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Fixed-jaw Technique in Volumetric Modulated Arc Therapy Plan for Cervical Cancer Radiotherapy
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摘要:目的 探讨宫颈癌术后患者容积调强计划设计中靶区横向宽度与最优X方向铅门大小之间的关系。方法 分别对12例宫颈癌术后患者CT图像制作不同X方向铅门大小的容积调强计划, 通过对同一患者的不同计划进行剂量学比较, 找到其最优X方向铅门大小。最后通过不同患者靶区体积与最优铅门大小的关系, 拟合关于靶区横向宽度与最优铅门大小的函数方程。结果 在宫颈癌容积调强计划设计时, 随着靶区横向宽度的变化, 得到的最优铅门大小也随之改变。通过对不同靶区体积进行变化铅门的容积调强计划设计并比较分析, 得到靶区横向宽度(x)与最优铅门大小(y)存在一定的关系, 最终拟合得到函数方程:y=-0.0033x2+0.7132x+3.6322。结论 宫颈癌术后患者靶区横向宽度和最优铅门大小之间存在定量函数变化关系, 可将其应用于临床, 以指导宫颈癌术后患者容积调强计划设计。Abstract:Objective To summarize the relationship between the transverse dimension of the target volume and the most optimized X jaw size in volumetric modulated arc therapy(VMAT) plan for cervical cancer radiotherapy.Methods The VMAT plans were made by modifying X jaw size on CT images in 12 postoperative patients with cervical cancer. On each image, the best X jaw size was identified. The relationship between the best X jaw size and the transverse width of planning target volume (PTV) was determined.Results The change in the transverse dimension of the target volume was accompanied with the changes of the optimized X jaw size. The relationship between X jaw size (y) and the PTV's transverse width (x) could be expressed as the following equation:y=-0.0033x2+0.7132x+3.6322.Conclusions There is a relationship between X jaw size and PTV's transverse width, which can be used for the postoperative VMAT plan design in patients with cervical cancer.
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Keywords:
- cervical cancer /
- volumetric modulated arc therapy /
- fixed-jaw technique /
- dosimetry
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容积调强技术的出现使放疗的治疗效率发生了革命性的变化，与常规固定野调强计划相比，该技术在靶区和危及器官剂量分布方面并无明显差别，同时大大缩短了治疗时间，提高了治疗效率[1-5]。利用Varian Eclipse计划系统制作容积调强治疗计划时，生成的容积调强计划都是X方向铅门固定且铅门大小为360°旋转一周各方向上均能包全靶区的最大射野，由于Varian加速器多叶准直器(multileaf collimator，MLC)运动范围的限制(同侧叶片最大相对运动范围小于15 cm)[6-8]，如果X方向铅门设置过大，就会降低MLC对靶区和危及器官的通量调制能力，使靶区剂量分布变差的同时，对危及器官也不能进行最佳保护。由于X方向铅门大小主要由靶区横轴宽度决定，所以本研究希望通过对不同靶区的宫颈癌术后患者进行不同铅门大小设置的容积调强计划设计，比较不同计划的靶区和危及器官的剂量分布，探讨靶区大小和最优铅门大小之间的关系，从而用于指导宫颈癌术后患者容积调强计划设计。
