两种放疗系统的乳腺癌保乳术后切线弧容积旋转调强放疗计划质量评估与剂量学质量控制检验
时间：2023-02-24 10:40:07 来源：千叶帆 本文已影响人
林金勇(通信作者)
1 福建医科大学肿瘤临床医学院，福建省肿瘤医院 (福建福州 350014)；
2 福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室和福建省光子技术重点实验室 (福建福州 350007)
乳腺癌已成为全球女性患病率最高的癌症，年新发病例高达226万，死亡病例达69万[1]。对于早期乳腺癌，保乳手术结合术后放疗已成为标准治疗手段，可在保证乳房美观的同时，显著提高患者生存率[2-3]。切线弧容积旋转调强放疗(tangential volumetric modulated arc therapy，t-VMAT)是当前进行乳腺癌放疗的新技术，其通过部分切线弧的旋转照射形式，实现对肿瘤靶区的精确适形照射，可有效降低周围重要器官的受照剂量[4]。本研究针对乳腺癌保乳术后放疗患者，应用本中心拥有的TrueBeam与Axesse精准放疗设备分别设计乳腺癌t-VMAT计划，旨在探讨两套系统设计的乳腺癌放疗计划的剂量学特性，评估其计划质量与剂量学质量控制检验结果，以期为临床乳腺癌保乳术后患者的放疗提供参考，现报道如下。
1.1 一般资料
选取2021年8月至2022年2月在我院接受放射治疗的16例保乳手术后左侧乳腺癌女性患者为研究对象，均为早期(0～Ⅱa期)，年龄31～49岁，平均(40±9)岁。患者均签署研究知情同意书。本研究获得医院医学伦理委员会审核批准(审批编号：2017-065-01)。
1.2 CT模拟定位
所有患者均通过真空垫和体部网膜固定，并上抬手臂、仰卧于CT床上；
在PHILIPS大孔径CT模拟机下进行定位扫描(层厚为5 mm)，并将得到的CT影像上传至工作站，由放疗科医师根据解剖结构进行靶区与危及器官勾画。
1.3 靶区与危及器官勾画
计划靶区(planning target volume，PTV)由包含左侧乳腺腺体和胸壁淋巴引流区的临床靶区(clinical target volume，CTV)经均匀外放5 mm得到，并回缩前界至皮下3 mm；
重要器官需要勾画健侧乳腺、心脏、脊髓、健侧肺及患侧肺；
之后将勾画好的靶区和重要器官的CT影像分别传输至TrueBeam加速器的Eclipse 15.5计划系统(美国瓦里安公司)及Axesse加速器的Monaco 5.11.03计划系统(瑞典医科达公司)，进行t-VMAT计划设计。
1.4 处方剂量和计划设计
处方剂量：PTV给予45 Gy/25次处方剂量，要求处方剂量至少包绕95%靶体积。重要器官限量要求：健侧乳腺最大剂量(Dmax)<10 Gy，心脏平均剂量(Dmean)<7 Gy，脊髓最大剂量(Dmax)<35 Gy，肺受到20 Gy照射的体积占肺总体积的百分比(V20)<25%，肺受到5 Gy照射的体积占肺总体积的百分比(V5)<55%。
计划设计：t-VMAT计划的切线弧布野角度是根据靶区形状确定切线方向作为起始角度和终止角度，然后避开射线正入射患侧肺的部分弧度，从而形成类似剪刀状的两段切线弧；
对于Monaco计划系统，两段切线弧的角度分别为(290°±5°)～(350°±5°)和(100°±5°)～(160°±5°)；
其他设置参数，最大弧数为2，每弧的最大控制点为150，考虑呼吸运动射野边界自动外扩Auto-Flash为1.5 cm，剂量计算采用蒙特卡罗算法(Monte Carlo，MC)；
