基于Halcyon加速器左乳腺癌不同旋转弧数VMAT计划比较.pdf

临床研究587-BME&ClinMed,September 2023,Vol.27.No.5生物医学工程与临床2 0 2 3年9 月第2 7 卷第5期网络出版时间：2 0 2 3-0 8-2 2 16：44:43D0I：10.13339/j.c n k i.s g l c.2 0 2 30 8 2 2.0 16网络出版地址：https:/ 弧、3弧、4弧和5弧的容积调强放射治疗(VMAT)计划的剂量学差异。方法选择德阳市人民医院肿瘤科行左侧乳腺癌改良根治术后患者2 0 例，均为女性；年龄32 6 9岁,中位年龄 51 岁;肿瘤分期均为 T3 T4、N1;位置为非内象限。基于 Halcyon 加速器为每位患者分别设计 2 弧、3 弧、4弧和 5 弧 4 组 VMAT计划。比较4 组计划的计划靶区体积(PTV)和危及器官的剂量学指标、跳数(MU)、出束时间和通过率的差异。结果 4 弧组和 5 弧组 VMAT 计划在 PTV 的适形度指数(CI)、均匀性指数(HI)、D o s、D s o D,和 Dmean 上均优于2 弧组和3弧组，而5弧组仅在PTV的D,稍低于 4弧组(5311.9 30.7 4）cGy vs（5332.5 31.13)c G y。P0.05。危及器官,4弧组和5弧组左肺（患侧肺)Vs、V2 0 V30 V4o 和Dmean最低,Vio亦低于3弧组(33.0 9 2.6 0)%us（32.9 8 2.65)%vs（34.2 3 2.53)%。P 0.0 5。4 弧组和 5 弧组右肺（健侧肺)Dmean 低于 2 弧组 435(339,46 4)cGy vs 435(394,462)cGy vs 447(417,490)cGy。P 0.0 5。4 弧组和 5 弧组心脏V2(7.96 4.17)%、(7.9 9 4.19)%)和Vsd(3.60 2.58）%、(3.412.46）%最低,Vio和Dmean亦低于2 弧组2 2.8（17.7,2 5.7）%vs22.6（18.3,2 5.7）%v s 2 3.7 5(19.0,27.5)%、8 36(7 0 5,8 9 8)c G y v s 8 35(7 0 8,9 31)c G y v s 8 57(7 41,9 59)c G y。P 0.0 5。4弧组和5弧组食管Dmean(1362.0370.4）c G y、（136 3.2 36 7.3）c G y)最低，右乳Dmax亦低于2 弧组(9 0 1.416 2.9)cGyvs（9 0 0.417 0.4）c G yvs（9 7 3.9 18 1.5）c G y。P0.05)。4弧组MU和出束时间较2 弧组和3弧组有少量增加，分别增加2 6.15MU.0.05min和2 8.9 MU.0.04min，5弧组较4弧组也分别增加31.8 MU和0.0 5min(P 9 5%,组间差异无统计学意义(P0.05)。结论4弧的乳腺癌VMAT计划可获得更优的剂量学分布。因此推荐左乳腺癌改良根治术后在Halcyon加速器上采用4弧的VMAT计划。关键词：乳腺癌；容积调强放疗；Halcyon加速器；剂量学；危及器官中图分类号：R730.55；R 7 37.9文献标识码：A文章编号：10 0 9-7 0 9 0(2 0 2 3)0 5-0 58 7-0 7Comparison of VMAT plan with different arcs for left breast cancer based on Halcyon acceleratorYIN Chu-ou,LIU Jiang,DENG Juan,HE Ying-ying,YE Cheng-weiDeyang,Deyang618000,Sichuan,China)MEI Guo-jian,(Department of Oncology,The Peoples Hospital ofAbstract:Objective To compare the dosimetric difference of volumetric modulated arc therapy(VMAT)plans with 2-,3-,4-and 5-arc on the Halcyon accelerator followed by modified radical mastectomy(MRM)in patient with left breast cancer.Methods A total of 20 female patients with left breast cancer after MRM were enrolled,which aged 32-69 years old withmedian age of 51 years old.The tumor stages were T3-T4 and N1,position was non-inner quadrant.Four VMAT plans of 2-arc,3-arc,4-arc and 5-arc were designed for each patient based on Halcyon accelerator,and the differences of planning tar-get volume(PTV),dosimetric parameters of organs at risk(OAR),monitor unit(MU),beam delivery time