对象和方法
病例选择
随机选择2011年6月至2012年12月在本科接受放射治疗的12例宫颈癌术后患者。所有患者的国际妇产科联盟(International Federation of Gynecology and Obstetrics，FIGO)分期为ⅠB~ⅡA期，术后病理为中-低分化鳞癌，有高危因素如盆腔淋巴结转移、脉管癌栓或宫颈深层浸润，需要接受术后盆腔放疗。
CT模拟定位
嘱患者定位前2 h排空直肠，口服泛影葡胺(20 ml+ 300 ml水稀释)，膀胱充盈，采用仰卧位并用热塑体模进行定位固定，使用Philips BrilianceTM(Philips Healthcare Academy)16排大孔径CT模拟机进行扫描。扫描范围从L1椎体到耻骨联合下5 cm，层厚0.5 cm。扫描完成后将CT图像传输至Varian Eclipse(V8.6，Varian Medical Systems, Palo Alto, CA)计划系统。
靶区及危及器官勾画
临床靶区(clinical target volume，CTV)包括阴道残端和盆腔区域淋巴结(闭孔、髂内、髂外及髂总淋巴结)，在CTV基础上前后左右方向各外放0.8 cm、头脚方向外放1 cm得到计划靶区(planning target volume，PTV)。危及器官包括直肠、膀胱、小肠、骨髓、股骨头以及马尾神经，小肠勾画至靶区以上5 cm，以保证完全覆盖照射范围。
计划设计
对每例患者的CT图像，进行顺时针和逆时针两个全弧容积调强计划设计，MLC角度设置为±10度，第一个计划由计划系统自动优化射野尺寸，其余计划在此计划基础上X方向铅门大小依次进行递减，递减步长为1 cm，直到射野尺寸小至不能满足靶区剂量分布为止；所有计划的处方剂量均为50.4 Gy/28次，1.8 Gy/次，靶区和危及器官剂量的目标函数设置相同。优化得到的通量通过多叶运动计算器(leaf motion calculator，LMC)转换成实际通量，选择利用Sliding Window模式进行剂量传输，并利用算法更为精确的AAA(analytical anisotropic algorithm)算法进行剂量计算[9]，计算矩阵为2.5 mm。
治疗设备及能量选择
所有容积调强计划都利用Varian Eclipse计划系统在Varian Trilogy(Varian Medical Systems)加速器上用6MV X线产生，该加速器MLC为60对，其中心40对叶片厚度为0.5 cm，外侧20对叶片宽度为1 cm。
计划评估及比较
将所有计划按处方量至少包绕95% PTV的体积进行剂量归一。利用剂量体积直方图(dose-volume histogram，DVH)进行靶区和危及器官的剂量评估。靶区评估参数包括：接受处方剂量V95%、V105%、V110%和Dmean、Dmax，以及靶区的均匀性指数(homogeneity index，HI)和适形度指数(conformity index，CI)，HI定义为D5%/D95%(DX%表示X%的PTV体积接受的最小剂量)，CI=(VPTV/TVPTV)/(TVPTV/TV)=VPTV×TV/TVPTV2(VPTV表示靶区的体积，TV表示患者接受处方剂量的总体积，TVPTV表示PTV中接受处方剂量照射的体积)[10-11]。危及器官评估参数包括：膀胱、直肠小肠的V30、V40、V50和D40，Dmean以及小肠D2cc、骨髓的V5、V10、V50和Dmean；股骨头D5；马尾神经D0.1cc。
统计学处理
采用Excel中的AVERAGE、STDEV以及MEDIAN函数功能进行不同计划间的靶区和危及器官的剂量分布分析比较。
结果
一般情况
经测量12例患者PTV靶区横向宽度范围为15.8~ 20.5 cm，平均宽度为18.31 cm。通过对同一患者不同铅门大小的容积调强计划进行比较，发现随着靶区体积的改变，不同体积大小的靶区最终得到的容积调强计划的最优铅门也随之变化，而且随着靶区横向宽度的增加，得到的最优铅门大小有随之增加的趋势。
任一病例最优铅门大小的确定
以病例5的容积调强计划为例，对靶区和危及器官的剂量分布进行分析比较，从而确定最优铅门尺寸大小。该患者靶区尺寸为20.5 cm×19.5 cm，计划系统自动优化得到X方向的尺寸为24 cm。
靶区剂量分布：铅门为17 cm时PTV剂量分布最优，高量区D5(5%的靶区所受剂量)为54.48 Gy，比所有计划的平均剂量55.08 Gy低0.8%，比最高值55.6 Gy低约1.7%, 比最低值仅高0.6%，并且靶区平均剂量在所有计划中最低，为52.99 Gy(图 1)。该患者所有计划的HI和CI见图 2，当铅门为17 cm时，靶区在适形度较高的同时可保持很好的均匀度。
危及器官剂量分布：当铅门大小为17 cm时，直肠、小肠、膀胱的D40，以及小肠的D2cc相对于其他铅门尺寸时均较低(图 3)；同时，膀胱、直肠低剂量区V30、V40的体积比其他铅门尺寸时更低，而高剂量区的体积V50比其他计划要高，二者的Dmean在铅门为17 cm时均为最低。骨髓的V5、V10在所有计划中并无明显差异，但是V50和Dmean在铅门为17 cm时比所有计划的平均剂量分别低0.8%和1%；此外，股骨头的D5和马尾神经D0.1cc在铅门为17 cm时分别比平均剂量低1.5%和1.3%。