对于Eclipse计划系统，先设置(290°±5°)～(160°±5°)的顺时针和逆时针双弧，再通过Avoidance遮挡功能，屏蔽掉(350°±5°)～(100°±5°)区间的弧度，考虑呼吸运动PTV前界外扩1.5 cm进行假组织补偿；
剂量计算使用先进外照射光子剂量算法(acuros external beam，Acuros XB)；
两套计划系统均选用6 MV能量的X线，Monaco计划系统采用医科达Axesse加速器数据，Eclipse计划系统采用瓦里安TrueBeam加速器数据。
1.5 计划评估
参照国际辐射单位和测量委员会83号报告标准[5]，通过剂量分布和剂量体积直方图对计划进行评估；
对于计划靶区PTV，评估其平均剂量(Dmean)、98%、95%、2%体积的剂量(D98%、D95%、D2%)、适形指数(conformity index，CI)及均匀性指数(homogeneity index，HI)；
CI=(Vt,ref×Vt,ref)/(Vref×Vt)，其中Vt,ref为处方剂量所包绕的靶区体积，Vref为处方剂量所包绕的体积，Vt为靶区体积，0
同时，统计两套系统设计的乳腺癌计划的总机器跳数。
1.6 剂量学质量控制检验
为保证放疗计划实施照射的准确性和安全性，需要在t-VMAT计划执行前进行剂量学质量控制检验(即剂量验证)，以检验计划剂量计算的精确性和计划传输中的临床相关差错。本研究对两套系统的乳腺癌计划分别应用三维剂量验证系统ArcCHECK(美国Sun Nuclear公司)进行剂量验证；
ArcCHECK是拥有1 386个半导体探测器的圆柱形旋转照射剂量测量仪[6]。通过Gamma分析方法，比较实际测量剂量与理论计算剂量之间的差别，得到两套系统在3%/2 mm标准和剂量阈值10%条件下的剂量Gamma通过率。
1.7 统计学处理
2.1 剂量分布比较
图1为Eclipse与Monaco系统设计的左侧乳腺癌保乳术后计划的横断面剂量分布图。从图上可定性观察出，两套系统设计的乳腺癌计划45 Gy处方等剂量线均能较完整地包绕靶区；
此外，Eclipse计划的20 Gy和5 Gy等剂量线对心脏、肺等重要器官的照射区域要略小于Monaco计划。
图1 Eclipse与Monaco计划横断面剂量分布图
2.2 剂量学参数比较
为进一步定量比较两个系统设计的乳腺癌t-VMAT计划的剂量学优劣，表1～3分别列出了靶区与危及器官(脊髓、心脏、健侧乳腺、患侧肺和健侧肺)的剂量体积参数。
表1为两套系统靶区的剂量学参数，经比较后发现，两套系统设计的t-VMAT计划的靶区95%体积受到的照射剂量(D95%)均超过45 Gy处方剂量，即均达到大于95%靶区的处方剂量覆盖；
其中，Eclipse计划的靶区均匀性HI较Monaco计划略差(P<0.05)，两者适形指数CI相当(P>0.05)。
表1 两套放疗系统的乳腺癌靶区剂量学参数比较
表2 两套放疗系统的乳腺癌脊髓、心脏和健侧乳腺剂量学参数比较
表3 两套放疗系统的乳腺癌患侧肺与健侧肺剂量学参数比较
表2、3比较了两套系统危及器官的剂量学参数。对于脊髓受量，Eclipse计划的脊髓最大剂量Dmax小于Monaco计划(P<0.05)；
但对于健侧乳腺Dmax，Eclipse计划则大于Monaco计划(P<0.05)；
对于心脏保护，Eclipse计划较Monaco计划的心脏Dmean、V30、V40均有显著减少(P<0.05)；
此外，在肺的受量上，与Monaco计划相比，Eclipse计划的肺Dmean、V5、V15、V20和V30均相对较低(P<0.05)。
2.3 计划治疗跳数比较
Eclipse与Monaco系统设计的乳腺癌保乳术后放疗计划的机器跳数分别为(388.3±31.5)MU和(692.3±56.2)MU；