and pass rate among 4groups were compared.Results The conformity index(CI),homogeneity index(HI),Ds,Dso,D,and Dmean of PTV in 4-arc groupand 5-arc group were better than those in 2-arc group and 3-arc group,while D2 of PTV in 5-arc group was slightly lower thanthat in 4-arc group(5 311.9 30.74)cGy vs(5 332.5 31.13)cGy.P 0.05.In 0AR,the Vs,V20,V30,V40 and Dmean of the leftlung(affected lung)in 4-arc group and 5-arc group were the lowest among 4 groups,and Vio was also lower in 4-arc and 5-arcgroup than that in 3-arc group(33.09 2.60)%vs(32.98 2.65)%vs(34.23 2.53)%.P0.05).Moreover,the Dmean of rightlung(healthy lung)in 4-arc group and 5-arc group was lower than that in 2-arc group435(339,464)cGy vs 435(394,462)cGy vs447(417,490)cGy.P 0.05.The V2o(7.96 4.17)%,(7.99 4.19)%and V3o(3.60 2.58)%,(3.41 2.46)%)of heart in 4-arc group and 5-arc group were lowest among 4 groups,Vio and Dmean were also lower in 4-arc and 5-arc group than those in 2-arc group22.8(17.7,25.7)%vs 22.6(18.3,25.7)%vs 23.75(19.0,27.5)%,836(705,898)cGy vs 835(708,931)cGy vs 857(741,959)cGy.P 0.05.The Dmean of esophagus in 4-arc group and 5-arc group were lowest among 4 groups(1 362.0 370.4)cGy,(1 363.2 367.3)cGyl,Dmax of right breast were also lower in 4-arc and 5-arc group than that in 2-arc group(901.4 162.9)cGyus(900.4 170.4)cGy vs(973.9 181.5)cGy.P 0.05).The MU and beaming time of 4-arc group were slightly higher than those of 2-arc group and 3-arcgroup,which increased 26.15 MU,0.05 minutes and 28.9 MU,0.04 minutes,respectively,and MU and beaming time of 5-arcgroup also increased 31.8 MU and 0.05 minutes than 4-arc group(P 95%,and therewas no statistically significant difference among 4 groups(P 0.05).Conclusion It is demonstrated that the 4-arc VMAT plancan achieve better dosimetric distribution,so 4-arc VMAT plan on Halcyon accelerator is recommended to treat MRM for leftbreast cancer.Key words:breast cancer;volumetric modulated arc therapy;Halcyon accelerator;dosimetry;organ at risk乳腺癌术后放射治疗（简称放疗）可降低局部复发和死亡的风险，放疗将乳腺癌首次复发的10 年风险从35.0%降低到19.3%，将15年的乳腺癌死亡风险从2 5.2%降低到2 1.4%1 3。邓晓琴等4,、VasiljevicD等5 研究显示放射性心脏损伤和肺损伤是乳腺癌术后放疗最为常见且预后较差的并发症，照射体积和照射剂量等指标是心肺放射性损伤的高危因素。由于左乳腺癌靶区更靠近心脏更易发生放射性心脏损伤。DarbySC等研究显示,发生冠状动脉疾病的概率随心脏平均剂量增加而线性增加，每增加1Gy的照射剂量,发生冠状动脉疾病的概率增加7.4%。因此设计乳腺癌放疗计划应在满足计划靶区体积(planningtargetvolume,PTV)剂量的前提下尽量降低心、肺的照射剂量和体积,以降低其发生放射性损伤的概率和程度。