鄧官華，黃愛花，陳麗霞，羅龍輝，戴鵬，張平，賴名耀，山常國，黃慶，蔡林波

1.廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心，廣東廣州510510；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)祈福醫(yī)院呼吸內(nèi)科，廣東廣州511495；3.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510515

前言

腦轉(zhuǎn)移瘤是成年顱內(nèi)常見的惡性腫瘤之一，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，腫瘤患者生存時間的延長，約10%～30%的腫瘤患者會發(fā)生腦轉(zhuǎn)移［1］，且有約50%的腦轉(zhuǎn)移瘤患者為多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤［2］。容積旋轉(zhuǎn)調(diào)強技術(shù)（VMAT）能實現(xiàn)更好的靶區(qū)均勻性、適形度及劑量跌落更快，常作為治療多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤的首選治療技術(shù)［3］。相對于傳統(tǒng)固定野調(diào)強技術(shù)，VMAT 計劃的計算復(fù)雜度更高，對加速器機械精度要求更為嚴(yán)格［4］。為了保證放療過程中的安全性，治療前都需要對VMAT 計劃進行劑量學(xué)驗證。目前，多數(shù)放療中心在進行放療計劃劑量驗證時采用Gamma通過率來判斷VMAT 計劃是否合格［5-8］。Gamma 通過率受到Gamma 分析標(biāo)準(zhǔn)、劑量分布分辨率、準(zhǔn)直器葉片（Multi-Leaf Collimator,MLC）到位精度及角度精度等多種因素的影響?，F(xiàn)有的大多數(shù)文獻，主要集中研究擺位誤差［9-10］、劑量分布分辨率［11-12］及MLC 到位精度［4,13-14］對Gamma 通過率的影響。準(zhǔn)直器角度誤差對單中心多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT 計劃的Gamma 通過率是否有影響，相關(guān)文獻報道較少。本質(zhì)上講，Gamma 比較法是一種定量比較兩種劑量分布的方法，它不僅可以用于計劃系統(tǒng)計算分布與測量分布之間的比較，同時還可以用于兩種測量分布或者兩種計算分布之間的比較［15-16］。因此，本研究通過旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器角度模擬準(zhǔn)直器角度誤差大小來分析單中心多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT 計劃中準(zhǔn)直器角度誤差對Gamma 通過率的影響。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2018年1月～2019年6月廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心收治確診為多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤患者21例，其中男10例，女11例，年齡29～74歲，腫瘤的體積為（0.7～68.7）cm3。

1.2 儀器設(shè)備

美國Varian UNIQUE 直線加速器，配備60 對全自動獨立MLC，中心40 對MLC 寬度為0.5 cm，兩端各10 對MLC 寬度為1.0 cm，采用滑窗調(diào)強運動模式，計劃劑量率設(shè)置為400 MU/min。放療計劃系統(tǒng)為Varian Eclipse 13.6，射線能量為6 MV X 線，劑量算法為各向異性解析算法（Anisotropic Analytical Algorithm,AAA）［17］，計算網(wǎng)格設(shè)置為2.5 mm。

1.3 VMAT計劃設(shè)計

所有患者均采用VMAT 動態(tài)調(diào)強滑窗技術(shù)照射，采用3～4 條弧，其中1～2 條為共面弧，2 條非共面弧，等中心位于各個腫瘤中心與等中心之間的距離之和最小的位置［18］，如圖1所示。為了避免Varian MLC 溝槽效應(yīng)的影響，準(zhǔn)直器角度設(shè)置為10°或350°。計劃靶區(qū)（PTV）處方劑量為24 Gy，8 Gy/次。正常組織約束條件為［19］：腦干Dmax＜23.1 Gy，延髓Dmax＜21.9 Gy，晶 體Dmax＜7 Gy，視 神 經(jīng)Dmax＜17.4 Gy。VMAT計劃設(shè)計完成并得到醫(yī)生確認(rèn)后，將此治療計劃作為模板計劃。

圖1 多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT計劃等中心設(shè)置示意圖Fig.1 Iso-center setting of volumetric modulated arc therapy for multiple brain metastases

VMAT計劃執(zhí)行過程中準(zhǔn)直器角度誤差模擬：在模板計劃的基礎(chǔ)上，改變準(zhǔn)直器角度，保持其他參數(shù)不變，模擬準(zhǔn)直器角度誤差。準(zhǔn)直器的旋轉(zhuǎn)偏移角度為±0.5°、±1.0°、±1.5°、±2.0°，“+”號誤差為順時針方向旋轉(zhuǎn)誤差，“－”號誤差為逆時針方向旋轉(zhuǎn)誤差。例如，+0.5°表示VMAT 計劃中每條弧的準(zhǔn)直器角度旋轉(zhuǎn)偏移0.5°。不進行通量優(yōu)化，重新計算劑量分布，然后分別輸出每個計劃等中心水平面的劑量分布圖，輸出時劑量分布的分辨率設(shè)置為0.392 mm/像素［11］。所有生成VMAT 計劃，均不作為實際執(zhí)行治療計劃，僅限于實驗參數(shù)比較。