Eclipse计划平均机器跳数比Monaco计划少了43.9%(P<0.05)。
2.4 剂量质量控制验证通过率比较
为保证调强放疗计划实施剂量的准确性和安全性，应用ArcCHECK三维剂量验证系统进行计划剂量学质量控制检测，分别对Eclipse与Monaco两套系统设计的乳腺癌保乳术后t-VMAT放疗计划进行剂量验证。如图2所示，基于Gamma分析方法，在3%/2 mm标准阈值下，Eclipse与Monaco计划的剂量通过率分别为(98.8±0.7)%和(99.0±0.6)%，均>95%，差异无统计意义(P>0.05)，均达到临床剂量学质量控制要求。
图2 Eclipse与Monaco计划剂量验证通过率比较
放射治疗是早期乳腺癌保乳术后患者的标准治疗方式，有助于提高其局部控制率和远期生存率。t-VMAT技术通过部分切线弧的旋转照射形式，避开对肺和心脏受量影响较大的部分正入射弧度，充分利用影响较小的切线弧角度，从而可在保证靶区充足照射和剂量适形性的情况下，显著减少周围危及器官的照射剂量，是一种先进的调强放疗技术。本研究利用当前国际两大主流加速器厂商(瓦里安和医科达公司)的先进加速器和计划系统，即TrueBeam加速器/Eclipse系统和Axesse加速器/Monaco系统，分别设计乳腺癌保乳术后t-VMAT计划，发现两套精准放疗系统设计的乳腺癌计划均能满足临床要求，均能达到大于95%的靶区处方剂量覆盖；
Eclipse计划对脊髓、心脏、肺的保护更具优势，Monaco计划则对健侧乳腺的保护更好；
另外，Eclipse计划的机器跳数比Monaco计划少，计划执行效率更高，两者的剂量验证通过率均>95%，均达到临床剂量学质量控制要求，均能实现计划准确照射。
在乳腺癌放疗过程中，放射性心脏损伤、放射性肺炎和放射诱导乳腺第二原发肿瘤是其重要并发症，发生率及严重程度与心脏、肺、健侧乳腺受到的照射剂量紧密相关[2，7-8]。本研究发现，相较于Monaco计划，Eclipse计划的心脏平均剂量减少了3.02 Gy，V30减少了2.97%，V40减少了1.10%(P<0.05)，有助于降低远期心脏损伤发生率[7]；
同时，Eclipse计划的患侧肺平均剂量Dmean、V5、V15、V20和V30分别减小了2.37 Gy、7.63%、5.94%、5.34%和4.24%(P<0.05)；
健侧肺平均剂量Dmean和V5分别减小了0.87 Gy和0.47%，有助于降低放射性肺炎发生率[8]；
但是，Monaco计划的健侧乳腺Dmax较Eclipse计划低，更有利于降低放射诱导第二原发肿瘤的发生风险。
两套精准放疗设备设计的乳腺癌放疗计划存在差异的原因可能为两套计划系统计算算法的差异、优化函数的应用差异、加速器机械差异等[9]。本研究认为，首先是计划系统算法的不同；
Eclipse使用的是Acuros XB算法，通过数值分析的方法求解线性玻尔兹曼输运方程，考虑非均匀性组织对剂量计算的影响；
Monaco采用MC算法，是通过随机抽样进行数值积分，考虑不同组织的放射性差异[10]；
其次是多叶光栅厚度的差异，TrueBeam与Axesse加速器的射野范围尽管均为40×40 cm2，但TrueBeam中间20 cm范围内每片的宽度均为0.5 cm，两侧10 cm范围每片宽度均为1 cm；
Axesse叶片宽度均为0.5 cm；
但这些因素均需未来进行进一步的深入研究。
综上所述，不同放疗系统在计划质量方面存在差异。鉴于越来越多的放疗中心都配置有多套放疗系统，作为物理师，需了解不同系统的优势，以便在日常工作中根据临床实际需求，选择合适的放疗系统进行个体化计划设计。
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