容积调强放疗（volumetricmodulated arc thera-Py,VMAT)可在满足乳腺癌PTV剂量的同时,降低心肺等危及器官的受照射剂量17.8 。Varian Halcyon放疗平台是在Truebeam放疗平台上研发的一款新型加速器，全球均采用统一标准并将相关数据预装人放射治疗计划系统（treatmentplanningsystem,TPS)。采用6 MV-FFF的单光子射线和双层多叶准直器(multi-leafcollimator,MLC)，具有更低的射线漏射率(0.47%),其最大剂量率为8 0 0 MU/min。可开展多种放疗技术，适合全身多部位肿瘤的放疗19.10 。传统加速器的乳腺癌VMAT计划受治疗时间的影响多采用2 个治疗弧设计。而Halcyon加速器1cm叶宽的MLC可能会对VMAT计划的叶片调制带来困难,但其具有更快的机架旋转速度(4r/min)和叶片运动速度（5cm/s），可利用增加旋转弧数量来解决这一挑战叫。因此笔者研究基于Halcyon加速器，分别在每个左乳腺癌患者的CT图像上制作2 弧、3弧、4弧和5弧的VMAT计划，比较4种弧数的VMAT计划的剂量学差异和执行效率、执行准确度的差异。探寻提高靶区剂量学指数和降低心肺等危及器官的VMAT计划参数，为左乳腺癌改良根治术后的VMAT计划设计提供临床参考。1资料与方法1.1临床资料选择2 0 2 1年1月至12 月在德阳市人民医院就诊的左侧乳腺癌改良根治术后患者2 0 例,均为女性；年龄32 6 9 岁，中位年龄51岁；肿瘤分期均为T3T4、N1；位置为非内象限1.2方法1.2.1CT扫描定位患者仰卧位，采用头颈胸热塑膜固定。采用德国Siemens公司 Somatom Confidence CT行定位扫描,扫描范围上界为下颌骨，下界为肝脏下缘，扫描层厚为3 mm。1.2.2靶区和危及器官器官勾画采用VarianEclipse15.6.8计划系统制作VMAT计划，放疗机型选择VarianHalcyon2.0加速器，射线为非均整(flatteningfilter free,FFF)模式的6 MVX射线。将CT扫描图像传入VarianEclipse15.6.8计划系统，由同一放疗医师勾画靶区和危及器官。靶区包括患侧锁骨上淋巴结引流区、患侧胸壁。危及器官包括双肺、心脏、右侧乳腺、食管、左侧肱骨头和脊髓等。勾画完成后由高级职称的放疗医师进行修改和审核，以确保勾画的准确性1.2.3VMAT计划的设计制作采用VarianEclipse15.6.8计划系统并基于Var-ianHalcyon2.0加速器在每个患者的CT图像上分别制作2 弧、3弧、4弧和5弧4组VMAT计划。PTV处方剂量为50 0 0.cGy/25次；旋转弧角度分别为2 弧(3000140,1400300)、3弧(30 0 0 140,1400300,3000140)、4弧(30 0 0140,140 0300,3000140,1400300)和5弧(30 0 0 140,140 0 30 0,3000140,1400300,3000140);准直器角度均为0,采用各向异性解析算法(anisotrop-ic analytical algorithm,AAA),计算网格为2.5mm。将PTV、双肺、心脏、右侧乳腺、食管、左侧肱骨头和脊髓进行优化，4组计划均采用相同的目标函数进行优化。589-生物医学工程与临床2 0 2 3年9 月第2 7 卷第5期BME&Clin Med,September 2023,Vol.27,No.5要求9 5%PTV处方剂量,2%PTV处方剂量的110%，危及器官受照剂量需满足临床剂量学要求1.2.4危及器官评估观察4组计划的空间剂量分布和剂量体积直方图,并统计 4 组计划 PTV 的 Dgs、D s o、D z、D me a n、适形度指数（conformity index,CI）和均匀性指数(homo-geneity index,HI),以及危及器官的 Vs、Vi o V2 o V3o、V40、Dmax和 Dmean 等剂量指标。其中 Dgs、D s o 和 D,分别表示PTV98%、50%和2%体积的吸收剂量;VsV10V20V3o和V4o 分别为5 Gy、10 G y、2 0 G y、30 G y 和40 Gy剂量曲线包围危及器官的百分体积,Dmax表示最大剂量,Dmean表示平均剂量。根据国际辐射单位和测量委员会(International Commission on Radiation Units&Measurements,ICRU)83 号报告12,13,CI=(VpiV,re)/Vpiv/Vrer,其中:VpIV,rer 表示为 PTV 接受到处方剂量的体积；Vprv表示PTV的体积；Vrr表示处方剂量覆盖的总体积。CI小于1,越接近1说明靶区适形度越好。HI=(D2-Dgs)/Ds0,HI越接近于零,说明靶区均匀性越好。1.2.5放疗计划验证将4组VMAT计划传入Halcyon2.0加速器，并用加速器在SunNuclearArccheck模体上分别执行4组计划,并统计4组计划的跳数（monitorunit，M U）、出束时间及通过率。1.3统计学方法为使统计数据有可比性，将4组VMAT剂量归一，使处方剂量覆盖9 5%PTV。采用SPSS21.0软件对4组计划的数据进行正态分布检验，符合正态分布的数据以均数标准差进行统计描述,并行随机区组设计方差分析和Bonferroni多重比较；非正态分布的数据以中位数(2 5%，7 5%）进行统计描述，并采用非参数Friedman检验分析和多重比较。P0.05为差异有统计学意义。