机器跳数(monitor units，MU)的变化：各计划的总MU随铅门大小的变化有降低趋势(图 4)。
靶区横向宽度与最优铅门大小之间的函数关系
重复上述过程，找到每例患者最优容积调强计划的固定铅门大小(表 1)，并建立靶区横向宽度(x)与最优铅门大小之间的关系图(图 5)，并通过曲线拟合出二者之间的函数关系式：y=-0.0033x2+0.7132x+3.6322。将得到的铅门大小最终取整数。
表 1 所有患者最优容积调强计划的靶区大小及X方向铅门大小(cm)病例 横向宽度 纵向长度 X方向铅门大小 1 19.00 21.50 16.00 2 18.00 22.00 16.00 3 18.00 20.00 15.00 4 17.80 19.00 15.00 5 20.50 19.50 17.00 6 19.50 20.00 16.00 7 15.80 22.00 14.00 8 18.40 21.50 15.00 9 17.00 21.50 15.00 10 18.50 19.00 16.00 11 18.50 21.00 15.00 12 18.70 20.00 16.00 讨论
近年来很多学者对容积调强放疗作了大量的研究，并且在不同部位肿瘤中都取得很好的效果[11-13]。容积调强实现的一个很重要的硬件基础就是MLC，不同的加速器生产厂家在MLC设计方面都有自己的特点，同样由于其设计的不同，容积调强执行的方式也相应变化，例如医科达加速器就采用了执行过程中的铅门跟随技术，瓦里安加速器由于其MLC设计原理的不同，在执行容积调强的过程中铅门保持不变。铅门保持不变的优点是提高了容积调强的执行效率，降低了加速器的治疗时间，但是其缺点就是如果铅门大小设置得不合理，会对靶区和危及器官的受照剂量造成损失。
在容积调强计划的设计过程中，笔者发现有些体积较大的靶区由于设置的铅门尺寸过小，靶区剂量很难做到适形并且均匀；同理，在一些较小的靶区中，如果设置的铅门尺寸过大，会对危及器官造成一些不必要的照射。因此，如果能够通过某些研究手段，找到靶区大小与其最优铅门尺寸之间的关系，并且用其指导容积调强计划制作过程，那么在做容积调强计划时就会减少试错的过程，提高计划的制作效率，做到事半功倍。
本研究以宫颈癌术后患者的容积调强计划为例进行研究。由于本研究中宫颈癌患者的病理分期较早，所以靶区的形状和位置相对比较固定，根据其靶区的物理特点，一般情况下，靶区的最大横轴和纵轴在加速器gantry角度为0°的线束视角显示(beam's eye view, BEV)时尺寸最大，虽然本研究中MLC旋转了10°，靶区纵轴长短也不会对计划设计中X方向铅门的尺寸设置造成影响。但是，如果是分期较晚的宫颈癌，其靶区包括了腹主动脉淋巴结引流区后，由于纵轴方向大大加长，就会对X方向铅门的设置产生影响。因为如果射野设置过小，靶区两端就会部分位于射野以外，导致靶区剂量分布变差；相反，如果射野设置过大，那么由于MLC运动范围的限制，很难将肾脏等危及器官的剂量限制得很低。所以，对于此种情况，还应另行研究分析。
本研究显示，虽然个别患者靶区横向宽度较大，但是其最优铅门尺寸并没有相应变得较大，这说明由于本研究所设计的患者数目较少，研究得出的关系式并不能指导所有宫颈癌术后患者的容积调强计划制作，不排除在某些特殊病例中该关系式失效的情况。
根据光子束的物理剂量学特性，可知随着射野大小的改变，输出因子发生相应变化[14-15]，在本研究中依然遵循这个特点，各计划的总MU随铅门大小的变化有降低趋势。
其他部位的肿瘤，如头颈部肿瘤，由于其危及器官和靶区的关系、危及器官的数目及体积都较宫颈癌有较大变化，所以在设计此类患者的容积调强计划时，射野铅门的尺寸也会有相应的关系，需进一步研究探讨。
综上所述，通过对靶区横向宽度和最优铅门尺寸进行分析，得到二者之间存在的变化关系，将其应用于临床，可以很好地指导容积调强计划的制作，在提高容积调强计划质量的同时可以大大提高计划制作效率。
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表 1 所有患者最优容积调强计划的靶区大小及X方向铅门大小(cm)
病例 横向宽度 纵向长度 X方向铅门大小 1 19.00 21.50 16.00 2 18.00 22.00 16.00 3 18.00 20.00 15.00 4 17.80 19.00 15.00 5 20.50 19.50 17.00 6 19.50 20.00 16.00 7 15.80 22.00 14.00 8 18.40 21.50 15.00 9 17.00 21.50 15.00 10 18.50 19.00 16.00 11 18.50 21.00 15.00 12 18.70 20.00 16.00 
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