机械旋转误差对单中心多发脑转移瘤VMAT计划剂量

目的：直线加速器的机械旋转误差对单中心多发转移瘤VMAT计划剂量分布的影响。方法：随机选取21例多发脑转移瘤患者，假定患者均采用非共面VMAT放疗计划，分别将治疗床、准直器的角度旋转偏移±0.5°、±1°、±5°、±2°，并通过 Eclipse 16 Version 治疗计划系统模拟机械旋转偏移误差在多发脑转移瘤VMAT计划中对剂量分布的影响。记录并分析不同治疗床、准直器角度旋转偏移下，靶区的适形度（CI），剂量梯度跌落指数（GI），剂量均匀性指数（HI）以及危及器官剂量分布。结果：与无机械旋转偏移的VMAT计划比较，当治疗床及准直器角度旋转偏移大于0.5°时，靶区的CI，GI（治疗床除外）及HI差异具有统计学意义(p<0.05)。机械旋转误差对靶区剂量分布的影响与旋转半径及旋转偏移角度有关，物理师在设计单中心多发脑转移VMAT计划时应充分考虑等中心与靶区之间的距离，六维床旋转误差校正阈值为0.5°更为合理。

关键词：单中心；多发脑转移瘤；容积旋转调强；机械旋转误差；

1. 前言

立体定向放射治疗（stereotactic radiosurgery，SRS）因其能将高能射线聚焦于靶区内，使得肿瘤组织受到高剂量照射，周围正常组织受量减小的特点成为多发脑转移瘤治疗的重要治疗手段。容积旋转调强技术（volumetric modulated arc therapy，VMAT）具有治疗速度快，调制射线能力强等特点，常作为实现SRS的首选方式。如果在VMAT计划实施过程中，射线传递的不准确将会给肿瘤周边正常组织带来不可逆的组织损伤。因此减少放射治疗误差，提高放射治疗的精度是放射物理领域研究人员不断追求的目标。

Van herk在其发表的研究中，指出放疗误差产生的原因主要包括四个方面：靶区的勾画，患者的摆位，危及器官的运动以及直线加速器备的机械误差。在2009年，美国医学物理师协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）发表了TG142号报告，给出了直线加速器的质量保证和质量控制的详细流程及相应检测项目的容差推荐值。然而在TG142报告中，并没有机械误差对放疗计划剂量分布的影响。现有的绝大多数科学文献主要患者摆位误差对放疗计划剂量分布的影响，缺乏对直线加速器机械误差对放疗计划剂量分布影响的理论与数值分析，而且直线加速器的机械误差除了沿垂直轴（X，Y，Z方向）的误差外，机械的旋转误差同样也会对放疗计划的剂量分布产生影响。研究机械旋转误差对放疗计划剂量分布的影响，制定出更为完善的QA和QC程序，对于减少放射治疗误差，提高放射治疗精度有着重要意义。因此，在接下来我们中将从理论以及实际出发，治疗床、准直器角度旋转偏移对单中心多发脑转移瘤VMAT计划剂量分布的影响。

2.资料与方法

1一般资料

随机选取2018年1月至2019年6月于肿瘤综合治疗中心收治确诊为脑转移瘤的21例患者的头部定位CT图像，其中男性10例，女性11例，年龄为56.05±11.09岁，脑转移瘤个数为2个为11例，3个5例，4个5例。肿瘤的体积范围为0.768.7 cm3。

2仪器设备

Siemens 64排大孔径螺旋放疗专用CT模拟定位机（SOMATOM Definition AS），CT扫描层厚为5 mm；Varian UNIQUE直线加速器，射线能量为6 MV光子，配备60对全自动独立多叶准直器(Multi Leaf Collimator, MLC)，其中中间40对MLC宽度为0.5 cm，其余MLC宽度为 1.0 cm，采用滑窗调强运动模式；Varian Eclipse 16治疗计划系统，可实现VMAT计划设计。

3机械旋转误差的数学计算公式推导

图1显示为机械旋转误差导致肿瘤由A位置旋转偏移到B位置的示意图。如图1所示，以等中心点为旋转中心，D为旋转半径（等中心点到靶区距离），θ为旋转偏移角度，则有机械旋转误差产生的位移偏差可表示为[13]:

4调强放疗计划设计

由资深医生勾画靶区(PTV)和危及器官后，经物理师设计调强放疗计划。所有治疗计划均采用VMAT动态调强滑窗技术照射，多叶准直器角度为10°或350°，避免叶片引起的凹凸论效应，采用34条弧，其中12条为共面弧，2条非共面弧。在接下来我们中，等中心位于各个靶区与等中心之间的距离之和最小的位置，如图2所示。假设在患者头部中存在n个靶区，则每个靶区与等中心(x,y,z)的距离之和可表示为:

其中x_n, y_n, z_n分别为第n个靶区的空间坐标。则有式（2）的最优解f ̂可表示为：

其中x ̂,y ̂,z ̂ 为目标函数f的最优解。通过调用Matlab中的无约束非线性规划函数fminunc编写程序可求解式（3）。

采用各向异性算法计算照射区域剂量，PTV处方剂量为24 Gy，8 Gy/次。正常组织约束条件为：脑干Dmax< 21 Gy，晶体Dmax< 7 G y，视神经Dmax< 17.4 Gy，延髓Dmax < 21.9 Gy。VMAT计划优化完后由医生评估确认，并以此治疗计划作为模板计划。