2结果2.14组靶区剂量比较结果4组VMAT计划的等剂量曲线分布图和PTV、危及器官的剂量体积直方图（doseandvolume his-togram,DVH）见图1。4弧组和5弧组VMAT计划PTV的Dgs、D s o D 2、D me a n、CI和HI均优于2 弧组和3弧组（P0.05）。5弧组D,优于4弧组，降低2 0.6 cGy(P0.05)。见表1。2.24组危及器官的剂量比较4弧组和5弧组左肺（患侧肺）的V、Vi o、V2 0、V30、V4 和 Dmean最低(P0.05)。右肺(健侧肺)方面,4弧组和 5 弧组 Dmean 低于 2 弧组(P0.05)。4 弧组和 5 弧组心脏的 V2 和 V3 最低,Vio 和Dmean 则低于 2 弧组(P0.05)。4 弧组和 5 弧组食管的 Dmean 最低，右乳的 Dmax 也低于 2 弧组(P0.05)。见表 2。2.34 组跳数、出束时间及 通过率比较4弧组MU和出束时间较2 弧组和3弧组有少量增加,分别增加2 6.2 MU、0.0 5m i n 和2 8.9 MU、0.0 4m i n(P0.05);5弧组较4弧组增加31.8 MU0.05min(P0.05)。见表3。3讨论VMAT是通过加速器机架旋转照射来实现的动态VMAT技术，该技术通过机架旋转、MLC动态运动和改变加速器输出剂量率形成的可变束流来实施放疗计划。其能够在短时间内完成多个旋转治疗弧的照射,现已被广泛应用于乳腺癌术后放疗4。高艳等7、苗俊杰等8 研究结果显示乳腺癌VMAT计划相较于IMRT计划靶区具有更好的CI和HI，并能降低心脏和肺等危及器官的剂量。VMAT采用多角度照射并且增加照射弧个数可以提高靶区剂量的相关指数,Hal-cyon加速器双层MLC设计具有低穿射性的特点，能使危及器官的低剂量区域降低0 。但是Halcyon加速器1cm宽度的MLC可能会对VMAT计划调制带来困难，故笔者研究在VMAT计划中采用2 弧、3弧、4弧和5弧的设计，以增加旋转弧数量来解决这一挑战。笔者研究结果显示4弧和5弧的VMAT计划可以获得较2 弧和3弧更优的剂量分布。在PTV方面4弧和5弧计划的CI、H I、D o s D s o D,和Dmean均优于3弧和2 弧。危及器官方面，4弧和5弧在左肺的Vs、Vio、V2 0、V3o、V4o D me a n 和右肺的Dmean及心脏的Vio、V20、V30、D me a n 较2 弧和（或）3弧均有不同程度降低。而5弧较4弧仅在PTV的Dz上降低2 0.6 cGy，其他危及器官之间差异无统计学意义。YeginerM等15研究显示3弧VMAT计划的危及器官剂量较1弧和2弧VMAT计划更低。张杰等16 杨波等17 研究显示，在宫颈癌的VMAT计划中4弧计划的PTV较3弧和2弧计划具有更优的CI和HI，部分危及器官的剂量与2 弧组相比，*P3弧组相比.&P：4弧组相比，#P0.0561.5240.000HI0.077 0.007*&0.0850.0090.0770.006*&0.0910.00633.428CI0.0000.8720.020*0.8730.019*&0.8650.021*0.8540.2080.00051.974Dmean/cGy5201.022.82*&5217.723.97*5228.320.3905198.819.59*&D2/cGy0.00072.9275311.930.74*#5332.531.13*&5371.344.765397.233.190D5o/cGy0.00031.6325225.426.52*5252.423.9805222.423.07*&5245.526.31D98/cGy0.00013.5944.923.29.744 919.1 7.4804 927.9 8.59*&4 929.1 7.04*&PTVPF5弧组2弧组4弧组3弧组Comparison of PTVdose in 4groupsTab.1表14组PTV剂量统计Fig.1Dosecurvedistribution diaramandDVHofPTVandorgansatriskofplaningroupsofbreastcancer图1乳腺癌4组VMAT计划的剂量曲线分布图和PTV、危及器官的DVHDVH曲线剂量/cGy02.0001000500040003000020F40F60F5弧组80F14弧组020406080100100PTV2弧组左肺3弧组80心脏弧组4右肺5弧组604020020401008060相对剂量/%590-BME&ClinMed,September2023,Vol.27,No.5生物医学工程与临床2 0 2 3年9 月第2 7 卷第5期Isodoses cGyV5500.05250.05000.04750.0V4500.04250.0?4000.02弧组3弧组等剂量线4弧组5弧组591-生物医学工程与临床2 0 2 3年9 月第2 7 卷第5期BME&Clin Med,September 2023,Vol.27,No.5表2 4组危及器官剂量统计Tab.2Comparison of organs of risk dose in 4 groups.