1.4 Gamma指數(shù)分析

采用Gamma分析法進行等中心平面劑量分布比較，即將模板計劃的等中心平面劑量分布圖與準(zhǔn)直器角度旋轉(zhuǎn)偏移的等中心平面劑量分布圖進行Gamma分析比較，其計算公式如下所示［12,20］：

其中，

式中，r(rm,rc)為c點與m點之間的距離，δ(rm,rc)為c點與m點之間的劑量差。ΔD為劑量差別標(biāo)準(zhǔn)，Δd為距離一致性標(biāo)準(zhǔn)。采用IBA OmniPro-I'mRT（Version：1.7）軟件計算Gamma 指數(shù)，計算中取最大劑量點為歸一點，ΔD和Δd分別取3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)γ(rm)≤1時，計算通過，否則計算失敗。實際劑量分布的采集采用Varian Unique 自帶的a-Si 1000 非晶硅半導(dǎo)體探測器，有效探測面積為40 cm×30 cm，分辨率為0.392 mm/像素。通過OmniPro-I'mRT 可得到劑量分布的Gamma 通過率，對比不同準(zhǔn)直器角度誤差得到的Gamma 通過率結(jié)果，分析準(zhǔn)直器角度誤差對單中性多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT計劃Gamma通過率的影響。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用IBM SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)處理分析，計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用非參數(shù)配對Wilcoxon秩和檢驗，顯著性檢驗水準(zhǔn)為0.05，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

圖2為無準(zhǔn)直器角度誤差下，計劃系統(tǒng)預(yù)測通量圖和EPID 實際采集的通量圖及3%/3 mm 標(biāo)準(zhǔn)下Gamma 指數(shù)的分布圖。表1為3%/3 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，不同準(zhǔn)直器角度誤差的Gamma 通過率及統(tǒng)計學(xué)差異。從表1可以看出，當(dāng)準(zhǔn)直器角度誤差大于0.5°時，其Gamma 通過率具有顯著性差異。此外，隨著準(zhǔn)直器角度誤差增大，Gamma通過率的標(biāo)準(zhǔn)差也隨之增大。

圖3顯示為應(yīng)用3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)作為評價指標(biāo)時，每種準(zhǔn)直器角度誤差引起Gamma平均通過率的變化圖。在1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，-2.0°、-1.5°、-1.0°、-0.5°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°準(zhǔn)直器角度誤差的Gamma 平均通過率分別降低4.80%、3.30%、2.00%、0.82%、0.73%、1.50%、2.10%、3.10%。

圖4為準(zhǔn)直器角度誤差為±0.5°、±1.0°、±1.5°、±2.0°時，分別在3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm及1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，其Gamma 通過率的統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果圖。從圖4可以看出，當(dāng)準(zhǔn)直器角度誤差小于或等于0.5°時，在3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，Gamma 通過率無統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。例如當(dāng)評價標(biāo)準(zhǔn)為1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)時，-2.0°、-1.5°、-1.0°、-0.5°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°準(zhǔn)直器角度誤差的P值分別為0.003、0.005、0.020、0.593、0.469、0.043、0.030及0.001。

3 討論

圖2 無準(zhǔn)直器角度誤差中，3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)下Gamma指數(shù)分布圖Fig.2 Gamma distribution maps with the collimator angle error of 0°under the criterion of 3%/3 mm

表1 3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)下，不同準(zhǔn)直器角度誤差的Gamma通過率(xˉ± s)Tab.1 Gamma passing rates with different collimator angle errors under the criterion of 3%/3 mm(Mean±SD)

圖3 引入準(zhǔn)直器角度誤差后在不同標(biāo)準(zhǔn)下Gamma通過率的變化圖Fig.3 Gamma passing rate changes after introducing different collimator angle errors under difference criteria

圖4 不同準(zhǔn)直器角度誤差下Gamma通過率統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果圖Fig.4 Results of statistical analysis on Gamma passing rates after introducing different collimator angle errors under difference criteria

隨著準(zhǔn)直器調(diào)強技術(shù)在臨床上的廣泛應(yīng)用，放射治療已經(jīng)進入精確放療時代［3］。VMAT 作為一種精度要求較高的調(diào)強放療技術(shù)，能最大限度將高能射線聚焦于靶區(qū)內(nèi)，最大限度保護周圍正常組織和危及器官不受照射。但由于技術(shù)本身的特點，微小的誤差都有可能對靶區(qū)和危及器官的照射量形成較大的影響。在實際臨床工作中，計劃的劑量分布與實際照射的劑量分布存在一定差異，這可能是患者擺位誤差所致，也有可能是加速器本身機械誤差的原因?，F(xiàn)有的文獻主要側(cè)重研究MLC到位精度對調(diào)強計劃劑量分布的影響，缺乏對準(zhǔn)直器角度誤差對腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT 計劃劑量分布影響的分析。在本文中主要探討準(zhǔn)直器角度誤差對多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT計劃Gamma通過率的影響。