5机械旋转误差获取

在模板计划的基础上，分别改变治疗床、准直器旋转角度，保持其他参数不变，模拟机械旋转误差。治疗床、准直器的旋转偏移角度为±0.5°、±1°、±5°、±2°，不进行通量优化，重新计算剂量分布。所有生成VMAT计划，均不作为实际执行治疗计划，仅限于实验参数比较。

2.6评价指标

根据ICRU 83号报告，评估PTV的剂量参数包括D2%、D50%以及D98%，此外在本研究中还引入适形性指数（conformal index，CI）、剂量梯度跌落指数（gradient index，GI）以及均匀性指数（homogeneity index，HI）来评估计划质量。CI、GI以及HI计算公式如下：

其中， 〖TV〗_PV为接受处方剂量的PTV体积，TV为PTV体积，PV为处方剂量的体积，V50%为50%处方剂量的体积，V100%为处方剂量的体积，D_p为处方剂量。

2.7统计学分析

采用SPSS 21.0对数据进行统计学处理分析，计量资料采用均数±标准差表示，采用配对Wilcoxon检验，显著性检验水准为0.05。

3.结果

表1显示为不同旋转半径D以及旋转偏移角度θ对肿瘤旋转位移偏差的影响。当旋转半径D固定时，肿瘤位移偏差随着旋转偏移角度α的增加而增加；当旋转偏移角度α固定时，肿瘤位移偏差随着旋转半径D的增加而增加，如由表1所示。

图 3显示为不同治疗床角度旋转偏移下，PTV剂量学参数变化的箱线图。由图3可知，当治疗床旋转角度偏差大于±0.5°时，其CI及HI指数差异具有统计学意义(p<0.05)。

图 4显示为不同多叶准直器角度旋转偏移下，PTV剂量学参数变化的箱线图。由图4可知，当多叶准直器旋转角度偏差为大于±0.5°时，其CI、GI和HI指数差异均具有统计学意义(p<0.05)。

4.讨论

临床上对于放疗计划的评价是建立在标准无误的放疗计划系统（treatment planning system，TPS）基础之上，并不能保证实际实施的放疗计划与TPS中预设的计划保持一致。虽然在实际工作中，物理师会定期对直线加速器进行QA与QC，以确保直线加速器的机械误差在允许范围内，但由于直线加速器的机械误差是无法消除，这将必然会导致实际实施的放疗计划与TPS中的预设计划有差异，即患者体内的实际剂量分布和放疗计划预期不同。文献表明3%5%的剂量改变可导致肿瘤的局控率下降以及正常组织的并发症率上升。相对于胸腹部肿瘤，头部肿瘤结构更为复杂，周围包含着脑干、脊髓等重要器官相邻，因而研究机械旋转误差对头部SRS计划剂量分布的影响具有重要的意义。

Rosca等人的研究指出，治疗床、多叶准直器等部件的机械误差都会影响射线在等中心平面的剂量分布。针对上述问题，接下来我们研究了直线加速器的治疗床、多叶准直器旋转误差对单中心多发转移瘤VMAT计划剂量分布的影响。表1的结果显示，肿瘤的位移偏差随着旋转半径及旋转偏移角度的增加而增加。当旋转半径为10 cm，旋转偏移角度大于0.5°时，肿瘤的位移偏差将大于1 mm，超出TG142号报告允许的偏差范围1 mm。这提示物理师在设置等中心位置时，应考虑等中心与靶区的距离不超过10 cm，6维床允许旋转偏移角度不超过±0.5°。李志聪等人研究了治疗床旋转误差对鼻咽癌IMRT计划准确性的影响，发现当治疗床旋转误差≤5°时，靶区的gamma通过率并无统计学差异，并且发现治疗床旋转误差对靶区剂量的准确性影响于靶区的长度有关，建议将治疗床的旋转容差值设定为5°。但对于大剂量的SRS治疗，AAPMTG142号报告中，明确给出了治疗床的允许误差推荐为±0.5°。在接下来我们中，如图3、4所示，当治疗床及准直器角度偏转大于±0.5°时，CI和HI会产生显著性差异(p<0.05)，实验结果与AAPM推荐值相符合。

Morrison Jay等人的研究表明在多发脑转移瘤VMAT计划中，单中心与多中心的VMAT计划在GI、CI、HI指数方面并没有差异，因而在接下来我们中对于多发脑转移瘤采用了单中心VMAT计划。接下来我们的研究中仅仅单独的考虑治疗床或多叶准直器的旋转偏移对VMAT计划剂量分布的影响，而忽略了两者之间的相互影响。治疗床、多叶准直器同时发生旋转偏移对VMAT计划剂量分布有多大的影响，还需进一步研究。

5.

接下来我们通过分别改变治疗床、准直器旋转偏移角度，模拟机械旋转误差对单中心多发脑转移VMAT计划剂量分布的影响，发现当治疗床及准直器角度偏转大于±0.5°时，靶区的CI及HI会产生显著性差异。接下来我们的实验结果可为物理师设计单中心多发脑转移VMAT计划时选择合适的等中心位置，以及放射治疗师选择合适的六维床允许偏移角度提供技术参考。

参考文献（略）