器官参数2弧组3弧组4弧组5弧组FIXP左肺V/%53.63 3.6554.50 4.1151.93 3.91*&52.20 3.81*&9.0540.001Vid%33.45 2.5534.23 2.53*33.09 2.60&32.98 2.65&19.6080.000V2/%20.69 2.2920.72 2.1420.01 2.18*19.92 2.18*&30.8370.000V3/%14.03 2.0513.75 1.99*13.34 2.00*&13.28 13.28*&47.8890.000V4/%8.38 1.848.02 1.84*7.87 1.78*&7.82 1.78*&39.7900.000Dmean/cGy1 214.10 92.701 214.50 88.301 180.50 88.40*&1 178.80 90.20*&42.6960.000右肺V/%31.50 5.9731.54 6.7430.38 6.7929.73 7.021.2720.292Vid%5.91 2.695.92 2.865.49 2.055.29 2.111.1330.333V2/%0.3(0.1,0.5)0.4(0.1,0.6)0.5(0.1,0.6)0.4(0.1,0.5)2.2590.323Dmean/cGy447(417,490)462(422,480)435(339,464)*435(394,462)*7.6000.022心脏Vid%23.7(19.0,27.5)23.3(18.9,27.0)22.8(17.7,25.7)*22.6(18.3,25.7)*13.6960.001V2/%8.78 4.718.48 4.327.96 4.17*&7.99 4.19*&8.2930.001V3/%4.01 2.833.89 2.743.60 2.58*3.41 2.46*&8.3750.001Dmean/cGy857(741,959)845(702,906)836(705,898)*835(708,931)*12.3290.002右乳Dmax/cGy973.90 181.50945.50 208.50901.40 162.90*900.40 170.40*4.7280.015Dmean/cGy282.20 44.40289.20 50.60279.27 49.00276.93 48.202.0860.138食管Dmax/cGy5 041(4 560,5 324)5 020(4 574,5 233)5 031(4 578,5 248)5084(4578,5 249)0.7000.705Dmean/cGy1427.10384.901397.60 365.50*1 362.00 370.40*&1 363.20 367.30*&22.5390.000左肽骨头Dmax/cGy3 448(2 677,3 704)3 151(2 741,3 653)*3 292(2 708,3 553)3 273(2 609,3 716)8.4000.015Dmean/cGy1949(2677,3704)1835(2741,3 653)1895(2708,3 553)1903(1 669,2 286)0.1000.951脊髓Dmax/cGy1744(1 540,1913)1728(1 433,1934)*1711(1431,1829)1 702(1 413,1 829)8.4000.015Dmean/cGy439.60 117.90414.40 118.50411.16 105.10419.80 108.001.8570.170与2 弧组相比，*P0.05；与3弧组相比，&P0.05表34组MU、出束时间及通过率比较Tab.3Comparison of MU number,beaming time and pass rate in 4 groups项目2弧组3弧组4弧组5弧组XPMU670.9(657,691)668.2(655,682)697.1(668,709)*&728.9(682,739)*#16.300.000出束时间/min0.87(0.85,0.89)0.88(0.86,0.89)0.92(0.88,0.94)*0.97(0.91,1.00)*#24.350.000通过率/%99.7(99.5,99.9)99.8(99.5,99.9)99.8(99.5,99.9)99.8(99.5,99.9)5.2780.062与2 弧组相比，*P0.05；与3弧组相比,&P0.05；与4组相比,#P0.05)。这与张杰等16 、杨波等17 研究结果基本一致。说明增加旋转弧数量对VMAT计划的MU和出束时间有少量增加。加速器执行计划的准确度是保证放疗效果和控制放疗并发症的重要因素2 0 。通过率的高低反映加速器执行计划偏差的大小，在3%/3mm评价标准时通过率9 5%表示加速器执行计划状态较好2 1。笔者研究4组计划通过率在3%/3mm评价标准时均 9 5%，说明Halcyon加速器执行VMAT计划的准确度较高,且增加旋转弧数不会对治疗准确度带来影响。综上所述，4弧的乳腺癌VMAT计划可获得更优的剂量学分布。其能够使PTV受照射更加精准,剂量分布更加均匀,肺和心脏等危及器官的受照射体积和剂量也有不同程度降低。继续增加旋转弧数量不能带来更好的剂量学收益，反而会少量增加MU、出束时间及两弧之间的衔接时间和计划优化时间。推荐在左乳腺癌改良根治术后基于Halcyon加速器采用4弧的VMAT计划。参考文献：1 J Early Breast Cancer Trialists Collaborative Group(EBCTCG),Darby S,McGale P,Correa C,et al.Effect of radiotherapy afterbreast-conserving 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