校准归一。射野大小为20 cm×28 cm，SAD为100 cm，SSD为86.7 cm。每次给200 MU，按软件中的步骤进行不同角度的照射，ArcCheck的矩阵校准后完成后，保存校准数据文档以便测量时调用。③绝对剂量校准，绝对剂量校准就是创建剂量校准因子，把ArcCheck所测量到的相对剂量值转换为绝对剂量值。在Monaco治疗计划系统中计算ArcCheck模体条件下，深度2.9 cm处100 MU的绝对剂量。再将ArcCheck模体按照SAD=100 cm，SSD=86.7 cm摆位，打开10 cm×10 cm照射野，出束100 MU。将Monaco治疗计划系统计算得到的绝对剂量输入到软件中，就可以得出绝对剂量校准因子。
1.4 验证方法医生根据CT、MRI、PET相关影像资料进行靶区勾画后，在Monaco治疗计划系统中每个病例分别采用静态调强(sIMRT)、动态调强(dIMRT)、容积弧形调强(VMAT)这三种调强方式设计3个调强计划。放疗计划设计均采用相同的处方剂量，PGTV为60 Gy，PTV为51 Gy，分30次照射。目标剂量如下：PGTV达95%处方剂量的体积百分比(V95)>95%，PTV达95%处方剂量的体积百分比(V95)>95%。危及器官的限量：脊髓Dmax < 45Gy，全肺受照20 Gy的体积占全肺体积百分比(V20) < 30%，全肺受照5 Gy的体积占全肺体积百分比(V5) < 60%。这60个治疗计划均达到目标剂量要求。sIMRT和dIMRT均采用五野均分(0°、72°、144°、216°、288°)布野，VMAT采用360°单弧设计放疗计划，计算方法均采用蒙卡算法(mote carlo)[14-16]，计算网格均为0.3，不确定度均为1，最小子野宽度均为0.5 cm。将治疗计划移植到ArcCheck的CT扫描模体中(包括射野参数，小子野的形状，等中心位置，剂量)重新进行剂量计算得到归一到模体中心的剂量分布通量图，采用相同计算方法，计算网格，不确定度，将计算得到的剂量分布通量图导入到ArcCheck分析软件中，与实际测量的剂量分布图进行对比分析。
1.5 分析方法通过厂家提供的SNCP软件，可以获得γ分析的相对剂量(Gamma-RD)与绝对剂量(Gamma-AD)通过率结果，阈值标准选择3%，3 mm，10%。统计软件采用的是Graphpad Prism软件。
2 结果通过Graphpad Prism软件分析得到的γ-AD对比结果如图 1所示，γ-RD对比结果如图 2所示，组间对比P值如表 1所示。
|
图 1 γ-AD对比结果 |
|
图 2 γ-RD对比结果 |
|
表 1 组间对比P值 |
本研究首先利用三维剂量验证模体ArcCheck对食管上段癌静态调强(sIMRT)、动态调强(dIMRT)、容积旋转调强(VMAT)治疗计划进行剂量验证，并通过统计学方法对通过率进行统计分析。本研究所有的数据是在ArcCheck模体一次摆位后采集完成的，减少了摆位误差对组间数据分析的影响。结果显示选取的20个病例，共60个治疗计划(20个静态调强(sIMRT)计划、20个动态调强(dIMRT)计划、20个容积弧形调强(VMAT)计划)，在阈值标准选择3%，3 mm，10%下，计划通过率γ-AD均在95%以上，γ-RD均在98%以上。ArcCheck验证系统是能满足临床对sIMRT，dIMRT，VMAT计划验证的要求。
表 1所示：γ-AD数据对比结果(F=19.9，P < 0.05)显示对比组之间的“差异具有统计学意义”，组间比较也有统计学意义。图 1所示：sIMRT相对于dIMRT和VMAT有明显的优势，dIMRT和VMAT相差不大，但是相对来说，dIMRT更有优势。表 1所示：γ-RD对比结果(F=11.73，P < 0.05)也显示对比组之间的“差异具有统计学意义”。组间比较也有统计学意义。图 2所示：sIMRT相对于dIMRT和VMAT有明显的优势，dIMRT和VMAT相差不大，但是相对来说，dIMRT更有优势。
分析原因：①sIMRT计划执行中，机架角度和MLC叶片的形状都不变，所以误差较小，通过率较高。dIMRT在出束过程中，机架角度不变，MLC叶片的连续变化，造成误差稍大，通过率较sIMRT稍低。VMAT计划执行中，加速器的MLC叶片，机架一直保持在运动状态，造成误差大，所以通过率比较低。②IMRT，dIMRT，VMAT这三个计划在执行的过程中，准直器角度，射野大小，铅门，MLC容差都相同，只有机架角度容差不同。sIMRT和dIMRT机架角度容差是0.2，VMAT机架角度容差是0.3。VMAT机架角度容差如果调到0.2，在计划执行过程中机架由于惯性作用，机架角度误差很容易超过0.2，一旦超过就会报错停止，影响计划的顺利执行和剂量的准确性，所以VMAT机架角度容差设置为0.3。笔者认为机架角度容差可能是造成VMAT计划通过率较低的另一个原因。
dIMRT和VMAT均采用滑动窗口照射技术，主要优势是照射时间会显著缩短，在大分割的治疗和图像引导的开展具有重要意义[17-18]，但是在食管上段癌治疗中提高治疗效率的优势相对有限[19]。通过本研究的对比，知道ArcCheck验证系统是能满足临床对食管上段癌sIMRT，dIMRT，VMAT计划验证的要求。在从剂量验证角度来说，在食管癌上段癌放疗中sIMRT更有优势。
| [1] |
谷铣之, 殷蔚伯, 余子豪. 肿瘤放射治疗学[M]. 北京: 中国协和医科大学出版社, 2008.