在本研究中，如表1所示，隨著準(zhǔn)直器角度誤差增大，Gamma 通過率的標(biāo)準(zhǔn)差也隨之增大。這提示當(dāng)準(zhǔn)直器角度誤差增大時，Gamma 通過率的穩(wěn)定性有所下降。另外，如圖3所示，在相同旋轉(zhuǎn)方向上，準(zhǔn)直器角度誤差越大，Gamma平均通過率下降越大，且評價標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格，其下降幅度越大。例如，3%/3 mm標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)準(zhǔn)直器角度誤差為-2°時，其Gamma 平均通過率下降2.12%，而在1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，其Gamma平均通過率下降4.75%。此外，由圖4可知，當(dāng)準(zhǔn)直器角度誤差大于0.5°時，在3%3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，其Gamma 通過率具有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。在0.5°范圍內(nèi)，雖然Gamma通過率差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，但是數(shù)據(jù)的離散度有所增加，穩(wěn)定性下降。在AAPM TG-142 報告中［21］，要求準(zhǔn)直器角度誤差要控制在±0.5°內(nèi)，這與本文的研究結(jié)果一致。

根據(jù)美國物理師協(xié)會的建議，在3%/3 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，Gamma通過率需大于90%，調(diào)強計劃才符合臨床要求。Gamma通過率作為評價VMAT計劃是否符合臨床要求的一個重要指標(biāo)，其受多種因素影響［9-14］。張達光等［11］、曹午飛等［12］研究表明在劑量分布驗證中圖像的分辨率對Gamma通過率有顯著影響。其試驗結(jié)果顯示Gamma通過率會隨著圖像分辨率的增大而減小，并建議計劃系統(tǒng)輸出的劑量分布的分辨率選取為1 mm 更合適。為了避免取樣分辨率對Gamma 通過率的影響，在本研究中劑量分布的分辨率選取為0.392 mm/像素，既保證Gamma通過率的可靠性，同時兼顧Gamma 通過率的計算時間。此外，Gamma通過率還與探測器的空間分辨率有關(guān)。張建英［7］發(fā)現(xiàn)對二維電離室矩陣（IBA Matrixx）進行插值后，調(diào)強驗證的Gamma通過率顯著下降，結(jié)果顯示使用電離室矩陣固有分辨率進行驗證的Gamma通過率最高。在本文中，采用Varian Unique 自帶的a-Si 1000 非晶硅半導(dǎo)體探測器進行實際測量，其有效探測面積為40 cm×30 cm，分辨率高達0.392 mm/像素，涵蓋計劃系統(tǒng)輸出劑量分布的分辨率，避免探測器空間分辨率對Gamma通過率的影響。

本文只對準(zhǔn)直器角度誤差進行單因素研究，但在實際治療中，往往是多個因素同時存在影響著Gamma 通過率。例如，王清鑫等［4］發(fā)現(xiàn)3%/3 mm 標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)MLC 整體偏移2 mm 時，Gamma通過率下降7.9%。盧曉光等［22］研究表明準(zhǔn)直器的重力效應(yīng)會對調(diào)強放療計劃Gamma 通過率產(chǎn)生影響。另外，本文是針對整個中心平面進行Gamma 分析，一些無關(guān)重要的測量點會在計算范圍內(nèi)，這可能會影響到最終Gamma 通過率的數(shù)值。AAPM TG-218 報告中［23］，提出理想的Gamma 分析應(yīng)該針對單個組織、器官或者PTV，所以本研究仍存在一定的局限性，但是對于準(zhǔn)直器角度誤差對單中心多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT 計劃劑量學(xué)驗證的影響已有一個初步的認(rèn)識。

4 結(jié)論

本文通過旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直器角度模擬準(zhǔn)直器角度誤差，探討準(zhǔn)直器角度誤差對單中心多發(fā)腦轉(zhuǎn)移瘤VMAT計劃Gamma通過率的影響。實驗結(jié)果顯示在3%/3 mm、2%/3 mm、3%/2 mm、2%/2 mm 及1%/1 mm標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)準(zhǔn)直器角度誤差大于0.5°時，其Gamma 通過率具有統(tǒng)計學(xué)差異。隨著準(zhǔn)直器角度誤差越大和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)越嚴(yán)格，Gamma 平均通過率下降越大。因此，為了保證VMAT 計劃執(zhí)行的準(zhǔn)確性，需要對準(zhǔn)直器角度做更加嚴(yán)格的質(zhì)量控制和保證。