|
| [2] |
Chandra A, Guerrero T M, Liu H H, et al. Feasibility of using intensity-modulated radiotherapy to improve lung sparing in treatment planning for distal esophageal cancer[J]. Radiother Oncol, 2005, 77(3): 247-253. DOI:10.1016/j.radonc.2005.10.017 |
| [3] |
Fenkell L, Kaminsky I, Breen S, et al. Dosimetric comparison of IMRT vs. 3D conformal radiotherapy in the treatment of cancer of the cervical esophagus[J]. Radiother Oncol, 2008, 89(3): 287-291. DOI:10.1016/j.radonc.2008.08.008 |
| [4] |
Nutting C M, Bedford J L, Cosgrove V P, et al. A comparison of conformal and intensity-modulated techniques for oesophageal radiotherapy[J]. Radiother Oncol, 2001, 61(2): 157-163. DOI:10.1016/S0167-8140(01)00438-8 |
| [5] |
章敏娟.调强射野的实现方式研究[D].南京: 东南大学, 2007, 14-19.
|
| [6] |
胡逸民. 肿瘤放射物理学[M]. 北京: 原子能出版社, 1999.
|
| [7] |
李军, 张西志, 张先稳, 等. Varian医用直线加速器DMLC物理参数的测量与验证[J]. 北京生物医学工程, 2015, 34(5): 509-513. DOI:10.3969/j.issn.1002-3208.2015.05.14 |
| [8] |
Yu C X. Intensity-modulated arc therapy with dynamic multi-leaf collimation:an alternative to tomotherapy[J]. Phys Med Biol, 1995, 40(9): 1435-1449. DOI:10.1088/0031-9155/40/9/004 |
| [9] |
张晶, 王智勇, 侯宁, 等. 上段食管癌旋转容积调强放射治疗计划的验证分析[J]. 现代医学与健康研究, 2018, 2(6): 74. |
| [10] |
孔燕, 孔栋, 魏贤顶, 等. 调强计划验证中MatriXX电离室的角度响应修正[J]. 中国辐射卫生, 2016, 25(4): 398-400,405. |
| [11] |
李成强, 李光俊, 冀传仙, 等. ArcCHECK半导体探头特性及在容积调强弧形治疗剂量验证应用研究[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2013, 22(3): 253-257. DOI:10.3760/cma.j.issn.1004-4221.2013.03.024 |
| [12] |
戴越, 胡春红, 李小东, 等. MatriXX两种调强放疗剂量验证方法的比较分析[J]. 中华放射肿瘤学杂志, 2013, 22(4): 312-314. DOI:10.3760/cma.j.issn.1004-4221.2013.04.014 |
| [13] |
张俊俊, 邱小平, 李奇欣, 等. ArcCheck系统在鼻咽癌容积旋转调强剂量验证中的应用[J]. 中国医学物理学杂志, 2014, 31(5): 5136-5137. DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2014.05.009 |
| [14] |
Chen H X, Lohr F, Fritz P, et al. Stereotactic, single-dose irradiation of lung tumors:a comparison of absolute dose and dose distribution between pencil beam and Monte Carlo algorithms based on actual patient CT scans[J]. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2010, 78(3): 955-963. DOI:10.1016/j.ijrobp.2009.08.012 |
| [15] |
徐洋洋, 邓磊, 杨亚新, 等. 放射治疗外照射的蒙特卡罗计算[J]. 中国辐射卫生, 2016, 25(1): 15-17. |
| [16] |
何方方, 刘主龙. 蒙特卡罗技术在光子和电子放射治疗中提高速度的进展[J]. 中国辐射卫生, 2015, 24(3): 314-316. |
| [17] |
Wagner D, christiansen H, Wolff H, et al. Radiotherapy of malignant gliomas:comparison of volumetric single arc technique (RapidArc), dynamic intensity-modulated technique and 3D conformal technique[J]. Radiother Oncol, 2009, 93(3): 593-596. DOI:10.1016/j.radonc.2009.10.002 |
| [18] |
Clivio A, Fogliata A, Franzetti-Pellanda A, et al. Volumetric-modulated arc radiotherapy for carcinomas of the anal canal:A treatment planning comparison with fixed field IMRT[J]. Radiother Oncol, 2009, 92(1): 118-124. DOI:10.1016/j.radonc.2008.12.020 |
| [19] |
张瑞, 习勉, 李巧巧, 等. 胸上段食管癌容积旋转调强和静态调强与三维适形放疗计划的剂量学比较[J]. 中山大学学报(医学科学版), 2012, 33(2): 260-264. |